城市地下污水管线承担了城市生活污水、工业废水等污水的收集与排放工作, 在城市的发展中起到了重要的作用^[1]。地下污水管线由于其自身处于封闭环境, 敷设条件变化大, 管线内所输送的介质复杂, 极易产生与聚集甲烷、硫化氢等易燃易爆气体, 且对管线的危险因素进行监测与控制存在着较大的困难, 加之管线自身老化与其他地下管线的相互影响, 危险性极大^[2,3]。近年来城市地下污水管线事故频发, 造成了巨大的人员伤亡与财产损失, 社会影响恶劣。目前我国主要的污水管线安全管理方式多为人工巡检与人为经验判断, 这种方式由于缺乏科学性的分析模型与实时数据监测终端, 导致实时性和准确性不高, 无法满足我国如今对污水管线安全性的需求^[4]。污水管线事故防控技术的研究成果对目前的技术发展有着一定的指导作用, 但是暂时没有一套成熟的管线事故防控技术与智能化的处置系统, 对管线事故防控智能化与信息化技术的研究依旧是保证城市公共安全的研究热点。针对上述问题, 设计了一套应用于城市地下污水管线安全监测与智能化处置的系统, 该系统综合集成物联网技术、管线三维可视成像技术等多项前沿信息技术, 解决了城市地下污水管线风险监测困难、危险气体聚集、风险处置不及时等安全问题, 有效地保障了城市公共安全, 提高了城市的防灾减灾能力, 且为类似的事故防控问题解决方案提供了有效的参考。

　　 系统为基于物联网技术的分布式系统, 设置Web服务器、数据服务器与通信服务器, 研发物联监控终端包括甲烷浓度传感器、硫化氢浓度传感器, 由通用无线分组技术 (GPRS技术) 实现数据传输, 系统物理部署如图1所示。

　　 系统整体设计为感知层、传输层、数据层、平台层和应用层5个结构层, 如图2所示。感知层为物联终端应用层, 用以实现数据采集与标准化;传输层利用有线网络和无线网络实现数据传输;数据层用以实现数据存储与调用;平台层为系统运行基础层, 包括中间件、管线监控、数据统计、用户管理等系统功能;应用层包括调度中心、业务单位、移动终端等。

　　 本系统研发过程关键技术包括数据库技术、地下管线三维可视成像技术等多项前沿技术集成构建了城市地下污水管线安全监测与智能处置系统。

　　 数据库是系统运行的基础设施, 数据入库与存储的准确与高效性在很大程度上决定了管线事故防控的正确性与实时性。二维数据入库时, 应注意数据分类与数据表的编制, 避免造成数据库冗余, 影响数据提取效率^[5]。三维数据的入库与提取较为困难, 传统的三维数据入库方法应用时数据需多次转化, 易造成数据丢失, 且数据库中数据提取效率低, 在很大程度上影响了系统性能与决策的正确性^[6]。为解决此类问题, 本次数据库设计提出了“预入库”的概念, 将数据预先转化为PGDB空间数据格式, 在物理上解决“图幅接边”、“图属分离”等根本问题后, 极大地提升了数据库的稳定性与系统的准确性, 入库方案如图3所示。

　　 三维数据建库时, 首先对数据进行编辑与整理, 其中图形编辑包括对图形文件存在的逻辑或空间信息的错误进行修改, 属性编辑是根据数据库的建设标准, 对属性进行补全与错误修改;数据编辑完成后对数据进行检查, 排除错误后对其进行入库, 在很大程度上保证了数据库的准确性与数据存取的实时性。

　　 地下管线包括给水、污水、电力、燃气等10余类管线, 在地下形成了错综复杂的地下管线网络, 传统的二维平面管理方式难以准确、直观地显示地下管线交叉排布的空间位置^[7]。地下管线三维可视化成像技术针对管线普查数据特有的线性拓扑结构, 自动生成三维模型数据, 结合 (GIS) 地理信息系统、数据库技术与三维建模技术, 实现了地下管线的三维可视化, 直观展现了地下管线的埋深、材质、形状、周围环境等状态^[8]。本系统利用基于GPU编程的地下管线实时三维可视化建模算法, 实现了系统半自动化建模, 减少人为操作, 提升了建模效率, 三维可视化成像技术设计内容如表1所示, 三维建模成果如图4所示。

　　 管线三维可视化成像技术应用于管线断面分析、管线间净距分析、管线覆土分析、管线的连通性分析、管线开挖模拟、爆管分析、应急演练、辅助市政管线规划等功能, 极大方便了事故定位与隐患排查, 也为地下管线资源的统筹配置、科学布局及其维护提供了参考。

　　 基于物联网技术, 研发了地下污水管线气体智能监测终端, 终端配置风机, 能实现气体浓度超限的自动化控制。针对硫化氢气体监测, 研发了电化学传感器, 其反应原理为反应电极加压后与硫化氢气体间发生氧化还原反应, 通过测量电流系统电流实现气体浓度检测。

　　 针对甲烷等气体, 利用红外吸收原理实现对CH₄、CO₂等气体浓度的监测。为解决光功率波动、环境对气室光路的干扰等因素对气体监测精度的影响, 利用差分吸收检测技术, 设置分束器与反射镜分光, 消除光路干扰, 提升监测精度^[10]。差分吸收检测技术中双光路单波长法原理如图5所示, 光源发出被测气体吸收峰处单波长的光辐射, 经过分束器与反射镜分为两路, 一路经过含有被测气体的气室, 另一路则经过不含被测气体的气室作为参考。

　　 另一项为单光路双波长法, 其原理如图6所示, 经过两个不同波长的滤波片进行滤光, 得到波长相近的λ₁和λ₂两个波长的光辐射, λ₁在气体的吸收峰上, 而气体对λ₂的吸收很弱或是不吸收, 此时以λ₁的光辐射作为检测信号, 波长λ₂的光辐射作为参考信号。

　　 综合集成物联网技术、数据库技术、地理信息系统 (GIS) 、大数据分析技术等多项前沿信息技术, 构建了能实现多气体在线监测、危险源实时预警、危险因素自动化处置等功能的地下污水管线风险预防与处置智能化系统。

　　 本系统采用分布式部署方式, 基于Windows平台进行设计开发, 由MySQL实现数据库设计, 开发一套部署于浏览器上的稳定、高效的城市地下污水管线风险防控智能化系统, 其主要开发与运行环境如表2所示。

　　 本系统采用面向对象的软件设计方法, 结合B/S与C/S开发模式, 其模块组成如图7所示。软件系统主要包括应用服务器、Web服务器与客户端, 其中应用服务器用于接入与管理用户、处理业务逻辑与保存业务终端数据, 客户通过Web服务器实现对系统数据的管理与访问, 通过PC客户端实现数据上报等业务。

　　 针对污水管线安全需求, 本系统设计为监控管理、参数配置、功能配置、用户管理、基础资料、帮助说明6个功能模块, 其子系统设计如图8所示。

　　 系统监控管理模块设置实时监测 (地图监测、现场视频监测、终端数据监测等) 、历史数据监测、设备状态监控与统计分析功能。该子系统能实现管线的二维地图与三维地图的联动展示, 同时实现基于智能视频技术的在线视频监测。实现设备状态监测与设备故障报警与历史数据的统计分析功能。

　　 参数配置模块设置监测气体报警方案配置、监控终端配置、城市信息配置等功能, 与气体报警方案设置、风险处置方案绑定、监控终端与监控区域选定等功能, 其中, 参照多项相关标准, 确定气体报警阀值配置如表3所示, 报警方案配置如表4所示。

　　 功能配置模块设置终端风机定时运行抽排、监控终端上下线配置、气体浓度超限短信报警配置等功能。

　　 项目在重庆市渝中区进行了应用示范, 结果证明效果良好, 有效地保障了该地区的污水管线安全性。

　　 监控点以报警灯表示, 其颜色为绿色表示正常, 橙色表示达到预警值, 此时设备将对其进行频繁采样判断风险, 红色表示达到报警值, 历史数据统计与监控实现监控数据的统计与分析, 其对某段时间的气体浓度统计如图9所示, 设备状态监测用以监控设备运行状态, 统计分析模块用以展示总报警次数等数据。

　　 为解决城市地下污水管线状态监控困难、风险处置不及时等问题, 综合集成物联网技术、管线三维可视化技术、智能视频技术、GIS技术等多项前沿技术, 构建了一套能实现污水管线危险气体与第三方破坏在线监测、管线事故实时预警、事故风险自动化控制等功能的管线风险防控与决策支持系统, 该系统功能完善、性能可靠、人机界面友好, 在重庆市得到了广泛的应用, 对城市地下污水管线的安全运营提供了有力保障。实践证明, 本系统具有以下3项优点:

　　 (1) 多类型的安全监测终端对污水管线进行全方位的安全监测, 对管线的风险与可能发生的事故进行事前预防, 极大程度上提升了管线的安全性。

　　 (2) 人机交互界面显示多元化, 使得安全管理人员能清晰准确地认知与识别污水管线存在的风险与管线风险的发展趋势。

　　 (3) 在人口密集的区域内污水管线风险较大, 在很大程度上威胁了人民的生命与财产安全, 基于物联网的传感终端能实现管线风险的自动化控制, 保障了城市的公共安全性。