城市“生命線”的守護神
—— 智慧管網項目介紹

◎ 北京無線電計量測試研究所 王 旭

隨著城市規模的不斷擴大、城市設施的不斷完善，以及新老城區的發展改造，城市管網體系日益龐雜，構成了城市運行的“血脈”和“神經”網絡。

進入21世紀以來，國務院兩次就城市地下管線管理工作做出重要批示。2013年，國務院發布《關于加強城市基礎設施建設意見》，要求加強對城市地下管線的建設管理；2014年，國務院辦公廳頒布了《國務院辦公廳關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》，提出利用“示蹤標識、無損探測與修復、非開挖、物聯網監測和隱患事故預警等先進技術”，加強城市地下管線的智能化建設工作。因此，在建設智慧型城市過程中建立智慧管網體系，符合城市現代化發展要求，以及當前我國經濟與社會發展需要。

我國城市管線管理現狀

綜合來看，目前我國城市管線管理面臨以下四方面問題：

一是管線空間信息不準確。城市的各類管線數據錯綜復雜，外部地貌和原始參照物發生變化后，管線數據更新不及時，導致實際情況與管線數據不符或者偏差較大，嚴重影響現代化城市的精細化管理，增加了管線在后期運行維護過程中的成本和風險。

二是管線運行狀態監測手段匱乏。目前針對管線領域的綜合狀態監測手段匱乏，大部分事故和故障都是發生并表現在路面上以后才被察覺，實時性較差。這嚴重制約了科學、高效的管線日常運行管理制度的推進。

三是管網事故預警手段不足。大部分管線事故與故障屬于事后處理，當管線事故發展到普遍可見程度才被發現時，有可能意味著部分事故的處理難度巨大，這對應急搶險工作提出了極高的要求，非常不利于事故風險的有效控制。

四是管網數據兼容性差。城市地下管線歸口管理單位眾多，各行業管線數據兼容性差，各管線單位缺乏有效、統一的協調、組織管理，管線管理部門很難拿到與現場一致的綜合管線圖，難以為施工建設和故障搶修工作提供全面、及時、高效的服務。

智慧管網解決方案

城市的地下管線工程是一個復雜的系統，具有隱蔽性、多源性和多權屬性等特點，其管理是一項頗具挑戰性的系統工程。而復雜系統的頂層設計是我國航天系統工程的重要理念，經過多年的探索和實踐，航天單位積累了豐富的理論和實戰經驗。北京無線電計量測試研究所在智慧城市建設領域率先提出建設能夠服務于城市地下管線安全運行的智慧管網管理系統，以服務涉及民生的所有類型地下管線為管理對象，以地下管線精確定位為基礎，目標是全面掌握管線的分布情況，感知管線破損、故障、污染等事故，對管線事故進行提前預警和預測，為與管線相關的靜態和動態數據提供全方位的管理支撐，構建覆蓋所有類型地下管線的全生命周期綜合管線管理軟件平臺。

▲標識器探測儀和地下管線電子標識器

▲上位機服務系統

該平臺能實現管線管理方面的四個目標：

一是給管線綁定身份ID 信息，實現精確管理。通過基于射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術的管線電子標識系統，將管線“電子身份證”固定在埋地管線的關鍵部位或者特征點上，用以識別埋地管線的位置、埋深、管徑、管材、用途、輸送介質種類、壓力、流向、敷設日期、施工單位、維護記錄、使用年限、剩余年限、權屬單位、維護單位等信息。

二是全方位感知管線狀態，為智能化管理提供數據支撐。綜合應用物聯網、云計算、微機電系統（MEMS）等技術，通過數據集中器，獲取管線運行狀態的實時監控數據，為管線預警應急管理提供可靠支撐，進而保證管線安全運營，有效幫助管理部門實時監測管線的運行狀況，及時發現異常，排除故障隱患；在故障發生后快速確定故障原因，降低危害，同時為管網的優化和改擴建工作提供輔助，避免發生爆管、停水、停氣等社會影響惡劣的事件。

三是利用大數據挖掘技術，實現管線狀態的智能化診斷。通過故障診斷和健康管理模型，分析管線相關數據，提前預警管線可能發生的故障，針對高風險或者老化管線，制定施工修復和搶修預案，啟動應急搶修業務，實現管線故障的提前預報，并且利用故障診斷和預測算法對管線的剩余壽命進行預測。

四是構建管線數據綜合化管理平臺和數據規范，打破原有壁壘。建設綜合管線管理軟件平臺，以實現多數據、多業務、多部門的整合。促進管線信息完整、準確、互通、共享、集中管理，整合地下管線信息資源，建立共建共享機制，實行集中統一管理，杜絕“拉鏈道路”的產生，避免盲目施工損壞管線。標準化是管線信息共享和集成應用的重要前提，采用統一的標準是從源頭上保證數據生命力的基礎，因此，在綜合管線管理軟件平臺建設中還應注重標準規范的制定。地下管線數據統一標準后，可以促進技術綜合應用，減少“數據浪費”，杜絕“數據廢品”。

北京無線電計量測試研究所開發的智慧管網項目是航天技術在民用領域應用的重要嘗試和探索，也是踐行軍民融合發展之路的又一重大實踐，對保障城市“生命線”安全、穩定、高效運行具有重要意義，是航天技術進軍“智慧城市”應用領域的重要組成部分，更是保障我國地下管網安全運行的迫切需要，在維護國家社會和經濟利益方面意義重大。

智慧管網產品介紹

北京無線電計量測試研究所利用管線電子標識實現了對管線和井口的精確定位，將各類管線狀態傳感器的感知信息上傳，上層軟件管理平臺對管線狀態信息進行智能分析，實現對各類管線信息的集中管理和共享。構建精確精細、敏捷高效、全方位和全時段覆蓋的城市管網管理新模式，打破地下管線信息共享的壁壘，形成地下管線“一張圖”，拓展地下管線信息為政府部門、相關企業和社會公眾服務的廣度和深度，有效防止“挖爆管”等危及市民生命財產安全的惡性事件和“馬路拉鏈”等不良現象的重復發生。

管線電子標識系統

管線電子標識系統主要包括地下管線電子標識器、標識器探測儀和上位機服務系統。

基于RFID技術的地下管線電子標識器主要為地下管線提供身份編碼，通過標識器探測儀獲取近場耦合的能量，并將自身的編碼信息傳遞給標識器探測儀。標識器探測儀通過獲得的編碼信息，在數據庫中查詢對應管線的相關屬性信息，包括管線類型、管徑、材質、埋深、權屬單位、建設年代等。上位機服務系統用于存儲管網的拓撲和屬性信息，同時具備管網數據管理、巡檢工單派發和應急事件處理等功能。

管線狀態感知系統

管線狀態感知系統主要包括管線運行狀態的前端傳感設備和數據解析存儲軟件。地下管線狀態系統的前端傳感設備主要基于MEMS技術，能夠實現不同應用現場下的多源數據采集功能，包括供水管網的流量、壓力信息，熱力管網的溫度、濕度、壓力、流量信息，燃氣管網的氣體濃度、積水信息，排水管網的液位、氣體濃度信息，電力管網的溫度、開挖信息，以及金屬管網的內、外腐蝕和全部井蓋開蓋信息。

另外，由于地下管線深埋在地下，對管線狀態數據進行采集還需要克服地下通信信號傳輸不穩定的缺點。管線狀態感知系統的全系列產品兼容2G/3G/4G、NB-IOT、Lora通信方式，使得其能適應不同的應用場景和業務需求。

管線狀態感知系統的數據解析存儲軟件部署在上位機，主要用于接收解析和存儲管線相關的狀態信息。該軟件將數據劃分為空間數據、基本屬性數據、動態傳感數據、業務數據。空間數據存儲管網相關的空間屬性信息，基本屬性數據存儲管網自身的靜態數據（如管線類型、管徑、材質、埋深、權屬單位、建設年代等），動態傳感數據存儲不同類型傳感設備的原始數據，業務數據則存儲與實際業務相關的過程數據或結果數據，通過不同類型的數據存儲，方便可視化引擎、狀態展示、模型分析、專業或綜合決策等不同應用模塊的數據需求。

管線故障診斷預警系統：狀態傳感數據智能分析

利用管線狀態的歷史數據、各個傳感器在線采集的狀態數據、管線特性數據，構建綜合的故障診斷、預測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）模型，預警可能發生的故障。同時，對監測到的管線故障進行報警，通過綜合分析，對管線的健康狀態進行評估，及時制定施工修復和替換預案，并且還能夠對某些有特殊需求的管線進行專項分析，對管線剩余壽命進行預測，對危險源和危險區域進行辨識和管理，進而有效避免災害事故發生，提高地下管網運行的安全性，實現對地下管線安全運行管理過程中各項事故的防范。

▲管線狀態感知系統數據解析存儲軟件

▲管線故障診斷預警系統上位機軟件

綜合管線管理軟件平臺：信息共享

綜合管線管理軟件平臺可以打破管線權屬部門之間的信息孤島，盤活管線資源，實現管線管理業務系統與其他業務系統之間的互聯互通。運維管理能夠實現各個管網業務系統用戶的統一認證授權管理，以及對平臺用戶活動的監控。綜合管線數據管理能夠整合綜合管線、施工建設、運行維護、應急搶修等各類信息資源，實現管線空間資源“一張圖”，合理且有效地指導管線工程應急工作。輔助決策能夠綜合各個系統業務數據，得到管線當前運行狀態、事故風險系數、風險控制能力和風險承受能力等綜合指標，為后續決策提供更好的支持。

實際案例展示

地下管線是太湖新城基礎設施的重要組成部分，也是對太湖新城進行規劃、建設和管理過程中需掌握的重要基礎信息，還是太湖新城賴以生存和發展的物質基礎。北京無線電計量測試研究所承接蘇州太湖新城智慧管網項目后，通過在區域內為管線加裝電子標識器，實現了管線實際場景下的精確定位，徹底改變了過去依靠竣工圖、現場文字描述和地上標志性建筑管線定位的情況，有效提高了現場管線定位的效率和準確度。為管線加裝液位傳感器后，在大量降雨的情況下，管理人員可全面掌握管網積水狀態，改變了過去通過人員經驗和現場人員匯報獲取積水信息的情況，為應急搶險提供高效可靠的一手數據。通過噪聲記錄儀和流量計，管理人員可實時獲取區域內供水管網的流量和震動數據，利用上位機模型分析，掌握區域內管網的漏損信息，評 估管網運行狀態，便于制定檢漏計劃，改變了原有人工巡檢效率低、成本高的問題。通過在管網中加裝可燃氣體監測設備，可在井內發生可燃氣體聚集的第一時間，把無形的可燃氣體泄露事故轉化為有形的報警事件，大大提高故障檢出率。

▲綜合管線管理軟件平臺

▲蘇州太湖新城智慧管網項目展示系統

事故解析

雨季的蘇州，連續降雨是常事，這給新建區域的道路管線施工帶來很大困難，由于開發程度不高，地上區域沒有明顯標志物，一場大雨過后，原有管線被覆蓋在水洼和泥濘之中，導致管線施工工作難以開展。大范圍的雨水清理和開挖工作不但效率低下，而且成本巨大。為解決這一問題，施工單位在管線入地時同步埋設地下管線電子標識器，通過標識器探測儀，施工人員很快掌握了施工區域內地下管網的分布情況，在節約成本、提高效率的同時，也避免了盲目開挖帶來的風險。通過這次快速定位，智慧管網項目真正解決了困擾施工方的問題。