袁宏永

2021年6月13日，湖北省十堰市張灣區(qū)艷湖小區(qū)發(fā)生天然氣爆炸事故當天，習近平總書記作出重要指示，要求全力搶救傷員，做好傷亡人員親屬安撫等善后工作，盡快查明原因，嚴肅追究責任，并全面排查各類安全隱患，防范重大突發(fā)事件發(fā)生，切實保障人民群眾生命和財產(chǎn)安全，維護社會大局穩(wěn)定。據(jù)初步分析，事發(fā)原因是，建筑物建在河道上，鋪設在負一層河道中的燃氣管道發(fā)生泄漏，因負一層兩側封堵不通風，泄漏天然氣聚集并向一樓二樓擴散，達到爆炸極限后遇火源引爆。此次安全事故教訓深刻，讓我們對城市生命線安全運行的認識提到了一個新的高度。

一、城市生命線的發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)

（一）城市生命線更新改造是城市發(fā)展的必然趨勢

改革開放后，經(jīng)過40年的快速發(fā)展，我國城市的建成區(qū)面積擴大了7.3倍，城市人口迅速增長，生產(chǎn)、物流、運輸和廢物排放的規(guī)模也相應擴大。這導致城市公路、橋梁、鐵路、供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)和軌道交通等城市生命線系統(tǒng)變得愈加復雜，加上供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、熱力管網(wǎng)、橋梁和電梯等城市生命線設施逐漸老化，使得城區(qū)頻繁出現(xiàn)交通擁堵、環(huán)境污染、路面塌陷、燃氣泄漏、供水爆管等一系列“城市問題”，給城市管理和經(jīng)濟社會發(fā)展帶來很大挑戰(zhàn)。城市生命線更新改造的需求日益明顯。

（二）城市生命線過載運行導致安全風險事故頻發(fā)

目前，我國城鎮(zhèn)常住人口已超8.4億，超過一半的人口居住在城市中，對城市生命線設施的供給服務帶來了極大的運轉壓力，多數(shù)處于超負荷狀態(tài)。再加上材料和結構的性能老化，腐蝕和反復荷載出現(xiàn)疲勞或蛻化，城市生命線設施面臨非常嚴重的安全風險挑戰(zhàn)，極易發(fā)生燃氣爆炸、橋梁垮塌、暴雨內(nèi)澇、突發(fā)性爆管、大面積停水停電等城市公共安全事件。如果在災害條件下，易損性將愈加增大。

中國城市規(guī)劃協(xié)會地下管線專業(yè)委員會此前統(tǒng)計過，“2008—2010年，全國僅媒體報道的地下管線事故平均每天就有5.6起”。各類設施的風險事故也仍呈上升趨勢，主要表現(xiàn)為頻發(fā)的燃氣泄漏爆炸、地下空洞和電梯傷人事故等，普遍存在的城市內(nèi)澇和時有發(fā)生的橋梁坍塌等。

（三）城市生命線的運行監(jiān)管手段處于重要轉型時期

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，城市生命線的體量也在不斷增加，一座中型城市就擁有超過600座橋梁、8000多公里排水管網(wǎng)和6000多公里燃氣管網(wǎng)等。這對城市管理部門和行業(yè)監(jiān)管單位開展城市生命線的運行監(jiān)管工作提出了極高的要求。傳統(tǒng)的運行監(jiān)管手段多以人工巡檢為主，但隨著管網(wǎng)容量的增加，人手投放不足、人員專業(yè)能力不夠等問題逐漸突顯。大量城市生命線事故都是由于人員作業(yè)不規(guī)范、人工巡檢不到位造成的。如湖北十堰燃氣事故，其爆炸起因在于燃氣管網(wǎng)泄漏至相鄰地下空間沒有被及時發(fā)現(xiàn)。沒有及時發(fā)現(xiàn)的原因，除了人工巡檢不到位，也是因為這樣的泄漏發(fā)現(xiàn)難度大。因此，不少城市提出以科技手段逐步替代人工，提升城市生命線的安全監(jiān)管能力。

二、城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)的應用

我國“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標中，專門部署統(tǒng)籌發(fā)展與安全，這對城市生命線等基礎設施的更新改造、數(shù)字化管理和現(xiàn)代化治理提出了更高的要求。更全面的感知和大數(shù)據(jù)分析是監(jiān)測城市生命線系統(tǒng)、預測事件發(fā)展和進行科學決策的重要基礎，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)綜合技術將成為加強城市生命線運行監(jiān)測能力、應急處置能力的重要途徑。

為提高城市生命線運行監(jiān)測能力，應以公共安全科技為核心，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、BIM/GIS等信息技術為支撐，開展城市生命線各領域的研究，支撐城市實現(xiàn)生命線運行的整體監(jiān)測、實時感知、早期預警和高效應對。

清華大學合肥公共安全研究院聚焦安全科學、創(chuàng)新安全技術、發(fā)展安全產(chǎn)業(yè)，在國內(nèi)取得了一系列領先的科研成果，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)應用。從2015年開始，研究院承擔“城市公共安全脆弱性分析和綜合風險評估關鍵技術研究與示范”項目，整合清華大學公共安全、土木工程、力學、電子、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)處理等領域的學科和技術，成功研發(fā)出城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)針對橋梁、供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、熱力管網(wǎng)、燃氣管網(wǎng)、電梯和消防設施等影響城市安全運行的重要基礎設施，實施全面感知和動態(tài)監(jiān)測，為城市基礎設施安全運行提供監(jiān)測預警、數(shù)據(jù)分析、輔助決策等服務和保障。這一系統(tǒng)在世界上首次實現(xiàn)了對城市重要基礎設施進行整體安全監(jiān)測，透徹感知城市生命線運行狀況，分析其風險及耦合關系，深度挖掘其運行規(guī)律，實現(xiàn)系統(tǒng)風險的及時感知、早期預測預警和高效處置應對，確保城市生命線的主動式安全保障。

（一）設計理念

系統(tǒng)采用“1+2+3+N”的頂層設計模式。“1”是指建設城市安全運行監(jiān)測中心?！?”指建設一網(wǎng)一圖，即城市安全運行監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)和城市安全綜合監(jiān)測一張圖。“3”是指建設三大基礎支撐，即城市安全大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、安全保障體系和標準規(guī)范體系?！癗”指建設N個城市安全運行監(jiān)測專項系統(tǒng)，目前包括橋隧、燃氣管網(wǎng)相鄰地下空間、供水管網(wǎng)、排水管網(wǎng)、熱力管網(wǎng)、綜合管廊、電梯、市政路燈和井蓋共九大安全運行監(jiān)測專項。

（二）城市安全運行監(jiān)測中心

城市安全運行監(jiān)測中心承擔著城市生命線安全運行實時監(jiān)測、預警預測、數(shù)據(jù)處理、決策支持等責任，對監(jiān)測專項進行實時監(jiān)測，與相關部門建立互聯(lián)互通對接機制，是工程科技創(chuàng)新與管理科學創(chuàng)新的有機融合?？梢酝ㄟ^建立公共安全運營社會化服務模式，實現(xiàn)由政府主導、技術支撐單位提供服務，創(chuàng)新城市公共安全智慧管理運營服務模式。

（三）城市安全運行監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)

城市安全運行監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)是城市生命線前端感知系統(tǒng)，它運用傳感元件、精確測控、示蹤標識、物聯(lián)網(wǎng)等技術手段，建立物聯(lián)、傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)城市地下管網(wǎng)、橋梁、路燈、井蓋、電梯等設備安全運行狀態(tài)的在線監(jiān)控、準確采集和實時上傳。

（四）城市安全綜合監(jiān)測一張圖

通過城市運行物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、匯聚和分析，結合城市各部門的基礎數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、城市部件信息等進行綜合分析，以“一張圖”形式呈現(xiàn)城市整體運行情況，建立一套城市健康運行體征指標體系，以多角度、多維度清晰展現(xiàn)城市安全的大數(shù)據(jù)畫像。

（五）城市安全應用基礎支撐系統(tǒng)

1.城市公共安全大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。在城市現(xiàn)有信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換與共享的基礎上，依托現(xiàn)有城市政務信息資源共享機制，整合接入城市供水、排水、燃氣、橋梁、路燈等信息化系統(tǒng)資源，構建城市公共安全大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實現(xiàn)城市基礎數(shù)據(jù)、運行實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、管理部門業(yè)務數(shù)據(jù)、社會數(shù)據(jù)等的匯聚。通過大數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)城市風險綜合評估、安全運行綜合監(jiān)測與預警、突發(fā)事件綜合研判與協(xié)同處置等功能，推動城市安全管理由事后處置向事前防范、事前化解、事前管控轉變。

2.安全保障體系。安全保障體系從整體考慮，包括物理場所安全、信息采集及傳輸安全、監(jiān)測中心網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)庫安全、應用層安全和管理安全六個部分。涵蓋了信息傳輸、存儲安全、應用系統(tǒng)安全等多個方面，實現(xiàn)信息傳輸暢通、安全保密，為城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行提供保障。

3.標準規(guī)范體系。充分考慮城市特點和各部門信息化建設情況，建立一套標準規(guī)范體系，規(guī)范各部門系統(tǒng)數(shù)據(jù)報送格式、城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)建設和運行管理流程，使城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)及其外延系統(tǒng)形成有機的整體。

（六）城市安全運行監(jiān)測專項

1.橋梁安全監(jiān)測專項

系統(tǒng)主要對橋梁關鍵截面應力、振動、撓度、支座位移、伸縮縫、結構溫度等參數(shù)進行在線監(jiān)測。分析車輛、溫度荷載作用下橋梁結構的應變響應，對超載、結構異常進行預警?；诖髷?shù)據(jù)，結合BP神經(jīng)網(wǎng)絡分析模型，對撓度、振動數(shù)據(jù)進行分析，通過對橋梁線型變化、基頻變化識別等，對橋梁異常進行預警。通過對支座位移、伸縮縫等參數(shù)的監(jiān)測、橋梁基本檔案信息的管理分析，為橋梁的支座、伸縮縫等相關的養(yǎng)護工作提供依據(jù)。該系統(tǒng)可實時對橋梁安全狀況進行評估，時刻掌握橋梁的安全運行狀況。

2.燃氣管網(wǎng)安全監(jiān)測專項

系統(tǒng)實時監(jiān)測燃氣管網(wǎng)鄰近地下空間可燃氣體濃度和地下空間內(nèi)溫度，以先進的物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等信息技術為支撐，結合燃氣管網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對城市燃氣管線相鄰地下空間的實時監(jiān)測、風險評估、預測預警和有效處置，保障城市地下管線的安全運行，切實維護人民生命和財產(chǎn)安全。

3.供水管網(wǎng)安全監(jiān)測專項

系統(tǒng)通過監(jiān)測管道運行的流量、壓力和聲波等參數(shù)，分析管道漏水與運行狀態(tài)之間的關系，快速評估供水管網(wǎng)運行狀況，準確定位管網(wǎng)泄漏位置和狀況，實現(xiàn)對泄漏地段路面塌陷的快速預警，降低供水管網(wǎng)漏損率，防范次生衍生災害，實現(xiàn)減損增效。

4.排水管網(wǎng)安全監(jiān)測專項

系統(tǒng)通過布設流量計、液位計、雨量計等前端感知傳感設備，以有線、無線、GPRS、NB-loT等網(wǎng)絡傳輸方式建立數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過排水運行大數(shù)據(jù)的共享、交換、采集、清洗和轉換，獲得城市排水運行物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和城市排水運行應急基礎數(shù)據(jù)，并經(jīng)過排水運行大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)針對內(nèi)澇積水、地下空洞、水環(huán)境污染等的風險評估、實時監(jiān)測、預測預警和應急指揮調(diào)度。

5.熱力管網(wǎng)安全監(jiān)測專項

系統(tǒng)主要對熱力管網(wǎng)的溫度、壓力和流量等參數(shù)進行在線監(jiān)測，根據(jù)管網(wǎng)運行的流量及壓力信息，結合管網(wǎng)拓撲結構，建立管網(wǎng)運行水力學模型。并利用熱力管網(wǎng)風險評估模型技術，評價管網(wǎng)風險等級，做到風險“早發(fā)現(xiàn)、早防范、早處理”，預防事故發(fā)生。當管網(wǎng)運行狀態(tài)發(fā)生異常時，系統(tǒng)可以利用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測和大數(shù)據(jù)分析技術，對管網(wǎng)進行實時監(jiān)測報警。并借助大數(shù)據(jù)分析工具、專業(yè)數(shù)據(jù)分析模型，對可能發(fā)生的泄漏、爆管、路面塌陷等提前進行預測預警，并準確定位。

6.電梯安全監(jiān)測專項

系統(tǒng)針對現(xiàn)有電梯保有量大、問題電梯數(shù)量多的現(xiàn)狀，通過融合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、BIM/GIS等先進技術手段，實現(xiàn)電梯維保監(jiān)督管理、安全監(jiān)測報警及應急處置一體化全方位服務，解決電梯維保監(jiān)督管理難，事故應急響應慢等問題。通過建立各方溝通機制，融入社會監(jiān)督力量，有效增加政府安全監(jiān)管能力，減輕政府監(jiān)管壓力，做到電梯安全的有效監(jiān)管、實時預警、協(xié)同救援。

7.綜合管廊安全監(jiān)測專項

系統(tǒng)從綜合管廊安全、高效運營的角度出發(fā)，預防主體結構破損、不均勻沉降、管線破損和爆管、毒害氣體泄漏積聚、火災、溫濕度異常等事件，實現(xiàn)設備穩(wěn)定可靠運行、巡檢和維護等。

8.路燈安全監(jiān)測專項

系統(tǒng)針對城市路燈普通人工巡檢、搶修不及時、偷盜市政電力等問題，通過照明監(jiān)控平臺和智能硬件設備，對路燈、夜景、隧道燈等公共照明實行統(tǒng)一管理，達到照明遠程監(jiān)測、智能管控、防盜防竊電的“三位一體”成效。

9.井蓋安全監(jiān)測專項

系統(tǒng)對井蓋狀態(tài)（開啟、位移、傾斜、破損）、井下液位高度和井內(nèi)有害氣體濃度等進行監(jiān)測、實時報警、自動巡檢、及時處置等，保障井蓋安全運行，進一步提高市政管理的信息化、智能化水平，為城市馬路安全奠定基礎。

三、結論與展望

重塑的城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)基于公共安全科技理論及模型，建立了系統(tǒng)的城市生命線運行監(jiān)測與處置工作機制和流程，采集匯總并分析城市安全運行數(shù)據(jù)，構建城市生命線基礎設施及安全風險要素、風險區(qū)域整體辯識、風險要素相互作用、風險發(fā)生與演化機理。它能夠促進政府及行業(yè)部門采取有效的改進措施，落實安全責任，不斷提高城市安全監(jiān)管能力。

通過建設城市生命線安全運行監(jiān)測系統(tǒng)，以公共安全科技為支撐，融合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)、BIM/GIS等現(xiàn)代信息技術，透徹感知橋梁、燃氣、供水、排水、地下管廊等城市部件運行狀況，分析城市安全風險及耦合關系，深度挖掘城市安全運行規(guī)律，能夠?qū)崿F(xiàn)城市安全風險的及時感知、早期預測預警和高效處置應對，確保城市安全的主動式保障，優(yōu)化城市運行效率。

（壓題圖片：城市生命線安全運行監(jiān)測中心作者提供）

（責任編輯：榮榮）