浅谈智慧地下管线信息系统建设

2013-12-11钟洪德

测绘通报 2013年2期

钟洪德，邱剑

(福州市勘测院，福建福州350003)

一、引言

提到智慧城市建设，可能首先想到的就是IBM提出的“智慧地球”概念。在IBM的构想中，“智慧地球”是指将感应器嵌入和装备到电网、铁路、建筑、大坝、油气管道等各种物体中，将物与物通过互联网相联，然后通过超级计算机和云计算将其整合，实现社会与物理世界的融合。

“智慧地球”的概念运用于现代城市就是“智慧城市”，而在广义上讲，“智慧城市”指城市信息化，即通过建设宽带多媒体信息网络、地理信息系统等基础设施平台，整合城市信息资源、建立电子政务、电子商务、劳动社会保险等信息化社区，逐步实现城市国民经济和社会的信息化。

一般而言，“智慧城市”可划分为4个层次，如图1所示。

图1

“智慧城市”建设，包括“智慧建筑”、“智慧政务”、“智慧医疗”、“智慧交通”和“智慧物流”等多方面的内容，这些都属于“地上智慧”。而地下部分的“地下智慧”，其核心内容就是“智慧管线”。

而智慧地下管线信息系统代表着真正意义上的管线信息化，包括整合各方面地下管线信息，通过物联网技术，建立地下管线信息管理分析系统，实现信息共享，实现对城市基础设施的精准管理、动态监控和高效维护，并实施应急处置，确保管网安全。

二、建设智慧地下管线信息系统的必要性

作为城市生命线的地下管线，是城市赖以生存和发展的物质基础之一。目前，全国各地时常发生因管线引发的重大事故，如煤气泄漏引发爆炸、管道漏水造成的地面塌陷等，造成人员伤亡和财产损失，排水管道老化形成严重的城市内涝等问题。解决这些管线问题，需要城市管理者们对地下管线进行“智慧”管理。

在地下管线信息管理的建设进程上，经历了20世纪八九十年代初的市政管线权属单位和城建部门的手工管理、纸质资料存档，90年代中期至21世纪初开展地下管线普查并采用机助制图存储管线空间位置信息、使用FOXPRO等数据库存贮管线属性信息，以及21世纪初出现使用GIS软件管理系统一体化存储管线空间信息和属性信息。

在现阶段，地下管线信息管理工作仍然存在以下突出问题:由于缺乏对地下管线有关负荷运行情况和自身健康情况信息的获取手段，信息管理系统无法对管线的安全运行提供基础信息，无法对城市地下管线灾害事故提供预警和应急决策信息。

在“智慧城市”的建设进程上，地下管线管理是智慧城市的基础，应先行夯实“地下智慧”。现阶段地下管线信息管理存在管线负荷运行信息和自身健康信息缺失问题，说明了现有地下管线信息过于单一，需要对管线信息进行扩充、整合，在管线信息化建设上需要与“智慧城市”概念相匹配，实现管理水平的提升。

三、智慧地下管线信息系统的信息内容

在“智慧城市”模式下的地下管线信息化建设，需要整合给水、排水、燃气、电力、通信、热力等各种地下管线信息，整合内容包括:

1)管线基础信息:包括管线空间信息(管线空间走向、特征点及附属设施的平面坐标、管线埋深等)，管线属性信息(包括管线规格、管线材质、流向等属性信息)，管线专业部件及管线构建筑物信息(包括管线部件或构建筑物的名称、尺寸、形状、材料等)。

2)管线负荷运行信息:包括传输物质类型、压力大小、管道资源的利用情况、自身寿命、运行时间等信息。

3)管线健康状况信息:包括管线腐蚀或破损情况、泄漏情况、外界对其影响情况等，可通过在管线关键位置(监测点)上预先嵌入传感器，通过物联网技术，存贮在专门数据库中。

四、智慧地下管线信息系统的系统建设

地下管线信息化建设工作是一个系统工程，涉及地下管线基础数据库建设、感应系统建设、传输网络建设、管线信息管理分析平台建设等内容，应本着“统筹规划，分步建设;标准一致，互联互通;共建共享，分工维护;集中管理，统一调度”的原则，建立以政府为主导，各部门、各行业加强协调、分工合作、资源共享的地下管线信息化建设和运行机制。

1.地下管线基础数据库建设

数据层是智慧城市建设中非常重要的一环，起着基础、支撑的作用。在管线信息化的建设中，首要工作就是管线基础信息的采集及建库工作，数据内容包括管线空间位置信息、地下管线属性信息、管线专业部件及管线构建筑物信息等。

在“共建共享，分工维护”的原则下，地下管线数据库建设应由多方合力建设完成。一般的做法是由管线探测单位采用管线探测技术，对城区的地下管网进行拉网式的普查，重点采集管线空间位置信息、管线属性信息;由专业管线权属单位、管线建设单位、管线维护管理单位等提供已有的管线属性信息、管线专业部件及管线构建筑物信息、管线负荷运行信息等。

这样，经多方共建、多种管线资源整合建成的地下管线基础数据库，管线基础信息丰富。同样，在地下管线基础数据库建成后，各管线部门要共同参与做好数据动态更新工作，确保数据的现势性。

在管线基础数据库建设中，需要基础地理信息作为背景层进行支撑，基础地理信息可包括城市大比例尺数字地形图数据或影像数据、城市路网数据、城市热点信息等。

2.感应系统建设

在管线感应系统建设中，主要工作是在管线关键部位(如阀门、三通、消火栓等)安装智能传感器。重点是获取管线运行负荷信息及管线健康状况信，主动或被动提供给传输层设备，并与相关智能设备相结合，实现对阀门等关键设施的控制。

智能传感器集成了传感器、智能仪表全部功能及部分控制功能，具有采集、处理、交换信息的能力，即除感知各种现象，还可以实现人机对话。可组成网络，根据运行需要对关键设施进行参数的远程调整，完成各种动作。例如，如果与智能电动阀门控制器结合，在安装了电动阀门的管道上，则可利用物联网微机技术和现场通信技术，直接改变阀门的位移，实现对阀门的远距离控制。

现阶段，智能传感器的典型应用就是采用无线射频识别技术(RFID)，这种技术具有无接触和自动识别的优势。目前，RFID已经从研究阶段走向实用化，单项技术已趋于成熟。

此工作宜在管线新建或老旧管线的更新改造时进行，可直接使用预先嵌入传感器的管道，或者在管线埋设的同时同步埋设智能传感器。

3.传输网络建设

包括有线网络、无线网络等通信手段的建设，主要将感知层获得的数据由现场实时传输到更高层次的单元，主要包括光纤网络、网络交换设备、光电转换设备、路由器、防火墙、服务器等。

4.管线信息管理分析平台建设

建立管线信息管理分析平台，实现公共服务职能，实现对管网设施的精准管理、动态监控、高效维护及工程应用。管线信息管理分析平台应包括:地下管线多参数三维显示、地下管线辅助规划设计、地下管线事故分析及应急指挥系统等。

同时，平台应提供各种通用数据接口，可以与城市其他领域的管理系统进行无缝衔接，如地质部门的城市地质信息可视化系统、交通管理部门的城市交通信息管理系统、物业管理部门的智能楼宇系统等。

五、智慧地下管线信息系统的应用分析

在智慧城市模式下的地下管线信息化，可实现管道三维可视化管理及设计、管线安全状况实时监测、管线事故的应急指挥处理，以及数据库的动态实时更新，最大限度地提高管道安全管理水平和生产作业效率，保证管道的平稳、安全运行，实现智慧管理和智慧应用。

1.管线三维可视化管理及设计

在“智慧城市”模式下，通过管线管理分析系统实现管线三维可视，城市管理部门、建设部门和管线权属机构等可以直观地查看地下管线的复杂分布、目标管线与周边建筑物或周边管线的相应空间关系、管线部件样式，快速实现管线纵横断分析、碰撞分析等功能。管线信息共享所发挥的价值及意义将更加明显，相关部门也可更加高效地履行各自的管理职能。

而规划设计部门，则可方便地进行管线的三维仿真设计，即在管线三维可视环境下，设计人员可模拟现场环境，分析设计管位与周边管线、地物的空间关系，根据国家有关管线工程的安全间距规定，不断调整、优化设计管位，方案将更加合理、科学，节约地下空间。根据这样形成的设计方案，在管线施工过程中，将规避更多的施工安全风险，更具有可操作性。

2.实时感知管线健康状况

通过预埋于管线上的各类传感器，可以让管理人员在管理分析系统平台中，通过系统实时获取地下管线负荷运行情况，掌握管线健康状况，对管线运行状态作出判断，做好预防性维护。如可以对燃气管道等高危管道设置传感器，实时监控有无漏气、破损等情况，根据系统的提示，就可以清楚地知道哪条管道到了检修的时间，哪条管道需要更换泄漏的阀门。

同样，在管线日常巡检中，巡视人员可以使用PDA设备，现场获取地下管线感应器发送的管线信息，对管道进行必要的处置。也可根据管线信息管理分析系统下达的处置指令，根据传感器的定位信息，准确定位，对相应设施进行应对处置。

3.管线事故的应急指挥处理

快速准确地对管线运行中的突发事故作紧急处理，城市应对重大突发事件的响应速度与处理能力可明显提升。例如，一旦管线发生泄漏，平台将启动应急处置预案。在预警的同时，立即启用事故分析功能，基于高密度的监测传感器，可以快速确定事故点和事故点周围需要紧急关闭的各种阀门，对相关阀门进行自动关闭，以便将事故损失降到最低。在事故分析和解决的过程中，将通知相关部门进行联动救援、交通管制等。