基于物联网技术的地下管线智能管理系统设计构想——以淄博市为例

李 玉，张赫然

(淄博市城建档案和地下管线管理处，山东淄博255000)

一、引 言

近年屡屡爆出的地下管线安全事故，将地下管线的安全管理推向风口浪尖。由于地下管线管理的紧迫性，全国不少城市制定出台了相应的规章制度，并着力进行地下管线的信息化工作;一些城市还设立了地下管线管理的专门机构。但鉴于城市地下管线长度、种类的激增，传统的地下管线管理方式已难以满足城市精细管理的要求。物联网技术的发展，为地下管线的管理提供了新的契机。

本文以淄博市为例，在深入分析淄博市地下管线信息化管理现状的基础上，总结归纳了当前淄博市地下管线信息化管理中存在的问题，并结合物联网技术，给出基于物联网技术的地下管线智能管理系统的设计构想。

二、淄博市地下管线信息化工作现状

根据最新公布的2006—2020年国家信息化发展战略，信息化是充分利用信息技术，开发利用信息资源，促进信息交流和知识共享，提高经济增长质量，推动经济社会发展转型的历史进程。地下管线信息化是在大量获取满足需求的地下管线数据的基础上，利用在数据采集、数据分析方面有突出优势的最新信息技术，促进地下管线数据的挖掘和共享，推进地下管线管理的现代化进程。

当前我市地下管线信息管理的运转模式为通过地下管线普查建立综合地下管线数据库，通过其后的竣工测量方式更新地下管线综合数据库，同步建立地下管线综合管理信息系统，并对外提供地下管线信息查询服务。

1.地下管线普查

淄博市共有4个区县完成了地下管线普查工作，普查面积达225 km2，占淄博市规划区面积的8%，普查管线总长度共计5380 km。2013年大部分区县的地下管线普查工作也已列入政府工作的议事日程，预计2014年年底，全市各区县的地下管线普查工作将全部结束。

2.地下管线普查数据的动态更新

市辖范围的老城区和高新区地下管线数据更新工作运转良好，采用管线排查，跟踪测量等动态管理方式，将新建、改建的管线数据及时入库。2007—2011年，累计调绘管线346 km。临淄区、沂源县早期普查工作结束后，未进行普查数据的动态更新工作，原有的综合地下管线数据库已不能真实地反映城市地下管线的现状，难以对外提供利用。

3.系统建设工作

当前我市仍在沿用2005年研发的地下管线信息管理系统，原有系统仅能满足数据显示、数据查询、数据统计、数据输出等简单功能。

三、淄博市地下管线信息化现存问题

1.地下管线数据存储分散

除地下管线管理机构具有普查数据外，权属单位也有地下管线数据，地下管线数据所有者按着各自需求和格式要求，进行数据的保存、管理、维护，致使全市地下管线数据难以共享和综合利用，难以体现地下管线数据在城市建设等方面的社会服务能力。

2.地下管线数据缺失严重

当前淄博市已基本掌握张店区地下管线数据，但已掌握的地下管线数据只是城市市政道路方面的数据。市管范围内次要道路和建筑小区外围管线数据要么没有，要么零星分散在管理者手中，现状不详。而其他几个区县没有或是只有少量的地下管线普查数据，加上管线动态更新、城市建设步伐的不同步，仅有的地下管线普查数据也已失去时效性，次要道路和建筑小区管线数据更是严重缺乏。另外，在地下管线普查过程中，受探测技术的限制，非金属类地下管线探测的准确性、数据的可用性也值得商榷。

3.地下管线数据挖掘不到位

地下管线作为城市系统的一部分，与城市地上部分、城市人口、经济、社会等因素紧密联系。地下管线配置的好坏，直接影响着城市规划的进行和城市整体功能的提高。随着地下管线种类的增多，各类地下管线形成的管网系统错综复杂，地下管线数据量暴增。如何在选定地理空间内，综合各类地下管线的空间信息及属性信息，构建地下管线规划的可用性、运行高效性的知识库及判定模型?如何从城市循环运行角度上，综合地下管线数据、城市社会经济要素，给出地下管线应急处理方案，现有信息系统鲜有涉及。

4.城市管线监管方式落后

除个别权属单位建立实时监控系统外，当前大部分权属单位仍沿用人力发现方式，进行管线的日常巡检和维护。而在实际工作中，巡查工作难以建立有效监督机制，受经验、人员变动、环境要素等主客观因素的影响，巡查过程中常常出现路线重复，巡查点缺失，巡查力度不一等问题，且难以形成巡查过程的精细记录。另外对于重大的危险源，传统的人工方式难以监管，极易形成重大安全隐患。

5.城建档案和地下管线统一信息平台建设滞后

虽然少数区县、权属单位建有自己的地下管线管理系统，但各类管网信息系统的数据源与决策支持模型具有较大的局限性，大多存在管网空间基准、数据语义及数据尺度不一致等问题，难以扩展。对于政府而言，尚缺乏一个统一的信息平台来进行城市地下管线的决策工作。

四、基于物联网技术的地下管线智能管理系统设计构想

随着计算机技术、网络技术的不断发展，应用信息化手段完全可以实现地下管线的实时监控，实现多个时段、不同地段的多类管线的数据管理、信息挖掘、数据表现，实现地下管线管理的精细管理，进而提升政府地下管线公共危机应对能力，提高城市整体竞争力。

1.物联网技术

比尔·盖茨在于1995年在《未来之路》一书中提及物互联。1999年，在物品编码，RFID技术的基础上Auto-ID公司提出了物联网的概念。2005年11月17日，国际电信联盟发布《ITU互联网报告2005:物联网》，拓展了物联网的定义和范围。“物联网”是指通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络概念。

2.地下管线智能管理系统结构

地下管线智能管理系统区分于传统地下管线管理系统的最大特点是:可实现地下管线检测、数据存储、分析、模拟、预测和调配等的自动化、智能化和实时化。

(1)地下管线职能管理系统的框架

如图1所示，地下管线智能管理系统的构建依赖地理信息系统和物联网技术，由地下管线管理模型、物联网感应器、云平台和地理信息系统4部分组成，将各种地下管线、地形、地质、人口、危险源要素和各个与地下管线信息利用有关的部门连接起来，实现地下管线数据的自动采集、自动分析计算、自动决策和自动调度，以达到地下空间可持续开发利用和环境保护的目的。

(2)地下管线管理模型

地下管线管理模型包括管线数据处理子系统、管线三维显示子系统、管线运维监控管理子系统、管线规划分析子系统、管线移动稽查子系统、管线应急指挥子系统。

管线数据处理子系统依赖地下管线传感器实时获取地下管线空间位置、属性数据等参数，自动构建地下管线数据库，自动形成地下管线分布图，能够满足地下管线数据利用者数据查询、数据统计、数据输出的基本需求。

管线三维显示子系统在地下管线数据库、地形数据库的基础上，借助虚拟三维技术，实现同一空间内地面建筑与地下管线的自动化建模、三维展示、查询统计、开挖分析、碰撞分析等功能，能够为城市的规划、建设与管理决策提供直观的数据依据。

管线运维监测子系统，以传感器获取传输形成的基础地理空间GIS数据和管线数据库为数据层，通过设定管道实时检测系统接口、管道泄漏和扩散模型接口、短信接口、SCADA数据接口、视频监控接口、抢修车辆监控接口、IP电话接口、气象数据接口、小区广播接口等，提供数据资源调用接入及各项接口服务。一方面可为预警监控、应急管理提供数据支撑，另一方面为管道的工程建设、完整性管理提供服务。

图1

管线规划分析子系统能够根据管线布设规则库的相关规则进行管线规划的分析功能。一方面能够判断、分析行业管线之间、建筑物之间的水平间距，行业管线覆土深度、行业管线垂直净距的相关参数，辅助决策者进行方案审查，并能给出综合地上部分和地下管线规划方案的模拟仿真结果和评价指标;另一方面能够综合地质、地形及其他综合要素，给出规划区域内合理的地下管线设计方案，为城市规划、审批全过程提供技术支持。

管线移动稽查子系统是集信息处理技术、移动通信技术、地理信息处理，RFID扫描等信息采集技术于一身的移动建设项目稽查系统，支持巡检实时监控、巡检历史查询、巡检工作安排。巡检人员利用接收系统内置的GPS和摄像头，实时获取现场坐标、现场图像资料，并通过无线网络，实时上报数据，管理中心可以对稽查员进行实时跟踪。

管线应急指挥子系统既可集成外部资源，又可向外部系统提供服务，可实现事故管理、事故模拟、辅助决策、统计分析、灾后评估、知识库、应急预案等功能，能够为决策层、城市应急防灾部门和管线管理部门，提供安全隐患排查决策服务、应急处置决策服务、灾后重建决策服务和城市应急集成决策服务等，为城市管理和安全提供辅助决策。

(3)物联网

在地下管线智能管理系统中，物联网主要用于两个方面，即:智能实时监测系统和智能实时控制系统。相对于传统的人工控制而言，物联网技术能够实现地下管线和地质等地下空间环境的实时自动监测、地下管线的实时自动控制。

智能实时监测系统由传统的自动监测系统、各种类型的数据传感器组成，实时收集管线运行中的工作状态信息、管线的空间位置及自身属性信息，并能通过有线网络、无线网络、无线射频识别RFID等通信手段，将感知层获得的数据由现场实时传输到更高层次的单元。城市在新建管线和进行老旧管线的更新改造时，应逐步推进预先嵌入传感器管道的使用或者管线智能传感器的同步埋设。

智能实时控制系统是由面向不同管线、不同权属单位的各种传感控制器和传输系统组成，它连接云平台和地下管线权属单位的地下管线调控子系统。管线权属单位的管线调控子系统在接收到管线应急决策子系统发来的指令后，对管线相应节点的调配设施自动实现开、关、变大、变小等操作，有效降低了地下管线安全事故的发生。

(4)云平台

在地下管线智能管理系统中，云平台连接着地下管线管理模型的数据输出接口和各种智能控制系统的物联网终端，其功能是将各种不同的客户终端与地下管线管理模型连接起来，实现各种客户终端与地下管线管理模型之间数据和指令的实时共享。

五、构建地下管线智能管理系统需要解决的关键问题

1)地下管线智能管理系统的基础是构建一个密集的、以物联网为基础的地下管线智能监测网络，而目前市场上缺少适用于地下管线全方位监测的传感器，为此要加大地下管线专用传感器的研发和应用，积极探索现有传感器的性能优化方式，以期实现地下管线的最好监测效能。同时当地政府应加大资金投资，优化网络传输环境，为下一步实现传感数据的自动传输提供硬件基础。

2)地下管线管理模型是智能管理系统的核心功能，其中管线规划分析子系统、管线应急决策子系统是地下管线应用的高级表现，这些子系统的构建都需要综合地下管线、地形、地质、土质等多种要素，综合多学科知识和行业经验，构建准确的分析、决策知识库，而当前全国暂无经验可以借鉴，需要不断实践和积累，尽可能地还原事件运行规律。

3)地下管线智能管理系统涉及人口、经济、城市建设等众多社会领域，相应地也涉及环保、城建、发改委等众多的部门。如何统一各部门的工作利益，如何实现各部门的信息共享，如何进行地下管线管理过程中的职责分工都需要进一步探讨。

六、结束语

全国不少城市已开展物联网技术在地下管线管理领域的应用探索，如太原正在积极推广“地眼工程”的试点工程。物联网技术的发展已成为实现地下管线精细化管理的助推剂，但必须清醒认识到物联网技术的推进仍面临关键技术、资金投入等诸多问题，应结合本地情况，从标准、技术、网络环境和管理措施等多方面研究“地下管线智能管理系统”的可行性，依据“局部试点”、“分布实施”的原则，积极探索物联网技术在地下管线管理过程中的优化模式，不断推进地下管线信息化建设的进程。

［1］黄来源，李军辉，李远强，等.基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统［J］.智能处理与应用，2012，2(4):62-65.

［2］张之强，张勇.一种基于物联网、云技术的水资源智能管理系统的构想［J］.内蒙古科技与经济，2013(5):51-54.

［3］江贻芳.我国城市地下管线信息化建设工作进展［J］.测绘通报，2007(12):1-4.