鐘洪德，邱 劍

(福州市勘測院，福建福州350003)

一、引 言

提到智慧城市建設(shè)，可能首先想到的就是IBM提出的“智慧地球”概念。在IBM的構(gòu)想中，“智慧地球”是指將感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、建筑、大壩、油氣管道等各種物體中，將物與物通過互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)，然后通過超級計算機和云計算將其整合，實現(xiàn)社會與物理世界的融合。

“智慧地球”的概念運用于現(xiàn)代城市就是“智慧城市”，而在廣義上講，“智慧城市”指城市信息化，即通過建設(shè)寬帶多媒體信息網(wǎng)絡(luò)、地理信息系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施平臺，整合城市信息資源、建立電子政務(wù)、電子商務(wù)、勞動社會保險等信息化社區(qū)，逐步實現(xiàn)城市國民經(jīng)濟和社會的信息化。

一般而言，“智慧城市”可劃分為4個層次，如圖1所示。

圖1

“智慧城市”建設(shè)，包括“智慧建筑”、“智慧政務(wù)”、“智慧醫(yī)療”、“智慧交通”和“智慧物流”等多方面的內(nèi)容，這些都屬于“地上智慧”。而地下部分的“地下智慧”，其核心內(nèi)容就是“智慧管線”。

而智慧地下管線信息系統(tǒng)代表著真正意義上的管線信息化，包括整合各方面地下管線信息，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立地下管線信息管理分析系統(tǒng)，實現(xiàn)信息共享，實現(xiàn)對城市基礎(chǔ)設(shè)施的精準(zhǔn)管理、動態(tài)監(jiān)控和高效維護，并實施應(yīng)急處置，確保管網(wǎng)安全。

二、建設(shè)智慧地下管線信息系統(tǒng)的必要性

作為城市生命線的地下管線，是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)之一。目前，全國各地時常發(fā)生因管線引發(fā)的重大事故，如煤氣泄漏引發(fā)爆炸、管道漏水造成的地面塌陷等，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失，排水管道老化形成嚴重的城市內(nèi)澇等問題。解決這些管線問題，需要城市管理者們對地下管線進行“智慧”管理。

在地下管線信息管理的建設(shè)進程上，經(jīng)歷了20世紀八九十年代初的市政管線權(quán)屬單位和城建部門的手工管理、紙質(zhì)資料存檔，90年代中期至21世紀初開展地下管線普查并采用機助制圖存儲管線空間位置信息、使用FOXPRO等數(shù)據(jù)庫存貯管線屬性信息，以及21世紀初出現(xiàn)使用GIS軟件管理系統(tǒng)一體化存儲管線空間信息和屬性信息。

在現(xiàn)階段，地下管線信息管理工作仍然存在以下突出問題:由于缺乏對地下管線有關(guān)負荷運行情況和自身健康情況信息的獲取手段，信息管理系統(tǒng)無法對管線的安全運行提供基礎(chǔ)信息，無法對城市地下管線災(zāi)害事故提供預(yù)警和應(yīng)急決策信息。

在“智慧城市”的建設(shè)進程上，地下管線管理是智慧城市的基礎(chǔ)，應(yīng)先行夯實“地下智慧”?，F(xiàn)階段地下管線信息管理存在管線負荷運行信息和自身健康信息缺失問題，說明了現(xiàn)有地下管線信息過于單一，需要對管線信息進行擴充、整合，在管線信息化建設(shè)上需要與“智慧城市”概念相匹配，實現(xiàn)管理水平的提升。

三、智慧地下管線信息系統(tǒng)的信息內(nèi)容

在“智慧城市”模式下的地下管線信息化建設(shè)，需要整合給水、排水、燃氣、電力、通信、熱力等各種地下管線信息，整合內(nèi)容包括:

1)管線基礎(chǔ)信息:包括管線空間信息(管線空間走向、特征點及附屬設(shè)施的平面坐標(biāo)、管線埋深等)，管線屬性信息(包括管線規(guī)格、管線材質(zhì)、流向等屬性信息)，管線專業(yè)部件及管線構(gòu)建筑物信息(包括管線部件或構(gòu)建筑物的名稱、尺寸、形狀、材料等)。

2)管線負荷運行信息:包括傳輸物質(zhì)類型、壓力大小、管道資源的利用情況、自身壽命、運行時間等信息。

3)管線健康狀況信息:包括管線腐蝕或破損情況、泄漏情況、外界對其影響情況等，可通過在管線關(guān)鍵位置(監(jiān)測點)上預(yù)先嵌入傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，存貯在專門數(shù)據(jù)庫中。

四、智慧地下管線信息系統(tǒng)的系統(tǒng)建設(shè)

地下管線信息化建設(shè)工作是一個系統(tǒng)工程，涉及地下管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)、感應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)、傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、管線信息管理分析平臺建設(shè)等內(nèi)容，應(yīng)本著“統(tǒng)籌規(guī)劃，分步建設(shè);標(biāo)準(zhǔn)一致，互聯(lián)互通;共建共享，分工維護;集中管理，統(tǒng)一調(diào)度”的原則，建立以政府為主導(dǎo)，各部門、各行業(yè)加強協(xié)調(diào)、分工合作、資源共享的地下管線信息化建設(shè)和運行機制。

1.地下管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)

數(shù)據(jù)層是智慧城市建設(shè)中非常重要的一環(huán)，起著基礎(chǔ)、支撐的作用。在管線信息化的建設(shè)中，首要工作就是管線基礎(chǔ)信息的采集及建庫工作，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括管線空間位置信息、地下管線屬性信息、管線專業(yè)部件及管線構(gòu)建筑物信息等。

在“共建共享，分工維護”的原則下，地下管線數(shù)據(jù)庫建設(shè)應(yīng)由多方合力建設(shè)完成。一般的做法是由管線探測單位采用管線探測技術(shù)，對城區(qū)的地下管網(wǎng)進行拉網(wǎng)式的普查，重點采集管線空間位置信息、管線屬性信息;由專業(yè)管線權(quán)屬單位、管線建設(shè)單位、管線維護管理單位等提供已有的管線屬性信息、管線專業(yè)部件及管線構(gòu)建筑物信息、管線負荷運行信息等。

這樣，經(jīng)多方共建、多種管線資源整合建成的地下管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，管線基礎(chǔ)信息豐富。同樣，在地下管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建成后，各管線部門要共同參與做好數(shù)據(jù)動態(tài)更新工作，確保數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性。

在管線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫建設(shè)中，需要基礎(chǔ)地理信息作為背景層進行支撐，基礎(chǔ)地理信息可包括城市大比例尺數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)或影像數(shù)據(jù)、城市路網(wǎng)數(shù)據(jù)、城市熱點信息等。

2.感應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)

在管線感應(yīng)系統(tǒng)建設(shè)中，主要工作是在管線關(guān)鍵部位(如閥門、三通、消火栓等)安裝智能傳感器。重點是獲取管線運行負荷信息及管線健康狀況信，主動或被動提供給傳輸層設(shè)備，并與相關(guān)智能設(shè)備相結(jié)合，實現(xiàn)對閥門等關(guān)鍵設(shè)施的控制。

智能傳感器集成了傳感器、智能儀表全部功能及部分控制功能，具有采集、處理、交換信息的能力，即除感知各種現(xiàn)象，還可以實現(xiàn)人機對話?？山M成網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)運行需要對關(guān)鍵設(shè)施進行參數(shù)的遠程調(diào)整，完成各種動作。例如，如果與智能電動閥門控制器結(jié)合，在安裝了電動閥門的管道上，則可利用物聯(lián)網(wǎng)微機技術(shù)和現(xiàn)場通信技術(shù)，直接改變閥門的位移，實現(xiàn)對閥門的遠距離控制。

現(xiàn)階段，智能傳感器的典型應(yīng)用就是采用無線射頻識別技術(shù)(RFID)，這種技術(shù)具有無接觸和自動識別的優(yōu)勢。目前，RFID已經(jīng)從研究階段走向?qū)嵱没?，單項技術(shù)已趨于成熟。

此工作宜在管線新建或老舊管線的更新改造時進行，可直接使用預(yù)先嵌入傳感器的管道，或者在管線埋設(shè)的同時同步埋設(shè)智能傳感器。

3.傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

包括有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)等通信手段的建設(shè)，主要將感知層獲得的數(shù)據(jù)由現(xiàn)場實時傳輸?shù)礁邔哟蔚膯卧?，主要包括光纖網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、路由器、防火墻、服務(wù)器等。

4.管線信息管理分析平臺建設(shè)

建立管線信息管理分析平臺，實現(xiàn)公共服務(wù)職能，實現(xiàn)對管網(wǎng)設(shè)施的精準(zhǔn)管理、動態(tài)監(jiān)控、高效維護及工程應(yīng)用。管線信息管理分析平臺應(yīng)包括:地下管線多參數(shù)三維顯示、地下管線輔助規(guī)劃設(shè)計、地下管線事故分析及應(yīng)急指揮系統(tǒng)等。

同時，平臺應(yīng)提供各種通用數(shù)據(jù)接口，可以與城市其他領(lǐng)域的管理系統(tǒng)進行無縫銜接，如地質(zhì)部門的城市地質(zhì)信息可視化系統(tǒng)、交通管理部門的城市交通信息管理系統(tǒng)、物業(yè)管理部門的智能樓宇系統(tǒng)等。

五、智慧地下管線信息系統(tǒng)的應(yīng)用分析

在智慧城市模式下的地下管線信息化，可實現(xiàn)管道三維可視化管理及設(shè)計、管線安全狀況實時監(jiān)測、管線事故的應(yīng)急指揮處理，以及數(shù)據(jù)庫的動態(tài)實時更新，最大限度地提高管道安全管理水平和生產(chǎn)作業(yè)效率，保證管道的平穩(wěn)、安全運行，實現(xiàn)智慧管理和智慧應(yīng)用。

1.管線三維可視化管理及設(shè)計

在“智慧城市”模式下，通過管線管理分析系統(tǒng)實現(xiàn)管線三維可視，城市管理部門、建設(shè)部門和管線權(quán)屬機構(gòu)等可以直觀地查看地下管線的復(fù)雜分布、目標(biāo)管線與周邊建筑物或周邊管線的相應(yīng)空間關(guān)系、管線部件樣式，快速實現(xiàn)管線縱橫斷分析、碰撞分析等功能。管線信息共享所發(fā)揮的價值及意義將更加明顯，相關(guān)部門也可更加高效地履行各自的管理職能。

而規(guī)劃設(shè)計部門，則可方便地進行管線的三維仿真設(shè)計，即在管線三維可視環(huán)境下，設(shè)計人員可模擬現(xiàn)場環(huán)境，分析設(shè)計管位與周邊管線、地物的空間關(guān)系，根據(jù)國家有關(guān)管線工程的安全間距規(guī)定，不斷調(diào)整、優(yōu)化設(shè)計管位，方案將更加合理、科學(xué)，節(jié)約地下空間。根據(jù)這樣形成的設(shè)計方案，在管線施工過程中，將規(guī)避更多的施工安全風(fēng)險，更具有可操作性。

2.實時感知管線健康狀況

通過預(yù)埋于管線上的各類傳感器，可以讓管理人員在管理分析系統(tǒng)平臺中，通過系統(tǒng)實時獲取地下管線負荷運行情況，掌握管線健康狀況，對管線運行狀態(tài)作出判斷，做好預(yù)防性維護。如可以對燃氣管道等高危管道設(shè)置傳感器，實時監(jiān)控有無漏氣、破損等情況，根據(jù)系統(tǒng)的提示，就可以清楚地知道哪條管道到了檢修的時間，哪條管道需要更換泄漏的閥門。

同樣，在管線日常巡檢中，巡視人員可以使用PDA設(shè)備，現(xiàn)場獲取地下管線感應(yīng)器發(fā)送的管線信息，對管道進行必要的處置。也可根據(jù)管線信息管理分析系統(tǒng)下達的處置指令，根據(jù)傳感器的定位信息，準(zhǔn)確定位，對相應(yīng)設(shè)施進行應(yīng)對處置。

3.管線事故的應(yīng)急指揮處理

快速準(zhǔn)確地對管線運行中的突發(fā)事故作緊急處理，城市應(yīng)對重大突發(fā)事件的響應(yīng)速度與處理能力可明顯提升。例如，一旦管線發(fā)生泄漏，平臺將啟動應(yīng)急處置預(yù)案。在預(yù)警的同時，立即啟用事故分析功能，基于高密度的監(jiān)測傳感器，可以快速確定事故點和事故點周圍需要緊急關(guān)閉的各種閥門，對相關(guān)閥門進行自動關(guān)閉，以便將事故損失降到最低。在事故分析和解決的過程中，將通知相關(guān)部門進行聯(lián)動救援、交通管制等。

4.管線數(shù)據(jù)動態(tài)更新

基于物聯(lián)網(wǎng)及傳感器技術(shù)，將管線信息，特別是負荷運行及管線健康狀況的變化信息，實時傳遞至系統(tǒng)平臺，在數(shù)據(jù)庫中進行實時動態(tài)更新。當(dāng)管線有新增、改管或拆除時，管線變動情況均可在數(shù)據(jù)庫中得以及時修正。

六、結(jié)束語

如何提高管道運營管理和安全運行水平，已經(jīng)成為管線行業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。物聯(lián)網(wǎng)被稱作計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用必然對未來城市的規(guī)劃、建設(shè)、管理產(chǎn)生深刻的影響。

在地下管線的智慧管理中，需要整合地下管線信息，使用傳感器手段和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，運用信息化手段加強地下管線管理，實現(xiàn)信息資源共享，將提高管道運營管理和安全運行水平，合理開發(fā)、利用城市地下空間資源，增強城市應(yīng)急和防災(zāi)減災(zāi)能力，從而推動整體“智慧城市”的建設(shè)。

［1］梁力，秦尚林，趙冬生.城市地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)集成和管理系統(tǒng)［J］.地礦測繪，2001，17(3):12-15.

［2］張永民，杜忠潮.我國智慧城市建設(shè)的現(xiàn)狀及思考［J］.中國信息界，2011(2):28-32.

［3］赫建忠，李成名，印潔，等.城市綜合管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的建立［J］.工程勘察，2002(3):55-57，60.