重塑城市生命線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

袁宏永

2021年6月13日，湖北省十堰市張灣區(qū)艷湖小區(qū)發(fā)生天然氣爆炸事故當(dāng)天，習(xí)近平總書記作出重要指示，要求全力搶救傷員，做好傷亡人員親屬安撫等善后工作，盡快查明原因，嚴(yán)肅追究責(zé)任，并全面排查各類安全隱患，防范重大突發(fā)事件發(fā)生，切實(shí)保障人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全，維護(hù)社會(huì)大局穩(wěn)定。據(jù)初步分析，事發(fā)原因是，建筑物建在河道上，鋪設(shè)在負(fù)一層河道中的燃?xì)夤艿腊l(fā)生泄漏，因負(fù)一層兩側(cè)封堵不通風(fēng)，泄漏天然氣聚集并向一樓二樓擴(kuò)散，達(dá)到爆炸極限后遇火源引爆。此次安全事故教訓(xùn)深刻，讓我們對(duì)城市生命線安全運(yùn)行的認(rèn)識(shí)提到了一個(gè)新的高度。

一、城市生命線的發(fā)展趨勢(shì)和挑戰(zhàn)

（一）城市生命線更新改造是城市發(fā)展的必然趨勢(shì)

改革開放后，經(jīng)過40年的快速發(fā)展，我國(guó)城市的建成區(qū)面積擴(kuò)大了7.3倍，城市人口迅速增長(zhǎng)，生產(chǎn)、物流、運(yùn)輸和廢物排放的規(guī)模也相應(yīng)擴(kuò)大。這導(dǎo)致城市公路、橋梁、鐵路、供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)和軌道交通等城市生命線系統(tǒng)變得愈加復(fù)雜，加上供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、熱力管網(wǎng)、橋梁和電梯等城市生命線設(shè)施逐漸老化，使得城區(qū)頻繁出現(xiàn)交通擁堵、環(huán)境污染、路面塌陷、燃?xì)庑孤?、供水爆管等一系列“城市問題”，給城市管理和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來很大挑戰(zhàn)。城市生命線更新改造的需求日益明顯。

（二）城市生命線過載運(yùn)行導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)事故頻發(fā)

目前，我國(guó)城鎮(zhèn)常住人口已超8.4億，超過一半的人口居住在城市中，對(duì)城市生命線設(shè)施的供給服務(wù)帶來了極大的運(yùn)轉(zhuǎn)壓力，多數(shù)處于超負(fù)荷狀態(tài)。再加上材料和結(jié)構(gòu)的性能老化，腐蝕和反復(fù)荷載出現(xiàn)疲勞或蛻化，城市生命線設(shè)施面臨非常嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，極易發(fā)生燃?xì)獗?、橋梁垮塌、暴雨?nèi)澇、突發(fā)性爆管、大面積停水停電等城市公共安全事件。如果在災(zāi)害條件下，易損性將愈加增大。

中國(guó)城市規(guī)劃協(xié)會(huì)地下管線專業(yè)委員會(huì)此前統(tǒng)計(jì)過，“2008—2010年，全國(guó)僅媒體報(bào)道的地下管線事故平均每天就有5.6起”。各類設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)事故也仍呈上升趨勢(shì)，主要表現(xiàn)為頻發(fā)的燃?xì)庑孤┍ā⒌叵驴斩春碗娞輦耸鹿实?，普遍存在的城市?nèi)澇和時(shí)有發(fā)生的橋梁坍塌等。

（三）城市生命線的運(yùn)行監(jiān)管手段處于重要轉(zhuǎn)型時(shí)期

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市生命線的體量也在不斷增加，一座中型城市就擁有超過600座橋梁、8000多公里排水管網(wǎng)和6000多公里燃?xì)夤芫W(wǎng)等。這對(duì)城市管理部門和行業(yè)監(jiān)管單位開展城市生命線的運(yùn)行監(jiān)管工作提出了極高的要求。傳統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)管手段多以人工巡檢為主，但隨著管網(wǎng)容量的增加，人手投放不足、人員專業(yè)能力不夠等問題逐漸突顯。大量城市生命線事故都是由于人員作業(yè)不規(guī)范、人工巡檢不到位造成的。如湖北十堰燃?xì)馐鹿?，其爆炸起因在于燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏至相鄰地下空間沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)的原因，除了人工巡檢不到位，也是因?yàn)檫@樣的泄漏發(fā)現(xiàn)難度大。因此，不少城市提出以科技手段逐步替代人工，提升城市生命線的安全監(jiān)管能力。

二、城市生命線安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

我國(guó)“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)中，專門部署統(tǒng)籌發(fā)展與安全，這對(duì)城市生命線等基礎(chǔ)設(shè)施的更新改造、數(shù)字化管理和現(xiàn)代化治理提出了更高的要求。更全面的感知和大數(shù)據(jù)分析是監(jiān)測(cè)城市生命線系統(tǒng)、預(yù)測(cè)事件發(fā)展和進(jìn)行科學(xué)決策的重要基礎(chǔ)，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)綜合技術(shù)將成為加強(qiáng)城市生命線運(yùn)行監(jiān)測(cè)能力、應(yīng)急處置能力的重要途徑。

為提高城市生命線運(yùn)行監(jiān)測(cè)能力，應(yīng)以公共安全科技為核心，以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、BIM/GIS等信息技術(shù)為支撐，開展城市生命線各領(lǐng)域的研究，支撐城市實(shí)現(xiàn)生命線運(yùn)行的整體監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)感知、早期預(yù)警和高效應(yīng)對(duì)。

清華大學(xué)合肥公共安全研究院聚焦安全科學(xué)、創(chuàng)新安全技術(shù)、發(fā)展安全產(chǎn)業(yè)，在國(guó)內(nèi)取得了一系列領(lǐng)先的科研成果，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。從2015年開始，研究院承擔(dān)“城市公共安全脆弱性分析和綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目，整合清華大學(xué)公共安全、土木工程、力學(xué)、電子、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域的學(xué)科和技術(shù)，成功研發(fā)出城市生命線安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

該系統(tǒng)針對(duì)橋梁、供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、熱力管網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)、電梯和消防設(shè)施等影響城市安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)施全面感知和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為城市基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行提供監(jiān)測(cè)預(yù)警、數(shù)據(jù)分析、輔助決策等服務(wù)和保障。這一系統(tǒng)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市重要基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行整體安全監(jiān)測(cè)，透徹感知城市生命線運(yùn)行狀況，分析其風(fēng)險(xiǎn)及耦合關(guān)系，深度挖掘其運(yùn)行規(guī)律，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的及時(shí)感知、早期預(yù)測(cè)預(yù)警和高效處置應(yīng)對(duì)，確保城市生命線的主動(dòng)式安全保障。

（一）設(shè)計(jì)理念

系統(tǒng)采用“1+2+3+N”的頂層設(shè)計(jì)模式。“1”是指建設(shè)城市安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)中心。“2”指建設(shè)一網(wǎng)一圖，即城市安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)和城市安全綜合監(jiān)測(cè)一張圖?！?”是指建設(shè)三大基礎(chǔ)支撐，即城市安全大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、安全保障體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系?！癗”指建設(shè)N個(gè)城市安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)專項(xiàng)系統(tǒng)，目前包括橋隧、燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間、供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、熱力管網(wǎng)、綜合管廊、電梯、市政路燈和井蓋共九大安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)專項(xiàng)。

（二）城市安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)中心

城市安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)中心承擔(dān)著城市生命線安全運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、決策支持等責(zé)任，對(duì)監(jiān)測(cè)專項(xiàng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，與相關(guān)部門建立互聯(lián)互通對(duì)接機(jī)制，是工程科技創(chuàng)新與管理科學(xué)創(chuàng)新的有機(jī)融合。可以通過建立公共安全運(yùn)營(yíng)社會(huì)化服務(wù)模式，實(shí)現(xiàn)由政府主導(dǎo)、技術(shù)支撐單位提供服務(wù)，創(chuàng)新城市公共安全智慧管理運(yùn)營(yíng)服務(wù)模式。

（三）城市安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)

城市安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)是城市生命線前端感知系統(tǒng)，它運(yùn)用傳感元件、精確測(cè)控、示蹤標(biāo)識(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，建立物聯(lián)、傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)城市地下管網(wǎng)、橋梁、路燈、井蓋、電梯等設(shè)備安全運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)控、準(zhǔn)確采集和實(shí)時(shí)上傳。

（四）城市安全綜合監(jiān)測(cè)一張圖

通過城市運(yùn)行物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、匯聚和分析，結(jié)合城市各部門的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、城市部件信息等進(jìn)行綜合分析，以“一張圖”形式呈現(xiàn)城市整體運(yùn)行情況，建立一套城市健康運(yùn)行體征指標(biāo)體系，以多角度、多維度清晰展現(xiàn)城市安全的大數(shù)據(jù)畫像。

（五）城市安全應(yīng)用基礎(chǔ)支撐系統(tǒng)

1.城市公共安全大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。在城市現(xiàn)有信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換與共享的基礎(chǔ)上，依托現(xiàn)有城市政務(wù)信息資源共享機(jī)制，整合接入城市供水、排水、燃?xì)?、橋梁、路燈等信息化系統(tǒng)資源，構(gòu)建城市公共安全大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、管理部門業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、社會(huì)數(shù)據(jù)等的匯聚。通過大數(shù)據(jù)挖掘，實(shí)現(xiàn)城市風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估、安全運(yùn)行綜合監(jiān)測(cè)與預(yù)警、突發(fā)事件綜合研判與協(xié)同處置等功能，推動(dòng)城市安全管理由事后處置向事前防范、事前化解、事前管控轉(zhuǎn)變。

2.安全保障體系。安全保障體系從整體考慮，包括物理場(chǎng)所安全、信息采集及傳輸安全、監(jiān)測(cè)中心網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)庫(kù)安全、應(yīng)用層安全和管理安全六個(gè)部分。涵蓋了信息傳輸、存儲(chǔ)安全、應(yīng)用系統(tǒng)安全等多個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)信息傳輸暢通、安全保密，為城市生命線安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保障。

3.標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。充分考慮城市特點(diǎn)和各部門信息化建設(shè)情況，建立一套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，規(guī)范各部門系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)送格式、城市生命線安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行管理流程，使城市生命線安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其外延系統(tǒng)形成有機(jī)的整體。

（六）城市安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)專項(xiàng)

1.橋梁安全監(jiān)測(cè)專項(xiàng)

系統(tǒng)主要對(duì)橋梁關(guān)鍵截面應(yīng)力、振動(dòng)、撓度、支座位移、伸縮縫、結(jié)構(gòu)溫度等參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。分析車輛、溫度荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)，對(duì)超載、結(jié)構(gòu)異常進(jìn)行預(yù)警。基于大數(shù)據(jù)，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析模型，對(duì)撓度、振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過對(duì)橋梁線型變化、基頻變化識(shí)別等，對(duì)橋梁異常進(jìn)行預(yù)警。通過對(duì)支座位移、伸縮縫等參數(shù)的監(jiān)測(cè)、橋梁基本檔案信息的管理分析，為橋梁的支座、伸縮縫等相關(guān)的養(yǎng)護(hù)工作提供依據(jù)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)對(duì)橋梁安全狀況進(jìn)行評(píng)估，時(shí)刻掌握橋梁的安全運(yùn)行狀況。

2.燃?xì)夤芫W(wǎng)安全監(jiān)測(cè)專項(xiàng)

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃?xì)夤芫W(wǎng)鄰近地下空間可燃?xì)怏w濃度和地下空間內(nèi)溫度，以先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)等信息技術(shù)為支撐，結(jié)合燃?xì)夤芫W(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市燃?xì)夤芫€相鄰地下空間的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、預(yù)測(cè)預(yù)警和有效處置，保障城市地下管線的安全運(yùn)行，切實(shí)維護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。

3.供水管網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)專項(xiàng)

系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)管道運(yùn)行的流量、壓力和聲波等參數(shù)，分析管道漏水與運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系，快速評(píng)估供水管網(wǎng)運(yùn)行狀況，準(zhǔn)確定位管網(wǎng)泄漏位置和狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)泄漏地段路面塌陷的快速預(yù)警，降低供水管網(wǎng)漏損率，防范次生衍生災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)減損增效。

4.排水管網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)專項(xiàng)

系統(tǒng)通過布設(shè)流量計(jì)、液位計(jì)、雨量計(jì)等前端感知傳感設(shè)備，以有線、無線、GPRS、NB-loT等網(wǎng)絡(luò)傳輸方式建立數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過排水運(yùn)行大數(shù)據(jù)的共享、交換、采集、清洗和轉(zhuǎn)換，獲得城市排水運(yùn)行物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和城市排水運(yùn)行應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過排水運(yùn)行大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)針對(duì)內(nèi)澇積水、地下空洞、水環(huán)境污染等的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急指揮調(diào)度。

5.熱力管網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)專項(xiàng)

系統(tǒng)主要對(duì)熱力管網(wǎng)的溫度、壓力和流量等參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行的流量及壓力信息，結(jié)合管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立管網(wǎng)運(yùn)行水力學(xué)模型。并利用熱力管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型技術(shù)，評(píng)價(jià)管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，做到風(fēng)險(xiǎn)“早發(fā)現(xiàn)、早防范、早處理”，預(yù)防事故發(fā)生。當(dāng)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)，系統(tǒng)可以利用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警。并借助大數(shù)據(jù)分析工具、專業(yè)數(shù)據(jù)分析模型，對(duì)可能發(fā)生的泄漏、爆管、路面塌陷等提前進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警，并準(zhǔn)確定位。

6.電梯安全監(jiān)測(cè)專項(xiàng)

系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)有電梯保有量大、問題電梯數(shù)量多的現(xiàn)狀，通過融合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、BIM/GIS等先進(jìn)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)電梯維保監(jiān)督管理、安全監(jiān)測(cè)報(bào)警及應(yīng)急處置一體化全方位服務(wù)，解決電梯維保監(jiān)督管理難，事故應(yīng)急響應(yīng)慢等問題。通過建立各方溝通機(jī)制，融入社會(huì)監(jiān)督力量，有效增加政府安全監(jiān)管能力，減輕政府監(jiān)管壓力，做到電梯安全的有效監(jiān)管、實(shí)時(shí)預(yù)警、協(xié)同救援。

7.綜合管廊安全監(jiān)測(cè)專項(xiàng)

系統(tǒng)從綜合管廊安全、高效運(yùn)營(yíng)的角度出發(fā)，預(yù)防主體結(jié)構(gòu)破損、不均勻沉降、管線破損和爆管、毒害氣體泄漏積聚、火災(zāi)、溫濕度異常等事件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行、巡檢和維護(hù)等。

8.路燈安全監(jiān)測(cè)專項(xiàng)

系統(tǒng)針對(duì)城市路燈普通人工巡檢、搶修不及時(shí)、偷盜市政電力等問題，通過照明監(jiān)控平臺(tái)和智能硬件設(shè)備，對(duì)路燈、夜景、隧道燈等公共照明實(shí)行統(tǒng)一管理，達(dá)到照明遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、智能管控、防盜防竊電的“三位一體”成效。

9.井蓋安全監(jiān)測(cè)專項(xiàng)

系統(tǒng)對(duì)井蓋狀態(tài)（開啟、位移、傾斜、破損）、井下液位高度和井內(nèi)有害氣體濃度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)報(bào)警、自動(dòng)巡檢、及時(shí)處置等，保障井蓋安全運(yùn)行，進(jìn)一步提高市政管理的信息化、智能化水平，為城市馬路安全奠定基礎(chǔ)。

三、結(jié)論與展望

重塑的城市生命線安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于公共安全科技理論及模型，建立了系統(tǒng)的城市生命線運(yùn)行監(jiān)測(cè)與處置工作機(jī)制和流程，采集匯總并分析城市安全運(yùn)行數(shù)據(jù)，構(gòu)建城市生命線基礎(chǔ)設(shè)施及安全風(fēng)險(xiǎn)要素、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域整體辯識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)要素相互作用、風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生與演化機(jī)理。它能夠促進(jìn)政府及行業(yè)部門采取有效的改進(jìn)措施，落實(shí)安全責(zé)任，不斷提高城市安全監(jiān)管能力。

通過建設(shè)城市生命線安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以公共安全科技為支撐，融合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)、BIM/GIS等現(xiàn)代信息技術(shù)，透徹感知橋梁、燃?xì)狻⒐┧?、排水、地下管廊等城市部件運(yùn)行狀況，分析城市安全風(fēng)險(xiǎn)及耦合關(guān)系，深度挖掘城市安全運(yùn)行規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)城市安全風(fēng)險(xiǎn)的及時(shí)感知、早期預(yù)測(cè)預(yù)警和高效處置應(yīng)對(duì)，確保城市安全的主動(dòng)式保障，優(yōu)化城市運(yùn)行效率。

（壓題圖片：城市生命線安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)中心作者提供）

（責(zé)任編輯：榮榮）