基于物联接入系统的智慧管网应用研究

0 引言

城市地下管线作为城市运行的重要基础设施和“生命线”, 随着城市快速发展, 地下管线建设规模不足、管理水平不高、安全事故频发等问题凸显, 我国城市正在面临着各种地下管线问题的挑战。

2014年6月4日, 国务院办公厅印发了《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》 (国办发[2014]27号) , 对城市地下管线建设管理工作进行了全面部署, 明确了今后一个时期我国城市地下管线建设管理的主要目标、基本原则、重点任务等。2016年10月28日, 住房城乡建设部下发《城市地下管线管理条例 (征求意见稿) 》公开征求意见的通知, “通知”对城市地下管线的规划、建设、综合管廊、运行维护、信息管理、法律责任等方面进行了规定。国家领导人也针对城市地下管线综合管理做了多次批示。

本论文主要研究应用航天系统工程理论和技术优势建设城市地下管线安全运行管理体系, 重点解决地下管线现状不明、家底不清、事故频发、隐患突出、马路拉链和窨井吃人等问题。

1 研究目标

以“管线安全、城市安全”为核心, 以管线的“规划、建设、运营、维护”全生命周期管理以及“普查、会诊、治理、养护到动态监管”等五个方面闭合安全管理为主线, 进行地下管线综合管理建设工作, 探索城市地下管线综合管理体制, 运用精确探测、示踪标识、综合感知等新技术, 摸清管线“家底”, 开展隐患治理, 做好监管养护, 提高城市地下管线综合管理能力和运行安全水平。

2 总体设计

(1) 体系架构

采用“1+N”体系架构, 即1个智慧管网综合管理系统;N个专业管线智能化系统。

(2) 数据中心

梳理各个部门之间需要协同共享的数据, 形成业务主题数据标准, 由数据中心对这些数据进行统一管理和维护, 并以服务的方式向各应用系统提供数据共享服务, 实现数据的充分共享, 打破信息孤岛, 为地下管线综合管理业务的协同互联提供基础支撑。另一方面, 对各应用系统中都需要的主数据进行统一管理, 主要包括组织机构和用户信息、设备信息、编码信息等基础信息主数据, 地理信息主数据、隐患信息主数据等, 在保证各应用系统主数据一致性的同时, 减少各系统分别维护的成本和提高管理效率。

(3) 监控中心

实时监控城市各类管线数据, 能够准确、及时地将地下管线安全预警等信息传递至监控中心, 在应急处置过程中发挥综合指挥调度作用, 能够为监控中心值班人员提供全面的管线运行信息, 为各级管理人员提供大数据分析应用等辅助决策手段。

(4) 标准体系

标准规范体系主要包括数据共享类、信息技术类、综合管理类、工程实施类以及运行维护类等四大类。标准规范体系框架如下图所示。

(5) 移动应用

面向政府行政部门应用:服务发布、信息查询、现场监察情况上报、行政审批。

面向管线权属单位应用:信息查询、巡检信息上报、远程控制、规划建设信息上报。

面向公众的应用:管线问题上报。

3 智慧管网综合管理系统

(1) 普查

地下管线普查是对于未进行管线普查的区域, 进行全面管线普查;对于已进行管线普查的区域, 对近年来尚未探测的管线数据进行补测, 通过普查可以全面掌握管线现状。

航天探地雷达技术, 可以实现金属管线和非金属管线的精确探测, 尤其是对非金属管线的探测, 是目前最有效的方法。

(2) 精确定位

电子标签埋设在设施导线点、拐点处, 用于存储埋设地点和地下设施的详细资料。通过建立电子档案, 实现管线数据共建共享, 在未来30到50年最大化发挥资源效益。

电子标签精确定位技术:电子标签埋设在设施导线点、拐点处, 用于存储埋设地点和地下设施的详细资料。

北斗卫星定位技术:利用北斗定位, 获取人员所在位置, 通过位置与管线数据的比对, 实现管线的精确定位。

(3) 智慧管网综合管理系统

建立统一数据标准, 实现各类地下管线管理数据的融合, 形成支撑业务协同、数据共享的智慧管网综合管理系统。面向政府行政管理部门和行业监管部门实现基于管线的“规划、建设、运行、维护”全生命周期管理以及“全面普查、隐患排查、安全预警、应急处置”安全管理两条主线, 为城市地下管线“治病”、“养护”, 实现“动态监管”。

(4) 基础数据管理与分析

基于地理信息系统, 整合地上地形数据和地下管线数据, 通过共享地图服务, 为地下管线综合管理提供统一的地理信息系统, 形成二三维一体化应用;提供基础管线数据的查询与统计分析;提供横断面分析、爆管分析、碰撞分析等专业的分析能力。

(5) 全生命周期管理

辅助规划子系统:实现管线规划的上报与审批;提供三维设计工具, 实现管线模拟规划设计, 验证管线规划设计的合理性;根据管线隐患分布及严重程度等数据, 支撑老旧管线的规划设计。

建设管理子系统:实现建设单位与建设管理部门之间的工程计划、建设审批、竣工管理等业务协同;根据管线隐患信息分布及严重程度, 制定管线建设计划, 支撑老旧管线改造;共享管线基础数据, 有效避免了施工过程中挖断管线事故的发生;加强竣工验收环节监管, 建立管线动态更新机制, 保证管线数据准确性。

管线数据动态更新:建立管线数据更新机制, 确保及时将管线数据更新入库;建立隐患数据的更新机制, 完善管线健康信息库。

档案管理子系统:提供智慧管网文件的多种采集途径;实现智慧管网平台数据的归档和集中管理;提供智慧管网档案资源的安全利用。

(6) 安全管理

安全监管与预警子系统:对燃气、热力、排水、供水等地下管线以及路灯、井盖等市政设施的运行状态安全进行监管, 对于异常情况进行预警;融合普查、隐患排查、在线监测、日常巡检、热线等各种数据来源, 通过健康预测模型, 采用大数据分析, 预测管线的健康状态并预警;通过对管线工程监管, 实现管线施工进度和质量的管理。

应急处置子系统:全面管理地下管线事故应急预案, 实现事故与预案的自动关联;统筹管理应急车辆、物资、仓库、队伍等资源, 在发生突发事件时实现各类物资的精确定位和调度;实现直观可视化的应急仿真, 提升城市应急事件现场处置的科学性。

(7) 大数据分析应用

“一张图”分析应用:主要包括地下管线一张图、安全隐患一张图、在线监测一张图、安全预警一张图、应急处置一张图、设备管理一张图、专题指标分析。

健康预测模型:结合地下管线运行环境、地下管线自身技术状况、地下管线周边土体不密实区域情况、土体不密实区域和管道相对关因素等基础大数据, 形成基于腐蚀、缺陷评价、事故动态分析、预测分析的健康预测模型。

排洪模型:综合城市降雨过程、地面径流水文过程以及地下管道排水能力和地表积水情况, 构建排洪模型, 分析城市内涝的影响范围、积水深度、积水量和积水时间等致灾因素。

4 专业管线智能化管理系统

实现燃气、热力、供水、排水、电力等管线的在线监测与智能化管理;实现井盖、路灯电缆等市政设施的在线监测与智能化管理;实现专业管线及市政设施的日常巡检管理。

(1) 智慧供水

以GIS子系统为基础, 实现水源、供水设备等监测以及水力模型、漏损控制等应用, 从而达到安全供水、节能降耗和降低漏损, 提高供水服务水平和业务管理水平。

(2) 智慧排水

针对污水处理厂、中水厂、雨水泵站、雨水调蓄池、用户排污口、入河排水口、内涝点、雨水管道、污水管道、水质监测点进行在线监测、预警及应急处置。

排水监测子系统:将排水管网、泵站、污水厂以及河道监测数据集成到一起, 并与GIS平台进行集成, 实现监测信息的实时查询与显示、报警数据与历史监测数据统一存储与管理, 利于管理者对相关资料做全面科学的统计分析, 为其它系统提供数据支持。

排洪模型子系统:综合城市降雨过程、地面径流水文过程以及地下管道排水能力和地表积水情况, 构建排洪模型, 以科学准确的方式分析城市内涝的影响范围、积水深度、积水量和积水时间等致灾因素, 从而为内涝防治对策和应急抢险预案的制定提供指导和依据。

防洪抗旱指挥子系统:当发生洪水和出现严重干旱时, 则通过防汛指挥子系统迅速采集和传输水情、雨情、工情、旱情和灾情信息, 并对其发展趋势作出预测和预报, 经分析制定出防洪抗旱调度方案, 指挥抢险教灾, 有效地运用水利工程体系, 努力缩小水旱灾害范围, 最大限度地减少灾害损失。

(3) 智慧燃气

燃气监测子系统:以管网GIS为基础, 将燃气门站、输气管线以及调压箱等燃气系统进行实时监测, 实现燃气运行的安全管理。

燃气管网监控预警子系统:辅助燃气企业对场站、管网进行监控, 同时也可实现对管网的调度、预警以及控制, 提高燃气企业的整体管理能力, 加强燃气管网的安全系数, 起到降低企业运营成本的作用。

(4) 智慧热力

热力监测子系统:以管网GIS为基础, 实现对热源、管网、换热站及供热参数的自动采集, 集中远程监测, 根据需求负荷变化自动调节供热量, 为用户热网节能、安全运行提供保障的工具。

热力水力平衡分析子系统:热力水力平衡分析系统, 在热网运行状态发生变化时, 系统能够及时进行计算分析可以获得在各种负荷条件下换热站、热用户等的热量需求, 各种负荷状态下的压力、流量和温度的分布。

分户计量控制子系统:通过通断时间面积法、户用热量表法、温度面积法等热计量分摊方法, 实现分户计量, 同时系统通过对室内温度的远程干预, 达到用户自主节能和干预节能的目的。对室温的采集、监测, 实现换热站环境温度补偿转变用户室温补偿。杜绝违规热用户从回水管路放水盗热的情况。用户室温情况实时监测, 变被动服务为主动服务, 提高供热服务水平, 从热源到用户末端按需分配。

5 结语

本研究通过住建部首个城市地下管线综合管理试点项目实施验证, 形成了一套集成化、协同化和智能化的地下管线综合管理平台;开展了普查与隐患排查、物联感知、精确定位等相关区域专项工作;制定了系列数据和技术类标准规范;面向管线全生命管理和安全管理形成了“可推广、可复制”的地下管线综合管理模式。

基于本文研究成果, 通过地下管线普查、实时监测、综合管理等数据成果及综合管理平台建设, 能够建立地下管线“一张图”综合应用;通过搭建城市地下管线数据中心和数据交换机制, 能够实现数据共享和数据动态更新;通过地下管线统筹规划及建设管理, 能有效解决“马路拉链”、“管线挖断”等问题;通过加强安全隐患和安全预警管理, 能够初步解决“城市看海”、“窨井吃人”等城市安全问题。

摘要：针对城市地下管线安全问题, 开展城市地下管线综合管理顶层体系架构设计研究, 提出以“管线安全、城市安全”为核心, 以管线的“规划、建设、运营、维护”全生命周期管理以及“普查、隐患排查、安全预警、应急处置”安全管理为主线的智慧管网综合管理系统和专业管线智能化管理系统构建思路和主要内容。该项研究已经成功应用于住建部全国首个城市 (山东省德州市) 地下管线综合管理试点项目, 研究成果可复制、可推广, 能有效支撑未来城市地下管线智慧管理。

关键词：物联网,数据交换,管线安全,城市安全

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