城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)設計

萬力， 鄭駒

（合肥工業(yè)大學建筑設計院（集團）有限公司）

1 城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)建設背景

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國城市生命線建設和運行面臨著多方面的挑戰(zhàn)。首先，城市化進程帶來的快速人口增長使得城市的用水、用電、用地等資源供需矛盾日益突出，供應能力有限，而需求不斷增加，這給城市生命線的穩(wěn)定性和可持續(xù)性帶來了巨大壓力。其次，基礎設施老化和缺乏更新也成為城市生命線建設的難題，許多城市的基礎設施設備因年久失修、技術滯后而出現(xiàn)頻繁故障，無法滿足日益增長的需求。此外，氣候變化帶來的極端天氣事件，如洪澇、干旱、風暴等，對城市生命線的影響也不容忽視。

目前全國多個城市均已開展城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)的建設工作，各地圍繞本地城市生命線特征，開展了具有地方特點的設計工作。本文將圍繞城市生命線監(jiān)測系統(tǒng)設計為主題，以天長市城市生命線工程（一期）供水安全監(jiān)測項目為例，介紹如何開展對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析、預警等設計工作，并達到風險管控的目的。

2 城市生命線安全監(jiān)測系統(tǒng)總體架構

2.1 項目概況

本文以天長市城市生命線工程（一期）供水安全監(jiān)測項目為例，對系統(tǒng)設計進行全面解析。項目設計依據(jù)安徽省委辦公廳、省政府辦公廳印發(fā)《關于推廣城市生命線安全工程“合肥模式”的意見》（皖辦發(fā)〔2021〕22 號）文件[2]要求統(tǒng)籌推進城市生命線安全工程建設的要求。按照統(tǒng)籌規(guī)劃、頂層設計、資源共享、集約建設的總體建設原則，“點、線、面”相結合方式進行成果應用擴展，打造城市生命線工程公共基礎設施安全運行綜合支撐平臺，創(chuàng)新管理模式，以全面提升城市生命線的安全運行水平。

本項目覆蓋天長市主城區(qū)，在充分利用現(xiàn)有城市生命線信息感知載體的前提下，采用了1 個監(jiān)測中心、1 個監(jiān)測感知網(wǎng)、3 個基礎支撐和N 項智慧應用的設計模式（見圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

2.2 總體架構

系統(tǒng)整體架構設計如上圖所示，系統(tǒng)按照 “感、傳、知、用”四個層級面向應用場景進行設計。

“感”主要指監(jiān)測城市生命線各專線運行狀態(tài)以及致災因子和隱患特征等感知層數(shù)據(jù)采集。燃氣管網(wǎng)及設施的監(jiān)測內(nèi)容主要包括燃氣管道運行的壓力、流量，相鄰地下空間內(nèi)的可燃氣體濃度，腐蝕速率等；供水管網(wǎng)及設施的監(jiān)測內(nèi)容主要包括供水管道運行的壓力、流量、水質(zhì)以及漏失的特征聲波；排水管網(wǎng)及設施的監(jiān)測內(nèi)容主要包括管道運行的液位、流量、水質(zhì)，雨量，地面水位等；熱力管網(wǎng)及設施的監(jiān)測內(nèi)容主要包括管道的流量、壓力、溫度和運行聲波等；橋梁及設施的監(jiān)測內(nèi)容包括振動、應力、撓度、位移、沉降等；路燈的監(jiān)測內(nèi)容主要包括電流、電壓等。

“傳”是指網(wǎng)絡傳輸，根據(jù)項目具體的需求，可以選擇NB-IoT、5G和專線等網(wǎng)絡通信方式。

“知”主要是對匯聚的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理、清洗、入庫，并提供大數(shù)據(jù)模型算法以及物聯(lián)網(wǎng)接入等基礎能力支撐。

“用”是指應用平臺和各類應用系統(tǒng)，包括綜合應用系統(tǒng)、燃氣安全專項應用系統(tǒng)、供水安全專項應用系統(tǒng)、排水安全專項應用系統(tǒng)、熱力安全專項應用系統(tǒng)、橋梁安全專項應用系統(tǒng)等。

以上架構涵蓋了城市生命線的排水管網(wǎng)、供水管網(wǎng)、燃氣管網(wǎng)、綜合管廊、供熱管網(wǎng)、鐵路橋梁、隧道、城區(qū)湖泊、超高層建筑等各類應用場景的安全監(jiān)測，本次天長市城市生命線工程（一期）是以供水安全監(jiān)測為主要內(nèi)容，可以根據(jù)城市生命線監(jiān)測管理需求擴展至其他應用場景監(jiān)測。

3 城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)設計

3.1 供水監(jiān)測點位分布設計

天長市供水監(jiān)測感知網(wǎng)絡的監(jiān)測范圍根據(jù)《城市生命線工程安全運行監(jiān)測技術標準》制定[3]，結合供水管網(wǎng)建設年代、交通地位、人員密集場所、敏感區(qū)域、疊加耦合風險等因素綜合考慮，并與供水主管部門進行交流以及現(xiàn)場調(diào)研，選定天長市內(nèi)建設年代久遠、交通繁忙、風險隱患較高的供水管道進行安全監(jiān)測，實現(xiàn)對供水管道與環(huán)境響應進行實時監(jiān)測。結合已獲取的管網(wǎng)數(shù)據(jù)及天長市供水安全管理現(xiàn)狀，天長市供水安全運行監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)，選擇天長市城區(qū)72km供水管網(wǎng)及配套設施和50個消防栓作為核心監(jiān)測范圍。具體范圍如圖2。

圖2 天長市城區(qū)供水監(jiān)測點位分布

3.2 供水管網(wǎng)拓撲仿真設計

基于供水管網(wǎng)拓撲結構并根據(jù)關閥搜索算法，實現(xiàn)管網(wǎng)上任何一點與前后閥門進行關聯(lián)[4]，在發(fā)生爆管時，迅速給出關閥方案。結合關閥后的管網(wǎng)仿真模擬，分析爆管影響的管線和用戶范圍，為應急處置提供決策支撐。首先，分析管網(wǎng)平面圖、管網(wǎng)拓撲系統(tǒng)圖等管網(wǎng)數(shù)據(jù)的完整性、正確性，處理孤立管點、管線，處理水源與用戶數(shù)據(jù)，連接獨立管網(wǎng)系統(tǒng)，形成完整的地下管線系統(tǒng)。其次，對爆管點進行管道拓撲路徑遍歷，查找路徑上閥門形成拓撲封閉區(qū)域。最后，分析封閉區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)所服務的居民、商場用戶等用戶分布情況，計算爆管發(fā)生時所影響的管線和用戶范圍。

3.3 供水監(jiān)測傳感器選型設計

單獨供水監(jiān)測傳感器主要包括流量計、壓力計、漏失監(jiān)測儀、智慧消火栓等監(jiān)測設備。

1）流量壓力監(jiān)測設備

結合天長市供水管網(wǎng)現(xiàn)狀及規(guī)劃情況，充分復用自來水公司已有的流量點位5 個，普通壓力點位34 個，后續(xù)流量壓力點位布設重點為5 個流量計監(jiān)測點。

該設計布置的10處流量計，分別布設在DN150口徑1處，DN200口徑2處，DN300口徑3處，DN400口徑1 處，DN600 口徑1 處，DN800 口徑2 處。布置的10處壓力計，分別布設在DN150口徑1處，DN200口徑2處，DN300口徑3處，DN400口徑1處，DN600口徑1處，DN800口徑2處。布點方案詳見圖3。

圖3 天長市城區(qū)供水專項流量計及壓力計布設示意圖

2）漏失監(jiān)測設備

城市供水管網(wǎng)總數(shù)龐雜，支管細管較多，管網(wǎng)爆管導致的次生衍生災害的危害和管徑的大小正相關。結合天長市供水管網(wǎng)現(xiàn)狀及規(guī)劃情況，從大管徑管網(wǎng)爆管導致后果的嚴重性出發(fā)，特對天長市DN150 及以上的主要供水管道進行漏失監(jiān)測，后續(xù)根據(jù)重點監(jiān)測目標狀況增加機動監(jiān)測點。

設備主要布設到管道沿線的各類檢查井內(nèi)。在全市布設漏失監(jiān)測70個，具體布點方案詳見圖4。

圖4 天長市城區(qū)供水專項漏失監(jiān)測儀布設示意圖

3）消火栓監(jiān)測

根據(jù)天長市政消火栓管理現(xiàn)狀及規(guī)劃情況，在充分考慮風險評估結果，結合全市要害部門周邊消火栓點位分布情況，在全市布設50個消火栓監(jiān)測點位，詳見圖5。

圖5 天長市城區(qū)供水專項智慧消火栓布設示意圖

3.4 信息傳輸網(wǎng)絡

現(xiàn)場設備由前端采集設備和終端處理設備兩部分構成，前端采集設備由前端各種傳感器信號采集設備組成，主要包括以下設備：外夾式超聲波流量計、高頻壓力計、漏失監(jiān)測儀、消火栓監(jiān)測儀。終端處理設備由后端信號接收、處理、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲設備組成，主要包括以下設備：智能網(wǎng)關、傳感器接入模塊、二次配電箱等，其中智能網(wǎng)關設備安裝在主機柜內(nèi)，傳感器的輸出信號類型將決定采集模塊的類型，各類傳感器的數(shù)量將決定采集模塊的數(shù)量。

4 城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)展望

城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)可以為城市生命線構建實時的安全屏障，但系統(tǒng)設計中采用的技術手段仍然只停留在物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等信息化和工業(yè)自動化技術水平，所以在如何精準監(jiān)測、態(tài)勢監(jiān)測和雙向管理等技術能力方面略顯不足。隨著大數(shù)據(jù)、人工智能以及基于序列數(shù)據(jù)的大模型等最新技術手段的深度運用，將結合數(shù)據(jù)采集監(jiān)測、分類處理并用于監(jiān)測平臺自動態(tài)勢研判分析，實現(xiàn)城市生命線運行監(jiān)測系統(tǒng)高度的自治目標。