城市地下管线安全与应急管理关键技术需求分析Word文档格式.docx

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自然环境是指自然条件对管线安全运行带来的影响，如雨雪冰冻灾害等极端天气对管线的影响。

对于不同的城市，居于主要地位的安全问题略有不同，对北京市来说影响管线安全的问题主要包括以下几方面：

（1）管网系统中存在部分管线使用年限过长，管道在质量上已不能满足安全的要求，是城市管网设施中主要的安全隐患之一。

如北京市热力管线和燃气管道运行20年以上的分别占总长度的60%和27%，自来水管线30年以上的占30%，这些管线中的一部分目前已面临着“超期服役”，安全系数较低。

（2）目前地下管线基础数据资料存在严重不全面、不准确的现象，难以为有关部门提供施工、维修等工作所必需的信息；

同时部分施工单位对管线安全的重视程度不足，未与管线单位进行有效的沟通或野蛮施工，致使由于第三方破坏而引发地下管线事故时有发生。

（3）随着城市规模的扩张和现代化服务功能的扩展，城市内的新管线数量不断增加，也增加了城市管网系统的复杂性。

各类管线纵横交错，当某一管线发生严重事故时，极易以各种破坏形式作用于其他管线，使各种危险因素相互作用、叠加，甚至是相互助长，从而引发重大灾害事故。

（4）在造成地下管线运行事故的诸多原因中，还有较大一部分是由于管线的不利生存条件引起的。

如地下资源开发、地下工程施工及地下水流失等都会形成一定范围内的地下开挖空间，破坏了地层中原有的应力平衡状态，致使开挖空间上覆岩层依次发生冒落、断裂或弯曲，并引起地面不均匀沉降。

这样，极易导致修建于地面下的地下管线发生折断、破损等问题。

三城市地下管线安全与应急管理关键技术需求分析

关键技术研发与应用的目标是通过共性、关键性重大安全技术的研发与应用，有效提升城市地下管线系统防范和应对各类灾害事故的能力。

结合北京市地下管线运行安全的实际情况，拟从地下管线的安全运行监测、隐患与关键部位管理、应急决策等方面提出技术需求。

（一）安全运行监测技术

就像用体征表示人身体的健康状况一样，城市地下管线运行也有体征，如输送介质的量、管道压力、周边土体环境等。

如果各种数据都是正常的，说明地下管线处于正常状态；

如果某个指标出现了异常，说明在这个指标点，甚至更多的指标点上，地下管线可能存在隐患。

科学分析各类地下管线运行中的信息，包括管线输送介质的信息，管线周边土体环境条件的信息等，基于数据挖掘和数据统计方法，提取可以反映管线运行状况的特征指标，分析影响这些特征指标的内部和外部影响因素，确定城市地下管线运行监测所需要监测、收集和分析的有用信息，建立城市地下管线运行监测信息数据库。

基于监测数据信息，进行分析、处理，分析这些特征指标之间的相互影响关系，建立特征指标与其影响因素指标的相关性模型。

通过信息综合处理，实现对体征模型数字化和体征状况的结果展示，让各级管理或工作人员能够实时查看城市地下管网的状态。

根据实际需求对每天或一定周期内的采集信息进行分析，并自动形成城市地下管网运行体征分析报告。

城市地下管网运行体征的信息是管网运行状态预测预警的基础条件，及时获取信息并准确呈现是高效管理的重要前提和基础。

依据指标综合分析结果，与历史情况对比，利用“征兆发现”等数据挖掘技术，及时发现运行过程中的异常情况，一旦出现异常情况及时提醒相关部门注意。

与城市地下管线事故应急指挥部相关信息系统和指挥系统联通，能够与其他有关应急指挥系统及时传达信息，提高城市地下管线事故方面的早期预测能力和沟通水平，为城市地下管线运行的指挥、控制和沟通工作提供依据。

（二）安全隐患与关键部位管理技术

加强城市地下管线安全管理，前提是必须尽可能准确、完整地把握可能威胁城市地下管线安全的信息或资料，才能彻底改变过去城市地下管线管理混乱无序、制约城市建设及带来重大隐患的滞后状态。

各权属单位已经不同程度地实现了专业数据的信息化管理，但是由于城市地下管线信息庞大，系统复杂，很难也没有必要实施全面监控监测，但是很有必要建立城市地下管线的隐患数据库和关键部位数据库，对隐患和关键部分实施重点管理，使安全保障工作做到有的放矢。

安全隐患与关键部位信息库的主要研究内容包括：

1.隐患管理信息系统

依托现有的地下管线数据库，数字市政中的燃气、供热地上设备设施分布数据，结合实地调研、文件发放、文件收集等方式进行隐患排查，分析汇总排查结果。

应用系统安全的理论、方法对隐患进行深入分析，实现对隐患的分级分类管理，实时动态监管。

建立北京城市地下管线的隐患信息数据库，实现隐患信息实时查询，多角度、多层次的隐患信息提取、统计分析等功能。

隐患管理数据库主要包括以下方面。

（1）基础信息。

隐患名称、所在区县、详细地址、基本情况、影响范围及危害结果、隐患来源、隐患类别、危害等级、形成原因、主要责任单位名称、主要责任单位联系人名称、主要责任单位联系人电话、主管单位名称、主管单位联系人、主管单位联系人电话、整改建议、处置状态、登记时间、完成时间、原始图片、地理位置信息。

（2）地下管线生存环境。

由于城市地铁、地下停车场等地下工程大规模施工和城市道路的改建、扩建，地下管线整体生存环境不佳。

包括不密实区域、不密实程度，地下施工区域、范围，道路扩建影响范围等。

（3）环境信息。

包括地下管线所处的自然环境、社会人文环境和经济环境，自然环境指的是所处的地质地貌状况、周边其他地下管线信息；

社会人文环境指的是相邻的教育、医疗、卫生建筑物、学校、大型公共建筑或商业建筑、图书馆、公园名胜古迹、文化娱乐场所等方面的信息；

经济环境指的是周边经济情况、财富密集场所等信息。

（4）实现隐患分级分类管理，实时、动态地管理安全隐患，对安全隐患上报处理情况进行统计分析，并形成统计分析报告。

运用信息查询、提取、分析和监测等功能，在隐患排查的基础上，通过分类汇总实现对隐患的动态挂账、动态整改、动态验收，加强对隐患进行综合分析，从而进一步指导隐患排查，促进隐患管理水平提高。

2.关键部位信息数据库

某些地下管线一旦功能丧失或受损会直接影响城市的正常运行，特别是一些重要管线、设备、设施（如调压站、电站）等遭到破坏可能会导致整个城市运行的瘫痪，这些影响城市运行整体安全的部位被称为关键部位。

城市地下管线都呈现网络结构，在网络内部各种网络因素相互作用，当某些网络因素（点或线）损坏或失去服务功能时，其他网络因素的功能也将受到影响，导致整体网络服务水平下降；

网络中存在这样的关键网络因素，当它失效时，将导致最严重的整体网络服务功能的损失。

各类地下管线之间相互依存，一种关键网络基础设施的损坏带来一系列与之相依存的网络基础设施的二次级联失效反应，例如关键燃气设施（节点或管段）的损坏会对一定区域内的交通通行产生影响。

城市地下管线的关键部位不一定是隐患，但是它们的安全保障是整个城市运行的基础。

通过城市运行监测过程的特征指标分析，应用系统安全方法，如事件树、事故树、复杂网络、脆弱性分析等方法，确定地下管线关键部位及其损坏时可能对城市运行造成的影响。

建立隐患信息数据库对地下管线关键部位进行重点管理。

关键部位信息数据库主要包括：

包括地下管线的类型、空间分布、权属单位、最大供应量、供应范围、备用设施、压力、负荷、流量等信息。

（2）环境信息。

也是包括地下管线所处的自然环境、社会人文环境和经济环境。

（3）实现关键部位的信息查询、提取、综合分析和监测等功能。

（三）城市地下管线事故应急决策支持技术

在应急管理方面，各级单位为了加强安全与应急管理，都编写了相关的应急预案。

由于地下管线事故容易引发次生、衍生灾害，通常涉及单位比较多，因此与之相关的预案也比较多。

在实践过程中，许多应急预案以书面的形式保存在纸质文档中，虽然数字市政、信息化城市管理系统等平台实现了应急预案的电子化，但是也仅仅是作为一种保存的手段，而没有实现文档的智能化，在事故处置过程中，无法快速提取文档中的有效信息。

应急决策是带有非重复性的、非结构性的、异乎寻常的和在没有限定的危机状态下进行的，它要求决策者在有限的时间、资源、人力等约束条件下完成应对突发事件的具体措施。

由于城市地下管线突发事件往往牵涉部门众多，事故机理复杂，事故发生、发展、扩大、结束等多个环节都可能涉及多个部门。

因此，在不断完善“分类管理、分级负责、条块结合、属地为主”的城市地下管线应急管理体制的基础上，应该应用先进的技术和方法实现应急处置过程的辅助决策，以实现处置效果的优化。

城市地下管线事故应急决策支持系统建设需要包括：

1.应急决策知识数据仓库

（1）应急队伍数据库：

建立城市地下管线事故应急指挥部应急能力评价体系，在此基础上建立应急组织机构与应急队伍数据库，包括应急队伍的专业装备、人员组成、经费来源等基本情况，应急队伍所处的地理位置、联系人等信息，尽可能详细地给出队伍建设和运行情况。

（2）事故案例数据库：

建立城市地下管线事故案例数据库，包括事故发生的时间、地点、涉及的权属单位等信息，对事故处置流程、处置效果等进行分析评价。

基于对事故的汇总，可以按照事故类型、级别、时间、地点等多个条件对事故进行查询与统计。

（3）应急预案数据库：

收集城市地下管线各相关管理、监管单位的应急预案，建立应急预案数据库，通过对预案中处置流程、处置的事故类型等情况的分析，对预案进行分解，形成可以根据突发事件的处置流程、事态发展即时状况进行调整的全面、针对性强、直观高效的应急预案。

2.辅助决策支持系统

能够有效收集、整合信息资源，对预案、典型案例等数据库进行分析，且在决策时快速提取相关的知识、经验和技能等。

3.应急决策支持模型的集成与应用

结合城市实际情况，完成基于事故案例和应急预案的城市地下管线应急决策支持模型。

四关键技术的实现途径

（一）探测监测技术应用

城市地下管线运行过程中动态性强，受地下地上生存环境影响显著，急需对发展适用于地下管线运行的监测技术及对地下管线生存环境的探测、检测技术。

北京市地下施工众多、地质条件复杂，有许多影响管线安全运行的因素，需要对地下管线周边不密实土壤、地下空洞等进行探测，根据三维地质力学模型、渗流力学模型和空间应力模型，分析地下空洞对周边地质结构稳定性的影响评价，主要考虑管线和空洞及周边环境参数、时间参数，考虑不同的地质特征，模拟管线和地下空洞之间的相互影响。

研究影响地下管线安全的主要因素，逐步开展探测、监测工作。

城市地下管线运行状况影响参数众多，管段监测的数据量大，监测数据难以取舍，监测的参数和位置重点不突出，导致城市地下管线监测数据庞杂，给城市地下管线管理工作人员带来诸多不便。

需要立足于综合探测技术在北京地下管线管理中的应用，对探测得到的城市地下管线数据进行分析，结合周边地下空洞情况，对影响城市地下管线稳定运行的主要次要因素进行辨识，针对主要因素进行重点监测，而对次要因素则减小力度，使城市地下管线监测工作有的放矢、分清主次轻重，为城市地下管线的运行管理工作指明方向，提高城市地下管线运行管理效率。

（二）统计分析与数据挖掘

随着测量温度、应力应变、振动、气体浓度等数据的探测检测技术以及物联网的快速发展，采集、传输、存储数据的技术越来越成熟，各类地下管线及其运行数据量急剧增加，急需对收集到的海量数据进行多维度、多尺度分析与挖掘，为管理决策提供服务。

统计学方法是最为常用的数据分析方法。

统计工作是指人们为了说明研究对象的某种数量特征和规律性，对各种数据进行搜集、整理和分析的活动过程。

应用统计分析研究城市地下管线运行过程中各种指标自身的变化特征，如描述各指标分布特征、给出各类异常情况出现的概率，应用回归分析、因子分析、聚类分析等多元统计分析方法确定多种因素之间的相互影响关系，并实现对一些重要指标的预测，从而为地下管线的预测预警提供支持。

由于城市地下管线运行过程中产生的数据往往包括多种维度，简单的统计方法是不够的，需要针对这些数据的特征设计在业务和规则约束条件下执行的算法。

而数据挖掘是应用统计、数学、人工智能和机器学习等技术，从庞大的数据仓库中抽取和识别有用信息和知识的过程，也就是从大量数据中提取或“挖掘”知识。

根据数据挖掘的数据结构和使用的算法可以将数据挖掘方法划分为：

统计方法、决策树、基于案例的推理、神经计算、智能代理、遗传算法、文本挖掘等。

根据城市地下管线安全运行与应急决策中的数据特征与实际需求，形成具有针对性的数据挖掘关联规则、约束条件等，建立相应的数据挖掘系统，实现对地下管线相关数据的实时分析，及时发现其运行过程中的异常情况，实现地下管线的联动预警。

（三）风险评估

风险评估工作是公共安全和应急管理工作的重要组成部分，是一项系统性、专业性、科学性和综合性很强的工作。

城市地下管线风险评估的工作主要包括：

风险识别，风险的承受能力和控制能力分析，风险可能性和后果严重性的判定以及采取何种控制措施规避风险。

系统、全面、详细地分析和排查各种可能导致城市地下管线各类不利事件发生的致灾因子，分析各种不利事件可能导致的直接后果和次生、衍生灾害，制定北京城市地下管线的风险识别表，建立风险源排查系统。

运用事故致因理论分析造成城市地下管线事故的各种触发因素，结合承受能力与控制能力分析，建立可能性评价指标体系；

综合考虑城市地下管线所处的人文、社会、经济、政治环境以及应急物资的分配和应急队伍的建设情况，建立后果严重性评价指标。

运用模糊数学等方法建立可能性和后果严重性评估模型，运用风险矩阵法确定城市地下管线风险源的风险水平，与空间地理坐标相结合形成北京城市地下管线风险等级图。

进而结合城市发展的需求和实际情况，制定每个风险的具体风险控制措施与方案，建立风险控制系统。

风险评估是一个动态持续的过程，要在进一步强化各专业部门城市地下管线运行综合监测与各种风险专项监测的基础上，结合新情况、新形势，密切监测相关风险的动态变化情况。

（四）城市地下管线的模拟仿真系统

城市地下管线运行和事故状况都很难在现场或实验室进行实体研究。

借助计算机模拟技术、地理信息技术和虚拟现实技术，建立模拟仿真系统，能够直观分析不同情况下的状况，为安全运行提供平台，并在应急情况下能够迅速提供手段来辅助决策。

图1为基于GIS开发的城市地下管线模拟管理系统的架构图。

图1系统架构

（五）智能辅助应急决策

城市地下管线应急决策面对的是综合性的突发事件，主要包括事件的处置（现场与后台的指挥调度，具体的处置实施）；

资源的组织、调配；

预案的启动、运行及动态调整；

信息的管理与发布等。

采用人工智能和专家系统技术，保存并提升城市地下管线领域各方面专家的经验。

当城市地下管线突发事故发生时，专家系统根据突发事故的各种属性，结合以往的专家经验，采用案例推理、规则推理、智能分析等方法提出事故的协调处置方案，供决策者进行参考。

该系统还能够对专业企业的专业处置方案进行评价，获得最优的专业处置方案。

在应急处置方案动态调整方面，基于突发事件、承灾载体、应急管理三方面的实时信息数据，挖掘和研究蕴涵在信息之间的耦合联系，包括突发事件中灾害要素的类型、强度及其随时间和空间的变化、承灾载体的破坏模式、应急方案对灾害的控制作用等，研究基于事故现场情况对应急方案的动态调整方法，动态生产应急处置方案。

事故发生后，系统需要根据事故相关信息评价事故造成的危害，并根据危害的程度通知市民进行疏散或者绕行等防范措施，以避免更严重的灾害或减少事故带来的损失，同时在必要的时候通过舆论安抚群众。

还可以根据其他信息（如交通、天气、人口）等提出适当的应对措施，以免势态进一步恶化。

综合利用事故处置智能方法，结合最新软硬件技术，设计和研发事故处置子系统。

辅助领导进行决策以及为处置人员提供处置方案非常关键的一步就是应急决策支持系统，只有智能、高效的决策支持系统才能为决策方案或者处置方案的推理及动态调整提供有力的支持。

五结语

由于城市地下管线设施结构复杂、隐蔽性强，其安全运行与应急管理异常复杂。

本文通过分析城市地下管线安全管理过程中各方面的实际需求，探讨了其安全运行监测、安全隐患与关键部位管理、事故应急决策支持三个方面的技术方法与手段，提出了探测监测技术、统计分析与数据挖掘、风险评估、模拟仿真、智能辅助应急决策等技术实现途径。

由于地下管线涉及的权属单位、管理单位众多，目前数据共享使用的机制还不完善，各部门信息系统之间的兼容性差，同时由于各部门间存在着不同利益，在一定程度上阻碍了各种技术手段的应用推广。

因此，为了保障相关技术手段的有效推广及应用还需要完善相关管理机制，提高安全与应急管理水平。

-全文完-