智慧管网应用与分析

■ 王海燕 胡 婷 章利光

智慧管网应用与分析

■ 王海燕 胡 婷 章利光

智慧管网以“管线安全、城市安全”为核心，以管线的“规划、建设、运营、维护”全生命周期管理以及“普查、会诊、治理、养护到动态监管”等五个方面闭合安全管理为主线，进行地下管线综合管理建设工作，可提高城市地下管线综合管理能力和运行安全水平。

一、总体设计

（一）体系架构

采用“1+N”体系架构，即1个智慧管网综合管理系统；N个专业管线智能化系统。

（二）数据中心

梳理各个部门之间需要协同共享的数据，形成业务主题数据标准，由数据中心对这些数据进行统一管理和维护，并以服务的方式向各应用系统提供数据共享服务，实现数据的充分共享，打破信息孤岛，为地下管线综合管理业务的协同互联提供基础支撑。另外，对各应用系统中都需要的主数据进行统一管理，主要包括组织机构和用户信息、设备信息、编码信息等基础信息主数据，地理信息主数据、隐患信息主数据等，在保证各应用系统主数据一致性的同时，减少各系统分别维护的成本，提高管理效率。

图1 总体架构图

图2 数据中心结构图

（三）监控中心

实时监控城市各类管线数据，能够准确、及时地将地下管线安全预警等信息传递至监控中心，在应急处置过程中发挥综合指挥调度作用，能够为监控中心值班人员提供全面的管线运行信息，为各级管理人员提供大数据分析应用等辅助决策手段。

（四）标准体系

标准规范体系主要包括数据共享类、信息技术类、综合管理类、工程实施类以及运行维护类等几大类。标准规范体系框架如图3所示。

（五）移动应用

面向政府行政部门应用：服务发布、信息查询、现场监察情况上报、行政审批。

面向管线权属单位应用：信息查询、巡检信息上报、远程控制、规划建设信息上报。

面向公众的应用：管线问题上报。

图3 标准规范体系构成图

二、智慧管网综合管理系统

（一）普查

地下管线普查是对于未进行管线普查的区域，进行全面管线普查；对于已进行管线普查的区域，对近年来尚未探测的管线数据进行补测，通过普查可以全面掌握管线现状。

航天探地雷达技术，可以实现金属管线和非金属管线的精确探测，尤其是对非金属管线的探测，是目前最有效的方法。

（二）精确定位

电子标签埋设在设施导线点、拐点处，用于存储埋设地点和地下设施的详细资料。通过建立电子档案，实现管线数据共建共享，在未来30～50年最大化地发挥资源效益。

电子标签精确定位技术：电子标签埋设在设施导线点、拐点处，用于存储埋设地点和地下设施的详细资料。

北斗卫星定位技术：利用北斗定位，获取人员所在位置，通过位置与管线数据的比对，实现管线的精确定位。

（三）智慧管网综合管理系统

建立统一数据标准，实现各类地下管线管理数据的融合，形成支撑业务协同、数据共享的智慧管网综合管理系统。面向政府行政管理部门和行业监管部门实现基于管线的“规划、建设、运行、维护”全生命周期管理以及“全面普查、隐患排查、安全预警、应急处置”安全管理两条主线，为城市地下管线“治病”“养护”，实现“动态监管”。

（四）基础数据管理与分析

基于地理信息系统，整合地上地形数据和地下管线数据，通过共享地图服务，为地下管线综合管理提供统一的地理信息系统，形成二、三维一体化应用；提供基础管线数据的查询与统计分析；提供横断面分析、爆管分析、碰撞分析等专业的分析能力。

（五）全生命周期管理

辅助规划子系统：实现管线规划的上报与审批；提供三维设计工具，实现管线模拟规划设计，验证管线规划设计的合理性；根据管线隐患分布及严重程度等数据，支撑老旧管线的规划设计。

建设管理子系统：实现建设单位与建设管理部门之间的工程计划、建设审批、竣工管理等业务协同；根据管线隐患信息分布及严重程度，制定管线建设计划，支撑老旧管线改造；共享管线基础数据，有效避免了施工过程中挖断管线事故的发生；加强竣工验收环节监管，建立管线动态更新机制，保证管线数据准确性。

管线数据动态更新：建立管线数据更新机制，确保及时将管线数据更新入库；建立隐患数据的更新机制，完善管线健康信息库。

档案管理子系统：提供智慧管网文件的多种采集途径；实现智慧管网平台数据的归档和集中管理；提供智慧管网档案资源的安全利用。

（六）安全管理

安全监管与预警子系统：对燃气、热力、排水、供水等地下管线以及路灯、井盖等市政设施的运行状态安全进行监管，对于异常情况进行预警；融合普查、隐患排查、在线监测、日常巡检、热线等各种数据来源，通过健康预测模型，采用大数据分析，预测管线的健康状态并预警；通过对管线工程监管，实现管线施工进度和质量的管理。

应急处置子系统：全面管理地下管线事故应急预案，实现事故与预案的自动关联；统筹管理应急车辆、物资、仓库、队伍等资源，在发生突发事件时实现各类物资的精确定位和调度；实现直观可视化的应急仿真，提升城市应急事件现场处置的科学性。

（七）大数据分析应用

“一张图”分析应用：主要包括地下管线一张图、安全隐患一张图、在线监测一张图、安全预警一张图、应急处置一张图、设备管理一张图、专题指标分析。

图4 智慧管网综合管理系统结构图

健康预测模型：结合地下管线运行环境、地下管线自身技术状况、地下管线周边土体不密实区域情况、土体不密实区域和管道相对关因素等基础大数据，形成基于腐蚀、缺陷评价、事故动态分析、预测分析的健康预测模型。

排洪模型：综合城市降雨过程、地面径流水文过程以及地下管道排水能力和地表积水情况，构建排洪模型，分析城市内涝的影响范围、积水深度、积水量和积水时间等致灾因素。

三、专业管线智能化管理系统

实现燃气、热力、供水、排水、电力等管线的在线监测与智能化管理；实现井盖、路灯电缆等市政设施的在线监测与智能化管理；实现专业管线及市政设施的日常巡检管理。

图5 专业管线智能化管理系统结构图

（一）智慧供水

以GIS子系统为基础，实现水源、供水设备等监测以及水力模型、漏损控制等应用，从而实现安全供水、节能降耗和降低漏损，提高供水服务水平和业务管理水平。

（二）智慧排水

针对污水处理厂、中水厂、雨水泵站、雨水调蓄池、用户排污口、入河排水口、内涝点、雨水管道、污水管道、水质监测点进行在线监测、预警及应急处置。

排水监测子系统：将排水管网、泵站、污水厂以及河道监测数据集成到一起，并与GIS平台进行集成，实现监测信息的实时查询与显示、报警数据与历史监测数据统一存储与管理，利于管理者对相关资料做全面科学的统计分析，为其它系统提供数据支持。

排洪模型子系统：综合城市降雨过程、地面径流水文过程以及地下管道排水能力和地表积水情况，构建排洪模型，以科学准确的方式分析城市内涝的影响范围、积水深度、积水量和积水时间等致灾因素，从而为内涝防治对策和应急抢险预案的制定提供指导和依据。

防洪抗旱指挥子系统：当发生洪水和出现严重干旱时，则通过防汛指挥子系统迅速采集和传输水情、雨情、工情、旱情和灾情信息，并对其发展趋势作出预测和预报，经分析制定出防洪抗旱调度方案，指挥抢险教灾，有效地运用水利工程体系，努力缩小水旱灾害范围，最大限度地减少灾害损失。

（三）智慧燃气

燃气监测子系统：以管网GIS为基础，对燃气门站、输气管线以及调压箱等燃气系统进行实时监测，实现燃气运行的安全管理。

燃气管网监控预警子系统：辅助燃气企业对场站、管网进行监控，同时也可实现对管网的调度、预警以及控制，提高燃气企业的整体管理能力，加强燃气管网的安全系数，降低企业运营成本。

（四）智慧热力

热力监测子系统：以管网GIS为基础，实现对热源、管网、换热站及供热参数的自动采集，集中远程监测，根据需求负荷变化自动调节供热量，为用户热网节能、安全运行提供保障的工具。

热力水力平衡分析子系统：热力水力平衡分析系统，在热网运行状态发生变化时，系统能够及时进行计算分析，获得在各种负荷条件下换热站、热用户等的热量需求，了解各种负荷状态下的压力、流量和温度的分布。

分户计量控制子系统：通过通断时间面积法、户用热量表法、温度面积法等热计量分摊方法，实现分户计量，同时系统通过对室内温度的远程干预，达到用户自主节能和干预节能的目的。对室温的采集、监测，实现换热站环境温度补偿转变用户室温补偿。杜绝违规热用户从回水管路放水盗热的情况。用户室温情况实时监测，变被动服务为主动服务，提高供热服务水平，从热源到用户末端按需分配。

本研究通过住建部首个城市地下管线综合管理试点项目实施验证，形成了一套集成化、协同化和智能化的地下管线综合管理平台；开展了普查与隐患排查、物联感知、精确定位等相关区域专项工作；制定了系列数据和技术类标准规范；面向管线全生命管理和安全管理形成了“可推广、可复制”的地下管线综合管理模式。

（作者单位：航天海鹰机电技术研究院有限公司；北京京航计算通讯研究所；航天海鹰机电技术研究院有限公司）