摘要:城市地下管线就像一个人身体上的血管，是城市的“生命线”，担负着城市中各种资源和信息的传输任务，城市的正常运转需要周身的血管合理布局，统筹兼顾。我国的城市化进程开始较晚，地下管线规划和管理缺位，形成了地下管线权属单位分散，地下管线运行监测体系不完善等很多问题，在城市建设中经常出现挖损管线、管线老化泄露等情况，造成停水、停电、停气、交通中断、通讯中断等事故，影响城市运行质量和效率。城市管理者迫切需要通过一种手段，将城市中所有地下管网管理起来，通过智能管理体系，对地下管网的空间位置、管线自身寿命、管线负荷运行情况、外界对其影响情况等信息进行数据采集，存贮于专门数据库中，运用专业分析软件进行分析，得出及时合理的处理维护措施。物联网技术出现使地下管线智能管理体系得以实现，它通过在监测目标上预先嵌入传感器，使管理系统可以轻松获得有关地下管线自身及运行情况的关键参数,解决了城市地下管线智能管理体系中的一个关键技术问题。基于物联网技术的城市地下管线智能管理体系一定会日趋完善，从而提高城市管理的水平，满足城市规划、建设和管理的需要。

关键词:地下管线、智能管理系统、物联网、智慧城市。

0前言

城市地下管线是城市的“生命线”，就像一个人身体上的血管，担负着城市中各种资源和信息的传输任务，城市的正常运转需要周身的“血管”合理布局，统筹兼顾。

由于我国的城市化进程开始较晚，城市的快速发展中，地下管线规划和管理缺位，形成了地下管线权属单位分散，地下管线运行监测体系不完善、地下管线资料不全和位置误差较大的局面，在城市建设中经常出现挖损管线、管线老化泄露等情况，造成停水、停电、停气、交通中断、通讯中断等事故，影响城市运行质量和效率。

城市管理者迫切需要通过一种手段，将城市中所有地下管网管理起来，通过智能管理体系，对地下管网的空间位置、管线自身寿命、管线负荷运行情况、外界对其影响情况等信息进行数据采集，存贮于专门 数据库中，运用专业分析软件进行分析，得出及时合理的处理维护措施，将城市地下管网事故消灭在萌芽阶段，防患于未然。

由于城市主要管网位于地下，管线空间位置的信息可以通过施工资料获得，但管线自身寿命、负荷运行情况、外界对其影响情况等与地下管线健康运行有关的其他关键信息如何获得？物联网技术出现了，它通过在监测目标上预先嵌入RFID射频反射传感器，使其可以轻松获得有关地下管线自身及运行情况的关键参数。解决了城市地下管线智能管理体系中的一个关键技术问题。基于物联网技术的城市地下管线智能管理体系一定会日趋完善，把城市管理中枢和城市各功能模块有机地结合起来。从而提高城市管理的水平，满足城市规划、建设和管理的需要，实现城市让人类生活更美好的目标。

1 城市地下管线建设和管理现状

    城市地下管线是城市基础设施的重要组成部分，是现代化城市高质量，高效率运转的基本保证，被称为城市的“生命线”。城市地下管线现状资料是城市规划设计、建设和管理的重要基础资料。

    由于我国城市发展的起步较晚，城市化进程在改革开放之后才开始加速，城市整体时间上和空间上规划缺位等历史原因，我国许多城市在规划中对地下管线缺乏统一的具有前瞻性的规划，经常在城市中心区 “开膛破肚”、交通干线上“拉拉锁”；城市地下管线施工中缺乏标准的施工工艺和规范，管线铺设质量较低，达不到设计服务年限；城市地下管线施工完成后管线资料残缺不全，有的资料精度不高或与现状不符等问题，给后续城市建设工作带来不便；再有各种管线权属单位分散，各自为政，对本单位管线以外的其它管线的分布、类型和权属等情况一知半解，从而影响地下管线规划建设的科学性、整体性；在工程建设过程中挖断、挖穿地下管线的事故时有发生，造成供水、供电、供气、通讯等中断，进而影响交通的正常运行和城市居民的正常生活。

随着城市化进程的加速发展，地下空间的开发利用越来越普遍，尤其近年来，地下轨道交通设施的建设，使得地下空间的利用的矛盾越来越突出，城市地下管网探测任务也越来越多，探测队伍和探测人员不断增多，采用的探测方法、技术要求和所提交的成果各不相同，给资料使用部门带来很多不便，迫切需要建立一套城市地下管网的综合智能管理体系。

2 城市地下管线建设和管理中的问题

2.1城市管理者或者政府对城市地下管线建设和管理的认识不足。

    由于城市化的进程开始较晚，我国城建相关部门对地下管线作为城市“生命线”的重要作用和地位认识不足，没有深刻认识到地下管线铺设、维护或者被损毁后的需要的时间成本、空间成本和经济成本。城市建设过程中经常会出现管线改移、管线被挖损的事故，造成巨大的经济损失。

2.2城市地下管线规划、建设和管理缺乏必要的法律依据。

    近几年来国家主管部门相继通过了《城市地下管线探测技术规程》、建设部通过了《城市地下管线工程档案管理办法》,各个地方也都出台了适合地方的地下管线管理办法，对地下管线的规划、建设和管理起到了积极的指导和规范作用，但全国性的关于地下管线从规划、建设、竣工、档案管理及综合性管理系统的法规还没有出台,地下管线的规划、建设作为城市规划、建设系统中的先行性、基础性工作的地位还没有在法律层面确立。

2.3城市地下管线的建设前缺乏统筹安排

由于我国城市化进程起步晚，对城市总体规划尤其是地下管线的规划重视不够，可借鉴经验较少，存在重地上、轻地下，重审批、轻监管，重建设、轻养护的倾向，管线施工过程中经常打架，临时变更设计，新老管线叠加，潜在很多事故隐患。地下管线缺乏统一管理，管线种类繁多，产权投资分属管理，规划建设与资金投入不同期，各部门缺乏统一协调，造成重复开挖，道路上“拉拉锁”经常出现，既影响道路使用寿命，又严重影响城市交通和居民的日常生活。

2.4城市地下管线建设施工和养护技术规范不足

    由于地下管线建设中施工技术的特殊性和竣工后管线的隐蔽性造成管线施工质量低,建成后维护困难,我国城市地下管线由于管道自身损坏、腐蚀，漏水、漏气现象严重。^[1]据统计我国城市单位管长、单位时间的漏水量为2.7m³/h.km,是瑞典的11倍，法国的8倍，美国的2.7倍。2002年相关部门统计，我国的无效供水量达2536万m³，我国热力和燃气管道腐蚀率达30%，我国需要针对城市地下管线建设施工和养护技术规范来加强地下管线的建设和维护工作。

2.5城市地下管线信息化管理水平有待提高

    我国城市地下管线管理系统的发展经过了以下几个发展阶段:

（1）上个世纪七八十年代，市政管线的权属部门和城建部门通过自己的档案室，负责保管管线的竣工资料，随着城市的发展，这种手工管理方式和纸质管线资料开始难以适应城市发展的需求，矛盾日益尖锐。

（2）八十年代末至九十年代初，城市改扩建工程大规模实施，为摸清城市地下管线情况，我国大部分城市开展了地下管线普查，并使用计算机辅助制图技术（Cad）绘制管线分布图，存储地下管线的空间位置信息；使用FOXPRO等数据库存贮管理管线的功能、材质等属性信息。管线的空间信息和自身属性信息存贮于不同的介质和平台，统一利用和管理不方便，管线信息的更新也不能在同一平台完成。

（3）九十年代初到中期，地理信息系统软件引入国内，并在一些行业广泛应用，在地下管线管理领域开始出现基于GIS软件的管理系统，用于管线空间信息和属性信息。相关单位开始使用国外的GIS软件（Mapinfo、Arcinfo）探索开发管线信息管理系统。同时国产GIS软件（如MAPGIS）开始出现，基于国产GIS软件的地下管线信息管理系统也开发成功，城市地下管线信息管理系统的发展随着地理信息系统的发展步入一个快速发展阶段。

我国城市现阶段地下管线信息管理系统主要有以下几个特点:

（1）传统意义的地下管线信息管理系统，主要是对地下管线空间位置、自身材质、规格尺寸、运输物质等信息进行存储和供主管单位或城建单位查阅。

（2）对管线空间位置的获得主要依赖于竣工资料，竣工资料缺失的则采取管线普查的方式，由于探测技术的局限性，许多老旧管线的探测还有难度，如竣工资料已缺失的老旧污水、雨水管道、各种专用的塑料管道在实际探测中，探测难度大，探测成果精度低。由于基础数据的质量较低，使得信息管理系统在城市建设的指导作用降低。

（3）由于缺乏对地下管道、管线有关负荷运行情况和自身健康情况的信息的获得手段，传统的地下管线信息管理系统无法对管线的维护保养提供基础信息，无法对城市地下管线灾害事故提供预警和应急决策信息。

3基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统的构想

3.1物联网的概念

物联网是近几年来社会广泛关注的热点技术。物联网的概念是1999年提出的，英文名称叫“The Internet of things（物物相连的互联网）”，是指在互联网基础上整合传感、通信和信息处理等技术，按约定的协议，把相关物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网技术中现阶段一个典型的应用就是无线射频识别RFID（Radio Frequency Identification），它是一种先进的非接触式自动识别技术。目前，RFID已经从研究阶段普遍走向实用化，其单项技术已经趋于成熟。由于RFID具有无接触和自动识别的强大技术优势，它被广泛应用于仓储物流管理、资产跟踪、生产过程控制、移动车辆的自动识别、身份认证、智能交通、网络家电控制等领域，并且应用领域仍在不断扩大。

3.2基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统

地下管线智能管理系统中可以将埋于地下的各种处于地下的管线的相关信息集中到一个综合信息管理分析平台上，为城市的规划建设和管理者决策、应急处置提供信息服务。

物联网技术的核心是物物相联，智能化相关、合作，物联网的技术特点完全可以实现对于城市地下管线信息由获取、传输到分析、综合应用的整个过程，整个过程的实现实际就是城市地下管线智能管理系统的实现。

3.2.1智能管理系统的总体结构

智能管理系统主要由三个层次组成，分为为感知层、传输层、应用层。

  图1 城市地下管线智能管理系统结构示意图

（1）感知层：由各种类型的传感器组成，实时获得地下管线的各种相关信息，包括空间位置、尺寸规格、材质、传输物质、传输状态、腐蚀情况、泄露点位置、大小等管线自身健康情况的信息。

    城市在新建管线和进行老旧管线的更新改造时，逐步推进预先嵌入传感器管道的使用或者管线智能传感器的同步埋设，管线智能传感器的主要功能应包括实时收集管线运行中的工作状态信息、管线的空间位置及自身属性信息，主动或被动提供给传输层设备。

（2）传输层：主要通过有线网络、无线网络、无线射频识别RFID等通讯手段将感知层获得的数据由现场实时传输到更高层次的单元。主要包括光纤网络、网络交换设备、光电转换设备、路由器、防火墙、服务器等。

（3）应用层：城市地下管线智能管理系统功能的集中体现，包含地下管线多参数三维显示系统、地下管线辅助规划设计CAD系统、地下管线事故应急指挥系统。

①地下管线多参数三维显示系统

^[2]该系统可以将城市地下空间的管线直观地展现在电脑屏幕上，具备纵横断面的自动生成分析功能，提供任意地点的横断面，确定管线在地下的空间位置，标示出管线的断面尺寸、材料、高程、管线间的间距等属性，正确反映管线与建筑物之间、管线与管线之间的空间关系；对一条管线，指定纵断面作图范围，便可自动生成管线沿走向对于路面相对位置的纵断面图，并表示出沿线各管线点的位置与该管线点的横断面。同时，自动产生该管线纵断面对应的属性数据和线上各管线点的属性数据。纵断面分析也可用作为管线施工监理中的一项数据检查工具，用以检查在地下管线走向与坡度的耦合性。

②地下管线辅助规划设计CAD系统

    根据国家有关管线工程的最小覆土深度、管线最小水平净距、管线交叉时的最小垂直净距等规定，在基础地理信息数据、现状管线数据的基础上，实现管线设计计算、分析、绘图以及方案的比选优化。可以包括地下管线缓冲区分析；地下管线垂直净距设计分析；管线线路辅助设计；管线节点的辅助设计。

③地下管线事故分析及应急指挥系统

事故分析是管线智能管理系统中的经常用到的较为复杂的功能。当管线在某一位置发生事故时,系统能基于高密度的监测传感器，启动网络强大的搜索和分析能力, 快速确定事故点和事故点周围需要紧急关闭的各种阀门，提供合理的处理方案以便将事故损失降到最低。在事故分析和事故解决的过程中，系统提供辅助的交通管制等应急指挥功能。

应用层软件提供各种通用的数据接口，在此之上，可以与城市其他领域的管理系统进行无缝衔接，如地质部门的城市地质信息可视化系统、交通管理部门的城市交通信息管理系统、智能楼宇系统等，最终作为“智慧城市”的一个重要子系统，为城市的规划建设、突发事故应急决策提供服务。

3.2.2地下管线智能管理系统的优势

（1）系统中感知层通过预埋于管线自身或附近的各类传感器，实现了对地下管线多维参数的获取，管线本身具备了信息接收和传达、反馈等智能要素。

（2）地下管线智能管理系统具备强大的空间数据库功能，可以地将一个城市的基础地理信息、各种管线空间信息、负荷运行信息及自身健康状况信息等复杂的属性信息一体化存储，实现信息实时动态更新。

（3）通过地下管线智能管理系统的三维显示功能和网络功能，使一个城市的建设部门和管线权属机构充分实现管线信息的共享并进行各自的管理功能；相关部门可以直观地查看地下管线的复杂分布和相应的空间关系。

（4）通过系统强大的空间分析能力、对地下管线多参数监测分析功能和其它各种应用分析功能，可以及时地对管线中的传输物质的运行状态作出判断；快速准确地对管线运行中的突发事故作紧急处理；可以辅助城市规划部门科学地进行地下管线的规划和设计；可以指导市政管理部门对管线进行预防性维护和科学管理，最终实现对城市地下管线的智能化管理。

4物联网技术应用于地下管线管理中的应用介绍

（1）日本东京工业大学Professor Akira Todoroki等在2004年通过试验室试验在地下污水管线中预置由玻璃纤维和碳黑/环氧树脂复合材料制成的断裂传感器，通过互联网与传感器的结合监测地下污水管道在地震后的破损位置，试验取得了预期效果，当时试验主要是为了证明复合材料传感器的可行性和有效性，但同时也证明了通过网络结合传感器的这种对地下管线自身健康状况的监测手段是可行的。

^[3]图2 地下污水管道破损监测示意图

（2）德国威斯特伐利亚区瓦伦多夫市现在使用大约5,500个RFID标签跟踪该市205公里长的地下污水管道的维修状况。

（3）德国威斯特伐利亚区瓦伦多夫市将RFID系统应用在一家污水处理厂，监测该厂1500个阀门的检修情况。

（4）台湾台北市忠孝东路施工改造过程地下管线也将加埋无线电射频标识系统（RFID），方便日后管线管理维护中施工人员用雷达探测获取管线基本信息。

5结论

物联网被称作计算机、互联网之后，世界信息技术产业的第三次浪潮，物联网技术的广泛应用必然对未来城市的规划、建设、管理产生深刻的影响，对于建设“人文北京、科技北京、绿色北京”有着重要意义。

    《北京市政府部门物联网应用发展初步规划》中明确提出物联网技术在城市运行管理领域应用场景为城市水、电、燃气、热力等重点设施和地下管线实施监控，根据城市化发展对地下管线信息管理的需求，以及城市信息化、数字化发展的趋势，基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统的建设势在必行。

综上所述，基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统是解决现阶段城市地下管线规划、建设、管理、维护等较可行和有发展前景的综合技术手段。

引注：

^[1]《积极推进城市地下管线信息化建设》洪立波，中国城市规划协会地下管线专业委员会

^[2]<测绘与空间地理信息> vol 32 No.3 2009年6月“基于RFID/GIS的市政管线资源管理系统的研究与实现” 李苏东等

^[3] 《structural health monitoring》 “Fracture Monitoring System of Sewer Pipe with composite Fracture Sensors Via the Internet” Prof. Akira Todoroki el。

参考资料：

1、《城市地下管线探测技术规程》 （CJJ 61━2003 J271━2003）

2、《新金华》第4期 2003年4月 《建立地下管线信息管理系统，加强城市地下空间规划管理》 施革雄 

3、《ITU互联网报告2005：物联网》，2005年11月  国际电信联盟（ITU）