基于物聯網技術的城市地下管線智能管理系統

3．2 智能管理系統的總體結構

城市地下管線智能管理系統主要由三個層次組成，分為為感知層、傳輸層、應用層。圖1所示是城市地下管線智能管理系統的結構示意圖。

感知層由各種類型的傳感器組成，可實時獲得地下管線的各種相關信息，包括空間位置、尺寸規格、材質、傳輸物質、傳輸狀態、腐蝕情況、泄露點位置、大小等管線自身健康情況信息。城市在新建管線和進行老舊管線的更新改造時，應逐步推進預先嵌入傳感器管道的使用或者管線智能傳感器的同步埋設。管線智能傳感器的主要功能應能實時收集管線運行中的工作狀態信息、管線的空間位置及自身屬性信息，并應能夠主動或被動提供給傳輸層設備。

傳輸層則主要通過有線網絡、無線網絡、無線射頻識別RFID等通訊手段，將感知層獲得的數據由現場實時傳輸到更高層次的單元。傳輸層主要包括光纖網絡、網絡交換設備、光電轉換設備、路由器、防火墻、服務器等。

應用層是城市地下管線智能管理系統功能的集中體現，包含地下管線多參數三維顯示系統、地下管線輔助規劃設計CAD系統、地下管線事故應急指揮系統等。

其中，地下管線多參數三維顯示系統可以將城市地下空間的管線直觀地展現在電腦屏幕上，并具備縱橫斷面的自動生成分析功能，可提供任意地點的橫斷面，確定管線在地下的空間位置，標示出管線的斷面尺寸、材料、高程、管線間的間距等屬性，正確反映管線與建筑物之間、管線與管線之間的空間關系；對一條管線，指定縱斷面作圖范圍，便可自動生成管線沿走向對于路面相對位置的縱斷面圖，并表示出沿線各管線點的位置與該管線點的橫斷面。同時，自動產生該管線縱斷面對應的屬性數據和線上各管線點的屬性數據。縱斷面分析也可用作管線施工監理中的一項數據檢查工具，用以檢查在地下管線走向與坡度的耦合性。

利用地下管線輔助規劃設計CAD系統，可以根據國家有關管線工程的最小覆土深度、管線最小水平凈距、管線交叉時的最小垂直凈距等規定，在基礎地理信息數據和現狀管線數據的基礎上，實現管線設計計算、分析、繪圖以及方案的比選優化，包括地下管線緩沖區分析，地下管線垂直凈距設計分析，管線線路輔助設計，管線節點的輔助設計等。

在地下管線事故分析及應急指揮系統中，事故分析是管線智能管理系統中經常用到而且較為復雜的功能。當管線在某一位置發生事故時，系統應能基于高密度的監刪傳感器，啟動網絡強大的搜索和分析能力，快速確定事故點和事故點周周需要緊急關閉的各種閥門，提供合理的處理方案，以便將事故損失降到最低。存事故分析和事故解決的過程中．系統應能提供輔助的交通管制等應急指揮功能。

應用層軟件主要提供各種通用的數據接口，在此之上，應當可以與城市其他領域的管理系統進行無縫銜接，如地質部門的城市地質信息可視化系統、交通管理部門的城市交通信息管理系統、智能樓宇系統等，最終作為“智慧城市”的一個重要了系統，為城市的規劃建設、突發事故應急決策提供服務。

3. 3 地下管線智能管理系統的優勢

在地下管線智能管理系統中，感知層通過預埋于管線自身或附近的各類傳感器，可實現對地下管線多維參數的獲取，同時，管線本身具備信息接收和傳達、反饋等智能要素。

地下管線智能管理系統具備強大的空間數據庫功能，可以將一個城市的基礎地理信息、各種管線空間信息、負荷運行信息及自身健康狀況信息等復雜的屬性信息一體化存儲，并實觀信息實時動態更新。

通過地下管線智能管理系統的三維顯示功能和網絡功能，可以使一個城市的建設部門和管線權屬機構充分實現管線信息的共享，并進行各自的管理；相關部門也町以直觀地查看地下管線的復雜分布和相應的空間關系。

通過系統強大的空間分析能力、對地下管線多參數監測分析功能和其它各種應用分析功能，可以及時對管線中所傳輸物質的運行狀態作出判斷；快速準確地對管線運行中的突發事故作出緊急處理；也可以輔助城市規劃部門科學地進行地下管線的規劃和設計；同時可以指導市政管理部門對管線進行預防性維護和科學管理，最終實現對城市地下管線的智能化管理。

4 基于物聯網技術的地下管線管理應用

日本東京工業大學的Professor Akira Todoroki等在2004年通過試驗室試驗在地下污水管線中預置由玻璃纖維和碳黑／環氧樹脂復合材料制成的斷裂傳感器，然后通過互聯網與傳感器的結合監測地下污水管道在地震后的破損位置，試驗取得了預期效果。當時的試驗主要是為了證明復合材料傳感器的可行性和有效性，但同時也證明了，通過網絡結合傳感器的這種對地下管線自身健康狀況的監測手段是可行的。

圖2所示為地下污水管道破損監測示意圖。

德國威斯特伐利亞區瓦倫多夫市現在已經使用大約5 500個RFID標簽來跟蹤該市205 km長的地下污水管道的維修狀況。德國威斯特伐利亞區瓦倫多夫市同時還將RFID系統應用在一家污水處理廠，用于監測該廠1 500個閥門的檢修情況。

另外，在臺灣臺北市忠孝東路的施工改造過程中，地下管線也將加埋無線電射頻標識系統(RFID)，以便在日后管線管理維護中，施工人員可以用雷達探測來獲取管線基本信息。