基于物聯網技術的城市地下管線智能管理系統

摘要：城市地下管線就像一個人身體上的血管，是城市的“生命線”，擔負著城市中各種資源和信息的傳輸任務，城市的正常運轉需要周身的血管合理布局，統籌兼顧。我國的城市化進程開始較晚，地下管線規劃和管理缺位，形成了地下管線權屬單位分散，地下管線運行監測體系不完善等很多問題，在城市建設中經常出現挖損管線、管線老化泄露等情況，造成停水、停電、停氣、交通中斷、通訊中斷等事故，影響城市運行質量和效率。城市管理者迫切需要通過一種手段，將城市中所有地下管網管理起來，通過智能管理體系，對地下管網的空間位置、管線自身壽命、管線負荷運行情況、外界對其影響情況等信息進行數據采集，存儲于專門數據庫中，運用專業分析軟件進行分析，得出及時合理的處理維護措施。文中給出了通過物聯網技術使地下管線智能管理體系得以實現，并通過在監測目標上預先嵌入傳感器，來使管理系統輕松獲得有關地下管線自身及運行情況的關鍵參數，從而解決城市地下管線智能管理體系中的關鍵技術問題的實現方法。

關鍵詞：地下管線；智能管理系統；物聯網；智慧城市。

0 引言

城市地下管線是城市的“生命線”，就像一個人身體上的血管，擔負著城市中各種資源和信息的傳輸任務，城市的正常運轉需要周身的“血管”合理布局，統籌兼顧。

由于我國的城市化進程開始較晚，在城市的快速發展中，地下管線規劃和管理缺位，形成了地下管線權屬單位分散，地下管線運行監測體系不完善、地下管線資料不全和位置誤差較大的局面。在城市建設中，經常出現挖損管線、管線老化泄露等情況，造成停水、停電、停氣、交通中斷、通訊中斷等事故，影響城市運行質量和效率。

城市管理者迫切需要通過一種手段，將城市中所有地下管網管理起來，通過智能管理體系，對地下管網的空間位置、管線自身壽命、管線負荷運行情況、外界對其影響情況等信息進行數據采集，然后存儲于專門的數據庫中，再運用專業分析軟件進行分析，以得出及時合理的處理維護措施，將城市地下管網事故消滅在萌芽階段，防患于未然。

由于城市主要管網位于地下，管線的空間位置信息可以通過施工資料獲得，但管線自身壽命、負荷運行情況、外界對其影響的情況等以及與地下管線健康運行有關的其他關鍵信息如何獲得?這在以前直是一個比較難以解決的問題，而物聯網則可通過在監測目標上預先嵌入RFID射頻反射傳感器，使其輕松獲得有關地下管線自身及運行情況的關鍵參數，從而解決城市地下管線智能管理體系中的一個個關鍵技術問題。基于物聯網技術的城市地下管線智能管理體系的日趨完善，可以把城市管理中樞和城市各功能模塊有機地結合起來，從而提高城市管理的水平，滿足城市規劃、建設和管理的需要，實現城市讓人類生活更美好的目標。

1 城市地下管線的建設和管理現狀

城市地下管線是城市基礎設施的重要組成部分，是現代化城市高質量，高效率運轉的基本保證，被稱為城市的“生命線”。城市地下管線現狀的資料是城市規劃設計、建設和管理的重要基礎資料。

由于我國城市發展起步較晚，城市化進程在改革開放之后才開始加速，城市整體時間上和空間上規劃缺位等歷史原因，我國許多城市在規劃中對地下管線缺乏統一的、具有前瞻性的規劃，因而不得不經常在城市中心區“開膛破肚”、交通干線上“拉拉鎖”；而城市地下管線施工中也缺乏標準的施工工藝和規范，管線鋪設質量較低，達不到設計服務年限；城市地下管線施工完成后，管線資料殘缺不全，有的資料精度不高或與現狀不符等問題，都給后續城市建設工作帶來不便；再有就是各種管線權屬單位分散，各自為政，對本單位管線以外的其它管線分布、類型和權屬等情況一知半解，從而影響地下管線規劃建設的科學性、整體性；另外，在工程建設過程中，挖斷、挖穿地下管線的事故時有發生，造成供水、供電、供氣、通訊等中斷，進而影響交通的正常運行和城市居民的正常生活。

隨著城市化進程的加速發展，地下空間的開發和利用越來越普遍。尤其是近年來，地下軌道交通設施的建設，使得地下空間的利用矛盾越來越突出，城市地下管網探測任務也越來越多，探測隊伍和探測人員不斷增多，采用的探測方法、技術要求和所提交的成果各不相同，給資料使用部門帶來很多不便，迫切需要建立一套城市地下管網的綜合智能管理體系。

2 城市地下管線建設和管理中的問題

2．1 對城市地下管線建設和管理的認識不足

由于城市化進程起步較晚，我國不少城建相關部門對地下管線作為城市“生命線”的重要作用和地位認識不足，沒有深刻認識到地下管線鋪設、維護或者被損毀后所需要的時間成本、空間成本和經濟成本。城市建設過程中經常會出現管線改移、管線被挖損等事故，造成巨大的經濟損失。

2．2 缺乏必要的法律依據

近幾年來，國家主管部門相繼通過了《城市地下管線探測技術規程》、建設部通過了《城市地下管線工程檔案管理辦法》，各個地方也都出臺了適合地方的地下管線管理辦法，對地下管線的規劃、建設和管理起到了積極的指導和規范作用，但全國性關于地下管線從規劃、建設、竣工、檔案管理及綜合性管理系統的法規還沒有出臺，地下管線的規劃、建設作為城市規劃、建設系統中的先行性、基礎性工作的地位還沒有在法律層面確立。

2．3 建設前缺乏統籌安排

由于我國城市化進程起步晚，對城市總體規劃尤其是地下管線的規劃重視不夠，可借鑒的經驗較少，存在重地上、輕地下，重審批、輕監管，重建設、輕養護的傾向，管線施工過程中經常打架，臨時變更設計，新老管線疊加，存在很多潛在事故隱患。地下管線缺乏統一管理，管線種類繁多，產權投資分屬管理，規劃建設與資金投入不同期，各部門缺乏統一協調，造成重復開挖，經常在道路上“拉拉鎖”，既影響道路使用壽命，又嚴重影響城市交通和居民的日常生活。

2．4 建設施工和養護技術不規范

地下管線建設中，施工技術的特殊性和竣工后管線的隱蔽性可能造成管線施工質量低，建成后維護困難。另外，我國城市地下管線由于管道自身損壞、腐蝕，漏水、漏氣現象嚴重。據統計，我國城市單位管長、單位時間的漏水量為2．7 m3／(h·km)，是瑞典的11倍，法國的8倍，美國的2．7倍。據2002年相關部門統計，我國的無效供水量達2536萬m3，我國熱力和燃氣管道腐蝕率達30％，因此，我國急需針對城市地下管線建設施工和養護技術進行規范，以加強地下管線的建設和維護工作。

2．5 信息化管理水平有待提高

我國城市地下管線管理系統的發展經過了以下幾個發展階段：

首先是上個世紀七八十年代，市政管線的權屬部門和城建部門通過自己的檔案室，負責保管管線的竣工資料。隨著城市的發展，這種手工管理方式和紙質管線資料已經開始難以適應城市發展的需求，矛盾日益尖銳。

其次是上世紀80年代末至90年代初，城市改擴建工程大規模實施，為摸清城市地下管線情況，我國大部分城市開展了地下管線普查，并使用計算機輔助制圖技術(CAD)繪制管線分布圖，存儲地下管線的空間位置信息；使用FOXPRO等數據庫來存儲管理管線的功能、材質等屬性信息。但是，這些管線的空間信息和自身屬性信息存儲于不同的介質和平臺，統一利用和管理不便，管線信息的更新也不能在同一平臺完成。

之后，在90年代初到中期，地理信息系統軟件引入國內，并在一些行業廣泛應用，在地下管線管理領域開始出現基于GIS軟件的管理系統用于管線空間信息和屬性信息的管理。相關單位也開始使用國外的GIS軟件(Mapinfo、Arcinfo)來探索開發管線信息管理系統。同時，國產GIS軟件(如MAPGIS)開始出現，基于國產GIS軟件的地下管線信息管理系統也開發成功，城市地下管線信息管理系統的發展隨著地理信息系統的發展步入一個快速發展階段。

我國城市現階段的地下管線信息管理系統主要有以下幾個特點：

第一是傳統意義的地下管線信息管理系統，該系統主要是對地下管線的空間位置、自身材噴、規格尺寸、運輸物質等信息進行存儲，以供主管單位或城建單位查閱。

第二是對管線空間位置的獲得，主要依賴于竣工資料，竣工資料缺失的，則采取管線普查的方式。由于探測技術的局限性，許多老舊管線的探測還有難度，如竣工資料已缺失的老舊污水、雨水管道、各種專用的塑料管道實際探測難度大，而且探測成果精度低。由于基礎數據的質量較低，也降低了信息管理系統在城市建設的指導作用。

第三是由于缺乏對地下管道、管線有關負荷運行情況和自身健康情況信息的獲得手段，傳統的地下管線信息管理系統無法對管線的維護保養提供基礎信息，因而無法對城市地下管線災害事故提供預警和應急決策信息。

3 基于物聯網技術的城市地下管線智能管理系統構想

3．1 基于物聯網技術的城市地下管線智能管理系統

物聯網是近幾年來社會廣泛關注的熱點技術。物聯網的概念是1999年提出的，英文名稱叫“The Intetnet of things(物物相連的互聯網)”，物聯網是指在互聯網基礎上整合傳感、通信和信息處理等技術，按約定的協議，把相關物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

現階段，物聯網技術中的一個典型應用就是無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)，這是一種先進的非接觸式自動識別技術。目前，RFID已經從研究階段走向實用化，其單項技術已經趨于成熟。由于RFID具有無接觸和自動識別的強大技術優勢，因而已經被廣泛應用于倉儲物流管理、資產跟蹤、生產過程控制、移動車輛的自動識別、身份認證、智能交通、網絡家電控制等領域，并且應用領域仍在不斷擴大。

通過地下管線智能管理系統可以將埋于地下的各種處于地下的管線相關信息集中到一個綜合信息管理分析平臺上，為城市的規劃建設和管理決策、應急處置提供信息服務。

物聯網技術的核心是物物相聯，智能化相關、合作，利用物聯網技術的特點完全可以實現城市地下管線信息由獲取、傳輸到分析、綜合應用的整個過程，這一過程的實現其實就是城市地下管線智能管理系統的實現。