城市生命线安全运行监测系统设计

万力， 郑驹

（合肥工业大学建筑设计院（集团）有限公司）

1 城市生命线安全运行监测系统建设背景

随着经济的发展，我国城市生命线建设和运行面临着多方面的挑战。首先，城市化进程带来的快速人口增长使得城市的用水、用电、用地等资源供需矛盾日益突出，供应能力有限，而需求不断增加，这给城市生命线的稳定性和可持续性带来了巨大压力。其次，基础设施老化和缺乏更新也成为城市生命线建设的难题，许多城市的基础设施设备因年久失修、技术滞后而出现频繁故障，无法满足日益增长的需求。此外，气候变化带来的极端天气事件，如洪涝、干旱、风暴等，对城市生命线的影响也不容忽视。

目前全国多个城市均已开展城市生命线安全运行监测系统的建设工作，各地围绕本地城市生命线特征，开展了具有地方特点的设计工作。本文将围绕城市生命线监测系统设计为主题，以天长市城市生命线工程（一期）供水安全监测项目为例，介绍如何开展对监测数据进行分析、预警等设计工作，并达到风险管控的目的。

2 城市生命线安全监测系统总体架构

2.1 项目概况

本文以天长市城市生命线工程（一期）供水安全监测项目为例，对系统设计进行全面解析。项目设计依据安徽省委办公厅、省政府办公厅印发《关于推广城市生命线安全工程“合肥模式”的意见》（皖办发〔2021〕22 号）文件[2]要求统筹推进城市生命线安全工程建设的要求。按照统筹规划、顶层设计、资源共享、集约建设的总体建设原则，“点、线、面”相结合方式进行成果应用扩展，打造城市生命线工程公共基础设施安全运行综合支撑平台，创新管理模式，以全面提升城市生命线的安全运行水平。

本项目覆盖天长市主城区，在充分利用现有城市生命线信息感知载体的前提下，采用了1 个监测中心、1 个监测感知网、3 个基础支撑和N 项智慧应用的设计模式（见图1）。

图1 系统总体架构图

2.2 总体架构

系统整体架构设计如上图所示，系统按照 “感、传、知、用”四个层级面向应用场景进行设计。

“感”主要指监测城市生命线各专线运行状态以及致灾因子和隐患特征等感知层数据采集。燃气管网及设施的监测内容主要包括燃气管道运行的压力、流量，相邻地下空间内的可燃气体浓度，腐蚀速率等；供水管网及设施的监测内容主要包括供水管道运行的压力、流量、水质以及漏失的特征声波；排水管网及设施的监测内容主要包括管道运行的液位、流量、水质，雨量，地面水位等；热力管网及设施的监测内容主要包括管道的流量、压力、温度和运行声波等；桥梁及设施的监测内容包括振动、应力、挠度、位移、沉降等；路灯的监测内容主要包括电流、电压等。

“传”是指网络传输，根据项目具体的需求，可以选择NB-IoT、5G和专线等网络通信方式。

“知”主要是对汇聚的监测数据进行整理、清洗、入库，并提供大数据模型算法以及物联网接入等基础能力支撑。

“用”是指应用平台和各类应用系统，包括综合应用系统、燃气安全专项应用系统、供水安全专项应用系统、排水安全专项应用系统、热力安全专项应用系统、桥梁安全专项应用系统等。

以上架构涵盖了城市生命线的排水管网、供水管网、燃气管网、综合管廊、供热管网、铁路桥梁、隧道、城区湖泊、超高层建筑等各类应用场景的安全监测，本次天长市城市生命线工程（一期）是以供水安全监测为主要内容，可以根据城市生命线监测管理需求扩展至其他应用场景监测。

3 城市生命线安全运行监测系统设计

3.1 供水监测点位分布设计

天长市供水监测感知网络的监测范围根据《城市生命线工程安全运行监测技术标准》制定[3]，结合供水管网建设年代、交通地位、人员密集场所、敏感区域、叠加耦合风险等因素综合考虑，并与供水主管部门进行交流以及现场调研，选定天长市内建设年代久远、交通繁忙、风险隐患较高的供水管道进行安全监测，实现对供水管道与环境响应进行实时监测。结合已获取的管网数据及天长市供水安全管理现状，天长市供水安全运行监测物联网，选择天长市城区72km供水管网及配套设施和50个消防栓作为核心监测范围。具体范围如图2。

图2 天长市城区供水监测点位分布

3.2 供水管网拓扑仿真设计

基于供水管网拓扑结构并根据关阀搜索算法，实现管网上任何一点与前后阀门进行关联[4]，在发生爆管时，迅速给出关阀方案。结合关阀后的管网仿真模拟，分析爆管影响的管线和用户范围，为应急处置提供决策支撑。首先，分析管网平面图、管网拓扑系统图等管网数据的完整性、正确性，处理孤立管点、管线，处理水源与用户数据，连接独立管网系统，形成完整的地下管线系统。其次，对爆管点进行管道拓扑路径遍历，查找路径上阀门形成拓扑封闭区域。最后，分析封闭区域内管网所服务的居民、商场用户等用户分布情况，计算爆管发生时所影响的管线和用户范围。

3.3 供水监测传感器选型设计

单独供水监测传感器主要包括流量计、压力计、漏失监测仪、智慧消火栓等监测设备。

1）流量压力监测设备

结合天长市供水管网现状及规划情况，充分复用自来水公司已有的流量点位5 个，普通压力点位34 个，后续流量压力点位布设重点为5 个流量计监测点。

该设计布置的10处流量计，分别布设在DN150口径1处，DN200口径2处，DN300口径3处，DN400口径1 处，DN600 口径1 处，DN800 口径2 处。布置的10处压力计，分别布设在DN150口径1处，DN200口径2处，DN300口径3处，DN400口径1处，DN600口径1处，DN800口径2处。布点方案详见图3。

图3 天长市城区供水专项流量计及压力计布设示意图

2）漏失监测设备

城市供水管网总数庞杂，支管细管较多，管网爆管导致的次生衍生灾害的危害和管径的大小正相关。结合天长市供水管网现状及规划情况，从大管径管网爆管导致后果的严重性出发，特对天长市DN150 及以上的主要供水管道进行漏失监测，后续根据重点监测目标状况增加机动监测点。

设备主要布设到管道沿线的各类检查井内。在全市布设漏失监测70个，具体布点方案详见图4。

图4 天长市城区供水专项漏失监测仪布设示意图

3）消火栓监测

根据天长市政消火栓管理现状及规划情况，在充分考虑风险评估结果，结合全市要害部门周边消火栓点位分布情况，在全市布设50个消火栓监测点位，详见图5。

图5 天长市城区供水专项智慧消火栓布设示意图

3.4 信息传输网络

现场设备由前端采集设备和终端处理设备两部分构成，前端采集设备由前端各种传感器信号采集设备组成，主要包括以下设备：外夹式超声波流量计、高频压力计、漏失监测仪、消火栓监测仪。终端处理设备由后端信号接收、处理、转发、存储设备组成，主要包括以下设备：智能网关、传感器接入模块、二次配电箱等，其中智能网关设备安装在主机柜内，传感器的输出信号类型将决定采集模块的类型，各类传感器的数量将决定采集模块的数量。

4 城市生命线安全运行监测系统展望

城市生命线安全运行监测系统可以为城市生命线构建实时的安全屏障，但系统设计中采用的技术手段仍然只停留在物联网、传感器等信息化和工业自动化技术水平，所以在如何精准监测、态势监测和双向管理等技术能力方面略显不足。随着大数据、人工智能以及基于序列数据的大模型等最新技术手段的深度运用，将结合数据采集监测、分类处理并用于监测平台自动态势研判分析，实现城市生命线运行监测系统高度的自治目标。