智慧安全 守护城市生命线

文·图/付 明

安徽省合肥市政府于2015年5月起，依托清华大学合肥公共安全研究院，在全国率先开展了城市生命线工程安全运行监测系统的研发和实施应用。系统运行以来，取得了哪些成效？

城市中的桥梁、燃气、供水、排水、电梯等城市基础设施担负着城市的信息传递、能源输送、排涝减灾的功能，是城市赖以生存和发展的物质基础，是城市的生命线。城市生命线工程涉及水、电、气、热、交通等，公共性高、涉及面广、相互关联性强，是确保城市居民生活正常运转、维系现代城市功能与区域经济发展的重要基础设施，任何环节故障或破坏都可能影响整个城市系统的功能，甚至导致整个城市瘫痪。

近年来，安徽省合肥市城市建设进程不断加快，城市生命线工程建设规模逐步扩大，城市承载力持续增强，人民群众生活水平逐步改善。合肥市目前拥有重要桥梁224座，城市地下管线总长2.4万余km。由于先天不足、维修保养不当、环境影响等多种因素相互作用，造成城市自我保障能力不足，抗灾应变能力脆弱，安全事故频频发生，给城市生产生活带来严重影响。合肥市生命线工程基本上由各建设单位各自为政、条块分割、多头铺设、各自管理，以至于各种管线重叠交错、杂乱无章。20多种管线，30多个职能和权属部门，现状不明、“家底”不清。“重建设轻维护”的管理模式，也往往令“小患”积成大祸。如2013年12月，五里墩高架A3匝道发现桥墩支座老化变形和梁体向曲线外侧偏移、立柱向曲线外侧倾斜等现象，存在垮塌的风险；2015年1月，合肥市马鞍山路与太湖路交口附近发现一段长约20 m的路面出现下沉，造成路面开裂；2015年11月，淮河路步行街一条煤气管道被挖断导致泄漏引发爆炸……

为此，合肥市政府于2015年5月发布《关于成立合肥市城市生命线工程安全运行工作领导小组的通知》，依托清华大学合肥公共安全研究院，在全国率先开展城市生命线工程安全运行监测系统的研发和实施应用，打造城市生命线公共基础设施安全运行综合支撑平台，共同编织全方位、立体化的城市运行安全网，构建“智慧安全城市”新业态。

“城市生命线工程安全运行监测系统”是指对社会生活、生产有重大影响的交通桥梁、供水、排水、供电、供气、热力管线等进行安全运行监测的工程系统，实现及时精准预警保障城市安全平稳供暖、供水、供气、供电，维持城市正常运作，全面服务于民生工程。构建人本化的城市安全空间、健全城市公共安全体系的需求，落实城市空间风险源头治理、分级防控主动保障城市的安全，通过整合政府资源，实现人、资源、管理、技术等要素的集约优化，打破城市地下管网信息孤岛局面,提升城市精细化管理水平,创新城市的管理模式，助推公共安全产业发展，解决城市发展的实际问题。

融合安全科技与管理

构建城市安全理论体系

通过系统性研究城市安全运行耦合风险动态评估方法、城市生命线工程灾害事故高风险空间识别方法，建立了燃气泄漏进入地下相邻空间发生火灾爆炸、供水管网漏失爆管引发路面塌陷、桥梁结构受损坍塌引发城市交通瘫痪等城市生命线工程重特大突发事件的次生衍生演化模型，揭示了城市生命线工程事故对城市社会经济运行的影响规律，形成了城市安全空间的物联网监测和风险评估理论体系。

“全链条”安全防控

针对城市高风险空间致灾因子的实时动态监测、综合预警防控和处置决策支持的技术需求，我们建立了风险隐患识别、物联网感知、多网融合传输、大数据分析、专业模型预测和事故预警联动的“全链条”城市安全防控技术体系架构，形成了燃气、供水/排水、热力、综合管廊、道路桥梁等城市生命线工程的城市安全空间立体化监测网，解决了城市生命线工程安全状态动态监测、安全风险评估、风险预警防控、协同组织架构等问题。

打破制度壁垒

城市生命线类别繁多，涉及不同管理部门，体制机制和权属关系复杂，亟需新技术新方法优化管理流程，将日常运行和维护管理相融合，并构建科技支撑长效机制，形成系统性、科学性的城市安全保障体系，实现城市生命线系统实时动态监控、有效预警预判。通过地面空间与地下管网的结合、建筑信息模型和地理信息系统的耦合，为政府主管部门提供城市基础设施的三维可视化、数字化展示，直观表达供水、排水、燃气、电力、通信等地下管网空间分布及埋深综合情况，以及地下管网与地上建筑、桥梁之间的空间关系，通过物联网监测和大数据分析，预警预判安全风险点，最大程度降低城市生命线的安全隐患。

攻克技术壁垒

针对城市生命线工程复杂管网与环境叠加带来的整体性、系统性风险识别难题，综合管龄、管材、维修记录、地质环境与人口、经济等承灾载体要素，攻克了城市高风险空间识别技术；发现了燃气在土壤、地面和地下空间扩散输运规律，建立泄漏源与相邻空间拓扑结构，攻克了跨系统风险转移和耦合灾害分析技术，实现了城市生命线工程风险的系统性识别、多指标叠加量化和多维度空间可视化。针对不同类型生命线工程风险空间分布特征，基于气体扩散模型、水力学模型、桥梁结构有限元建模等方法，建立了传感器空间优化布设技术，解决了城市立体空间监测的数量、位置、效能等多目标优化问题，实现了生命线工程风险的科学有效监测。其中“城市燃气管网及其相邻空间燃爆风险监测预警技术研究与应用”荣获2018年度中国职业安全健康协会科学技术一等奖（登记证书编号：国科奖社证字第0054号）。

消除流程壁垒

监测中心建立三级预警模式，消除由于流程繁杂造成的报警响应不及时的问题。一级预警提供给相关行业、企业，如燃气公司、供水集团、交通桥梁维护企业等，当出现燃气泄漏、桥梁位移等报警信息，系统第一时间给相关企业预警。如涉及相邻空间领域，如雨污管线泄漏了燃气进去，并且接近爆炸极限，系统会自动向城市管理相关部门进行二级预警，如交通部门、公安部门等。一级预警是向市政府安委会进行预警，当有重大险情隐患，系统会对市政府主要部门进行相关预警。三级预警的模式很好地提高了危机响应效果，企业及相关职能部门能够更精准高效地消除安全隐患，保障城市生命线的良好运行。

系统运行效果

一期试点项目（建设时间2015年12月—2016年12月）监测范围包括5座桥梁、2.5 km燃气管网和24.9 km供水管网。运行2年来，通过实时监测和数据分析，平均每月有效报警91.2起，其中桥梁车辆撞击等突发事件预警3起，超载车辆预警2 540起；燃气泄漏事件预警8起、沼气聚集事件预警230起；监测供水管网漏失预警3起，水锤预警3起，有效保障了城市生命线工程的安全运行。

二期项目于2017年7月开始实施，预计于2019年底完成。重点选取年代久远，管线老化严重，地面及地下环境复杂，人口密度大等高风险区、安全敏感区等地下管线和桥梁，包括：46座桥梁、819.5 km燃气管网、714.1 km供水管网、254 km排水管网、201.5 km热力管网、14 km中水管网和58.51 km的地下综合管廊。二期项目每天采集和分析的数据量达500亿条。截至2018年底，二期项目部分监测数据上线后，已成功预警燃气泄漏事件65起，供水管网漏水事件20起。

图 监测系统桥梁测点位置示意

监测系统报警事件1

2017年9月22日，燃气监测系统在电力井以及附近排水井内发现可燃气浓度超标报警并立即通知燃气公司，燃气公司现场人员发现一挖掘机正在燃气管道上方施工作业，经检查测量，发现长约50 m的电力线缆沟充满了甲烷，浓度爆表，现场充满了刺激性气味。初步判断为挖掘机施工造成燃气管道泄漏并扩散到周边电力井。该电力井周边1 km范围内有2个加油站、7个人口密集住宅区、3所学校、2个大型购物广场，如果发生爆炸将会引发城市重特大安全事故。燃气公司抢修队立即制止了挖掘机的进一步施工，并进行人员疏散、交通疏导，至9月23日凌晨燃气管道抢修完成。

监测系统报警事件2

2018年1月4日，合肥城区普降雨雪，安徽省气象局针对合肥发布了暴雪橙色预警，部分地区出现低温冰冻灾害。日常值守人员发现监测系统报警，并显示繁华大道桥梁的拉线位移DY2数据有较为剧烈的变化，最大波动超过7 mm（向南侧），而且数据波动趋势与温度趋势吻合（见下图）。考虑到该大桥日常的交通承载量和天气的特殊性，工程人员决定立刻进行现场勘查复核，发现拉线位移DY2（东侧主桥桥墩北端支座）安装处的支座两侧挡板与支座底座之间的间距不同，北侧挡板橡胶已挤死，南侧挡板与底座有约6 mm的空隙。桥梁的支撑部位产生微小位移，如果没有精准的仪器测量，往往不易发现。在有关部门的及时维修下，繁华大道跨南淝河大桥在冰雪天气中的安全隐患被及时消除，既保障交通运输畅通，还节约了可能因修缮不及时造成的高额维修成本。

监测系统报警事件3

2018年11月17日，供水监测系统两处相邻监测点位同时发生漏水报警，通过分析判定：附近供水管网疑似存在漏水现象并立即通知供水集团，供水集团现场排查复核人员发现报警点位附近主干道路上，因某施工队不规范物探作业贯穿高压供水管道，漏水点贯穿直径约15 cm，同时在远处排水井位置可发现有清澈水流涌出。该管道漏水量较大，持续冲刷地下土壤，并流入附近排水井内，道路下方极可能出现空洞，因该道路为主干道且车流量较大，一旦出现路面塌陷将会导致重大安全事故。供水集团立即进行抢修处置，并于17日晚23时完成管道维修工作。

社会经济效益

集约建设 提高效率降低成本

通过为合肥市政府、市建委、市交通局、市政管理处、市公路局、市排水办、市热电集团、市供水集团、市燃气集团等相关单位和部门提供跨部门、跨行业的综合服务，从整体上提升管理效率，降低建设和运营成本，有效提高合肥市城市生命线工程安全运行整体监测水平，提升城市生命线安全风险管控能力。

降低城市安全事故造成的经济损失

目前，合肥地下管网数量庞大、新老并存、结构复杂，城市生命线各种事故时有发生，对城市的正常运行产生较大威胁。通过项目建设和运行，有效加强城市生命线的安全管理，减少灾害事故的发生，降低城市生命线及其次生衍生灾害事故造成的经济损失。

助力“公共安全产业”发展

通过城市生命线工程安全运行监测项目实施，自主研发了监测预警前端感知设备、安全监测系统等一系列核心技术和装备，从传感器、成套化装备、系统集成应用等方面带动物联网、大数据等产业发展，整合上中下游产业，在环境安全、信息安全、交通安全、城市安全、防灾减灾安全等相关突发事件监测、预警、处置、救援的相关产业链上形成集聚优势，为合肥市高新技术产业发展作出重要贡献，推动我国城市安全领域产业化。

将科技成果和创新模式推向全国

项目成果得到国家部委和省市领导的高度认可，将形成的工程科技与管理科学创新成果，总结为“清华方案·合肥模式”，推荐在全国三百多个地级市推广实施。

目前，建设成果正在佛山、淮北、徐州、杭州、武汉、福州、乌鲁木齐、大连、佛山、宜昌、滨州等十多个城市推广应用。以合肥为城市安全云总部基地，逐步覆盖全国各地市的基础设施安全运行监测服务，深度挖掘城市生命线运行规律，提升城市防灾减灾能力，推动城市安全产业集聚，为建设智慧安全城市、实现城市精细化管理、主动式安全保障提供科技和服务支撑。