智慧管网综合解决方案为管道应用提供新贡献

永高股份有限公司 陈智勇 黄剑

摘要：随着我国大小城市规模的不断扩大，公共基础设施的地下管线铺设范围越来越广，目前全国新铺设和更新改造的市政管网长度超过10万公里^[1]。由于地下管线具有一定的隐蔽性、复杂性，给地下管线的施工和管理带来了诸多挑战。因此利用 “智慧化”手段，了解管线的属性、数量、位置、运行状态等，将地下不易看到的管线变成数字化、虚拟化、可视化的系统，并对其实现全生命周期的管控，越来越受到大家的关注。本文从智慧管网系统的发展现状出发，阐述了智慧管网综合解决方案最新研究情况，并展望了其应用前景。

关键词：智慧管网；综合解决方案；全生命周期；管道应用

0 引言

近年来，随着城市快速发展，地下管线建设规模不足、管理水平不高等问题凸显，一些城市相继发生大雨内涝、管线泄漏爆炸、路面塌陷等事件，严重影响了人民群众生命财产安全和城市运行秩序。为切实加强城市地下管线建设管理，保障城市安全运行，提高城市综合承载能力和城镇化发展质量，“十三五”以来，国家对城市管线的重视力度逐步加深，在刚刚落幕的第十三届全国人大第一次会议上，国务院总理李克强在做政府工作报告时再次强调，加快新旧发展动能接续转换，推动大数据、云计算、物联网广泛应用，新兴产业蓬勃发展，传统产业深刻重塑；发展智能产业，拓展智能生活；运用新技术、新业态、新模式，大力改造提升传统产业。智慧管网系统是在国家倡导“四化同步”、“智慧城市”、“信息经济”、“互联网+”建设浪潮下，城市管网发展的必然趋势。

智慧管网系统是实现智能管网管理的手段和载体，其集成管道和站场的所有信息，采用大数据建模的分析理念，提供成熟可靠的智能管网综合解决方案。其通过物联网平台实现对生产安全风险点的全面监控，以及所有管理环节所需信息的全面共享；通过大数据建模，实现设备设施数据的实时分析处理，保障生产活动安全有序。智慧管网进一步突出管网经济高效的目标，全面自动采集数据，贯通上下管理环节，实现管网运行事前优化预测、事中实时监测，事后全面分析的闭环管理，降低城市管网运营成本^[2]。

1 智慧管网发展现状

1.1 我国地下管线管理面临挑战

1.1.1 管线种类繁多，缺乏统一管理平台

城市地下管线主要包括城市区域范围内的给水、排水、燃气、热力、工业等各种管道和电力、通讯电缆以及综合管廊（曾称共同管沟）等，种类较多且分属于不同管理部门，各部门仅对于自身权属范围内管线和业务有所掌握，大部分城市没有专门地下管线管理机构，各部门各自为政，缺乏统一管理平台，相互间信息不流通，很难进行系统分析^[3]。但是地下管线多集中布设在城市道路下，对地下管线进行综合规划、设计、建设和管理，有利于合理利用城市地下空间，避免管线间相互影响，实施优化综合管理。

1.1.2 缺乏准确信息支撑，数据共享性差

国内地下管线数字化程度不高，部分城市即使开展了地下管线数字化管理工作，也多是针对某几类管线，并不全面，而且存在数据更新管理困难等问题，管线信息的实时性和准确性不能保障。城市地下管线数据管理工作多存在信息孤岛现象，数据共享程度低，管线信息分散在不同的权属管理部门，各部门间缺乏有效的信息交流手段，信息管理具有片面性、重复性和矛盾性等特点，不能有力支撑综合性管线分析工作^[4]。

1.1.3 管线问题多发，应急处置能力面对考验

近年来城市管线问题频发，自来水管道爆裂、城市积水内涝、施工挖断电缆、石油管道爆炸、燃气管道泄露等问题多见报道。这些事故严重影响城市居民正常生活，威胁人们生命财产安全。日渐突出的地下管线问题，考验着城市管线的管理能力和突发事故的应急处置水平^[5]。人工管理和简单信息化管理的方式，已不能满足分析和解决复杂管网问题的要求，很多城市开始了地下管线智慧化建设方面的探索，2014 年山东德州成为全国首个地下管线综合管理试点城市。

1.1.4信息化管理手段不足，面临综合管理需求

针对地下管线的信息化管理方法多集中于各专业管线独立管理，由各自权属单位或运营单位等组织建设，多仅涉及某一类管线部分业务内容，缺乏为政府部门提供综合监管的信息化平台，不便于有关单位对地下管线进行全盘统筹、整体分析。且地下管线信息化建设工作系统性不足，存在一套管线同时拥有多个信息化系统管理，且各系统之间保持独立，不能相互支撑，无法联动分析。这样除容易导致管线信息分散外，也不便于进行城市地下管线高级分析，资源无法得到优化配置；提高地下管线的智慧化程度、实现综合管理是城市发展的必然要求，也是地下管线信息化系统建设的方向。

1.2 国外地下管线管理经验借鉴

国外管道的建设运行逐渐向智能管网方向发展，已经取得重要成果，与信息技术保持同步发展，管道建设和运行的各个阶段应用了云计算移动存储、物联网数据精准采集、大数据决策分析^{[6]- [10]}。

挪威Statoil公司开发了管道完整性管理系统，集成了SAP、Maximo、STAR、Intergraph、Inspection 等系统的数据，管理者可以在同一界面查看管道的完整信息，如管道设计、运行情况、维护历史等，大幅降低了管理难度，提高了管理效率。

英国BP公司利用物联网技术提高了管道资产与人员的安全性，通过先进的无线智能终端应用，实现了设备、仪表的位置标记与识别，资产周期、历史数据与关联性查询，包括现场操作工人操作规程指引，现场工单提示与任务分配，以及现场工作状态、进展、规程与位置跟踪；通过使用带有高清晰度摄像头及热力传感器等的无人机（UAV）技术，对复杂自然环境中的管道进行泄漏检测与安全监控。

美国建立统一的地理信息系统（GIS），整合管道物理数据和地理数据，覆盖4×104mile（1 mile=1.609km）天然气管道，与其他信息系统（如风险管理系统、设备管理系统、管网模型系统）相接，实现全美管道动、静态数据的统一管理。

1.3 智慧管网的特点及建设难点

智能管网系统是一个庞大的应用工程系统，其将众多相对独立的管道数字化、集成化及产品化，整合为以海量数据库为基础的系统，实现数据共享，具有智能化、数字化、可视化、标准化、自动化、一体化特征，以及专业性、兼容性、共享性、开放性、安全性特点，最大限度地消除信息孤岛。智能化，即实现管道的运行优化、管道安全风险的预测预警、应急抢险的交互联动响应；数字化，即通过文档及图片资料的结构化、索引化，加强知识共享，更为设备更新改造提供便捷；可视化，即实现管道相关数据的图形、图像、视频、图表分析信息的多维度查询及可视化展示；标准化，即生命周期的业务标准、技术标准、数据标准，以及设计、建设期成果的数字化移交标准；自动化，即完善管道的自控仪器仪表、检测设备及监控系统，实现管道运行状态的自动检测；一体化，即全面整合生产运行的实时数据和管理应用的业务数据，通过大数据建模分析实现决策支持。

智能管网的建设难点和制约因素主要包括以下几个方面：①数据准确性的难点，智能管网平台是确保建设期数据与运行期数据一体化的平台，涵盖管道全生命周期的各个阶段，数据的准确性直接影响管道的智能化水平。②数据统一的难点，建设期与运行期要采用同样的数据框架、数据字典，系统建设才能落地，数据才能自由调用。③智能化应用的难点，如何建模才能与管道的实际运行情况相吻合，重点在于决策支持分析，即如何为管道企业决策提供支持服务。④系统运行速度及自维护的难点，系统的运行速度，直接决定智能管网建设的成败，需要采用GIS调用和存储的新技术，同时，需要解决如何使数据变成活数据，增加更新速度，提高自维护性能的问题。⑤体系建设与平台同步的难点，体系建设必须与平台同步，否则未来应用和运维等均难以落实。

2 智慧管网综合解决方案

2.1 编制管道全生命周期数据标准

数字化管道是智能化管道的基础，模式创新，标准先行。为了形成与管道实体相对应的数据资产，确保数据的统一性及可重复应用，需要构建数据标准和规范，在整个生命周期内执行同样的数据标准，各业务数据通过数据模型进行整合。通过构建智能化管道数据标准，在管道全生命周期内，各类业务产生、传递、共享、应用数据信息形成完整的数据信息链。根据这些要求，自2015年起，永高股份有限公司开始研究制定燃气用埋地聚乙烯（PE）管道系统、给水用埋地聚乙烯（PE）管道系统、非开挖用埋地聚乙烯（PE）管道系统，以及埋地排水排污用聚乙烯结构壁管道系统等四大类管道全生命周期数据标准，规定和统一了数据的定义、格式，以及数据采集、转换、存储、应用等方面内容。

2.2 建立管道全生命周期数据库

管道全生命周期管理可定义为：在管道规划、可行性研究、初步设计、施工图设计、工程施工、投产、竣工验收、运维、变更、报废等整个生命周期内，整合各阶段业务与数据信息，建立统一的管道数据模型，实现管道从规划到报废的全业务、全过程信息化管理。构建全生命周期管道数据模型，以设计和运行为主，创建APDM数据模型，将各阶段全业务数据按中心线入库和对齐，通过将全部数据加载到管道数据模型上，对管道本体及周边环境数据、管道地理信息数据、业务活动数据及生产实时数据等数据资源进行集中存储和开发利用，实现物理管道和数字管道模型的融合，如图1所示。

图1 管道全生命周期数据库构成示意图

2.3 设计全生命周期智慧管网

管道全生命周期主要包括生产、施工、运维三个阶段，同时将决策支持作为重要组成部分，突出智能管道的决策支持功能。

在管道生产阶段，选用符合项目规划设计及施工要求的合适原材料，并采取适当的生产工艺技术，生产出性能及使用寿命符合设计的管道产品，同时，把管道对应的采购、生产、检测等原始信息数据进行采集与存储，利用嵌入式（管件）或贴附式（管材）技术，把存储的信息转化为出厂内置的全球唯一的ID特征码或标识码，便于今后管线定位及管理，流程示意图如图2所示。

图2 智慧管材生产流程示意图

在管道施工阶段，采集管道施工过程各类数据，包括管道焊接工艺数据、施工单位信息、施工日期、地理位置信息、埋深数据、输送介质信息等等，既要满足数据完整性、合规性、可靠性、外延扩展性及逻辑一致性等要求，又要满足空间数据和属性数据的关联关系的正确性及与其他数据的融合精度要求，如遥感数据、航测数据、设计数据、地形数据、工程数据等，对于数据入库的逻辑结构，包括字段、数据类型、字段长度、单位等必须满足智能化管道标准的要求。最后对重点数据存储于智慧管材管件追踪器中，随管道一起埋地铺设，如图3所示。

图3 智慧管网定位施工操作现场

在管道运维阶段，建立设备档案并进行维修维护管理、状态监测与监控、抢修与应急管理及巡检管理等。具体包括：管输计划管理（年度调运计划、月度调运计划、对外开放计划、其他调运计划）、调度运行（运行方案管理、调度令管理、分输管理、运行监控）、运销计算（计量交接管理、检定管理）、能耗管理（能耗统计、能耗监测分析、能耗预测、能耗评价）以及管网资产管理等。

同时，全生命周期智慧管网设计目的之一是能够为决策提供有力的数据支持。包括大数据决策支持分析、人工智能自适应分析、资产完整性与系统可靠性评估等。

2.4 搭建基于GIS的智慧管网平台

基于地理信息系统（GIS），利用SOA技术、B/S模式以及云服务技术，搭建集前端用户展示、后台数据维护于一体的智能管网监控平台。实现对所有用户需要统计的运行数据进行大数据分析统计，采用柱状图、折线图、饼状图以及列表等多种表现形式进行对关键点运行数据的可视化展示。示意图如图4、图5所示：

图4 永高智慧管网监控平台

图5 永高智慧管网综合管控运维平台（移动APP端）

2.5 管道运维管理

开发基于GIS的运维管理模块，实现运维期管道全生命周期的闭环管理，满足完整性管理6步循环的要求，实现数据采集、高后果区识别、风险评价、完整性评价、修复与减缓、效能评价的全过程管理。

3 应用前景展望

3.1 管道在线完整性评估

通过对智能管道系统中大量的管网GIS信息和管网维修检漏信息进行数据挖掘和分析相关指标的合理性或事件发生的可能性；通过在GIS的管网数据库中建立模型，对管网维护的需求进行预判与预防处理。针对内外检测缺陷、几何变形、重车碾压、洪水冲击、矿场堆料、管道悬空、阀室沉降、管道屈曲、山体滑坡、管道落差坑沟填埋、并行管道、爆破等建立有限元仿真评估模型。

管网GIS的信息及管网维修及检漏的信息均是在智慧管网的运行及监控平台，该平台记录着城市管网非常庞大的数据，对于庞大的数据之间看似无相关性，但其实数据的相关性是非常大，比如：某一阶段的管网用户用水量大增，但从前几年的历史用量进行比较分析，发现某一段管路存在着严重的漏水或有大用户偷水。可以根据这些线索追溯漏水点或偷水用户。因此对于大量的数据我们可以建立相关事件或生产运行指标的数据模型，通过大量的数据模型挖掘和分析相关指标的合理性或事件发生的可能性，为管理者的决策指挥服务。

3.2 移动应用

随着4G、5G网络环境的形成，移动应用成为管道管理发展的重要组成部分。移动应用使管理者与系统紧密结合，保证第一时间内开展突发事件处置、文件处理、在线管理，及时了解管道运行动态，最大限度地保障管道安全运营。

传统的人工巡线方法，不仅工作量大，而且条件艰苦，特别是山区、河流、沼泽及无人区等地的管道巡检，抑或冰灾、水灾、地震、滑坡、夜间的巡线检查，所花时间长、人力成本高、困难大。而管道线路危险区域巡检采用无人机全数字化巡检，在特殊地段、风险较大的地段，进行第三方防范巡护、泄漏巡检巡护，可以克服传统人工巡线方法的不足。泄漏巡检搭载高精度红外热像仪或红外光谱仪，可以对危险区域进行泄漏识别，及时预警和报警。

3.3 管线快速抢修

基于监控平台及计算模型，对即将或实时出现险情的管段，进行预警。通过无线网络或北斗卫星导航系统实行信息的快速实时传输，在监控平台上，可控制自动控制阀门，及时通知最近的巡检抢修人员进行就近维护操作，可大大降低财产损失，并可评估失效事件所产生的财产损失、人员伤亡、管道破坏、服务中断及介质损失等管道失效后果情景。

3.4 应急大数据决策支持

智慧管网综合解决方案主要是实现应急情况下对管道基础数据和管道周边环境数据的及时调取，并自动计算疏散范围、安全半径，自动输出应急预案、应急处置方案等，通过抢修物资与抢修队伍的路由优化，实现一键式应急处置方案文档输出，输出数据包括：管道基本信息、事故影响范围、应急设施、人口分布、最佳路由、应急处置方案等。基于大数据的相关性、非因果性分析理论，管道系统大数据的来源包括实时数据、历史数据、系统数据、网络数据等，类别包括管道腐蚀数据、管道建设数据、管道地理数据、资产设备数据、检测监测数据、运营数据、市场数据等。未来管网系统大数据通过互联网、云计算、物联网实现信息系统集成，将各类数据统一整合，通过建立大数据分析模型，解决管道当前的泄漏、腐蚀、自然与地质灾害影响、第三方破坏等数据的有效应用问题，获得腐蚀控制、能耗控制、效能管理、灾害管理、市场发展、运营控制等综合性、全局性的分析结论，指导管道企业的可持续发展。

4 总结和建议

第一，管网智能化是传统产业转型升级，促进两化深度融合的发展趋势，是解决管网管理老大难问题的有力抓手，是实现智慧城市的有力保障。

第二，基于管道全生命周期的智慧管网综合解决方案，为管网智能化应用提供了技术支撑，使管网数据采集到数据应用成为了可能。

第三，建议未来新建管道或综合体，如地下综合管廊，应考虑智能管网一体化平台建设，减少数据重复录入，避免应用系统的重复建设，加大数据的应用范围。同时，加大管道企业及其上下游之间的信息数据共享力度，共创智慧管网生态系统，为管道应用提供新贡献。

参考文献

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