智慧管網應用與分析

■ 王海燕 胡 婷 章利光

智慧管網應用與分析

■ 王海燕 胡 婷 章利光

智慧管網以“管線安全、城市安全”為核心，以管線的“規劃、建設、運營、維護”全生命周期管理以及“普查、會診、治理、養護到動態監管”等五個方面閉合安全管理為主線，進行地下管線綜合管理建設工作，可提高城市地下管線綜合管理能力和運行安全水平。

一、總體設計

（一）體系架構

采用“1+N”體系架構，即1個智慧管網綜合管理系統；N個專業管線智能化系統。

（二）數據中心

梳理各個部門之間需要協同共享的數據，形成業務主題數據標準，由數據中心對這些數據進行統一管理和維護，并以服務的方式向各應用系統提供數據共享服務，實現數據的充分共享，打破信息孤島，為地下管線綜合管理業務的協同互聯提供基礎支撐。另外，對各應用系統中都需要的主數據進行統一管理，主要包括組織機構和用戶信息、設備信息、編碼信息等基礎信息主數據，地理信息主數據、隱患信息主數據等，在保證各應用系統主數據一致性的同時，減少各系統分別維護的成本，提高管理效率。

圖1 總體架構圖

圖2 數據中心結構圖

（三）監控中心

實時監控城市各類管線數據，能夠準確、及時地將地下管線安全預警等信息傳遞至監控中心，在應急處置過程中發揮綜合指揮調度作用，能夠為監控中心值班人員提供全面的管線運行信息，為各級管理人員提供大數據分析應用等輔助決策手段。

（四）標準體系

標準規范體系主要包括數據共享類、信息技術類、綜合管理類、工程實施類以及運行維護類等幾大類。標準規范體系框架如圖3所示。

（五）移動應用

面向政府行政部門應用：服務發布、信息查詢、現場監察情況上報、行政審批。

面向管線權屬單位應用：信息查詢、巡檢信息上報、遠程控制、規劃建設信息上報。

面向公眾的應用：管線問題上報。

圖3 標準規范體系構成圖

二、智慧管網綜合管理系統

（一）普查

地下管線普查是對于未進行管線普查的區域，進行全面管線普查；對于已進行管線普查的區域，對近年來尚未探測的管線數據進行補測，通過普查可以全面掌握管線現狀。

航天探地雷達技術，可以實現金屬管線和非金屬管線的精確探測，尤其是對非金屬管線的探測，是目前最有效的方法。

（二）精確定位

電子標簽埋設在設施導線點、拐點處，用于存儲埋設地點和地下設施的詳細資料。通過建立電子檔案，實現管線數據共建共享，在未來30～50年最大化地發揮資源效益。

電子標簽精確定位技術：電子標簽埋設在設施導線點、拐點處，用于存儲埋設地點和地下設施的詳細資料。

北斗衛星定位技術：利用北斗定位，獲取人員所在位置，通過位置與管線數據的比對，實現管線的精確定位。

（三）智慧管網綜合管理系統

建立統一數據標準，實現各類地下管線管理數據的融合，形成支撐業務協同、數據共享的智慧管網綜合管理系統。面向政府行政管理部門和行業監管部門實現基于管線的“規劃、建設、運行、維護”全生命周期管理以及“全面普查、隱患排查、安全預警、應急處置”安全管理兩條主線，為城市地下管線“治病”“養護”，實現“動態監管”。

（四）基礎數據管理與分析

基于地理信息系統，整合地上地形數據和地下管線數據，通過共享地圖服務，為地下管線綜合管理提供統一的地理信息系統，形成二、三維一體化應用；提供基礎管線數據的查詢與統計分析；提供橫斷面分析、爆管分析、碰撞分析等專業的分析能力。

（五）全生命周期管理

輔助規劃子系統：實現管線規劃的上報與審批；提供三維設計工具，實現管線模擬規劃設計，驗證管線規劃設計的合理性；根據管線隱患分布及嚴重程度等數據，支撐老舊管線的規劃設計。

建設管理子系統：實現建設單位與建設管理部門之間的工程計劃、建設審批、竣工管理等業務協同；根據管線隱患信息分布及嚴重程度，制定管線建設計劃，支撐老舊管線改造；共享管線基礎數據，有效避免了施工過程中挖斷管線事故的發生；加強竣工驗收環節監管，建立管線動態更新機制，保證管線數據準確性。

管線數據動態更新：建立管線數據更新機制，確保及時將管線數據更新入庫；建立隱患數據的更新機制，完善管線健康信息庫。

檔案管理子系統：提供智慧管網文件的多種采集途徑；實現智慧管網平臺數據的歸檔和集中管理；提供智慧管網檔案資源的安全利用。

（六）安全管理

安全監管與預警子系統：對燃氣、熱力、排水、供水等地下管線以及路燈、井蓋等市政設施的運行狀態安全進行監管，對于異常情況進行預警；融合普查、隱患排查、在線監測、日常巡檢、熱線等各種數據來源，通過健康預測模型，采用大數據分析，預測管線的健康狀態并預警；通過對管線工程監管，實現管線施工進度和質量的管理。

應急處置子系統：全面管理地下管線事故應急預案，實現事故與預案的自動關聯；統籌管理應急車輛、物資、倉庫、隊伍等資源，在發生突發事件時實現各類物資的精確定位和調度；實現直觀可視化的應急仿真，提升城市應急事件現場處置的科學性。

（七）大數據分析應用

“一張圖”分析應用：主要包括地下管線一張圖、安全隱患一張圖、在線監測一張圖、安全預警一張圖、應急處置一張圖、設備管理一張圖、專題指標分析。

圖4 智慧管網綜合管理系統結構圖

健康預測模型：結合地下管線運行環境、地下管線自身技術狀況、地下管線周邊土體不密實區域情況、土體不密實區域和管道相對關因素等基礎大數據，形成基于腐蝕、缺陷評價、事故動態分析、預測分析的健康預測模型。

排洪模型：綜合城市降雨過程、地面徑流水文過程以及地下管道排水能力和地表積水情況，構建排洪模型，分析城市內澇的影響范圍、積水深度、積水量和積水時間等致災因素。

三、專業管線智能化管理系統

實現燃氣、熱力、供水、排水、電力等管線的在線監測與智能化管理；實現井蓋、路燈電纜等市政設施的在線監測與智能化管理；實現專業管線及市政設施的日常巡檢管理。

圖5 專業管線智能化管理系統結構圖

（一）智慧供水

以GIS子系統為基礎，實現水源、供水設備等監測以及水力模型、漏損控制等應用，從而實現安全供水、節能降耗和降低漏損，提高供水服務水平和業務管理水平。

（二）智慧排水

針對污水處理廠、中水廠、雨水泵站、雨水調蓄池、用戶排污口、入河排水口、內澇點、雨水管道、污水管道、水質監測點進行在線監測、預警及應急處置。

排水監測子系統：將排水管網、泵站、污水廠以及河道監測數據集成到一起，并與GIS平臺進行集成，實現監測信息的實時查詢與顯示、報警數據與歷史監測數據統一存儲與管理，利于管理者對相關資料做全面科學的統計分析，為其它系統提供數據支持。

排洪模型子系統：綜合城市降雨過程、地面徑流水文過程以及地下管道排水能力和地表積水情況，構建排洪模型，以科學準確的方式分析城市內澇的影響范圍、積水深度、積水量和積水時間等致災因素，從而為內澇防治對策和應急搶險預案的制定提供指導和依據。

防洪抗旱指揮子系統：當發生洪水和出現嚴重干旱時，則通過防汛指揮子系統迅速采集和傳輸水情、雨情、工情、旱情和災情信息，并對其發展趨勢作出預測和預報，經分析制定出防洪抗旱調度方案，指揮搶險教災，有效地運用水利工程體系，努力縮小水旱災害范圍，最大限度地減少災害損失。

（三）智慧燃氣

燃氣監測子系統：以管網GIS為基礎，對燃氣門站、輸氣管線以及調壓箱等燃氣系統進行實時監測，實現燃氣運行的安全管理。

燃氣管網監控預警子系統：輔助燃氣企業對場站、管網進行監控，同時也可實現對管網的調度、預警以及控制，提高燃氣企業的整體管理能力，加強燃氣管網的安全系數，降低企業運營成本。

（四）智慧熱力

熱力監測子系統：以管網GIS為基礎，實現對熱源、管網、換熱站及供熱參數的自動采集，集中遠程監測，根據需求負荷變化自動調節供熱量，為用戶熱網節能、安全運行提供保障的工具。

熱力水力平衡分析子系統：熱力水力平衡分析系統，在熱網運行狀態發生變化時，系統能夠及時進行計算分析，獲得在各種負荷條件下換熱站、熱用戶等的熱量需求，了解各種負荷狀態下的壓力、流量和溫度的分布。

分戶計量控制子系統：通過通斷時間面積法、戶用熱量表法、溫度面積法等熱計量分攤方法，實現分戶計量，同時系統通過對室內溫度的遠程干預，達到用戶自主節能和干預節能的目的。對室溫的采集、監測，實現換熱站環境溫度補償轉變用戶室溫補償。杜絕違規熱用戶從回水管路放水盜熱的情況。用戶室溫情況實時監測，變被動服務為主動服務，提高供熱服務水平，從熱源到用戶末端按需分配。

本研究通過住建部首個城市地下管線綜合管理試點項目實施驗證，形成了一套集成化、協同化和智能化的地下管線綜合管理平臺；開展了普查與隱患排查、物聯感知、精確定位等相關區域專項工作；制定了系列數據和技術類標準規范；面向管線全生命管理和安全管理形成了“可推廣、可復制”的地下管線綜合管理模式。

（作者單位：航天海鷹機電技術研究院有限公司；北京京航計算通訊研究所；航天海鷹機電技術研究院有限公司）