物联网技术在城市地下综合管廊建设中的应用综述

摘  要：文章首先从分析物联网和城市地下综合管廊概念出发，对综合管廊在城市地下工程中的应用现状进行研究，其中简要论述了综合管廊的起源以及在我国的发展，并且对其经济效益与社会效益进行论述;其次，对物联网技术应用在综合管廊项目的建设实例进行阐述，得到物联网技术提高施工建设效率、促进管廊系统现代化的结论;最后，在项目设计阶段、施工阶段以及维护阶段，对物联网技术的应用措施进行分析。

关键词：物联网技术;城市地下系统;综合管廊建设

中圖分类号：TN929.5;TU990.3      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）04-0170-04

Abstract：Based on the analysis of the concept of internet of things and urban underground comprehensive pipeline gallery，this paper studies the application status of comprehensive pipe gallery in urban underground engineering，in which the origin of comprehensive pipeline gallery and its development in China are briefly discussed，and its economic and social benefits are discussed. Secondly，the application of the internet of things technology in the construction of the comprehensive pipeline gallery project is described，and the conclusion that the internet of things technology improves the construction efficiency and promotes the modernization of the pipeline gallery system is obtained. Finally，analyzes the application measures of the internet of things technology in the project design stage，construction stage and maintenance stage.

Keywords：internet of things technology;urban underground system;construction of comprehensive pipeline gallery

0  引  言

在城市化进程不断推进的背景下，人们对电力、通讯、燃气、给水等管线工程的需求越来越大，合理规划城市地下管线结构，综合利用地下空间显得尤为重要。新时期，随着信息技术的发展，物联网技术的应用逐步成熟，地下管廊系统中应用物联网技术，提升项目运行效率和管理能力具有重要价值，因此对城市地下管廊的建设进行研究，保证市政项目施工建设水平，有效提升物联网技术在城市地下综合管廊建设的应用。

1  物联网和城市地下综合管廊的概念界定

1.1  物联网技术的定义

物联网技术（Internet of Tings，IoT），是信息技术高度发达的产物，得益于第三次技术革命，实际上，物联网技术就是将物体与网络连接，通过信息传播媒介实现信息交换与通信，在此过程中应用的技术主要有智能定位、跟踪识别和信息化监管，其关键的设备应用形式为传感器和嵌入式设施。

以嵌入式系统技术为例，其综合了计算机软件技术、传感器技术、集成电路技术等等，其主要表现形式，如日常应用到的MP3、MP4、手机、平板和电脑等，也包括航空、航天系统，其中嵌入式系统发挥着信息传递与处理的功能。物联网技术基于传感器与嵌入式系统的应用，使得信息获取与传输的方式更加高效且便捷，对于提升行业生产与管理效率具有重要影响，目前信息技术不断发展，物联网技术获得较快进步，随着5G时代的到来，网络传输速度更快，物联网技术的应用将获得普及，为相关领域人员工作效率提升提供技术保障[1]。

1.2  城市地下综合管廊

城市地下综合管廊，俗称共同沟，空间内集市政、电力、通讯、给排水系统为一体，是综合性质的空间隧道。综合管廊是地下空间综合开发利用的结果，并且具有集约程度高、科学技术水平高、开发利用合理的特点。值得注意的是，城市地下综合管廊都设有地上检修口和吊装口，方便维修与管理工作。并且利用物联网技术可实现对整体综合管廊系统的实时监测，及时发现管廊各部分运行状况和问题，制定可行的解决方案。同时，地下综合管廊在规划、设计以及施工建设中一般需要采取统一的方案与措施。

地下综合管廊可做到地下空间与资源的合理开发，现阶段管廊系统分类如图1所示。

由图1可知，城市地下综合管廊按照功能可分为干线、支线和缆线综合管廊、按照工艺可分为现浇式综合管廊和预制式综合管廊。无论是何种形式的综合管廊都需要利用现代化技术进行设计与施工，保证施工技术应用合理性。

2  综合管廊在城市地下工程中的应用研究

2.1  起源与发展

地下综合管廊形式起源于19世纪的欧洲，随后在各国得到应用和推广。我国上世纪50年代，在北京天安门广场地下铺设1 000余米的综合管廊，开启了城市地下综合管廊的建设之路，随后，2006年中关村西区建设了具有现代化意义的综合管廊，期间管廊的规划设计、建设施工、日常运营与维护管理等环节，均采用新时期的互联网技术。随后上海、广州、深圳等大型城市均完成了地下综合管廊的规划与设计。

截止到2018年底，根据《中国城市建设统计年鉴》，我国城市在供水、供热、燃气、排水四类市政地下管线的总里程超过200万公里。《中国城市综合管廊建设调研与投资战略报告（2018版）》中对综合管廊进行了明确定义，提出地下综合管廊包括电力、通讯、给水、供热、制冷、中水、燃气和垃圾真空管等两种及以上的集中管线，是现代化、科学化的城市地下综合基础设施。根据这一定义，我国城市地下综合管廊的发展程度更高，并且在建设与施工中对造价成本进行合理控制。根据投资报告，目前我国城市地下综合管廊的单位公里造價在0.56亿元～1.30亿元之间，其造价随着管廊的断面变化而变化。虽然管廊建设投资较大，但是会带来显著的经济效益与社会效益，以下将对相关问题进行分析[2]。

2.2  经济效益分析

上文提到城市地下综合管廊分为预制式和现浇式两种，现阶段随着施工技术的发展与进步，预制式综合管廊的应用较为广泛，并且拥有较多的技术应用优势，比如固体废料少、机械化生产、季节限制小等，实际应用中，预制式综合管廊的应用也具有明显的经济效益优势，以上海世博会展出的预制综合管廊为例，对其进行量化分析，以25 m示范阶段为实验测算对象，同时量化测算中也考虑了综合管廊现浇和预制两种方案下施工工期成本和土建成本，发现现浇工艺的综合管廊施工时间为40天，而预制装配式施工时间仅为22天，考虑基坑开挖与支护施工成本，二者在造价成本上将相差3.6万元，其主要节约费用在钢板桩的租赁与应用。因此，城市地下综合管廊施工建设中应选择合理的施工方案。选择好合适的施工方案，结合资金的时间价值和工程的全寿命周期，在投产后管线的增加和更换过程中更加能够体现出良好的经济效益。

2.3  社会效益分析

针对城市地下综合管廊建设的社会效益分析如下：一是管廊建设保障了城市空间协调发展。由于综合管线布置在地下，在管廊建设中，可避免对地上交通系统造成影响，有利于缓解城市交通拥挤问题。管廊运营阶段使用寿命长，一般情况下可超过50年，具有较高的应用价值。此外，地下管廊建设中可充分利用地下空间，节约城市用地资源。综合地下管廊建设具有稳定性与长久性的特点，针对管廊运行维护，为提升管廊的服务能力，对解决人们日常的用电、用水稳定性问题具有重要应用价值。

同时，城市地下综合管廊社会效益也体现在对城市生态系统的维护，由于管廊项目位于地下，可减少架空线和绿化系统中间的矛盾问题，对于优化城市景观、提升城市的整体面貌具有良好的促进作用。此外，综合管廊项目的应用可实现城市基础服务功能聚集效应，对提升管线设备的运行和维护管理效率产生重要影响，提升了城市的现代化发展水平。

2.4  研究结论综述

基于地下空间系统的应用，城市基础服务管线的维护与更新更加高效，可促使城市各项功能获得科学有效的发展。同时，基于管线结构的优化设计和相关的管理维护，可降低管线的损耗度，有效节约管线资源的再投入，由此促进社会资源的高效应用。综合管廊建设也是政府对社会资源管理与控制效率提升的重要表现，是履行社会公共管理职能的重要表现。此外，城市地下综合管廊建设也是城市经济发展水平的体现，可提升城市的整体竞争力和形象[3]。

3  物联网应用在综合管廊项目建设的实例分析

3.1  主体结构工程简介

某市首个综合管廊项目施工建设中，应用了物联网技术。地下综合管廊主沟全程长度为12.68 km，为单箱单钢筋混凝土箱涵结构，施工技术采取现浇混凝土，实践应用中，管廊收纳的管线部分主要有电力电缆、给排水、弱电系统（电信、网通），其中综合考虑城市变化发展因素，预留了广阔的扩容空间，满足城市未来30年～50年的管线扩容需求。除主沟结构外，在大型道路交叉口的两侧分别设计了出线支沟，并对相关部分的出线管进行了合理布局，为管线道路两厢部分的开发建设提供便利[4]。此外，为提升地下管廊的施工建设效率，项目建设方案应用了PPP公私合营方式，针对主沟施工的规划设计如图2所示。

3.2  内部控制系统应用

物联网技术在城市地下管廊建设中的应用，可通过管廊的内部控制系统体现。管廊建设中内部控制系统主要用来优化管线设计，提升管廊建设安全。例如，消防系统、排水系统、通风系统和其他。其中，物联网与消防系统的结合，提升了火灾预警能力，可优化防火分区、探测器、报警装置等系统，提升管廊设施建设与维护环节的安全性与稳定性。同时，应用在消防系统中，火灾处置能力也会明显提升，提高安全救援规划、事故责任划分等工作效率。

而排水系统主要指管廊系统中的排水沟、集水井、自动感应阀和水泵等等，物联网技术的应用，使得相关部分的自动化管理能力提升，尤其是物联网与自动感应装置的结合，基于传感器的植入，对排水系统故障的检测能力更强，促使排水系统在高效合理的系统平台下得到有效维护。其他系统包括中央控制系统与有害气体检测系统、通讯系统，物联网技术应用中，可优化相关系统工作人员操作水平，利用物联网的数据传输技术，实现现代化的操作与管理。

3.3  综合管廊建设意见

综合管廊建设中，应大力推广并应用物联网技术，通过数据分析、技术管理以及相关控制要素的互联互通，提升管理工作效率，为系统应用的安全性与现代化贡献主要力量。物联网技术的应用与发展是建立在5G高速网络传输的基础上，因此，在城市地下综合管廊系统的应用中，具有明显的技术优势。并且物联网技术作为行业未来的发展趋势，必将促进城市管廊项目建设的高质量发展[5]。

4  物联网技术在城市地下综合管廊建设中的应用措施

4.1  设计阶段

城市地下综合管廊参与方较多，管线高度集中，并且在设计环节需要综合考虑管廊建设的经济效益和社会效益，因此，需要强化物联网技术在管廊设计阶段的应用效果，以此提升城市管廊设计工作效率。一般情况下，地下综合管廊系统应设计与规划在城市的繁华地段，设计规模和预期的施工建设周期较长，此时需要综合利用物理网技术对设计阶段的相关问题进行综合管理与整治，提升管廊设计阶段的科学性与合理性。鉴于城市管廊系统设计阶段需要进行管廊整体规模、管线铺设环节的动态化演示，因此，需要利用物联网将各环节相连接，通过准确的信息传输，掌握不同施工步骤的控制要点，以此提升项目施工建设质量。实践应用中，物联网技术与BIM可视化模拟技术的结合应用，将显著提升设计工作效率，有效控制设计管理中的不稳定因素。

例如，在某市的综合管廊设计中，技术人员将物联网技术与BIM技术相结合，对管廊建设的预期效果进行在线模拟，并标注了相关的设计参数。管廊部分结构图如图3所示。

同时，设计阶段物联网技术的应用可实现管廊系统的优化设计，对管线结构的碰撞进行技术分析，以此采取合适的施工方案进行规避。通过物联网技术的信息分析与获取功能，技术人员将第一时间掌握设计阶段的具体问题，以此提升项目设计工作开展的合理性。基于物联网技术可实现管廊设计阶段各要素的互联互通，促进管廊设计方案的优化，为施工人员提供可靠的技术依据。此外，物联网技术应用也可避免项目设计错误，减少管廊建设返工机率，由此合理节约项目设计企业的经济成本，促使管廊设计获得长期稳定效益。

利用物联网技术，也可实现对地下综合管廊整体结构、监控系统以及部分设备管线结构、装饰的合理控制，优化设计方案，促使管廊系统获得最佳的经济效益。同时，结合应用BIM技术，可模拟设计效果，通过对比分析选择合适的项目设计方案，其中物联网技术将为相关的筛选与分析工作提供可靠的数据采集支持。物联网技术结合数据建模，对地下管廊工程量核算具有重要意义。施工进度与施工技术在设计阶段需要进行明确，基于物联网的应用，相关要素的模拟效果更加出众，可提升项目的设计质量，为地下综合管廊的施工奠定良好基础。

4.2  施工阶段

目前，工程项目施工技术条件下，城市地下综合管廊的施工工艺主要有两种，即现浇式综合管廊施工和预制式综合管廊施工。物联网技术在相关施工工艺中的应用将极大提升项目施工建设效率，缩短管廊建设工期。实际应用中，以管廊施工中现浇混凝土施工技术为例，物联网的应用可快速明确施工中的结构形式，并且对管廊整体的剖面进行规划，以此构建出适合实际施工的有效方案。物联网技术在城市地下管廊项目施工阶段的应用，可实现对管廊构件和管线的动态化编码与命名，以此明确构件的唯一身份，在此基础上应用二维码和RFID射频技术，对相关构件建设施工状态的信息数据进行分析，该种技术手段是物联网应用的有效途径，对管廊施工建设效率提升产生深远影响。基于物联网的RFID射频技术应用原理如图4所示。

针对预制式综合管廊而言，由于大部分结构在工厂生产，现场管理中重点在管廊构件的装配，在预制构件中内置RFID射频芯片，并利用移动设备扫描部分构件，可识别构件的安装进度和相关操作人员的身份，配合应用物联网技术，真正实现对地下综合管廊系统的高效合理控制。就具体操作环节而言，利用物联网可确定项目的施工步骤和工艺手段，并且及时将相关信息传送给数据中心服务器，实现预制式综合管廊生产信息、构件质量以及运输管理中的信息化控制[6]。

城市地下管廊施工建设中，利用物联网技术可识别管线部分的精准定位，对管线的尺寸、厂家以及应用型号等信息进行有效记录，并且汇聚成地下管廊数据资源库，为项目施工管理工作提供技术支持。得益于信息传输速度的进步，物联网技术在数据管理、分析中的应用具有明显的优势，使得项目建设中各环节得到互联互通，对于技术共享、数据传输工作将产生重要影响。同时，在管廊项目的施工后期，技术人员可利用物联网技术对地下管廊各部件和管线铺设位置进行检测，动态构建应用数据库，为施工建设中故障点排除工作贡献主要力量。

4.3  维护阶段

城市地下管廊综合应用中，由于管线部分位于地下，对其进行管理和维护较为困难，然而，由于物联网技术的应用，使得地下管廊在维护阶段的效率得到提升。基于物联网与BIM技术的结合应用，地下管廊系统中的空间位置信息实现了数字化模拟，技术人员可根据实际监测参数，对管廊设施的运行状态进行管理与维护，针对管廊各部分的故障点进行检测与维护，提升项目运行阶段的安全性。

同时，物联网对无线传感器装置和嵌入式装置的开发与应用，使得城市地下综合管廊的维护管理效率更高。技术人员可利用物联网技术，构建管廊系统中各部分有机联系的动态数据库，通过对系统后台的监控发现管廊设施的维护管理问题。技术应用中，工作人员可在系统中输入管线数据，比如管线保修信息、定期维护时间，此时，当管线部分出现故障或其他问题，事先设计的传感器和相关的信息资源识别装置会发出警报，并将相关信息准确传达给系统维护管理人员，以此提升城市地下管廊系统的运行维护水平。相关技术的应用，也可降低管廊系统的维护时间，节约管理维护成本[7]。

此外，针对城市地下综合管廊系统而言，在实际的管理与维护中，应用物联网技术，落实智能化维护检修工作方式，比如人工智能技术的应用，技术人员可将无线传感装置内置在机器人体内，利用机器人的智能化识别系统，定期检修与维护城市地下综合管廊相关构件和整体空间，对管理工作效果做出评价，并通过无线传感器网络将检修与维护的结果反馈到综合管理平台。物联网技术与管廊综合监控系统的结合应用是未来行业发展的趋势，需要对技术应用的可能性进行必要的研究与探讨，以此提升城市地下管廊运行与维护水平。

5  结  论

综上所述，城市地下管廊项目施工与建设中，需要利用物联网技术提升项目施工管理工作水平。由于城市地下管廊项目与人们生活实际需求密切相关，专业技术人员在管廊项目建设中，需要不断完善物联网技术的应用形式，对于施工中遇到的新问题应提高重视程度，善于利用物联网技术改善管理水平，解决具体问题，为提升城市地下管廊项目工程质量贡献主要力量。

参考文献：

[1] 构筑地下立体管廊空间 打造寒地城市生命线——记我国首个高纬度区域的地下综合管廊工程 [J].中国工程咨询，2019（12）：35-39.

[2] 张东杰.GIS+BIM技术在地下综合管廊中的应用 [J].低温建筑技术，2019，41（11）：121-123+133.

[3] 黄东生.常德经开区综合管廊建设管理模式及关键技术 [J].建材与装饰，2019（33）：164-165.

[4] 王利.基于BIM及物联网的城市地下综合管廊建设 [J].住宅与房地产，2019（30）：214.

[5] 胡维薇.台湾地下综合管廊发展与经验 [J].城市管理与科技，2019，21（5）：76-78.

[6] 楊建雄，谷张沐，马洪旺，等.城市地下综合管廊深基坑开挖支护方案优化研究 [J].中国水运（下半月），2019，19（10）：265-266.

[7] 毕玉萍.基于Niagara物联网技术的综合管廊数字化的设计与实现 [D].天津：天津工业大学，2019.

作者简介：刘航（1982-），男，汉族，甘肃金昌人，本科，网络规划设计师，主要研究方向：电子信息。