基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统

引言

城市地下管线是城市的“生命线”，就像一个人身体上 的血管，担负着城市中各种资源和信息的传输任务，城市的正 常运转需要周身的“血管”合理布局，统筹兼顾。

由于我国的城市化进程开始较晚，在城市的快速发展中, 地下管线规划和管理缺位，形成了地下管线权属单位分散， 地下管线运行监测体系不完善、地下管线资料不全和位置误 差较大的局面。在城市建设中，经常出现挖损管线、管线老化 泄露等情况，造成停水、停电、停气、交通中断、通讯中断等 事故，影响城市运行质量和效率。

城市管理者迫切需要通过一种手段，将城市中所有地下管网管理起来，通过智能管理体系，对地下管网的空间位置、 管线自身寿命、管线负荷运行情况、外界对其影响情况等信息 进行数据采集，然后存储于专门的数据库中，再运用专业分析 软件进行分析，以得出及时合理的处理维护措施，将城市地下 管网事故消灭在萌芽阶段，防患于未然。

由于城市主要管网位于地下，管线的空间位置信息可以 通过施工资料获得，但管线自身寿命、负荷运行情况、外界 对其影响的情况等以及与地下管线健康运行有关的其他关键信 息如何获得？这在以前一直是一个比较难以解决的问题，而物 联网则可通过在监测目标上预先嵌入RFID射频反射传感器, 使其轻松获得有关地下管线自身及运行情况的关键参数，从而 解决城市地下管线智能管理体系中的一个个关键技术问题。基 于物联网技术的城市地下管线智能管理体系的日趋完善，可以 把城市管理中枢和城市各功能模块有机地结合起来，从而提 高城市管理的水平，满足城市规划、建设和管理的需要，实 现城市让人类生活更美好的目标。

1  城市地下管线的建设和管理现状

城市地下管线是城市基础设施的重要组成部分，是现代 化城市高质量，高效率运转的基本保证，被称为城市的“生 命线”城市地下管线现状的资料是城市规划设计、建设和管 理的重要基础资料。

由于我国城市发展起步较晚，城市化进程在改革开放之 后才开始加速，城市整体时间上和空间上规划缺位等历史原 因，我国许多城市在规划中对地下管线缺乏统一的、具有前 瞻性的规划，因而不得不经常在城市中心区“开膛破肚”、交 通干线上“拉拉锁”；而城市地下管线施工中也缺乏标准的施 工工艺和规范，管线铺设质量较低，达不到设计服务年限； 城市地下管线施工完成后，管线资料残缺不全，有的资料精 度不高或与现状不符等问题，都给后续城市建设工作带来不 便；再有就是各种管线权属单位分散，各自为政，对本单位 管线以外的其它管线分布、类型和权属等情况一知半解，从 而影响地下管线规划建设的科学性、整体性；另外，在工程 建设过程中，挖断、挖穿地下管线的事故时有发生，造成供水、 供电、供气、通讯等中断，进而影响交通的正常运行和城市居 民的正常生活。

随着城市化进程的加速发展，地下空间的开发和利用 越来越普遍。尤其是近年来，地下轨道交通设施的建设， 使得地下空间的利用矛盾越来越突出，城市地下管网探测任 务也越来越多，探测队伍和探测人员不断增多，采用的探测 方法、技术要求和所提交的成果各不相同，给资料使用部门 带来很多不便，迫切需要建立一套城市地下管网的综合智能 管理体系。

2  城市地下管线建设和管理中的问题

2.1  对城市地下管线建设和管理的认识不足

由于城市化进程起步较晚，我国不少城建相关部门对地 下管线作为城市“生命线”的重要作用和地位认识不足，没有 深刻认识到地下管线铺设、维护或者被损毁后所需要的时间 成本、空间成本和经济成本。城市建设过程中经常会出现管 线改移、管线被挖损等事故，造成巨大的经济损失。

2.2  缺乏必要的法律依据

近几年来，国家主管部门相继通过了《城市地下管线探测 技术规程》、建设部通过了《城市地下管线工程档案管理办法》, 各个地方也都出台了适合地方的地下管线管理办法，对地下管 线的规划、建设和管理起到了积极的指导和规范作用，但全 国性关于地下管线从规划、建设、竣工、档案管理及综合性 管理系统的法规还没有出台,地下管线的规划、建设作为城市 规划、建设系统中的先行性、基础性工作的地位还没有在法 律层面确立。

2.3  建设前缺乏统筹安排

由于我国城市化进程起步晚，对城市总体规划尤其是地 下管线的规划重视不够，可借鉴的经验较少，存在重地上、 轻地下，重审批、轻监管，重建设、轻养护的倾向，管线施工 过程中经常打架，临时变更设计，新老管线叠加，存在很多 潜在事故隐患。地下管线缺乏统一管理，管线种类繁多，产 权投资分属管理，规划建设与资金投入不同期，各部门缺乏 统一协调，造成重复开挖，经常在道路上“拉拉锁”，既影响 道路使用寿命，又严重影响城市交通和居民的日常生活。

2.4  建设施工和养护技术不规范

地下管线建设中，施工技术的特殊性和竣工后管线的 隐蔽性可能造成管线施工质量低,建成后维护困难。另外, 我国城市地下管线由于管道自身损坏、腐蚀，漏水、漏气现 象严重。据统计，我国城市单位管长、单位时间的漏水量 为2.7 m3/(h-km),是瑞典的11倍,法国的8倍,美国的2.7倍。 据2002年相关部门统计，我国的无效供水量达2536万m3, 我国热力和燃气管道腐蚀率达30%,因此，我国急需针对城 市地下管线建设施工和养护技术进行规范，以加强地下管线 的建设和维护工作。

2.5  信息化管理水平有待提高

我国城市地下管线管理系统的发展经过了以下几个发展 阶段：

首先是上个世纪七八十年代，市政管线的权属部门 和城建部门通过自己的档案室，负责保管管线的竣工资 料。随着城市的发展，这种手工管理方式和纸质管线资 料已经开始难以适应城市发展的需求，矛盾日益尖锐。

其次是上世纪80年代末至90年代初，城市改扩建工程 大规模实施，为摸清城市地下管线情况，我国大部分城市开 展了地下管线普查，并使用计算机辅助制图技术（CAD）绘制 管线分布图，存储地下管线的空间位置信息；使用FOXPRO 等数据库来存储管理管线的功能、材质等属性信息。但是, 这些管线的空间信息和自身属性信息存储于不同的介质和平 台，统一利用和管理不便，管线信息的更新也不能在同一平台 完成。

之后，在90年代初到中期，地理信息系统软件引入国 内，并在一些行业广泛应用，在地下管线管理领域开始出现 基于GIS软件的管理系统用于管线空间信息和属性信息的管 理。相关单位也开始使用国外的GIS软件（Mapinfo、Arcinfo） 来探索开发管线信息管理系统。同时，国产GIS软件（如 MAPGIS）开始出现，基于国产GIS软件的地下管线信息管理 系统也开发成功，城市地下管线信息管理系统的发展随着地理 信息系统的发展步入一个快速发展阶段。

我国城市现阶段的地下管线信息管理系统主要有以下几 个特点：

第一是传统意义的地下管线信息管理系统，该系统主要 是对地下管线的空间位置、自身材质、规格尺寸、运输物质等 信息进行存储，以供主管单位或城建单位查阅。

第二是对管线空间位置的获得，主要依赖于竣工资料, 竣工资料缺失的，则采取管线普查的方式。由于探测技术的 局限性，许多老旧管线的探测还有难度，如竣工资料已缺失 的老旧污水、雨水管道、各种专用的塑料管道实际探测难度大, 而且探测成果精度低。由于基础数据的质量较低，也降低了信 息管理系统在城市建设的指导作用。

第三是由于缺乏对地下管道、管线有关负荷运行情况和 自身健康情况信息的获得手段，传统的地下管线信息管理系统 无法对管线的维护保养提供基础信息，因而无法对城市地下 管线灾害事故提供预警和应急决策信息。

3  基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统构想

3.1  基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统

物联网是近几年来社会广泛关注的热点技术。物联网的 概念是1999年提出的，英文名称叫“The Internet of things （物 物相连的互联网）”，物联网是指在互联网基础上整合传感、 通信和信息处理等技术，按约定的协议，把相关物品与互联网 连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、 跟踪、监控和管理的一种网络。

现阶段，物联网技术中的一个典型应用就是无线射频识 别（Radio Frequency Identification， RFID），这是一种先进的 非接触式自动识别技术。目前，RFID已经从研究阶段走向实 用化，其单项技术已经趋于成熟。由于RFID具有无接触和自 动识别的强大技术优势，因而已经被广泛应用于仓储物流管 理、资产跟踪、生产过程控制、移动车辆的自动识别、身份认证、 智能交通、网络家电控制等领域，并且应用领域仍在不断扩大。

通过地下管线智能管理系统可以将埋于地下的各种处于 地下的管线相关信息集中到一个综合信息管理分析平台上，为 城市的规划建设和管理决策、应急处置提供信息服务。

物联网技术的核心是物物相联，智能化相关、合作，利 用物联网技术的特点完全可以实现城市地下管线信息由获取、 传输到分析、综合应用的整个过程，这一过程的实现其实就 是城市地下管线智能管理系统的实现。

3.2  智能管理系统的总体结构

城市地下管线智能管理系统主要由三个层次组成，分为 为感知层、传输层、应用层。图1所示是城市地下管线智 能管理系统的结构示意图。

感知层由各种类型的传感器组成，可实时获得地下管线 的各种相关信息，包括空间位置、尺寸规格、材质、传输物质、 传输状态、腐蚀情况、泄露点位置、大小等管线自身健康情况 信息。城市在新建管线和进行老旧管线的更新改造时，应逐 步推进预先嵌入传感器管道的使用或者管线智能传感器的同 步埋设。管线智能传感器的主要功能应能实时收集管线运行 中的工作状态信息、管线的空间位置及自身属性信息，并应能 够主动或被动提供给传输层设备。

传输层则主要通过有线网络、无线网络、无线射频识别 RFID等通讯手段，将感知层获得的数据由现场实时传输到更高层次的单元。传输层主要包括光纤网络、网络交换设备、光 电转换设备、路由器、防火墙、服务器等。

应用层是城市地下管线智能管理系统功能的集中体现, 包含地下管线多参数三维显示系统、地下管线辅助规划设计 CAD系统、地下管线事故应急指挥系统等。

其中，地下管线多参数三维显示系统可以将城市地下空 间的管线直观地展现在电脑屏幕上,并具备纵横断面的自动 生成分析功能，可提供任意地点的横断面，确定管线在地下 的空间位置，标示出管线的断面尺寸、材料、高程、管线间的 间距等属性，正确反映管线与建筑物之间、管线与管线之间 的空间关系；对一条管线，指定纵断面作图范围，便可自动生 成管线沿走向对于路面相对位置的纵断面图，并表示出沿线 各管线点的位置与该管线点的横断面。同时，自动产生该管线 纵断面对应的属性数据和线上各管线点的属性数据。纵断面 分析也可用作管线施工监理中的一项数据检查工具，用以检查 在地下管线走向与坡度的耦合性。

利用地下管线辅助规划设计CAD系统，可以根据国家有 关管线工程的最小覆土深度、管线最小水平净距、管线交叉 时的最小垂直净距等规定，在基础地理信息数据和现状管线 数据的基础上，实现管线设计计算、分析、绘图以及方案的 比选优化，包括地下管线缓冲区分析，地下管线垂直净距设计 分析，管线线路辅助设计，管线节点的辅助设计等。

在地下管线事故分析及应急指挥系统中，事故分析是管 线智能管理系统中经常用到而且较为复杂的功能。当管线在 某一位置发生事故时，系统应能基于高密度的监测传感器，启 动网络强大的捜索和分析能力，快速确定事故点和事故点周围 需要紧急关闭的各种阀门，提供合理的处理方案，以便将事 故损失降到最低。在事故分析和事故解决的过程中，系统应 能提供辅助的交通管制等应急指挥功能。

应用层软件主要提供各种通用的数据接口，在此之上， 应当可以与城市其他领域的管理系统进行无缝衔接，如地质 部门的城市地质信息可视化系统、交通管理部门的城市交通信 息管理系统、智能楼宇系统等，最终作为“智慧城市”的一个 重要子系统，为城市的规划建设、突发事故应急决策提供服务。

3.3  地下管线智能管理系统的优势

在地下管线智能管理系统中，感知层通过预埋于管线自 身或附近的各类传感器，可实现对地下管线多维参数的获取, 同时，管线本身具备信息接收和传达、反馈等智能要素。

地下管线智能管理系统具备强大的空间数据库功能，可 以将一个城市的基础地理信息、各种管线空间信息、负荷运 行信息及自身健康状况信息等复杂的属性信息一体化存储，并 实现信息实时动态更新。

通过地下管线智能管理系统的三维显示功能和网络功能， 可以使一个城市的建设部门和管线权属机构充分实现管线信 息的共享，并进行各自的管理；相关部门也可以直观地查看地 下管线的复杂分布和相应的空间关系。

通过系统强大的空间分析能力、对地下管线多参数监测 分析功能和其它各种应用分析功能，可以及时对管线中所传输 物质的运行状态作出判断；快速准确地对管线运行中的突发 事故作出紧急处理；也可以辅助城市规划部门科学地进行地下 管线的规划和设计；同时可以指导市政管理部门对管线进行 预防性维护和科学管理，最终实现对城市地下管线的智能化管理。

4  基于物联网技术的地下管线管理应用

日本东京工业大学的Professor Akira Todoroki等在2004 年通过试验室试验在地下污水管线中预置由玻璃纤维和碳黑/ 环氧树脂复合材料制成的断裂传感器，然后通过互联网与传 感器的结合监测地下污水管道在地震后的破损位置，试验取 得了预期效果。当时的试验主要是为了证明复合材料传感器的 可行性和有效性，但同时也证明了，通过网络结合传感器的这 种对地下管线自身健康状况的监测手段是可行的。

图2所示为地下污水管道破损监测示意图。

Tiny Internet terminal

图2     地下污水管道破损监测示意图

德国威斯特伐利亚区瓦伦多夫市现在已经使用大约5 500 个RFID标签来跟踪该市205 km长的地下污水管道的维修状 况。德国威斯特伐利亚区瓦伦多夫市同时还将RFID系统应 用在一家污水处理厂用于监测该厂1 500个阀门的检修情况。

另外，在台湾台北市忠孝东路的施工改造过程中，地下 管线也将加埋无线电射频标识系统（RFID）,以便在日后管线 管理维护中，施工人员可以用雷达探测来获取管线基本信息。

5  结语

物联网被称作是计算机、互联网之后，世界信息技术产 业的第三次浪潮，物联网技术的广泛应用，必然对未来的城 市规划、建设、管理产生深刻的影响，对于建设“人文北京、 科技北京、绿色北京”有着重要意义。

《北京市政府部门物联网应用发展初步规划》中已明确 提出，要通过物联网技术对城市运行管理领域的应用场景为城市水、电、燃气、热力等重点设施和地下管线实施监控。可以预见，根据城市化发展对地下管线信息管理的需求，以及城市信息化、数字化发展的趋势，基于物联网技术的城市地 下管线智能管理系统的建设势在必行。

综上所述，基于物联网技术的城市地下管线智能管理系 统是解决现阶段城市地下管线规划、建设、管理、维护等较 为可行和极有发展前景的综合性技术手段。

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