引言

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

由于我國的城市化進程開始較晚，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， 地下管線運行監(jiān)測體系不完善、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，影響城市運行質(zhì)量和效率。

城市管理者迫切需要通過一種手段，將城市中所有地下管網(wǎng)管理起來，通過智能管理體系，對地下管網(wǎng)的空間位置、 管線自身壽命、管線負荷運行情況、外界對其影響情況等信息 進行數(shù)據(jù)采集，然后存儲于專門的數(shù)據(jù)庫中，再運用專業(yè)分析 軟件進行分析，以得出及時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，管線的空間位置信息可以 通過施工資料獲得，但管線自身壽命、負荷運行情況、外界 對其影響的情況等以及與地下管線健康運行有關(guān)的其他關(guān)鍵信 息如何獲得？這在以前一直是一個比較難以解決的問題，而物 聯(lián)網(wǎng)則可通過在監(jiān)測目標(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個關(guān)鍵技術(shù)問題?；?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地結(jié)合起來，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 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、建設(shè)和管 理的重要基礎(chǔ)資料。

由于我國城市發(fā)展起步較晚，城市化進程在改革開放之 后才開始加速，城市整體時間上和空間上規(guī)劃缺位等歷史原 因，我國許多城市在規(guī)劃中對地下管線缺乏統(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，達不到設(shè)計服務(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)狀不符等問題，都給后續(xù)城市建設(shè)工作帶來不 便；再有就是各種管線權(quán)屬單位分散，各自為政，對本單位 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)過程中，挖斷、挖穿地下管線的事故時有發(fā)生，造成供水、 供電、供氣、通訊等中斷，進而影響交通的正常運行和城市居 民的正常生活。

隨著城市化進程的加速發(fā)展，地下空間的開發(fā)和利用 越來越普遍。尤其是近年來，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越突出，城市地下管網(wǎng)探測任 務(wù)也越來越多，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 帶來很多不便，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)和管理中的問題

2.1  對城市地下管線建設(shè)和管理的認識不足

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

2.2  缺乏必要的法律依據(jù)

近幾年來，國家主管部門相繼通過了《城市地下管線探測 技術(shù)規(guī)程》、建設(shè)部通過了《城市地下管線工程檔案管理辦法》, 各個地方也都出臺了適合地方的地下管線管理辦法，對地下管 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)還沒有出臺,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

由于我國城市化進程起步晚，對城市總體規(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)護的傾向，管線施工 過程中經(jīng)常打架，臨時變更設(shè)計，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，各部門缺乏 統(tǒng)一協(xié)調(diào)，造成重復(fù)開挖，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(shè)施工和養(yǎng)護技術(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,建成后維護困難。另外, 我國城市地下管線由于管道自身損壞、腐蝕，漏水、漏氣現(xiàn) 象嚴重。據(jù)統(tǒng)計，我國城市單位管長、單位時間的漏水量 為2.7 m3/(h-km),是瑞典的11倍,法國的8倍,美國的2.7倍。 據(jù)2002年相關(guān)部門統(tǒng)計，我國的無效供水量達2536萬m3, 我國熱力和燃氣管道腐蝕率達30%,因此，我國急需針對城 市地下管線建設(shè)施工和養(yǎng)護技術(shù)進行規(guī)范，以加強地下管線 的建設(shè)和維護工作。

2.5  信息化管理水平有待提高

我國城市地下管線管理系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)過了以下幾個發(fā)展 階段：

首先是上個世紀(jì)七八十年代，市政管線的權(quán)屬部門 和城建部門通過自己的檔案室，負責(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，城市改擴建工程 大規(guī)模實施，為摸清城市地下管線情況，我國大部分城市開 展了地下管線普查，并使用計算機輔助制圖技術(shù)（CAD）繪制 管線分布圖，存儲地下管線的空間位置信息；使用FOXPRO 等數(shù)據(jù)庫來存儲管理管線的功能、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于不同的介質(zhì)和平 臺，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 完成。

之后，在90年代初到中期，地理信息系統(tǒng)軟件引入國 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)單位也開始使用國外的GIS軟件（Mapinfo、Arcinfo） 來探索開發(fā)管線信息管理系統(tǒng)。同時，國產(chǎn)GIS軟件（如 MAPGIS）開始出現(xiàn)，基于國產(chǎn)GIS軟件的地下管線信息管理 系統(tǒng)也開發(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)展步入一個快速發(fā)展階段。

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

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 是對地下管線的空間位置、自身材質(zhì)、規(guī)格尺寸、運輸物質(zhì)等 信息進行存儲，以供主管單位或城建單位查閱。

第二是對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。由于探測技術(shù)的 局限性，許多老舊管線的探測還有難度，如竣工資料已缺失 的老舊污水、雨水管道、各種專用的塑料管道實際探測難度大, 而且探測成果精度低。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。

第三是由于缺乏對地下管道、管線有關(guān)負荷運行情況和 自身健康情況信息的獲得手段，傳統(tǒng)的地下管線信息管理系統(tǒng) 無法對管線的維護保養(yǎng)提供基礎(chǔ)信息，因而無法對城市地下 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)是近幾年來社會廣泛關(guān)注的熱點技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)的 概念是1999年提出的，英文名稱叫“The Internet 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，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、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)中的一個典型應(yīng)用就是無線射頻識 別（Radio Frequency Identification， RFID），這是一種先進的 非接觸式自動識別技術(shù)。目前，RFID已經(jīng)從研究階段走向?qū)?用化，其單項技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。由于RFID具有無接觸和自 動識別的強大技術(shù)優(yōu)勢，因而已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于倉儲物流管 理、資產(chǎn)跟蹤、生產(chǎn)過程控制、移動車輛的自動識別、身份認證、 智能交通、網(wǎng)絡(luò)家電控制等領(lǐng)域，并且應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷擴大。

通過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)信息集中到一個綜合信息管理分析平臺上，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)的特點完全可以實現(xiàn)城市地下管線信息由獲取、 傳輸?shù)椒治?、綜合應(yīng)用的整個過程，這一過程的實現(xiàn)其實就 是城市地下管線智能管理系統(tǒng)的實現(xiàn)。

3.2  智能管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

城市地下管線智能管理系統(tǒng)主要由三個層次組成，分為 為感知層、傳輸層、應(yīng)用層。圖1所示是城市地下管線智 能管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

感知層由各種類型的傳感器組成，可實時獲得地下管線 的各種相關(guān)信息，包括空間位置、尺寸規(guī)格、材質(zhì)、傳輸物質(zhì)、 傳輸狀態(tài)、腐蝕情況、泄露點位置、大小等管線自身健康情況 信息。城市在新建管線和進行老舊管線的更新改造時，應(yīng)逐 步推進預(yù)先嵌入傳感器管道的使用或者管線智能傳感器的同 步埋設(shè)。管線智能傳感器的主要功能應(yīng)能實時收集管線運行 中的工作狀態(tài)信息、管線的空間位置及自身屬性信息，并應(yīng)能 夠主動或被動提供給傳輸層設(shè)備。

傳輸層則主要通過有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、無線射頻識別 RFID等通訊手段，將感知層獲得的數(shù)據(jù)由現(xiàn)場實時傳輸?shù)礁邔哟蔚膯卧鬏攲又饕ü饫w網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、光 電轉(zhuǎn)換設(shè)備、路由器、防火墻、服務(wù)器等。

應(yīng)用層是城市地下管線智能管理系統(tǒng)功能的集中體現(xiàn), 包含地下管線多參數(shù)三維顯示系統(tǒng)、地下管線輔助規(guī)劃設(shè)計 CAD系統(tǒng)、地下管線事故應(yīng)急指揮系統(tǒng)等。

其中，地下管線多參數(shù)三維顯示系統(tǒng)可以將城市地下空 間的管線直觀地展現(xiàn)在電腦屏幕上,并具備縱橫斷面的自動 生成分析功能，可提供任意地點的橫斷面，確定管線在地下 的空間位置，標(biāo)示出管線的斷面尺寸、材料、高程、管線間的 間距等屬性，正確反映管線與建筑物之間、管線與管線之間 的空間關(guān)系；對一條管線，指定縱斷面作圖范圍，便可自動生 成管線沿走向?qū)τ诼访嫦鄬ξ恢玫目v斷面圖，并表示出沿線 各管線點的位置與該管線點的橫斷面。同時，自動產(chǎn)生該管線 縱斷面對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)和線上各管線點的屬性數(shù)據(jù)?？v斷面 分析也可用作管線施工監(jiān)理中的一項數(shù)據(jù)檢查工具，用以檢查 在地下管線走向與坡度的耦合性。

利用地下管線輔助規(guī)劃設(shè)計CAD系統(tǒng)，可以根據(jù)國家有 關(guān)管線工程的最小覆土深度、管線最小水平凈距、管線交叉 時的最小垂直凈距等規(guī)定，在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀管線 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)管線設(shè)計計算、分析、繪圖以及方案的 比選優(yōu)化，包括地下管線緩沖區(qū)分析，地下管線垂直凈距設(shè)計 分析，管線線路輔助設(shè)計，管線節(jié)點的輔助設(shè)計等。

在地下管線事故分析及應(yīng)急指揮系統(tǒng)中，事故分析是管 線智能管理系統(tǒng)中經(jīng)常用到而且較為復(fù)雜的功能。當(dāng)管線在 某一位置發(fā)生事故時，系統(tǒng)應(yīng)能基于高密度的監(jiān)測傳感器，啟 動網(wǎng)絡(luò)強大的捜索和分析能力，快速確定事故點和事故點周圍 需要緊急關(guān)閉的各種閥門，提供合理的處理方案，以便將事 故損失降到最低。在事故分析和事故解決的過程中，系統(tǒng)應(yīng) 能提供輔助的交通管制等應(yīng)急指揮功能。

應(yīng)用層軟件主要提供各種通用的數(shù)據(jù)接口，在此之上， 應(yīng)當(dāng)可以與城市其他領(lǐng)域的管理系統(tǒng)進行無縫銜接，如地質(zhì) 部門的城市地質(zhì)信息可視化系統(tǒng)、交通管理部門的城市交通信 息管理系統(tǒng)、智能樓宇系統(tǒng)等，最終作為“智慧城市”的一個 重要子系統(tǒng)，為城市的規(guī)劃建設(shè)、突發(fā)事故應(yīng)急決策提供服務(wù)。

3.3  地下管線智能管理系統(tǒng)的優(yōu)勢

在地下管線智能管理系統(tǒng)中，感知層通過預(yù)埋于管線自 身或附近的各類傳感器，可實現(xiàn)對地下管線多維參數(shù)的獲取, 同時，管線本身具備信息接收和傳達、反饋等智能要素。

地下管線智能管理系統(tǒng)具備強大的空間數(shù)據(jù)庫功能，可 以將一個城市的基礎(chǔ)地理信息、各種管線空間信息、負荷運 行信息及自身健康狀況信息等復(fù)雜的屬性信息一體化存儲，并 實現(xiàn)信息實時動態(tài)更新。

通過地下管線智能管理系統(tǒng)的三維顯示功能和網(wǎng)絡(luò)功能， 可以使一個城市的建設(shè)部門和管線權(quán)屬機構(gòu)充分實現(xiàn)管線信 息的共享，并進行各自的管理；相關(guān)部門也可以直觀地查看地 下管線的復(fù)雜分布和相應(yīng)的空間關(guān)系。

通過系統(tǒng)強大的空間分析能力、對地下管線多參數(shù)監(jiān)測 分析功能和其它各種應(yīng)用分析功能，可以及時對管線中所傳輸 物質(zhì)的運行狀態(tài)作出判斷；快速準(zhǔn)確地對管線運行中的突發(fā) 事故作出緊急處理；也可以輔助城市規(guī)劃部門科學(xué)地進行地下 管線的規(guī)劃和設(shè)計；同時可以指導(dǎo)市政管理部門對管線進行 預(yù)防性維護和科學(xué)管理，最終實現(xiàn)對城市地下管線的智能化管理。

4  基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下管線管理應(yīng)用

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

圖2所示為地下污水管道破損監(jiān)測示意圖。

Tiny Internet terminal

圖2     地下污水管道破損監(jiān)測示意圖

德國威斯特伐利亞區(qū)瓦倫多夫市現(xiàn)在已經(jīng)使用大約5 500 個RFID標(biāo)簽來跟蹤該市205 km長的地下污水管道的維修狀 況。德國威斯特伐利亞區(qū)瓦倫多夫市同時還將RFID系統(tǒng)應(yīng) 用在一家污水處理廠用于監(jiān)測該廠1 500個閥門的檢修情況。

另外，在臺灣臺北市忠孝東路的施工改造過程中，地下 管線也將加埋無線電射頻標(biāo)識系統(tǒng)（RFID）,以便在日后管線 管理維護中，施工人員可以用雷達探測來獲取管線基本信息。

5  結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)被稱作是計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息技術(shù)產(chǎn) 業(yè)的第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，必然對未來的城 市規(guī)劃、建設(shè)、管理產(chǎn)生深刻的影響，對于建設(shè)“人文北京、 科技北京、綠色北京”有著重要意義。

《北京市政府部門物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展初步規(guī)劃》中已明確 提出，要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對城市運行管理領(lǐng)域的應(yīng)用場景為城市水、電、燃氣、熱力等重點設(shè)施和地下管線實施監(jiān)控。可以預(yù)見，根據(jù)城市化發(fā)展對地下管線信息管理的需求，以及城市信息化、數(shù)字化發(fā)展的趨勢，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市地 下管線智能管理系統(tǒng)的建設(shè)勢在必行。

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市地下管線智能管理系 統(tǒng)是解決現(xiàn)階段城市地下管線規(guī)劃、建設(shè)、管理、維護等較 為可行和極有發(fā)展前景的綜合性技術(shù)手段。

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