重塑城市生命线安全监测系统

袁宏永

2021年6月13日，湖北省十堰市张湾区艳湖小区发生天然气爆炸事故当天，习近平总书记作出重要指示，要求全力抢救伤员，做好伤亡人员亲属安抚等善后工作，尽快查明原因，严肃追究责任，并全面排查各类安全隐患，防范重大突发事件发生，切实保障人民群众生命和财产安全，维护社会大局稳定。据初步分析，事发原因是，建筑物建在河道上，铺设在负一层河道中的燃气管道发生泄漏，因负一层两侧封堵不通风，泄漏天然气聚集并向一楼二楼扩散，达到爆炸极限后遇火源引爆。此次安全事故教训深刻，让我们对城市生命线安全运行的认识提到了一个新的高度。

一、城市生命线的发展趋势和挑战

（一）城市生命线更新改造是城市发展的必然趋势

改革开放后，经过40年的快速发展，我国城市的建成区面积扩大了7.3倍，城市人口迅速增长，生产、物流、运输和废物排放的规模也相应扩大。这导致城市公路、桥梁、铁路、供水管网、排水管网、污水管网和轨道交通等城市生命线系统变得愈加复杂，加上供水管网、排水管网、热力管网、桥梁和电梯等城市生命线设施逐渐老化，使得城区频繁出现交通拥堵、环境污染、路面塌陷、燃气泄漏、供水爆管等一系列“城市问题”，给城市管理和经济社会发展带来很大挑战。城市生命线更新改造的需求日益明显。

（二）城市生命线过载运行导致安全风险事故频发

目前，我国城镇常住人口已超8.4亿，超过一半的人口居住在城市中，对城市生命线设施的供给服务带来了极大的运转压力，多数处于超负荷状态。再加上材料和结构的性能老化，腐蚀和反复荷载出现疲劳或蜕化，城市生命线设施面临非常严重的安全风险挑战，极易发生燃气爆炸、桥梁垮塌、暴雨内涝、突发性爆管、大面积停水停电等城市公共安全事件。如果在灾害条件下，易损性将愈加增大。

中國城市规划协会地下管线专业委员会此前统计过，“2008—2010年，全国仅媒体报道的地下管线事故平均每天就有5.6起”。各类设施的风险事故也仍呈上升趋势，主要表现为频发的燃气泄漏爆炸、地下空洞和电梯伤人事故等，普遍存在的城市内涝和时有发生的桥梁坍塌等。

（三）城市生命线的运行监管手段处于重要转型时期

随着城市规模的不断扩大，城市生命线的体量也在不断增加，一座中型城市就拥有超过600座桥梁、8000多公里排水管网和6000多公里燃气管网等。这对城市管理部门和行业监管单位开展城市生命线的运行监管工作提出了极高的要求。传统的运行监管手段多以人工巡检为主，但随着管网容量的增加，人手投放不足、人员专业能力不够等问题逐渐突显。大量城市生命线事故都是由于人员作业不规范、人工巡检不到位造成的。如湖北十堰燃气事故，其爆炸起因在于燃气管网泄漏至相邻地下空间没有被及时发现。没有及时发现的原因，除了人工巡检不到位，也是因为这样的泄漏发现难度大。因此，不少城市提出以科技手段逐步替代人工，提升城市生命线的安全监管能力。

二、城市生命线安全运行监测系统的应用

我国“十四五”规划和2035年远景目标中，专门部署统筹发展与安全，这对城市生命线等基础设施的更新改造、数字化管理和现代化治理提出了更高的要求。更全面的感知和大数据分析是监测城市生命线系统、预测事件发展和进行科学决策的重要基础，物联网和大数据综合技术将成为加强城市生命线运行监测能力、应急处置能力的重要途径。

为提高城市生命线运行监测能力，应以公共安全科技为核心，以物联网、云计算、大数据、BIM/GIS等信息技术为支撑，开展城市生命线各领域的研究，支撑城市实现生命线运行的整体监测、实时感知、早期预警和高效应对。

清华大学合肥公共安全研究院聚焦安全科学、创新安全技术、发展安全产业，在国内取得了一系列领先的科研成果，并实现了产业应用。从2015年开始，研究院承担“城市公共安全脆弱性分析和综合风险评估关键技术研究与示范”项目，整合清华大学公共安全、土木工程、力学、电子、物联网和大数据处理等领域的学科和技术，成功研发出城市生命线安全运行监测系统。

该系统针对桥梁、供水管网、排水管网、热力管网、燃气管网、电梯和消防设施等影响城市安全运行的重要基础设施，实施全面感知和动态监测，为城市基础设施安全运行提供监测预警、数据分析、辅助决策等服务和保障。这一系统在世界上首次实现了对城市重要基础设施进行整体安全监测，透彻感知城市生命线运行状况，分析其风险及耦合关系，深度挖掘其运行规律，实现系统风险的及时感知、早期预测预警和高效处置应对，确保城市生命线的主动式安全保障。

（一）设计理念

系统采用“1+2+3+N”的顶层设计模式。“1”是指建设城市安全运行监测中心。“2”指建设一网一图，即城市安全运行监测物联网和城市安全综合监测一张图。“3”是指建设三大基础支撑，即城市安全大数据系统、安全保障体系和标准规范体系。“N”指建设N个城市安全运行监测专项系统，目前包括桥隧、燃气管网相邻地下空间、供水管网、排水管网、热力管网、综合管廊、电梯、市政路灯和井盖共九大安全运行监测专项。

（二）城市安全运行监测中心

城市安全运行监测中心承担着城市生命线安全运行实时监测、预警预测、数据处理、决策支持等责任，对监测专项进行实时监测，与相关部门建立互联互通对接机制，是工程科技创新与管理科学创新的有机融合。可以通过建立公共安全运营社会化服务模式，实现由政府主导、技术支撑单位提供服务，创新城市公共安全智慧管理运营服务模式。

（三）城市安全运行监测物联网

城市安全运行监测物联网是城市生命线前端感知系统，它运用传感元件、精确测控、示踪标识、物联网等技术手段，建立物联、传输网络，实现城市地下管网、桥梁、路灯、井盖、电梯等设备安全运行状态的在线监控、准确采集和实时上传。

（四）城市安全综合监测一张图

通过城市运行物联网监测数据采集、汇聚和分析，结合城市各部门的基础数据、地理信息数据、互联网数据、城市部件信息等进行综合分析，以“一张图”形式呈现城市整体运行情况，建立一套城市健康运行体征指标体系，以多角度、多维度清晰展现城市安全的大数据画像。

（五）城市安全应用基础支撑系统

1.城市公共安全大数据系统。在城市现有信息化系统数据交换与共享的基础上，依托现有城市政务信息资源共享机制，整合接入城市供水、排水、燃气、桥梁、路灯等信息化系统资源，构建城市公共安全大数据系统，实现城市基础数据、运行实时监测数据、管理部门业务数据、社会数据等的汇聚。通过大数据挖掘，实现城市风险综合评估、安全运行综合监测与预警、突发事件综合研判与协同处置等功能，推动城市安全管理由事后处置向事前防范、事前化解、事前管控转变。

2.安全保障体系。安全保障体系从整体考虑，包括物理场所安全、信息采集及传输安全、监测中心网络安全、数据库安全、应用层安全和管理安全六个部分。涵盖了信息传输、存储安全、应用系统安全等多个方面，实现信息传输畅通、安全保密，为城市生命线安全运行监测系统的正常运行提供保障。

3.标准规范体系。充分考虑城市特点和各部门信息化建设情况，建立一套标准规范体系，规范各部门系统数据报送格式、城市生命线安全运行监测系统建设和运行管理流程，使城市生命线安全运行监测系统及其外延系统形成有机的整体。

（六）城市安全运行监测专项

1.桥梁安全监测专项

系统主要对桥梁关键截面应力、振动、挠度、支座位移、伸缩缝、结构温度等参数进行在线监测。分析车辆、温度荷载作用下桥梁结构的应变响应，对超载、结构异常进行预警。基于大数据，结合BP神经网络分析模型，对挠度、振动数据进行分析，通过对桥梁线型变化、基频变化识别等，对桥梁异常进行预警。通过对支座位移、伸缩缝等参数的监测、桥梁基本档案信息的管理分析，为桥梁的支座、伸缩缝等相关的养护工作提供依据。该系统可实时对桥梁安全状况进行评估，时刻掌握桥梁的安全运行狀况。

2.燃气管网安全监测专项

系统实时监测燃气管网邻近地下空间可燃气体浓度和地下空间内温度，以先进的物联网、云计算、大数据、移动互联等信息技术为支撑，结合燃气管网基础数据，实现对城市燃气管线相邻地下空间的实时监测、风险评估、预测预警和有效处置，保障城市地下管线的安全运行，切实维护人民生命和财产安全。

3.供水管网安全监测专项

系统通过监测管道运行的流量、压力和声波等参数，分析管道漏水与运行状态之间的关系，快速评估供水管网运行状况，准确定位管网泄漏位置和状况，实现对泄漏地段路面塌陷的快速预警，降低供水管网漏损率，防范次生衍生灾害，实现减损增效。

4.排水管网安全监测专项

系统通过布设流量计、液位计、雨量计等前端感知传感设备，以有线、无线、GPRS、NB-loT等网络传输方式建立数据传输，经过排水运行大数据的共享、交换、采集、清洗和转换，获得城市排水运行物联网实时监测数据和城市排水运行应急基础数据，并经过排水运行大数据分析，实现针对内涝积水、地下空洞、水环境污染等的风险评估、实时监测、预测预警和应急指挥调度。

5.热力管网安全监测专项

系统主要对热力管网的温度、压力和流量等参数进行在线监测，根据管网运行的流量及压力信息，结合管网拓扑结构，建立管网运行水力学模型。并利用热力管网风险评估模型技术，评价管网风险等级，做到风险“早发现、早防范、早处理”，预防事故发生。当管网运行状态发生异常时，系统可以利用物联网监测和大数据分析技术，对管网进行实时监测报警。并借助大数据分析工具、专业数据分析模型，对可能发生的泄漏、爆管、路面塌陷等提前进行预测预警，并准确定位。

6.电梯安全监测专项

系统针对现有电梯保有量大、问题电梯数量多的现状，通过融合大数据、物联网、BIM/GIS等先进技术手段，实现电梯维保监督管理、安全监测报警及应急处置一体化全方位服务，解决电梯维保监督管理难，事故应急响应慢等问题。通过建立各方沟通机制，融入社会监督力量，有效增加政府安全监管能力，减轻政府监管压力，做到电梯安全的有效监管、实时预警、协同救援。

7.综合管廊安全监测专项

系统从综合管廊安全、高效运营的角度出发，预防主体结构破损、不均匀沉降、管线破损和爆管、毒害气体泄漏积聚、火灾、温湿度异常等事件，实现设备稳定可靠运行、巡检和维护等。

8.路灯安全监测专项

系统针对城市路灯普通人工巡检、抢修不及时、偷盗市政电力等问题，通过照明监控平台和智能硬件设备，对路灯、夜景、隧道灯等公共照明实行统一管理，达到照明远程监测、智能管控、防盗防窃电的“三位一体”成效。

9.井盖安全监测专项

系统对井盖状态（开启、位移、倾斜、破损）、井下液位高度和井内有害气体浓度等进行监测、实时报警、自动巡检、及时处置等，保障井盖安全运行，进一步提高市政管理的信息化、智能化水平，为城市马路安全奠定基础。

三、结论与展望

重塑的城市生命线安全运行监测系统基于公共安全科技理论及模型，建立了系统的城市生命线运行监测与处置工作机制和流程，采集汇总并分析城市安全运行数据，构建城市生命线基础设施及安全风险要素、风险区域整体辩识、风险要素相互作用、风险发生与演化机理。它能够促进政府及行业部门采取有效的改进措施，落实安全责任，不断提高城市安全监管能力。

通过建设城市生命线安全运行监测系统，以公共安全科技为支撑，融合物联网、云计算、大数据、移动互联、BIM/GIS等现代信息技术，透彻感知桥梁、燃气、供水、排水、地下管廊等城市部件运行状况，分析城市安全风险及耦合关系，深度挖掘城市安全运行规律，能够实现城市安全风险的及时感知、早期预测预警和高效处置应对，确保城市安全的主动式保障，优化城市运行效率。

（压题图片：城市生命线安全运行监测中心作者提供）

（责任编辑：荣荣）