智慧管網綜合解決方案為管道應用提供新貢獻

智慧管網綜合解決方案為管道應用提供新貢獻

摘要：隨著我國大小城市規模的不斷擴大，公共基礎設施的地下管線鋪設範圍越來越廣，目前全國新鋪設和更新改造的市政管網長度超過10萬公里^[1]。由於地下管線具有一定的隱蔽性、複雜性，給地下管線的施工和管理帶來了諸多挑戰。因此利用 “智慧化”手段，瞭解管線的屬性、數量、位置、運行狀態等，將地下不易看到的管線變成數字化、虛擬化、可視化的系統，並對其實現全生命週期的管控，越來越受到大家的關注。本文從智慧管網系統的發展現狀出發，闡述了智慧管網綜合解決方案最新研究情況，並展望了其應用前景。

關鍵詞：智慧管網；綜合解決方案；全生命週期；管道應用

0 引言

近年來，隨著城市快速發展，地下管線建設規模不足、管理水平不高等問題凸顯，一些城市相繼發生大雨內澇、管線洩漏爆炸、路面塌陷等事件，嚴重影響了人民群眾生命財產安全和城市運行秩序。為切實加強城市地下管線建設管理，保障城市安全運行，提高城市綜合承載能力和城鎮化發展質量，“十三五”以來，國家對城市管線的重視力度逐步加深，在剛剛落幕的第十三屆全國人大第一次會議上，國務院總理李克強在做政府工作報告時再次強調，加快新舊發展動能接續轉換，推動大數據、雲計算、物聯網廣泛應用，新興產業蓬勃發展，傳統產業深刻重塑；發展智能產業，拓展智能生活；運用新技術、新業態、新模式，大力改造提升傳統產業。智慧管網系統是在國家倡導“四化同步”、“智慧城市”、“信息經濟”、“互聯網+”建設浪潮下，城市管網發展的必然趨勢。

智慧管網系統是實現智能管網管理的手段和載體，其集成管道和站場的所有信息，採用大數據建模的分析理念，提供成熟可靠的智能管網綜合解決方案。其通過物聯網平臺實現對生產安全風險點的全面監控，以及所有管理環節所需信息的全面共享；通過大數據建模，實現設備設施數據的實時分析處理，保障生產活動安全有序。智慧管網進一步突出管網經濟高效的目標，全面自動採集數據，貫通上下管理環節，實現管網運行事前優化預測、事中實時監測，事後全面分析的閉環管理，降低城市管網運營成本^[2]。

1 智慧管網發展現狀

1.1 我國地下管線管理面臨挑戰

1.1.1 管線種類繁多，缺乏統一管理平臺

城市地下管線主要包括城市區域範圍內的給水、排水、燃氣、熱力、工業等各種管道和電力、通訊電纜以及綜合管廊（曾稱共同管溝）等，種類較多且分屬於不同管理部門，各部門僅對於自身權屬範圍內管線和業務有所掌握，大部分城市沒有專門地下管線管理機構，各部門各自為政，缺乏統一管理平臺，相互間信息不流通，很難進行系統分析

1.1.2 缺乏準確信息支撐，數據共享性差

國內地下管線數字化程度不高，部分城市即使開展了地下管線數字化管理工作，也多是針對某幾類管線，並不全面，而且存在數據更新管理困難等問題，管線信息的實時性和準確性不能保障。城市地下管線數據管理工作多存在信息孤島現象，數據共享程度低，管線信息分散在不同的權屬管理部門，各部門間缺乏有效的信息交流手段，信息管理具有片面性、重複性和矛盾性等特點，不能有力支撐綜合性管線分析工作^[4]。

1.1.3 管線問題多發，應急處置能力面對考驗

近年來城市管線問題頻發，自來水管道爆裂、城市積水內澇、施工挖斷電纜、石油管道爆炸、燃氣管道洩露等問題多見報道。這些事故嚴重影響城市居民正常生活，威脅人們生命財產安全。日漸突出的地下管線問題，考驗著城市管線的管理能力和突發事故的應急處置水平

1.1.4信息化管理手段不足，面臨綜合管理需求

針對地下管線的信息化管理方法多集中於各專業管線獨立管理，由各自權屬單位或運營單位等組織建設，多僅涉及某一類管線部分業務內容，缺乏為政府部門提供綜合監管的信息化平臺，不便於有關單位對地下管線進行全盤統籌、整體分析。且地下管線信息化建設工作系統性不足，存在一套管線同時擁有多個信息化系統管理，且各系統之間保持獨立，不能相互支撐，無法聯動分析。這樣除容易導致管線信息分散外，也不便於進行城市地下管線高級分析，資源無法得到優化配置；提高地下管線的智慧化程度、實現綜合管理是城市發展的必然要求，也是地下管線信息化系統建設的方向。

1.2 國外地下管線管理經驗借鑑

國外管道的建設運行逐漸向智能管網方向發展，已經取得重要成果，與信息技術保持同步發展，管道建設和運行的各個階段應用了雲計算移動存儲、物聯網數據精準採集、大數據決策分析^{[6]- [10]}。

挪威Statoil公司開發了管道完整性管理系統，集成了SAP、Maximo、STAR、Intergraph、Inspection 等系統的數據，管理者可以在同一界面查看管道的完整信息，如管道設計、運行情況、維護歷史等，大幅降低了管理難度，提高了管理效率。

英國BP公司利用物聯網技術提高了管道資產與人員的安全性，通過先進的無線智能終端應用，實現了設備、儀表的位置標記與識別，資產週期、歷史數據與關聯性查詢，包括現場操作工人操作規程指引，現場工單提示與任務分配，以及現場工作狀態、進展、規程與位置跟蹤；通過使用帶有高清晰度攝像頭及熱力傳感器等的無人機（UAV）技術，對複雜自然環境中的管道進行洩漏檢測與安全監控。

美國建立統一的地理信息系統（GIS），整合管道物理數據和地理數據，覆蓋4×104mile（1 mile=1.609km）天然氣管道，與其他信息系統（如風險管理系統、設備管理系統、管網模型系統）相接，實現全美管道動、靜態數據的統一管理。

1.3 智慧管網的特點及建設難點

智能管網系統是一個龐大的應用工程系統，其將眾多相對獨立的管道數字化、集成化及產品化，整合為以海量數據庫為基礎的系統，實現數據共享，具有智能化、數字化、可視化、標準化、自動化、一體化特徵，以及專業性、兼容性、共享性、開放性、安全性特點，最大限度地消除信息孤島。智能化，即實現管道的運行優化、管道安全風險的預測預警、應急搶險的交互聯動響應；數字化，即通過文檔及圖片資料的結構化、索引化，加強知識共享，更為設備更新改造提供便捷；可視化，即實現管道相關數據的圖形、圖像、視頻、圖表分析信息的多維度查詢及可視化展示；標準化，即生命週期的業務標準、技術標準、數據標準，以及設計、建設期成果的數字化移交標準；自動化，即完善管道的自控儀器儀表、檢測設備及監控系統，實現管道運行狀態的自動檢測；一體化，即全面整合生產運行的實時數據和管理應用的業務數據，通過大數據建模分析實現決策支持。

智能管網的建設難點和制約因素主要包括以下幾個方面：①數據準確性的難點，智能管網平臺是確保建設期數據與運行期數據一體化的平臺，涵蓋管道全生命週期的各個階段，數據的準確性直接影響管道的智能化水平。②數據統一的難點，建設期與運行期要採用同樣的數據框架、數據字典，系統建設才能落地，數據才能自由調用。③智能化應用的難點，如何建模才能與管道的實際運行情況相吻合，重點在於決策支持分析，即如何為管道企業決策提供支持服務。④系統運行速度及自維護的難點，系統的運行速度，直接決定智能管網建設的成敗，需要採用GIS調用和存儲的新技術，同時，需要解決如何使數據變成活數據，增加更新速度，提高自維護性能的問題。⑤體系建設與平臺同步的難點，體系建設必須與平臺同步，否則未來應用和運維等均難以落實。

2 智慧管網綜合解決方案

2.1 編制管道全生命週期數據標準

數字化管道是智能化管道的基礎，模式創新，標準先行。為了形成與管道實體相對應的數據資產，確保數據的統一性及可重複應用，需要構建數據標準和規範，在整個生命週期內執行同樣的數據標準，各業務數據通過數據模型進行整合。通過構建智能化管道數據標準，在管道全生命週期內，各類業務產生、傳遞、共享、應用數據信息形成完整的數據信息鏈。根據這些要求，自2015年起，永高股份有限公司開始研究制定燃氣用埋地聚乙烯（PE）管道系統、給水用埋地聚乙烯（PE）管道系統、非開挖用埋地聚乙烯（PE）管道系統，以及埋地排水排汙用聚乙烯結構壁管道系統等四大類管道全生命週期數據標準，規定和統一了數據的定義、格式，以及數據採集、轉換、存儲、應用等方面內容。

2.2 建立管道全生命週期數據庫

管道全生命週期管理可定義為：在管道規劃、可行性研究、初步設計、施工圖設計、工程施工、投產、竣工驗收、運維、變更、報廢等整個生命週期內，整合各階段業務與數據信息，建立統一的管道數據模型，實現管道從規劃到報廢的全業務、全過程信息化管理。構建全生命週期管道數據模型，以設計和運行為主，創建APDM數據模型，將各階段全業務數據按中心線入庫和對齊，通過將全部數據加載到管道數據模型上，對管道本體及周邊環境數據、管道地理信息數據、業務活動數據及生產實時數據等數據資源進行集中存儲和開發利用，實現物理管道和數字管道模型的融合，如圖1所示。

圖1 管道全生命週期數據庫構成示意圖

2.3 設計全生命週期智慧管網

管道全生命週期主要包括生產、施工、運維三個階段，同時將決策支持作為重要組成部分，突出智能管道的決策支持功能。

在管道生產階段，選用符合項目規劃設計及施工要求的合適原材料，並採取適當的生產工藝技術，生產出性能及使用壽命符合設計的管道產品，同時，把管道對應的採購、生產、檢測等原始信息數據進行採集與存儲，利用嵌入式（管件）或貼附式（管材）技術，把存儲的信息轉化為出廠內置的全球唯一的ID特徵碼或標識碼，便於今後管線定位及管理，流程示意圖如圖2所示。

圖2 智慧管材生產流程示意圖

在管道施工階段，採集管道施工過程各類數據，包括管道焊接工藝數據、施工單位信息、施工日期、地理位置信息、埋深數據、輸送介質信息等等，既要滿足數據完整性、合規性、可靠性、外延擴展性及邏輯一致性等要求，又要滿足空間數據和屬性數據的關聯關係的正確性及與其他數據的融合精度要求，如遙感數據、航測數據、設計數據、地形數據、工程數據等，對於數據入庫的邏輯結構，包括字段、數據類型、字段長度、單位等必須滿足智能化管道標準的要求。最後對重點數據存儲於智慧管材管件追蹤器中，隨管道一起埋地鋪設，如圖3所示。

圖3 智慧管網定位施工操作現場

在管道運維階段，建立設備檔案並進行維修維護管理、狀態監測與監控、搶修與應急管理及巡檢管理等。具體包括：管輸計劃管理（年度調運計劃、月度調運計劃、對外開放計劃、其他調運計劃）、調度運行（運行方案管理、調度令管理、分輸管理、運行監控）、運銷計算（計量交接管理、檢定管理）、能耗管理（能耗統計、能耗監測分析、能耗預測、能耗評價）以及管網資產管理等。

同時，全生命週期智慧管網設計目的之一是能夠為決策提供有力的數據支持。包括大數據決策支持分析、人工智能自適應分析、資產完整性與系統可靠性評估等。

2.4 搭建基於GIS的智慧管網平臺

基於地理信息系統（GIS），利用SOA技術、B/S模式以及雲服務技術，搭建集前端用戶展示、後臺數據維護於一體的智能管網監控平臺。實現對所有用戶需要統計的運行數據進行大數據分析統計，採用柱狀圖、折線圖、餅狀圖以及列表等多種表現形式進行對關鍵點運行數據的可視化展示。示意圖如圖4、圖5所示：

圖4 智慧管網監控平臺

圖5 智慧管網綜合管控運維平臺（移動APP端）

2.5 管道運維管理

開發基於GIS的運維管理模塊，實現運維期管道全生命週期的閉環管理，滿足完整性管理6步循環的要求，實現數據採集、高後果區識別、風險評價、完整性評價、修復與減緩、效能評價的全過程管理。

3 應用前景展望

3.1 管道在線完整性評估

通過對智能管道系統中大量的管網GIS信息和管網維修檢漏信息進行數據挖掘和分析相關指標的合理性或事件發生的可能性；通過在GIS的管網數據庫中建立模型，對管網維護的需求進行預判與預防處理。針對內外檢測缺陷、幾何變形、重車碾壓、洪水衝擊、礦場堆料、管道懸空、閥室沉降、管道屈曲、山體滑坡、管道落差坑溝填埋、並行管道、爆破等建立有限元仿真評估模型。

管網GIS的信息及管網維修及檢漏的信息均是在智慧管網的運行及監控平臺，該平臺記錄著城市管網非常龐大的數據，對於龐大的數據之間看似無相關性，但其實數據的相關性是非常大，比如：某一階段的管網用戶用水量大增，但從前幾年的歷史用量進行比較分析，發現某一段管路存在著嚴重的漏水或有大用戶偷水。可以根據這些線索追溯漏水點或偷水用戶。因此對於大量的數據我們可以建立相關事件或生產運行指標的數據模型，通過大量的數據模型挖掘和分析相關指標的合理性或事件發生的可能性，為管理者的決策指揮服務。

3.2 移動應用

隨著4G、5G網絡環境的形成，移動應用成為管道管理發展的重要組成部分。移動應用使管理者與系統緊密結合，保證第一時間內開展突發事件處置、文件處理、在線管理，及時瞭解管道運行動態，最大限度地保障管道安全運營。

傳統的人工巡線方法，不僅工作量大，而且條件艱苦，特別是山區、河流、沼澤及無人區等地的管道巡檢，抑或冰災、水災、地震、滑坡、夜間的巡線檢查，所花時間長、人力成本高、困難大。而管道線路危險區域巡檢採用無人機全數字化巡檢，在特殊地段、風險較大的地段，進行第三方防範巡護、洩漏巡檢巡護，可以克服傳統人工巡線方法的不足。洩漏巡檢搭載高精度紅外熱像儀或紅外光譜儀，可以對危險區域進行洩漏識別，及時預警和報警。

3.3 管線快速搶修

基於監控平臺及計算模型，對即將或實時出現險情的管段，進行預警。通過無線網絡或北斗衛星導航系統實行信息的快速實時傳輸，在監控平臺上，可控制自動控制閥門，及時通知最近的巡檢搶修人員進行就近維護操作，可大大降低財產損失，並可評估失效事件所產生的財產損失、人員傷亡、管道破壞、服務中斷及介質損失等管道失效後果情景。

3.4 應急大數據決策支持

智慧管網綜合解決方案主要是實現應急情況下對管道基礎數據和管道周邊環境數據的及時調取，並自動計算疏散範圍、安全半徑，自動輸出應急預案、應急處置方案等，通過搶修物資與搶修隊伍的路由優化，實現一鍵式應急處置方案文檔輸出，輸出數據包括：管道基本信息、事故影響範圍、應急設施、人口分佈、最佳路由、應急處置方案等。基於大數據的相關性、非因果性分析理論，管道系統大數據的來源包括實時數據、歷史數據、系統數據、網絡數據等，類別包括管道腐蝕數據、管道建設數據、管道地理數據、資產設備數據、檢測監測數據、運營數據、市場數據等。未來管網系統大數據通過互聯網、雲計算、物聯網實現信息系統集成，將各類數據統一整合，通過建立大數據分析模型，解決管道當前的洩漏、腐蝕、自然與地質災害影響、第三方破壞等數據的有效應用問題，獲得腐蝕控制、能耗控制、效能管理、災害管理、市場發展、運營控制等綜合性、全局性的分析結論，指導管道企業的可持續發展。

4 總結和建議

第一，管網智能化是傳統產業轉型升級，促進兩化深度融合的發展趨勢，是解決管網管理老大難問題的有力抓手，是實現智慧城市的有力保障。

第二，基於管道全生命週期的智慧管網綜合解決方案，為管網智能化應用提供了技術支撐，使管網數據採集到數據應用成為了可能。

第三，建議未來新建管道或綜合體，如地下綜合管廊，應考慮智能管網一體化平臺建設，減少數據重複錄入，避免應用系統的重複建設，加大數據的應用範圍。同時，加大管道企業及其上下游之間的信息數據共享力度，共創智慧管網生態系統，為管道應用提供新貢獻。

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關鍵字: 管網 物聯網 大數據