城市“生命线”的守护神—— 智慧管网项目介绍

◎ 北京无线电计量测试研究所 王 旭

随着城市规模的不断扩大、城市设施的不断完善，以及新老城区的发展改造，城市管网体系日益庞杂，构成了城市运行的“血脉”和“神经”网络。

进入21世纪以来，国务院两次就城市地下管线管理工作做出重要批示。2013年，国务院发布《关于加强城市基础设施建设意见》，要求加强对城市地下管线的建设管理；2014年，国务院办公厅颁布了《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》，提出利用“示踪标识、无损探测与修复、非开挖、物联网监测和隐患事故预警等先进技术”，加强城市地下管线的智能化建设工作。因此，在建设智慧型城市过程中建立智慧管网体系，符合城市现代化发展要求，以及当前我国经济与社会发展需要。

我国城市管线管理现状

综合来看，目前我国城市管线管理面临以下四方面问题：

一是管线空间信息不准确。城市的各类管线数据错综复杂，外部地貌和原始参照物发生变化后，管线数据更新不及时，导致实际情况与管线数据不符或者偏差较大，严重影响现代化城市的精细化管理，增加了管线在后期运行维护过程中的成本和风险。

二是管线运行状态监测手段匮乏。目前针对管线领域的综合状态监测手段匮乏，大部分事故和故障都是发生并表现在路面上以后才被察觉，实时性较差。这严重制约了科学、高效的管线日常运行管理制度的推进。

三是管网事故预警手段不足。大部分管线事故与故障属于事后处理，当管线事故发展到普遍可见程度才被发现时，有可能意味着部分事故的处理难度巨大，这对应急抢险工作提出了极高的要求，非常不利于事故风险的有效控制。

四是管网数据兼容性差。城市地下管线归口管理单位众多，各行业管线数据兼容性差，各管线单位缺乏有效、统一的协调、组织管理，管线管理部门很难拿到与现场一致的综合管线图，难以为施工建设和故障抢修工作提供全面、及时、高效的服务。

智慧管网解决方案

城市的地下管线工程是一个复杂的系统，具有隐蔽性、多源性和多权属性等特点，其管理是一项颇具挑战性的系统工程。而复杂系统的顶层设计是我国航天系统工程的重要理念，经过多年的探索和实践，航天单位积累了丰富的理论和实战经验。北京无线电计量测试研究所在智慧城市建设领域率先提出建设能够服务于城市地下管线安全运行的智慧管网管理系统，以服务涉及民生的所有类型地下管线为管理对象，以地下管线精确定位为基础，目标是全面掌握管线的分布情况，感知管线破损、故障、污染等事故，对管线事故进行提前预警和预测，为与管线相关的静态和动态数据提供全方位的管理支撑，构建覆盖所有类型地下管线的全生命周期综合管线管理软件平台。

▲标识器探测仪和地下管线电子标识器

▲上位机服务系统

该平台能实现管线管理方面的四个目标：

一是给管线绑定身份ID 信息，实现精确管理。通过基于射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术的管线电子标识系统，将管线“电子身份证”固定在埋地管线的关键部位或者特征点上，用以识别埋地管线的位置、埋深、管径、管材、用途、输送介质种类、压力、流向、敷设日期、施工单位、维护记录、使用年限、剩余年限、权属单位、维护单位等信息。

二是全方位感知管线状态，为智能化管理提供数据支撑。综合应用物联网、云计算、微机电系统（MEMS）等技术，通过数据集中器，获取管线运行状态的实时监控数据，为管线预警应急管理提供可靠支撑，进而保证管线安全运营，有效帮助管理部门实时监测管线的运行状况，及时发现异常，排除故障隐患；在故障发生后快速确定故障原因，降低危害，同时为管网的优化和改扩建工作提供辅助，避免发生爆管、停水、停气等社会影响恶劣的事件。

三是利用大数据挖掘技术，实现管线状态的智能化诊断。通过故障诊断和健康管理模型，分析管线相关数据，提前预警管线可能发生的故障，针对高风险或者老化管线，制定施工修复和抢修预案，启动应急抢修业务，实现管线故障的提前预报，并且利用故障诊断和预测算法对管线的剩余寿命进行预测。

四是构建管线数据综合化管理平台和数据规范，打破原有壁垒。建设综合管线管理软件平台，以实现多数据、多业务、多部门的整合。促进管线信息完整、准确、互通、共享、集中管理，整合地下管线信息资源，建立共建共享机制，实行集中统一管理，杜绝“拉链道路”的产生，避免盲目施工损坏管线。标准化是管线信息共享和集成应用的重要前提，采用统一的标准是从源头上保证数据生命力的基础，因此，在综合管线管理软件平台建设中还应注重标准规范的制定。地下管线数据统一标准后，可以促进技术综合应用，减少“数据浪费”，杜绝“数据废品”。

北京无线电计量测试研究所开发的智慧管网项目是航天技术在民用领域应用的重要尝试和探索，也是践行军民融合发展之路的又一重大实践，对保障城市“生命线”安全、稳定、高效运行具有重要意义，是航天技术进军“智慧城市”应用领域的重要组成部分，更是保障我国地下管网安全运行的迫切需要，在维护国家社会和经济利益方面意义重大。

智慧管网产品介绍

北京无线电计量测试研究所利用管线电子标识实现了对管线和井口的精确定位，将各类管线状态传感器的感知信息上传，上层软件管理平台对管线状态信息进行智能分析，实现对各类管线信息的集中管理和共享。构建精确精细、敏捷高效、全方位和全时段覆盖的城市管网管理新模式，打破地下管线信息共享的壁垒，形成地下管线“一张图”，拓展地下管线信息为政府部门、相关企业和社会公众服务的广度和深度，有效防止“挖爆管”等危及市民生命财产安全的恶性事件和“马路拉链”等不良现象的重复发生。

管线电子标识系统

管线电子标识系统主要包括地下管线电子标识器、标识器探测仪和上位机服务系统。

基于RFID技术的地下管线电子标识器主要为地下管线提供身份编码，通过标识器探测仪获取近场耦合的能量，并将自身的编码信息传递给标识器探测仪。标识器探测仪通过获得的编码信息，在数据库中查询对应管线的相关属性信息，包括管线类型、管径、材质、埋深、权属单位、建设年代等。上位机服务系统用于存储管网的拓扑和属性信息，同时具备管网数据管理、巡检工单派发和应急事件处理等功能。

管线状态感知系统

管线状态感知系统主要包括管线运行状态的前端传感设备和数据解析存储软件。地下管线状态系统的前端传感设备主要基于MEMS技术，能够实现不同应用现场下的多源数据采集功能，包括供水管网的流量、压力信息，热力管网的温度、湿度、压力、流量信息，燃气管网的气体浓度、积水信息，排水管网的液位、气体浓度信息，电力管网的温度、开挖信息，以及金属管网的内、外腐蚀和全部井盖开盖信息。

另外，由于地下管线深埋在地下，对管线状态数据进行采集还需要克服地下通信信号传输不稳定的缺点。管线状态感知系统的全系列产品兼容2G/3G/4G、NB-IOT、Lora通信方式，使得其能适应不同的应用场景和业务需求。

管线状态感知系统的数据解析存储软件部署在上位机，主要用于接收解析和存储管线相关的状态信息。该软件将数据划分为空间数据、基本属性数据、动态传感数据、业务数据。空间数据存储管网相关的空间属性信息，基本属性数据存储管网自身的静态数据（如管线类型、管径、材质、埋深、权属单位、建设年代等），动态传感数据存储不同类型传感设备的原始数据，业务数据则存储与实际业务相关的过程数据或结果数据，通过不同类型的数据存储，方便可视化引擎、状态展示、模型分析、专业或综合决策等不同应用模块的数据需求。

管线故障诊断预警系统：状态传感数据智能分析

利用管线状态的历史数据、各个传感器在线采集的状态数据、管线特性数据，构建综合的故障诊断、预测与健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）模型，预警可能发生的故障。同时，对监测到的管线故障进行报警，通过综合分析，对管线的健康状态进行评估，及时制定施工修复和替换预案，并且还能够对某些有特殊需求的管线进行专项分析，对管线剩余寿命进行预测，对危险源和危险区域进行辨识和管理，进而有效避免灾害事故发生，提高地下管网运行的安全性，实现对地下管线安全运行管理过程中各项事故的防范。

▲管线状态感知系统数据解析存储软件

▲管线故障诊断预警系统上位机软件

综合管线管理软件平台：信息共享

综合管线管理软件平台可以打破管线权属部门之间的信息孤岛，盘活管线资源，实现管线管理业务系统与其他业务系统之间的互联互通。运维管理能够实现各个管网业务系统用户的统一认证授权管理，以及对平台用户活动的监控。综合管线数据管理能够整合综合管线、施工建设、运行维护、应急抢修等各类信息资源，实现管线空间资源“一张图”，合理且有效地指导管线工程应急工作。辅助决策能够综合各个系统业务数据，得到管线当前运行状态、事故风险系数、风险控制能力和风险承受能力等综合指标，为后续决策提供更好的支持。

实际案例展示

地下管线是太湖新城基础设施的重要组成部分，也是对太湖新城进行规划、建设和管理过程中需掌握的重要基础信息，还是太湖新城赖以生存和发展的物质基础。北京无线电计量测试研究所承接苏州太湖新城智慧管网项目后，通过在区域内为管线加装电子标识器，实现了管线实际场景下的精确定位，彻底改变了过去依靠竣工图、现场文字描述和地上标志性建筑管线定位的情况，有效提高了现场管线定位的效率和准确度。为管线加装液位传感器后，在大量降雨的情况下，管理人员可全面掌握管网积水状态，改变了过去通过人员经验和现场人员汇报获取积水信息的情况，为应急抢险提供高效可靠的一手数据。通过噪声记录仪和流量计，管理人员可实时获取区域内供水管网的流量和震动数据，利用上位机模型分析，掌握区域内管网的漏损信息，评 估管网运行状态，便于制定检漏计划，改变了原有人工巡检效率低、成本高的问题。通过在管网中加装可燃气体监测设备，可在井内发生可燃气体聚集的第一时间，把无形的可燃气体泄露事故转化为有形的报警事件，大大提高故障检出率。

▲综合管线管理软件平台

▲苏州太湖新城智慧管网项目展示系统

事故解析

雨季的苏州，连续降雨是常事，这给新建区域的道路管线施工带来很大困难，由于开发程度不高，地上区域没有明显标志物，一场大雨过后，原有管线被覆盖在水洼和泥泞之中，导致管线施工工作难以开展。大范围的雨水清理和开挖工作不但效率低下，而且成本巨大。为解决这一问题，施工单位在管线入地时同步埋设地下管线电子标识器，通过标识器探测仪，施工人员很快掌握了施工区域内地下管网的分布情况，在节约成本、提高效率的同时，也避免了盲目开挖带来的风险。通过这次快速定位，智慧管网项目真正解决了困扰施工方的问题。