基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市地下管線智能管理系統(tǒng)

3．2 智能管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

城市地下管線智能管理系統(tǒng)主要由三個層次組成，分為為感知層、傳輸層、應(yīng)用層。圖1所示是城市地下管線智能管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

感知層由各種類型的傳感器組成，可實(shí)時獲得地下管線的各種相關(guān)信息，包括空間位置、尺寸規(guī)格、材質(zhì)、傳輸物質(zhì)、傳輸狀態(tài)、腐蝕情況、泄露點(diǎn)位置、大小等管線自身健康情況信息。城市在新建管線和進(jìn)行老舊管線的更新改造時，應(yīng)逐步推進(jìn)預(yù)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(shè)。管線智能傳感器的主要功能應(yīng)能實(shí)時收集管線運(yùn)行中的工作狀態(tài)信息、管線的空間位置及自身屬性信息，并應(yīng)能夠主動或被動提供給傳輸層設(shè)備。

傳輸層則主要通過有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、無線射頻識別RFID等通訊手段，將感知層獲得的數(shù)據(jù)由現(xiàn)場實(shí)時傳輸?shù)礁邔哟蔚膯卧?。傳輸層主要包括光纖網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、路由器、防火墻、服務(wù)器等。

應(yīng)用層是城市地下管線智能管理系統(tǒng)功能的集中體現(xiàn)，包含地下管線多參數(shù)三維顯示系統(tǒng)、地下管線輔助規(guī)劃設(shè)計CAD系統(tǒng)、地下管線事故應(yīng)急指揮系統(tǒng)等。

其中，地下管線多參數(shù)三維顯示系統(tǒng)可以將城市地下空間的管線直觀地展現(xiàn)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(diǎn)的橫斷面，確定管線在地下的空間位置，標(biāo)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(guān)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?qū)τ诼访嫦鄬ξ恢玫目v斷面圖，并表示出沿線各管線點(diǎn)的位置與該管線點(diǎn)的橫斷面。同時，自動產(chǎn)生該管線縱斷面對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)和線上各管線點(diǎn)的屬性數(shù)據(jù)?？v斷面分析也可用作管線施工監(jiān)理中的一項(xiàng)數(shù)據(jù)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(guī)劃設(shè)計CAD系統(tǒng)，可以根據(jù)國家有關(guān)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(guī)定，在基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀管線數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)管線設(shè)計計算、分析、繪圖以及方案的比選優(yōu)化，包括地下管線緩沖區(qū)分析，地下管線垂直凈距設(shè)計分析，管線線路輔助設(shè)計，管線節(jié)點(diǎn)的輔助設(shè)計等。

在地下管線事故分析及應(yīng)急指揮系統(tǒng)中，事故分析是管線智能管理系統(tǒng)中經(jīng)常用到而且較為復(fù)雜的功能。當(dāng)管線在某一位置發(fā)生事故時，系統(tǒng)應(yīng)能基于高密度的監(jiān)刪傳感器，啟動網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的搜索和分析能力，快速確定事故點(diǎn)和事故點(diǎn)周周需要緊急關(guān)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(tǒng)應(yīng)能提供輔助的交通管制等應(yīng)急指揮功能。

應(yīng)用層軟件主要提供各種通用的數(shù)據(jù)接口，在此之上，應(yīng)當(dāng)可以與城市其他領(lǐng)域的管理系統(tǒng)進(jìn)行無縫銜接，如地質(zhì)部門的城市地質(zhì)信息可視化系統(tǒng)、交通管理部門的城市交通信息管理系統(tǒng)、智能樓宇系統(tǒng)等，最終作為“智慧城市”的一個重要了系統(tǒng)，為城市的規(guī)劃建設(shè)、突發(fā)事故應(yīng)急決策提供服務(wù)。

3. 3 地下管線智能管理系統(tǒng)的優(yōu)勢

在地下管線智能管理系統(tǒng)中，感知層通過預(yù)埋于管線自身或附近的各類傳感器，可實(shí)現(xiàn)對地下管線多維參數(shù)的獲取，同時，管線本身具備信息接收和傳達(dá)、反饋等智能要素。

地下管線智能管理系統(tǒng)具備強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)庫功能，可以將一個城市的基礎(chǔ)地理信息、各種管線空間信息、負(fù)荷運(yùn)行信息及自身健康狀況信息等復(fù)雜的屬性信息一體化存儲，并實(shí)觀信息實(shí)時動態(tài)更新。

通過地下管線智能管理系統(tǒng)的三維顯示功能和網(wǎng)絡(luò)功能，可以使一個城市的建設(shè)部門和管線權(quán)屬機(jī)構(gòu)充分實(shí)現(xiàn)管線信息的共享，并進(jìn)行各自的管理；相關(guān)部門也町以直觀地查看地下管線的復(fù)雜分布和相應(yīng)的空間關(guān)系。

通過系統(tǒng)強(qiáng)大的空間分析能力、對地下管線多參數(shù)監(jiān)測分析功能和其它各種應(yīng)用分析功能，可以及時對管線中所傳輸物質(zhì)的運(yùn)行狀態(tài)作出判斷；快速準(zhǔn)確地對管線運(yùn)行中的突發(fā)事故作出緊急處理；也可以輔助城市規(guī)劃部門科學(xué)地進(jìn)行地下管線的規(guī)劃和設(shè)計；同時可以指導(dǎo)市政管理部門對管線進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)和科學(xué)管理，最終實(shí)現(xiàn)對城市地下管線的智能化管理。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下管線管理應(yīng)用

日本東京工業(yè)大學(xué)的Professor Akira Todoroki等在2004年通過試驗(yàn)室試驗(yàn)在地下污水管線中預(yù)置由玻璃纖維和碳黑／環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制成的斷裂傳感器，然后通過互聯(lián)網(wǎng)與傳感器的結(jié)合監(jiān)測地下污水管道在地震后的破損位置，試驗(yàn)取得了預(yù)期效果。當(dāng)時的試驗(yàn)主要是為了證明復(fù)合材料傳感器的可行性和有效性，但同時也證明了，通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)合傳感器的這種對地下管線自身健康狀況的監(jiān)測手段是可行的。

圖2所示為地下污水管道破損監(jiān)測示意圖。

德國威斯特伐利亞區(qū)瓦倫多夫市現(xiàn)在已經(jīng)使用大約5 500個RFID標(biāo)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(qū)瓦倫多夫市同時還將RFID系統(tǒng)應(yīng)用在一家污水處理廠，用于監(jiān)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(biāo)識系統(tǒng)(RFID)，以便在日后管線管理維護(hù)中，施工人員可以用雷達(dá)探測來獲取管線基本信息。