城市“生命線”的守護(hù)神
—— 智慧管網(wǎng)項(xiàng)目介紹

◎ 北京無線電計(jì)量測試研究所 王 旭

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大、城市設(shè)施的不斷完善，以及新老城區(qū)的發(fā)展改造，城市管網(wǎng)體系日益龐雜，構(gòu)成了城市運(yùn)行的“血脈”和“神經(jīng)”網(wǎng)絡(luò)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，國務(wù)院兩次就城市地下管線管理工作做出重要批示。2013年，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)意見》，要求加強(qiáng)對城市地下管線的建設(shè)管理；2014年，國務(wù)院辦公廳頒布了《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》，提出利用“示蹤標(biāo)識、無損探測與修復(fù)、非開挖、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測和隱患事故預(yù)警等先進(jìn)技術(shù)”，加強(qiáng)城市地下管線的智能化建設(shè)工作。因此，在建設(shè)智慧型城市過程中建立智慧管網(wǎng)體系，符合城市現(xiàn)代化發(fā)展要求，以及當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展需要。

我國城市管線管理現(xiàn)狀

綜合來看，目前我國城市管線管理面臨以下四方面問題：

一是管線空間信息不準(zhǔn)確。城市的各類管線數(shù)據(jù)錯綜復(fù)雜，外部地貌和原始參照物發(fā)生變化后，管線數(shù)據(jù)更新不及時，導(dǎo)致實(shí)際情況與管線數(shù)據(jù)不符或者偏差較大，嚴(yán)重影響現(xiàn)代化城市的精細(xì)化管理，增加了管線在后期運(yùn)行維護(hù)過程中的成本和風(fēng)險。

二是管線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測手段匱乏。目前針對管線領(lǐng)域的綜合狀態(tài)監(jiān)測手段匱乏，大部分事故和故障都是發(fā)生并表現(xiàn)在路面上以后才被察覺，實(shí)時性較差。這嚴(yán)重制約了科學(xué)、高效的管線日常運(yùn)行管理制度的推進(jìn)。

三是管網(wǎng)事故預(yù)警手段不足。大部分管線事故與故障屬于事后處理，當(dāng)管線事故發(fā)展到普遍可見程度才被發(fā)現(xiàn)時，有可能意味著部分事故的處理難度巨大，這對應(yīng)急搶險工作提出了極高的要求，非常不利于事故風(fēng)險的有效控制。

四是管網(wǎng)數(shù)據(jù)兼容性差。城市地下管線歸口管理單位眾多，各行業(yè)管線數(shù)據(jù)兼容性差，各管線單位缺乏有效、統(tǒng)一的協(xié)調(diào)、組織管理，管線管理部門很難拿到與現(xiàn)場一致的綜合管線圖，難以為施工建設(shè)和故障搶修工作提供全面、及時、高效的服務(wù)。

智慧管網(wǎng)解決方案

城市的地下管線工程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，具有隱蔽性、多源性和多權(quán)屬性等特點(diǎn)，其管理是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)工程。而復(fù)雜系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)是我國航天系統(tǒng)工程的重要理念，經(jīng)過多年的探索和實(shí)踐，航天單位積累了豐富的理論和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。北京無線電計(jì)量測試研究所在智慧城市建設(shè)領(lǐng)域率先提出建設(shè)能夠服務(wù)于城市地下管線安全運(yùn)行的智慧管網(wǎng)管理系統(tǒng)，以服務(wù)涉及民生的所有類型地下管線為管理對象，以地下管線精確定位為基礎(chǔ)，目標(biāo)是全面掌握管線的分布情況，感知管線破損、故障、污染等事故，對管線事故進(jìn)行提前預(yù)警和預(yù)測，為與管線相關(guān)的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)提供全方位的管理支撐，構(gòu)建覆蓋所有類型地下管線的全生命周期綜合管線管理軟件平臺。

▲標(biāo)識器探測儀和地下管線電子標(biāo)識器

▲上位機(jī)服務(wù)系統(tǒng)

該平臺能實(shí)現(xiàn)管線管理方面的四個目標(biāo)：

一是給管線綁定身份ID 信息，實(shí)現(xiàn)精確管理。通過基于射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)的管線電子標(biāo)識系統(tǒng)，將管線“電子身份證”固定在埋地管線的關(guān)鍵部位或者特征點(diǎn)上，用以識別埋地管線的位置、埋深、管徑、管材、用途、輸送介質(zhì)種類、壓力、流向、敷設(shè)日期、施工單位、維護(hù)記錄、使用年限、剩余年限、權(quán)屬單位、維護(hù)單位等信息。

二是全方位感知管線狀態(tài)，為智能化管理提供數(shù)據(jù)支撐。綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等技術(shù)，通過數(shù)據(jù)集中器，獲取管線運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為管線預(yù)警應(yīng)急管理提供可靠支撐，進(jìn)而保證管線安全運(yùn)營，有效幫助管理部門實(shí)時監(jiān)測管線的運(yùn)行狀況，及時發(fā)現(xiàn)異常，排除故障隱患；在故障發(fā)生后快速確定故障原因，降低危害，同時為管網(wǎng)的優(yōu)化和改擴(kuò)建工作提供輔助，避免發(fā)生爆管、停水、停氣等社會影響惡劣的事件。

三是利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管線狀態(tài)的智能化診斷。通過故障診斷和健康管理模型，分析管線相關(guān)數(shù)據(jù)，提前預(yù)警管線可能發(fā)生的故障，針對高風(fēng)險或者老化管線，制定施工修復(fù)和搶修預(yù)案，啟動應(yīng)急搶修業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)管線故障的提前預(yù)報，并且利用故障診斷和預(yù)測算法對管線的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測。

四是構(gòu)建管線數(shù)據(jù)綜合化管理平臺和數(shù)據(jù)規(guī)范，打破原有壁壘。建設(shè)綜合管線管理軟件平臺，以實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)、多業(yè)務(wù)、多部門的整合。促進(jìn)管線信息完整、準(zhǔn)確、互通、共享、集中管理，整合地下管線信息資源，建立共建共享機(jī)制，實(shí)行集中統(tǒng)一管理，杜絕“拉鏈道路”的產(chǎn)生，避免盲目施工損壞管線。標(biāo)準(zhǔn)化是管線信息共享和集成應(yīng)用的重要前提，采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)是從源頭上保證數(shù)據(jù)生命力的基礎(chǔ)，因此，在綜合管線管理軟件平臺建設(shè)中還應(yīng)注重標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定。地下管線數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)后，可以促進(jìn)技術(shù)綜合應(yīng)用，減少“數(shù)據(jù)浪費(fèi)”，杜絕“數(shù)據(jù)廢品”。

北京無線電計(jì)量測試研究所開發(fā)的智慧管網(wǎng)項(xiàng)目是航天技術(shù)在民用領(lǐng)域應(yīng)用的重要嘗試和探索，也是踐行軍民融合發(fā)展之路的又一重大實(shí)踐，對保障城市“生命線”安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有重要意義，是航天技術(shù)進(jìn)軍“智慧城市”應(yīng)用領(lǐng)域的重要組成部分，更是保障我國地下管網(wǎng)安全運(yùn)行的迫切需要，在維護(hù)國家社會和經(jīng)濟(jì)利益方面意義重大。

智慧管網(wǎng)產(chǎn)品介紹

北京無線電計(jì)量測試研究所利用管線電子標(biāo)識實(shí)現(xiàn)了對管線和井口的精確定位，將各類管線狀態(tài)傳感器的感知信息上傳，上層軟件管理平臺對管線狀態(tài)信息進(jìn)行智能分析，實(shí)現(xiàn)對各類管線信息的集中管理和共享。構(gòu)建精確精細(xì)、敏捷高效、全方位和全時段覆蓋的城市管網(wǎng)管理新模式，打破地下管線信息共享的壁壘，形成地下管線“一張圖”，拓展地下管線信息為政府部門、相關(guān)企業(yè)和社會公眾服務(wù)的廣度和深度，有效防止“挖爆管”等危及市民生命財(cái)產(chǎn)安全的惡性事件和“馬路拉鏈”等不良現(xiàn)象的重復(fù)發(fā)生。

管線電子標(biāo)識系統(tǒng)

管線電子標(biāo)識系統(tǒng)主要包括地下管線電子標(biāo)識器、標(biāo)識器探測儀和上位機(jī)服務(wù)系統(tǒng)。

基于RFID技術(shù)的地下管線電子標(biāo)識器主要為地下管線提供身份編碼，通過標(biāo)識器探測儀獲取近場耦合的能量，并將自身的編碼信息傳遞給標(biāo)識器探測儀。標(biāo)識器探測儀通過獲得的編碼信息，在數(shù)據(jù)庫中查詢對應(yīng)管線的相關(guān)屬性信息，包括管線類型、管徑、材質(zhì)、埋深、權(quán)屬單位、建設(shè)年代等。上位機(jī)服務(wù)系統(tǒng)用于存儲管網(wǎng)的拓?fù)浜蛯傩孕畔?，同時具備管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理、巡檢工單派發(fā)和應(yīng)急事件處理等功能。

管線狀態(tài)感知系統(tǒng)

管線狀態(tài)感知系統(tǒng)主要包括管線運(yùn)行狀態(tài)的前端傳感設(shè)備和數(shù)據(jù)解析存儲軟件。地下管線狀態(tài)系統(tǒng)的前端傳感設(shè)備主要基于MEMS技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同應(yīng)用現(xiàn)場下的多源數(shù)據(jù)采集功能，包括供水管網(wǎng)的流量、壓力信息，熱力管網(wǎng)的溫度、濕度、壓力、流量信息，燃?xì)夤芫W(wǎng)的氣體濃度、積水信息，排水管網(wǎng)的液位、氣體濃度信息，電力管網(wǎng)的溫度、開挖信息，以及金屬管網(wǎng)的內(nèi)、外腐蝕和全部井蓋開蓋信息。

另外，由于地下管線深埋在地下，對管線狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集還需要克服地下通信信號傳輸不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。管線狀態(tài)感知系統(tǒng)的全系列產(chǎn)品兼容2G/3G/4G、NB-IOT、Lora通信方式，使得其能適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)需求。

管線狀態(tài)感知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解析存儲軟件部署在上位機(jī)，主要用于接收解析和存儲管線相關(guān)的狀態(tài)信息。該軟件將數(shù)據(jù)劃分為空間數(shù)據(jù)、基本屬性數(shù)據(jù)、動態(tài)傳感數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)存儲管網(wǎng)相關(guān)的空間屬性信息，基本屬性數(shù)據(jù)存儲管網(wǎng)自身的靜態(tài)數(shù)據(jù)（如管線類型、管徑、材質(zhì)、埋深、權(quán)屬單位、建設(shè)年代等），動態(tài)傳感數(shù)據(jù)存儲不同類型傳感設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)則存儲與實(shí)際業(yè)務(wù)相關(guān)的過程數(shù)據(jù)或結(jié)果數(shù)據(jù)，通過不同類型的數(shù)據(jù)存儲，方便可視化引擎、狀態(tài)展示、模型分析、專業(yè)或綜合決策等不同應(yīng)用模塊的數(shù)據(jù)需求。

管線故障診斷預(yù)警系統(tǒng)：狀態(tài)傳感數(shù)據(jù)智能分析

利用管線狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)、各個傳感器在線采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)、管線特性數(shù)據(jù)，構(gòu)建綜合的故障診斷、預(yù)測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）模型，預(yù)警可能發(fā)生的故障。同時，對監(jiān)測到的管線故障進(jìn)行報警，通過綜合分析，對管線的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，及時制定施工修復(fù)和替換預(yù)案，并且還能夠?qū)δ承┯刑厥庑枨蟮墓芫€進(jìn)行專項(xiàng)分析，對管線剩余壽命進(jìn)行預(yù)測，對危險源和危險區(qū)域進(jìn)行辨識和管理，進(jìn)而有效避免災(zāi)害事故發(fā)生，提高地下管網(wǎng)運(yùn)行的安全性，實(shí)現(xiàn)對地下管線安全運(yùn)行管理過程中各項(xiàng)事故的防范。

▲管線狀態(tài)感知系統(tǒng)數(shù)據(jù)解析存儲軟件

▲管線故障診斷預(yù)警系統(tǒng)上位機(jī)軟件

綜合管線管理軟件平臺：信息共享

綜合管線管理軟件平臺可以打破管線權(quán)屬部門之間的信息孤島，盤活管線資源，實(shí)現(xiàn)管線管理業(yè)務(wù)系統(tǒng)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。運(yùn)維管理能夠?qū)崿F(xiàn)各個管網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)用戶的統(tǒng)一認(rèn)證授權(quán)管理，以及對平臺用戶活動的監(jiān)控。綜合管線數(shù)據(jù)管理能夠整合綜合管線、施工建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)、應(yīng)急搶修等各類信息資源，實(shí)現(xiàn)管線空間資源“一張圖”，合理且有效地指導(dǎo)管線工程應(yīng)急工作。輔助決策能夠綜合各個系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，得到管線當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、事故風(fēng)險系數(shù)、風(fēng)險控制能力和風(fēng)險承受能力等綜合指標(biāo)，為后續(xù)決策提供更好的支持。

實(shí)際案例展示

地下管線是太湖新城基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，也是對太湖新城進(jìn)行規(guī)劃、建設(shè)和管理過程中需掌握的重要基礎(chǔ)信息，還是太湖新城賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。北京無線電計(jì)量測試研究所承接蘇州太湖新城智慧管網(wǎng)項(xiàng)目后，通過在區(qū)域內(nèi)為管線加裝電子標(biāo)識器，實(shí)現(xiàn)了管線實(shí)際場景下的精確定位，徹底改變了過去依靠竣工圖、現(xiàn)場文字描述和地上標(biāo)志性建筑管線定位的情況，有效提高了現(xiàn)場管線定位的效率和準(zhǔn)確度。為管線加裝液位傳感器后，在大量降雨的情況下，管理人員可全面掌握管網(wǎng)積水狀態(tài)，改變了過去通過人員經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場人員匯報獲取積水信息的情況，為應(yīng)急搶險提供高效可靠的一手?jǐn)?shù)據(jù)。通過噪聲記錄儀和流量計(jì)，管理人員可實(shí)時獲取區(qū)域內(nèi)供水管網(wǎng)的流量和震動數(shù)據(jù)，利用上位機(jī)模型分析，掌握區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)的漏損信息，評 估管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，便于制定檢漏計(jì)劃，改變了原有人工巡檢效率低、成本高的問題。通過在管網(wǎng)中加裝可燃?xì)怏w監(jiān)測設(shè)備，可在井內(nèi)發(fā)生可燃?xì)怏w聚集的第一時間，把無形的可燃?xì)怏w泄露事故轉(zhuǎn)化為有形的報警事件，大大提高故障檢出率。

▲綜合管線管理軟件平臺

▲蘇州太湖新城智慧管網(wǎng)項(xiàng)目展示系統(tǒng)

事故解析

雨季的蘇州，連續(xù)降雨是常事，這給新建區(qū)域的道路管線施工帶來很大困難，由于開發(fā)程度不高，地上區(qū)域沒有明顯標(biāo)志物，一場大雨過后，原有管線被覆蓋在水洼和泥濘之中，導(dǎo)致管線施工工作難以開展。大范圍的雨水清理和開挖工作不但效率低下，而且成本巨大。為解決這一問題，施工單位在管線入地時同步埋設(shè)地下管線電子標(biāo)識器，通過標(biāo)識器探測儀，施工人員很快掌握了施工區(qū)域內(nèi)地下管網(wǎng)的分布情況，在節(jié)約成本、提高效率的同時，也避免了盲目開挖帶來的風(fēng)險。通過這次快速定位，智慧管網(wǎng)項(xiàng)目真正解決了困擾施工方的問題。