基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市地下管線智能管理系統(tǒng)

摘要：城市地下管線就像一個(gè)人身體上的血管，是城市的“生命線”，擔(dān)負(fù)著城市中各種資源和信息的傳輸任務(wù)，城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要周身的血管合理布局，統(tǒng)籌兼顧。我國(guó)的城市化進(jìn)程開(kāi)始較晚，地下管線規(guī)劃和管理缺位，形成了地下管線權(quán)屬單位分散，地下管線運(yùn)行監(jiān)測(cè)體系不完善等很多問(wèn)題，在城市建設(shè)中經(jīng)常出現(xiàn)挖損管線、管線老化泄露等情況，造成停水、停電、停氣、交通中斷、通訊中斷等事故，影響城市運(yùn)行質(zhì)量和效率。城市管理者迫切需要通過(guò)一種手段，將城市中所有地下管網(wǎng)管理起來(lái)，通過(guò)智能管理體系，對(duì)地下管網(wǎng)的空間位置、管線自身壽命、管線負(fù)荷運(yùn)行情況、外界對(duì)其影響情況等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，存儲(chǔ)于專門(mén)數(shù)據(jù)庫(kù)中，運(yùn)用專業(yè)分析軟件進(jìn)行分析，得出及時(shí)合理的處理維護(hù)措施。文中給出了通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使地下管線智能管理體系得以實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)在監(jiān)測(cè)目標(biāo)上預(yù)先嵌入傳感器，來(lái)使管理系統(tǒng)輕松獲得有關(guān)地下管線自身及運(yùn)行情況的關(guān)鍵參數(shù)，從而解決城市地下管線智能管理體系中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：地下管線；智能管理系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；智慧城市。

0 引言

城市地下管線是城市的“生命線”，就像一個(gè)人身體上的血管，擔(dān)負(fù)著城市中各種資源和信息的傳輸任務(wù)，城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要周身的“血管”合理布局，統(tǒng)籌兼顧。

由于我國(guó)的城市化進(jìn)程開(kāi)始較晚，在城市的快速發(fā)展中，地下管線規(guī)劃和管理缺位，形成了地下管線權(quán)屬單位分散，地下管線運(yùn)行監(jiān)測(cè)體系不完善、地下管線資料不全和位置誤差較大的局面。在城市建設(shè)中，經(jīng)常出現(xiàn)挖損管線、管線老化泄露等情況，造成停水、停電、停氣、交通中斷、通訊中斷等事故，影響城市運(yùn)行質(zhì)量和效率。

城市管理者迫切需要通過(guò)一種手段，將城市中所有地下管網(wǎng)管理起來(lái)，通過(guò)智能管理體系，對(duì)地下管網(wǎng)的空間位置、管線自身壽命、管線負(fù)荷運(yùn)行情況、外界對(duì)其影響情況等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后存儲(chǔ)于專門(mén)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，再運(yùn)用專業(yè)分析軟件進(jìn)行分析，以得出及時(shí)合理的處理維護(hù)措施，將城市地下管網(wǎng)事故消滅在萌芽階段，防患于未然。

由于城市主要管網(wǎng)位于地下，管線的空間位置信息可以通過(guò)施工資料獲得，但管線自身壽命、負(fù)荷運(yùn)行情況、外界對(duì)其影響的情況等以及與地下管線健康運(yùn)行有關(guān)的其他關(guān)鍵信息如何獲得?這在以前直是一個(gè)比較難以解決的問(wèn)題，而物聯(lián)網(wǎng)則可通過(guò)在監(jiān)測(cè)目標(biāo)上預(yù)先嵌入RFID射頻反射傳感器，使其輕松獲得有關(guān)地下管線自身及運(yùn)行情況的關(guān)鍵參數(shù)，從而解決城市地下管線智能管理體系中的一個(gè)個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市地下管線智能管理體系的日趨完善，可以把城市管理中樞和城市各功能模塊有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而提高城市管理的水平，滿足城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的需要，實(shí)現(xiàn)城市讓人類生活更美好的目標(biāo)。

1 城市地下管線的建設(shè)和管理現(xiàn)狀

城市地下管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是現(xiàn)代化城市高質(zhì)量，高效率運(yùn)轉(zhuǎn)的基本保證，被稱為城市的“生命線”。城市地下管線現(xiàn)狀的資料是城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)和管理的重要基礎(chǔ)資料。

由于我國(guó)城市發(fā)展起步較晚，城市化進(jìn)程在改革開(kāi)放之后才開(kāi)始加速，城市整體時(shí)間上和空間上規(guī)劃缺位等歷史原因，我國(guó)許多城市在規(guī)劃中對(duì)地下管線缺乏統(tǒng)一的、具有前瞻性的規(guī)劃，因而不得不經(jīng)常在城市中心區(qū)“開(kāi)膛破肚”、交通干線上“拉拉鎖”；而城市地下管線施工中也缺乏標(biāo)準(zhǔn)的施工工藝和規(guī)范，管線鋪設(shè)質(zhì)量較低，達(dá)不到設(shè)計(jì)服務(wù)年限；城市地下管線施工完成后，管線資料殘缺不全，有的資料精度不高或與現(xiàn)狀不符等問(wèn)題，都給后續(xù)城市建設(shè)工作帶來(lái)不便；再有就是各種管線權(quán)屬單位分散，各自為政，對(duì)本單位管線以外的其它管線分布、類型和權(quán)屬等情況一知半解，從而影響地下管線規(guī)劃建設(shè)的科學(xué)性、整體性；另外，在工程建設(shè)過(guò)程中，挖斷、挖穿地下管線的事故時(shí)有發(fā)生，造成供水、供電、供氣、通訊等中斷，進(jìn)而影響交通的正常運(yùn)行和城市居民的正常生活。

隨著城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，地下空間的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越普遍。尤其是近年來(lái)，地下軌道交通設(shè)施的建設(shè)，使得地下空間的利用矛盾越來(lái)越突出，城市地下管網(wǎng)探測(cè)任務(wù)也越來(lái)越多，探測(cè)隊(duì)伍和探測(cè)人員不斷增多，采用的探測(cè)方法、技術(shù)要求和所提交的成果各不相同，給資料使用部門(mén)帶來(lái)很多不便，迫切需要建立一套城市地下管網(wǎng)的綜合智能管理體系。

2 城市地下管線建設(shè)和管理中的問(wèn)題

2．1 對(duì)城市地下管線建設(shè)和管理的認(rèn)識(shí)不足

由于城市化進(jìn)程起步較晚，我國(guó)不少城建相關(guān)部門(mén)對(duì)地下管線作為城市“生命線”的重要作用和地位認(rèn)識(shí)不足，沒(méi)有深刻認(rèn)識(shí)到地下管線鋪設(shè)、維護(hù)或者被損毀后所需要的時(shí)間成本、空間成本和經(jīng)濟(jì)成本。城市建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)管線改移、管線被挖損等事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2．2 缺乏必要的法律依據(jù)

近幾年來(lái)，國(guó)家主管部門(mén)相繼通過(guò)了《城市地下管線探測(cè)技術(shù)規(guī)程》、建設(shè)部通過(guò)了《城市地下管線工程檔案管理辦法》，各個(gè)地方也都出臺(tái)了適合地方的地下管線管理辦法，對(duì)地下管線的規(guī)劃、建設(shè)和管理起到了積極的指導(dǎo)和規(guī)范作用，但全國(guó)性關(guān)于地下管線從規(guī)劃、建設(shè)、竣工、檔案管理及綜合性管理系統(tǒng)的法規(guī)還沒(méi)有出臺(tái)，地下管線的規(guī)劃、建設(shè)作為城市規(guī)劃、建設(shè)系統(tǒng)中的先行性、基礎(chǔ)性工作的地位還沒(méi)有在法律層面確立。

2．3 建設(shè)前缺乏統(tǒng)籌安排

由于我國(guó)城市化進(jìn)程起步晚，對(duì)城市總體規(guī)劃尤其是地下管線的規(guī)劃重視不夠，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少，存在重地上、輕地下，重審批、輕監(jiān)管，重建設(shè)、輕養(yǎng)護(hù)的傾向，管線施工過(guò)程中經(jīng)常打架，臨時(shí)變更設(shè)計(jì)，新老管線疊加，存在很多潛在事故隱患。地下管線缺乏統(tǒng)一管理，管線種類繁多，產(chǎn)權(quán)投資分屬管理，規(guī)劃建設(shè)與資金投入不同期，各部門(mén)缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)，造成重復(fù)開(kāi)挖，經(jīng)常在道路上“拉拉鎖”，既影響道路使用壽命，又嚴(yán)重影響城市交通和居民的日常生活。

2．4 建設(shè)施工和養(yǎng)護(hù)技術(shù)不規(guī)范

地下管線建設(shè)中，施工技術(shù)的特殊性和竣工后管線的隱蔽性可能造成管線施工質(zhì)量低，建成后維護(hù)困難。另外，我國(guó)城市地下管線由于管道自身?yè)p壞、腐蝕，漏水、漏氣現(xiàn)象嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市單位管長(zhǎng)、單位時(shí)間的漏水量為2．7 m3／(h·km)，是瑞典的11倍，法國(guó)的8倍，美國(guó)的2．7倍。據(jù)2002年相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的無(wú)效供水量達(dá)2536萬(wàn)m3，我國(guó)熱力和燃?xì)夤艿栏g率達(dá)30％，因此，我國(guó)急需針對(duì)城市地下管線建設(shè)施工和養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行規(guī)范，以加強(qiáng)地下管線的建設(shè)和維護(hù)工作。

2．5 信息化管理水平有待提高

我國(guó)城市地下管線管理系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)過(guò)了以下幾個(gè)發(fā)展階段：

首先是上個(gè)世紀(jì)七八十年代，市政管線的權(quán)屬部門(mén)和城建部門(mén)通過(guò)自己的檔案室，負(fù)責(zé)保管管線的竣工資料。隨著城市的發(fā)展，這種手工管理方式和紙質(zhì)管線資料已經(jīng)開(kāi)始難以適應(yīng)城市發(fā)展的需求，矛盾日益尖銳。

其次是上世紀(jì)80年代末至90年代初，城市改擴(kuò)建工程大規(guī)模實(shí)施，為摸清城市地下管線情況，我國(guó)大部分城市開(kāi)展了地下管線普查，并使用計(jì)算機(jī)輔助制圖技術(shù)(CAD)繪制管線分布圖，存儲(chǔ)地下管線的空間位置信息；使用FOXPRO等數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)管理管線的功能、材質(zhì)等屬性信息。但是，這些管線的空間信息和自身屬性信息存儲(chǔ)于不同的介質(zhì)和平臺(tái)，統(tǒng)一利用和管理不便，管線信息的更新也不能在同一平臺(tái)完成。

之后，在90年代初到中期，地理信息系統(tǒng)軟件引入國(guó)內(nèi)，并在一些行業(yè)廣泛應(yīng)用，在地下管線管理領(lǐng)域開(kāi)始出現(xiàn)基于GIS軟件的管理系統(tǒng)用于管線空間信息和屬性信息的管理。相關(guān)單位也開(kāi)始使用國(guó)外的GIS軟件(Mapinfo、Arcinfo)來(lái)探索開(kāi)發(fā)管線信息管理系統(tǒng)。同時(shí)，國(guó)產(chǎn)GIS軟件(如MAPGIS)開(kāi)始出現(xiàn)，基于國(guó)產(chǎn)GIS軟件的地下管線信息管理系統(tǒng)也開(kāi)發(fā)成功，城市地下管線信息管理系統(tǒng)的發(fā)展隨著地理信息系統(tǒng)的發(fā)展步入一個(gè)快速發(fā)展階段。

我國(guó)城市現(xiàn)階段的地下管線信息管理系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

第一是傳統(tǒng)意義的地下管線信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是對(duì)地下管線的空間位置、自身材噴、規(guī)格尺寸、運(yùn)輸物質(zhì)等信息進(jìn)行存儲(chǔ)，以供主管單位或城建單位查閱。

第二是對(duì)管線空間位置的獲得，主要依賴于竣工資料，竣工資料缺失的，則采取管線普查的方式。由于探測(cè)技術(shù)的局限性，許多老舊管線的探測(cè)還有難度，如竣工資料已缺失的老舊污水、雨水管道、各種專用的塑料管道實(shí)際探測(cè)難度大，而且探測(cè)成果精度低。由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量較低，也降低了信息管理系統(tǒng)在城市建設(shè)的指導(dǎo)作用。

第三是由于缺乏對(duì)地下管道、管線有關(guān)負(fù)荷運(yùn)行情況和自身健康情況信息的獲得手段，傳統(tǒng)的地下管線信息管理系統(tǒng)無(wú)法對(duì)管線的維護(hù)保養(yǎng)提供基礎(chǔ)信息，因而無(wú)法對(duì)城市地下管線災(zāi)害事故提供預(yù)警和應(yīng)急決策信息。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市地下管線智能管理系統(tǒng)構(gòu)想

3．1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市地下管線智能管理系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)是近幾年來(lái)社會(huì)廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的概念是1999年提出的，英文名稱叫“The Intetnet of things(物物相連的互聯(lián)網(wǎng))”，物聯(lián)網(wǎng)是指在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上整合傳感、通信和信息處理等技術(shù)，按約定的協(xié)議，把相關(guān)物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)階段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的一個(gè)典型應(yīng)用就是無(wú)線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)，這是一種先進(jìn)的非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。目前，RFID已經(jīng)從研究階段走向?qū)嵱没?，其單?xiàng)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。由于RFID具有無(wú)接觸和自動(dòng)識(shí)別的強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因而已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)物流管理、資產(chǎn)跟蹤、生產(chǎn)過(guò)程控制、移動(dòng)車(chē)輛的自動(dòng)識(shí)別、身份認(rèn)證、智能交通、網(wǎng)絡(luò)家電控制等領(lǐng)域，并且應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷擴(kuò)大。

通過(guò)地下管線智能管理系統(tǒng)可以將埋于地下的各種處于地下的管線相關(guān)信息集中到一個(gè)綜合信息管理分析平臺(tái)上，為城市的規(guī)劃建設(shè)和管理決策、應(yīng)急處置提供信息服務(wù)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心是物物相聯(lián)，智能化相關(guān)、合作，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)完全可以實(shí)現(xiàn)城市地下管線信息由獲取、傳輸?shù)椒治?、綜合應(yīng)用的整個(gè)過(guò)程，這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)其實(shí)就是城市地下管線智能管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。