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

3．2 智能管理系統的總體結構

城市地下管線(xiàn)智能管理系統主要由三個(gè)層次組成，分為為感知層、傳輸層、應用層。圖1所示是城市地下管線(xiàn)智能管理系統的結構示意圖。

感知層由各種類(lèi)型的傳感器組成，可實(shí)時(shí)獲得地下管線(xiàn)的各種相關(guān)信息，包括空間位置、尺寸規格、材質(zhì)、傳輸物質(zhì)、傳輸狀態(tài)、腐蝕情況、泄露點(diǎn)位置、大小等管線(xiàn)自身健康情況信息。城市在新建管線(xiàn)和進(jìn)行老舊管線(xiàn)的更新改造時(shí)，應逐步推進(jìn)預先嵌入傳感器管道的使用或者管線(xiàn)智能傳感器的同步埋設。管線(xiàn)智能傳感器的主要功能應能實(shí)時(shí)收集管線(xiàn)運行中的工作狀態(tài)信息、管線(xiàn)的空間位置及自身屬性信息，并應能夠主動(dòng)或被動(dòng)提供給傳輸層設備。

傳輸層則主要通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)射頻識別RFID等通訊手段，將感知層獲得的數據由現場(chǎng)實(shí)時(shí)傳輸到更高層次的單元。傳輸層主要包括光纖網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)絡(luò )交換設備、光電轉換設備、路由器、防火墻、服務(wù)器等。

應用層是城市地下管線(xiàn)智能管理系統功能的集中體現，包含地下管線(xiàn)多參數三維顯示系統、地下管線(xiàn)輔助規劃設計CAD系統、地下管線(xiàn)事故應急指揮系統等。

其中，地下管線(xiàn)多參數三維顯示系統可以將城市地下空間的管線(xiàn)直觀(guān)地展現在電腦屏幕上，并具備縱橫斷面的自動(dòng)生成分析功能，可提供任意地點(diǎn)的橫斷面，確定管線(xiàn)在地下的空間位置，標示出管線(xiàn)的斷面尺寸、材料、高程、管線(xiàn)間的間距等屬性，正確反映管線(xiàn)與建筑物之間、管線(xiàn)與管線(xiàn)之間的空間關(guān)系；對一條管線(xiàn)，指定縱斷面作圖范圍，便可自動(dòng)生成管線(xiàn)沿走向對于路面相對位置的縱斷面圖，并表示出沿線(xiàn)各管線(xiàn)點(diǎn)的位置與該管線(xiàn)點(diǎn)的橫斷面。同時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生該管線(xiàn)縱斷面對應的屬性數據和線(xiàn)上各管線(xiàn)點(diǎn)的屬性數據?？v斷面分析也可用作管線(xiàn)施工監理中的一項數據檢查工具，用以檢查在地下管線(xiàn)走向與坡度的耦合性。

利用地下管線(xiàn)輔助規劃設計CAD系統，可以根據國家有關(guān)管線(xiàn)工程的最小覆土深度、管線(xiàn)最小水平凈距、管線(xiàn)交叉時(shí)的最小垂直凈距等規定，在基礎地理信息數據和現狀管線(xiàn)數據的基礎上，實(shí)現管線(xiàn)設計計算、分析、繪圖以及方案的比選優(yōu)化，包括地下管線(xiàn)緩沖區分析，地下管線(xiàn)垂直凈距設計分析，管線(xiàn)線(xiàn)路輔助設計，管線(xiàn)節點(diǎn)的輔助設計等。

在地下管線(xiàn)事故分析及應急指揮系統中，事故分析是管線(xiàn)智能管理系統中經(jīng)常用到而且較為復雜的功能。當管線(xiàn)在某一位置發(fā)生事故時(shí)，系統應能基于高密度的監刪傳感器，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )強大的搜索和分析能力，快速確定事故點(diǎn)和事故點(diǎn)周周需要緊急關(guān)閉的各種閥門(mén)，提供合理的處理方案，以便將事故損失降到最低。存事故分析和事故解決的過(guò)程中．系統應能提供輔助的交通管制等應急指揮功能。

應用層軟件主要提供各種通用的數據接口，在此之上，應當可以與城市其他領(lǐng)域的管理系統進(jìn)行無(wú)縫銜接，如地質(zhì)部門(mén)的城市地質(zhì)信息可視化系統、交通管理部門(mén)的城市交通信息管理系統、智能樓宇系統等，最終作為“智慧城市”的一個(gè)重要了系統，為城市的規劃建設、突發(fā)事故應急決策提供服務(wù)。

3. 3 地下管線(xiàn)智能管理系統的優(yōu)勢

在地下管線(xiàn)智能管理系統中，感知層通過(guò)預埋于管線(xiàn)自身或附近的各類(lèi)傳感器，可實(shí)現對地下管線(xiàn)多維參數的獲取，同時(shí)，管線(xiàn)本身具備信息接收和傳達、反饋等智能要素。

地下管線(xiàn)智能管理系統具備強大的空間數據庫功能，可以將一個(gè)城市的基礎地理信息、各種管線(xiàn)空間信息、負荷運行信息及自身健康狀況信息等復雜的屬性信息一體化存儲，并實(shí)觀(guān)信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新。

通過(guò)地下管線(xiàn)智能管理系統的三維顯示功能和網(wǎng)絡(luò )功能，可以使一個(gè)城市的建設部門(mén)和管線(xiàn)權屬機構充分實(shí)現管線(xiàn)信息的共享，并進(jìn)行各自的管理；相關(guān)部門(mén)也町以直觀(guān)地查看地下管線(xiàn)的復雜分布和相應的空間關(guān)系。

通過(guò)系統強大的空間分析能力、對地下管線(xiàn)多參數監測分析功能和其它各種應用分析功能，可以及時(shí)對管線(xiàn)中所傳輸物質(zhì)的運行狀態(tài)作出判斷；快速準確地對管線(xiàn)運行中的突發(fā)事故作出緊急處理；也可以輔助城市規劃部門(mén)科學(xué)地進(jìn)行地下管線(xiàn)的規劃和設計；同時(shí)可以指導市政管理部門(mén)對管線(xiàn)進(jìn)行預防性維護和科學(xué)管理，最終實(shí)現對城市地下管線(xiàn)的智能化管理。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下管線(xiàn)管理應用

日本東京工業(yè)大學(xué)的Professor Akira Todoroki等在2004年通過(guò)試驗室試驗在地下污水管線(xiàn)中預置由玻璃纖維和碳黑／環(huán)氧樹(shù)脂復合材料制成的斷裂傳感器，然后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與傳感器的結合監測地下污水管道在地震后的破損位置，試驗取得了預期效果。當時(shí)的試驗主要是為了證明復合材料傳感器的可行性和有效性，但同時(shí)也證明了，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )結合傳感器的這種對地下管線(xiàn)自身健康狀況的監測手段是可行的。

圖2所示為地下污水管道破損監測示意圖。

德國威斯特伐利亞區瓦倫多夫市現在已經(jīng)使用大約5 500個(gè)RFID標簽來(lái)跟蹤該市205 km長(cháng)的地下污水管道的維修狀況。德國威斯特伐利亞區瓦倫多夫市同時(shí)還將RFID系統應用在一家污水處理廠(chǎng)，用于監測該廠(chǎng)1 500個(gè)閥門(mén)的檢修情況。

另外，在臺灣臺北市忠孝東路的施工改造過(guò)程中，地下管線(xiàn)也將加埋無(wú)線(xiàn)電射頻標識系統(RFID)，以便在日后管線(xiàn)管理維護中，施工人員可以用雷達探測來(lái)獲取管線(xiàn)基本信息。