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1、基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统摘要：城市地下管线就像一个人身体上的血管，是城市的“生命线”，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。我国的城市化进程开始较晚，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等很多问题，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，存储
2、于专门数据库中，运用专业分析软件进行分析，得出及时合理的处理维护措施。文中给出了通过物联网技术使地下管线智能管理体系得以实现，并通过在监测目标上预先嵌入传感器，来使管理系统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关键技术问题的实现方法。关键词：地下管线；智能管理系统；物联网；智慧城市。0 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
3、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
4、管线健康运行有关的其他关键信息如何获得?这在以前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
5、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
6、，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21 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
7、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。22 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。23 建设前缺乏统筹安排由于
8、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。24 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
9、统计，我国城市单位管长、单位时间的漏水量为27 m3(hkm)，是瑞典的11倍，法国的8倍，美国的27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。25 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
10、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
11、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、自身材喷、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
12、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31 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 Intetnet 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
13、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
14、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32 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
15、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
16、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
