基于泛在物联网的地下电力管线病害探测研究

王磊

（北京京电电力工程设计有限公司, 北京 100070）

1 引言

2019年，国网公司提出了全面建设泛在物联网的任务目标，在智慧北京的基础规划中，地理空间基础设施和物联网基础设施是缓解“大城市病”，实现城市综合体智慧管理的基石。利用地理信息技术获取地下电力管线病害数据，对空间信息的探测定位和基于传感器的智能探测是物联网建设的关键，也是保障城市安全运行，预防地下管线事故及道路事故科学有效的手段。

2 地下电力管线病害

地下电力管线病害泛指城市地面下的多种危险因素威胁地下电力管线内部及周边的各种不良体。泛在电力物联网侧重电力需求供给侧[1]，为提升供电可靠性，大城市供配电线路主要为地下电力管线。以北京为例，市中心城区已基本实现了地下电缆供电。基于泛在物联网的地下电力管线病害数据组织结构可划分为空间要素、属性要素和外部环境要素。

1）空间要素。空间数据是工程性基础数据，利用地理信息技术和地球物理方法探测地下电力管线病害体的平面位置、高程、埋深、管偏距等。

2）属性要素。包括前期地下电力管线资料的调绘和实地的调查。而应查明的地下电力管线属性数据包含敷设类别、电压等级、材质、规格、电缆根数、建设年代、权属单位、电力附属物等。

3）外部环境要素。影响地下电力管线病害的外部环境数据的结构内又包含有不同类别的不良体。土体的疏松、空洞、脱空等，常规密闭空间内有毒有害气体的积聚，相邻管线易造成的高温、高湿、富水等，这些危害数据的信息采集和运行监测是基础感知层的重点。

3 病害的探测感知

不良体空间信息的获取首先选择常规的测量方法。对于地下电力管线基础设施中的检查井、设备、接头、人孔、夹层等管线点的平面位置、高程、埋深宜采用 BDS（北斗卫星导航系统）直接施测或布设首级控制网。如果现场不具备 BDS 直接测量的空视环境，宜采用静态或 RTK（实时动态差分）技术布设首级控制网，联合全站仪、水准仪对管线点在地面的投影位置进行平面坐标和高程的联测。平面坐标可采用 RTK 法、导线法或极坐标法，数据采集至毫米，精确到厘米。高程测量可采用水准法或三角高程联测。所得数据除应满足城市测量的规定外，也应在精度、误差、报表、统计输出的层面满足泛在物联网的接入标准。

隐蔽的地下电力管线点可采用地质雷达法或电磁感应法。根据傅立叶级数的变换，埋地电缆的阻抗在一定范围内具有恒定的特性[2]，所以电磁法探测成为最佳方案。发射机直接将电信号加载在特定目标上连续的追踪、探测、定位的方法称为直连法；选用中等频率（8kHz 或 33kHz）感应深度小于 1.8m埋地电缆的方法叫作电磁法；对于具有明显暴露点的地下电缆，通过施加等效厄流圈原理加载信号探测定位叫作夹钳法。

地下电力管线的各属性数据可调阅相关资料。如管线的规格、材质、建设年代、权属单位等可查阅市规委相关的竣工资料；电力管线的电压等级、材质、规格、电缆根数、电力附属物等可调绘各属地电力公司基础设施的报规资料和 GIS 数据。

地下电力管线病害的外部环境影响因素可利用基于多传感器的智能探测感知系统。经过实地的调查，匹配与病害体相应的智能传感器，将具有多功能平台模块（如水位模块、气体模块、地震波形模块等）获取的数据从 RTU 数据回传通道传送到BIM 物联网平台。再根据基于物联网的深度图形算法和临域拟合分析方法快速构造基础图形，自动生成报表。针对有限空间内有毒有害气体的探测感知宜采用多合一的气体传感器。

4 风险分析与预警

城市地下电力管线病害的风险要素可以概括为系统自身的危险因素及外部环境风险因素2个方面。系统自身因素对病害体的影响最大，权重相对较高；外部环境因素主要影响病害体未来的发展，权重相对较低。针对可造成各种叠加危害的因素，可采用叠加加权算法兼顾多种情景。综合考量病害体自身属性以及环境因素，土体病害对地下管线影响的严重程度可划分为 A、B、C、D 4个级别，分别对应严重影响、较大影响、一定影响、影响较小 4类风险。富水影响因素依据病害程度，加权评估分为 1.2＜S＜1.6 为一般富水异常，S≥1.6 为严重富水异常。有毒有害气体及燃爆危害因素，依据 DB11/852.1—2012《地下有限空间作业安全技术规范》应设定预警和报警2级检测。常见危险因素的预警值与报警值总结如表1所示。

表1 常见危险因素的预警值与报警值

5 系统可靠性

物联网的核心仍然是互联网。基于地下电力管线病害的全面感知，实现完全信息的决策、运行、监控、反馈，消除孤岛，融合数据，实现全要素互联互通，通过云共享平台打造城市综合体的可靠物联网新生态。在系统运行的过程中，应坚持以下原则：

1）规范统一性原则。基础数据的坐标定位应采用 BDS 和全站仪相结合的方法，精确测定电力管线及其附属物周围土体病害的范围，采用统一的 CGCS2000空间坐标系统，应使探测所得数据的类型、编码、图示、符号等诸多属性符合国家标准和行业规范。

2）数据共享原则。国家电网各属地公司获取及存储地下电力管线信息的方式不同。这要求系统在将各种数据资料收集后，通过互联网技术、GIS 技术、云计算技术、通信技术，整合成城市地下电力管线病害的共享数据库和共享平台，实现与城市综合体各要素的互联互通和信息共享，打破信息利用的壁垒，促进地下电力管线病害信息的高效利用。

3）三维可视化原则。在计算机软硬件、大数据、VR等条件的支持下，三维可视化技术可以实现地下电力管线及其附属物的直观显示。对空间和属性数据的输入、编辑、查询、统计、 分析和输出进行精细化的系统管理，将很难用形象表达的地 下电力管线的病害数据有效集成，实现二维、三维数据的一体化，便于城市综合体的运行与决策。

6 结语

综合泛在电力物联网基础设施建设的基本原则，本文中地下电力病害数据采用的是层次数据模型，将空间、属性、外部环境 3种要素一体化分层存储，便于数据的编辑与动态更新。在数据的风险分析中，仅列举了容易在电力有限空间集聚的几种常见不良体，其他可能存在影响的物质本文末过多探讨。