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

摘要：城市地下管線(xiàn)就像一個(gè)人身體上的血管，是城市的“生命線(xiàn)”，擔負著(zhù)城市中各種資源和信息的傳輸任務(wù)，城市的正常運轉需要周身的血管合理布局，統籌兼顧。我國的城市化進(jìn)程開(kāi)始較晚，地下管線(xiàn)規劃和管理缺位，形成了地下管線(xiàn)權屬單位分散，地下管線(xiàn)運行監測體系不完善等很多問(wèn)題，在城市建設中經(jīng)常出現挖損管線(xiàn)、管線(xiàn)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，對地下管網(wǎng)的空間位置、管線(xiàn)自身壽命、管線(xiàn)負荷運行情況、外界對其影響情況等信息進(jìn)行數據采集，存儲于專(zhuān)門(mén)數據庫中，運用專(zhuān)業(yè)分析軟件進(jìn)行分析，得出及時(shí)合理的處理維護措施。文中給出了通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使地下管線(xiàn)智能管理體系得以實(shí)現，并通過(guò)在監測目標上預先嵌入傳感器，來(lái)使管理系統輕松獲得有關(guān)地下管線(xiàn)自身及運行情況的關(guān)鍵參數，從而解決城市地下管線(xiàn)智能管理體系中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的實(shí)現方法。

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

0 引言

城市地下管線(xiàn)是城市的“生命線(xiàn)”，就像一個(gè)人身體上的血管，擔負著(zhù)城市中各種資源和信息的傳輸任務(wù)，城市的正常運轉需要周身的“血管”合理布局，統籌兼顧。

由于我國的城市化進(jìn)程開(kāi)始較晚，在城市的快速發(fā)展中，地下管線(xiàn)規劃和管理缺位，形成了地下管線(xiàn)權屬單位分散，地下管線(xiàn)運行監測體系不完善、地下管線(xiàn)資料不全和位置誤差較大的局面。在城市建設中，經(jīng)常出現挖損管線(xiàn)、管線(xiàn)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，對地下管網(wǎng)的空間位置、管線(xiàn)自身壽命、管線(xiàn)負荷運行情況、外界對其影響情況等信息進(jìn)行數據采集，然后存儲于專(zhuān)門(mén)的數據庫中，再運用專(zhuān)業(yè)分析軟件進(jìn)行分析，以得出及時(shí)合理的處理維護措施，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(xiàn)的空間位置信息可以通過(guò)施工資料獲得，但管線(xiàn)自身壽命、負荷運行情況、外界對其影響的情況等以及與地下管線(xiàn)健康運行有關(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)在監測目標上預先嵌入RFID射頻反射傳感器，使其輕松獲得有關(guān)地下管線(xiàn)自身及運行情況的關(guān)鍵參數，從而解決城市地下管線(xiàn)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(xiàn)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地結合起來(lái)，從而提高城市管理的水平，滿(mǎn)足城市規劃、建設和管理的需要，實(shí)現城市讓人類(lèi)生活更美好的目標。

1 城市地下管線(xiàn)的建設和管理現狀

城市地下管線(xiàn)是城市基礎設施的重要組成部分，是現代化城市高質(zhì)量，高效率運轉的基本保證，被稱(chēng)為城市的“生命線(xiàn)”。城市地下管線(xiàn)現狀的資料是城市規劃設計、建設和管理的重要基礎資料。

由于我國城市發(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)間上和空間上規劃缺位等歷史原因，我國許多城市在規劃中對地下管線(xiàn)缺乏統一的、具有前瞻性的規劃，因而不得不經(jīng)常在城市中心區“開(kāi)膛破肚”、交通干線(xiàn)上“拉拉鎖”；而城市地下管線(xiàn)施工中也缺乏標準的施工工藝和規范，管線(xiàn)鋪設質(zhì)量較低，達不到設計服務(wù)年限；城市地下管線(xiàn)施工完成后，管線(xiàn)資料殘缺不全，有的資料精度不高或與現狀不符等問(wèn)題，都給后續城市建設工作帶來(lái)不便；再有就是各種管線(xiàn)權屬單位分散，各自為政，對本單位管線(xiàn)以外的其它管線(xiàn)分布、類(lèi)型和權屬等情況一知半解，從而影響地下管線(xiàn)規劃建設的科學(xué)性、整體性；另外，在工程建設過(guò)程中，挖斷、挖穿地下管線(xiàn)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行和城市居民的正常生活。

隨著(zhù)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)，地下軌道交通設施的建設，使得地下空間的利用矛盾越來(lái)越突出，城市地下管網(wǎng)探測任務(wù)也越來(lái)越多，探測隊伍和探測人員不斷增多，采用的探測方法、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(xiàn)建設和管理中的問(wèn)題

2．1 對城市地下管線(xiàn)建設和管理的認識不足

由于城市化進(jìn)程起步較晚，我國不少城建相關(guān)部門(mén)對地下管線(xiàn)作為城市“生命線(xiàn)”的重要作用和地位認識不足，沒(méi)有深刻認識到地下管線(xiàn)鋪設、維護或者被損毀后所需要的時(shí)間成本、空間成本和經(jīng)濟成本。城市建設過(guò)程中經(jīng)常會(huì )出現管線(xiàn)改移、管線(xiàn)被挖損等事故，造成巨大的經(jīng)濟損失。

2．2 缺乏必要的法律依據

近幾年來(lái)，國家主管部門(mén)相繼通過(guò)了《城市地下管線(xiàn)探測技術(shù)規程》、建設部通過(guò)了《城市地下管線(xiàn)工程檔案管理辦法》，各個(gè)地方也都出臺了適合地方的地下管線(xiàn)管理辦法，對地下管線(xiàn)的規劃、建設和管理起到了積極的指導和規范作用，但全國性關(guān)于地下管線(xiàn)從規劃、建設、竣工、檔案管理及綜合性管理系統的法規還沒(méi)有出臺，地下管線(xiàn)的規劃、建設作為城市規劃、建設系統中的先行性、基礎性工作的地位還沒(méi)有在法律層面確立。

2．3 建設前缺乏統籌安排

由于我國城市化進(jìn)程起步晚，對城市總體規劃尤其是地下管線(xiàn)的規劃重視不夠，可借鑒的經(jīng)驗較少，存在重地上、輕地下，重審批、輕監管，重建設、輕養護的傾向，管線(xiàn)施工過(guò)程中經(jīng)常打架，臨時(shí)變更設計，新老管線(xiàn)疊加，存在很多潛在事故隱患。地下管線(xiàn)缺乏統一管理，管線(xiàn)種類(lèi)繁多，產(chǎn)權投資分屬管理，規劃建設與資金投入不同期，各部門(mén)缺乏統一協(xié)調，造成重復開(kāi)挖，經(jīng)常在道路上“拉拉鎖”，既影響道路使用壽命，又嚴重影響城市交通和居民的日常生活。

2．4 建設施工和養護技術(shù)不規范

地下管線(xiàn)建設中，施工技術(shù)的特殊性和竣工后管線(xiàn)的隱蔽性可能造成管線(xiàn)施工質(zhì)量低，建成后維護困難。另外，我國城市地下管線(xiàn)由于管道自身?yè)p壞、腐蝕，漏水、漏氣現象嚴重。據統計，我國城市單位管長(cháng)、單位時(shí)間的漏水量為2．7 m3／(h·km)，是瑞典的11倍，法國的8倍，美國的2．7倍。據2002年相關(guān)部門(mén)統計，我國的無(wú)效供水量達2536萬(wàn)m3，我國熱力和燃氣管道腐蝕率達30％，因此，我國急需針對城市地下管線(xiàn)建設施工和養護技術(shù)進(jìn)行規范，以加強地下管線(xiàn)的建設和維護工作。

2．5 信息化管理水平有待提高

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

首先是上個(gè)世紀七八十年代，市政管線(xiàn)的權屬部門(mén)和城建部門(mén)通過(guò)自己的檔案室，負責保管管線(xiàn)的竣工資料。隨著(zhù)城市的發(fā)展，這種手工管理方式和紙質(zhì)管線(xiàn)資料已經(jīng)開(kāi)始難以適應城市發(fā)展的需求，矛盾日益尖銳。

其次是上世紀80年代末至90年代初，城市改擴建工程大規模實(shí)施，為摸清城市地下管線(xiàn)情況，我國大部分城市開(kāi)展了地下管線(xiàn)普查，并使用計算機輔助制圖技術(shù)(CAD)繪制管線(xiàn)分布圖，存儲地下管線(xiàn)的空間位置信息；使用FOXPRO等數據庫來(lái)存儲管理管線(xiàn)的功能、材質(zhì)等屬性信息。但是，這些管線(xiàn)的空間信息和自身屬性信息存儲于不同的介質(zhì)和平臺，統一利用和管理不便，管線(xiàn)信息的更新也不能在同一平臺完成。

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

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

第一是傳統意義的地下管線(xiàn)信息管理系統，該系統主要是對地下管線(xiàn)的空間位置、自身材噴、規格尺寸、運輸物質(zhì)等信息進(jìn)行存儲，以供主管單位或城建單位查閱。

第二是對管線(xiàn)空間位置的獲得，主要依賴(lài)于竣工資料，竣工資料缺失的，則采取管線(xiàn)普查的方式。由于探測技術(shù)的局限性，許多老舊管線(xiàn)的探測還有難度，如竣工資料已缺失的老舊污水、雨水管道、各種專(zhuān)用的塑料管道實(shí)際探測難度大，而且探測成果精度低。由于基礎數據的質(zhì)量較低，也降低了信息管理系統在城市建設的指導作用。

第三是由于缺乏對地下管道、管線(xiàn)有關(guān)負荷運行情況和自身健康情況信息的獲得手段，傳統的地下管線(xiàn)信息管理系統無(wú)法對管線(xiàn)的維護保養提供基礎信息，因而無(wú)法對城市地下管線(xiàn)災害事故提供預警和應急決策信息。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市地下管線(xiàn)智能管理系統構想

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

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(chēng)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)現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網(wǎng)絡(luò )。

現階段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的一個(gè)典型應用就是無(wú)線(xiàn)射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)，這是一種先進(jìn)的非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)。目前，RFID已經(jīng)從研究階段走向實(shí)用化，其單項技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。由于RFID具有無(wú)接觸和自動(dòng)識別的強大技術(shù)優(yōu)勢，因而已經(jīng)被廣泛應用于倉儲物流管理、資產(chǎn)跟蹤、生產(chǎn)過(guò)程控制、移動(dòng)車(chē)輛的自動(dòng)識別、身份認證、智能交通、網(wǎng)絡(luò )家電控制等領(lǐng)域，并且應用領(lǐng)域仍在不斷擴大。

通過(guò)地下管線(xiàn)智能管理系統可以將埋于地下的各種處于地下的管線(xiàn)相關(guān)信息集中到一個(gè)綜合信息管理分析平臺上，為城市的規劃建設和管理決策、應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)現城市地下管線(xiàn)信息由獲取、傳輸到分析、綜合應用的整個(gè)過(guò)程，這一過(guò)程的實(shí)現其實(shí)就是城市地下管線(xiàn)智能管理系統的實(shí)現。