地下燃气管网作为城市生命线的重要组成部分，与社会经济发展和人民生活息息相关，是城市最重要的基础设施之一^[1]。随着城市的发展，地下燃气管网更加错综复杂，这对还停留于人工管理模式的管网管理提出了更高的要求。燃气本身易燃易爆并且有毒，一旦管网设施发生泄漏，极易发生火灾、爆炸及中毒造成重大安全事故，威胁到居民生命安全使得国家遭受损失。虽然目前城市地下管网的三维信息管理系统已经研究的比较成熟^{[2, 3]}，但是都侧重于从GIS的角度实现管网的管理及可视化，系统的实时动态性不能满足要求。而对于地下管网信息的采集还是基于巡检终端来实现^[4]，考虑到燃气管网自身的特殊性，本文基于物联网和GIS技术，对地下燃气管网管点的实时监测、风险分析进行了评估，立足于城市公共安全统筹考虑，统一规划，建立了较完善的监测系统。

1 需求分析

近年来，燃气管网及其相邻地下空间爆炸的安全事故数量众多，分别造成不同程度的人员伤亡与财产损失。保障燃气管网及其相邻地下空间的安全是保证人民生命财产安全和社会稳定的基础。通过建设地下燃气管网监测系统，可以有效监测燃气管网及其相邻地下空间的可燃气体和有毒气体浓度，及时预测预警，将危险源消除在萌芽状态，进而保障燃气管网和其相邻地下空间的安全，保护人民群众生命财产，维护社会和谐稳定。

物联网(internet of things)是一个动态的全球网络基础设施^[5]，其实质是在互联网的基础上，利用智能感知(如射频识别、传感器等)、无线通信、智能等技术实现物品的自动识别和信息的互联与共享^[6]。物联网中的物有其位置，位置是传感信息和执行信息的重要内容，如果没有位置信息，物联网将难以具有地点的针对性，会导致信息杂乱无序，难以处理和响应^[7]。物联网的前端感知层是由大量的离散的不同类型的传感器所组成，所以采集回来的传感器数据具有数据量大、数据类型复杂、异构性强、高度动态性、时空特性等特点，这对数据的处理和存储都有着很高的要求^[8]。而GIS特有的信息集成、可视化表达及强大的空间分析、查询定位等技术特点可以为物联网应用提供海量时空数据管理、时空关系与时空过程分析、时空信息动态可视化等强大能力^[9]。为地下燃气管网检查井配置对应的传感器，通过物联网将检查井的“健康状况”及时传输到数据中心，由于传回来的数据包含位置空间信息和属性特征信息，通过GIS进行综合处理和分析，利用空间信息可视化技术在三维模型中进行展示，实现管网地下空间安全风险辨识、风险源识别、风险等级划分、有害气体浓度检测等，从而辅助决策分析。

2 系统设计 2.1 整体架构

根据物联网理论和原理的工作流程，地下燃气管网监测系统在设计上主要由感、传、知、用等4层组成。感知层的物理设备负责监测数据，传输层进行数据传输，数据/服务层存储分析数据，并提供数据服务，通过展示层将应用层功能展示给系统用户。应用层是整个系统的核心功能，主要包括地下空间风险识别、动态监测、安全分析、预测预警和辅助决策支持等5大应用系统，为地下燃气管网的安全管理提供从事前到事中再到事后的全面支撑。

1) 前端感知系统。前端感知系统负责数据的采集工作，是构成整个物联网网络的末梢节点。这主要包括甲烷、乙烷、一氧化碳和硫化氢前端监测仪以及气体采集设备等，对地下燃气管网中可燃和有毒气体的浓度进行监测。

2) 网络传输系统。网络传输系统是整个物联网网络的末梢网络和承载网络，主要是通过感知网和广域网等网络传输手段，实现传感器数据的汇集、传输以及系统应用时的数据交互。作为连接前端传感器的网络以及后端监测中心的广域链路，是整个系统中最为重要的支撑保障系统。

3) 数据库系统。数据库系统用于存储地下燃气管网密切相关的各种信息，主要包括基础信息数据库、监测信息数据库、事件信息数据库、地理信息数据库、预警信息数据库、模型库、预案库、案例库、知识库和文档库。

4) 应用层系统。应用层系统主要包括地下空间风险识别、动态监测、安全分析、预测预警和辅助决策支持五大应用系统，为地下燃气管网的安全管理提供从事前到事中再到事后的全面支撑。

地下空间风险识别子系统利用缓冲区分析技术，在城市地下管网三维模型上建立以不同危险距离为半径的缓冲虚拟空间，分析缓冲虚拟空间与污水、雨水管网三维模型、电缆沟网三维模型以及地下停车场三维模型等的交集部分，从而分析判断得出这些地下空间的风险等级信息。

动态监测子系统将管网及密闭空间的功能信息和监测信息以集成的方式展现在相应的用户终端界面上。本系统包括管网及相邻空间三维可视化、分类信息显示、信息查询和信息分析。

安全分析子系统针对地下空间内可燃气体的安全进行评估，包括危险空间可燃气体浓度评估、危险空间可燃气体泄漏检测评估、可燃气体扩散分析、可燃气体泄漏后果预测评估还有其他专项评估。

预测预警子系统根据当前掌握的信息，运用综合预测分析模型，进行快速计算，对事态发展和后果进行模拟分析，预测可能发生的次生、衍生事件，确定事件可能的影响范围、影响方式、持续时间和危害程度等，并结合相关预警分级指标提出预警分级的建议。

辅助决策支持系统提供对燃气管网相邻地下空间安全状况的总体概览，系统涵盖领导桌面、综合统计分析和智能辅助方案。

2.2 总体流程

系统将首先对地下燃气管网及管网相邻空间进行可燃气体爆炸风险评估，确定各个空间的风险等级分布，从而对不同风险等级的地下空间进行分级监测，并在此基础上进行传感器的优化布设。监测方式主要有以下两种：①利用固定式可燃气体监测仪对可燃气体的浓度进行监测；②燃气公司的移动监测设备对可能存在的燃气泄漏进行监测。根据监测的结果，对地下空间发生爆炸的风险进行划分，并通过计算定位泄漏的位置和分析风险的发展态势。系统将就事故信息向有关部门发布风险图和预警信息，还将生成应急辅助决策预案，包括资源调配图、智能预案的生成等。总体流程如图 1所示。

2.3 关键技术

本系统所使用的技术涉及前端管网空间安全信息感知、采集、传输、处理等4个环节。各个环节以公共安全为主线，涵盖地下空间风险识别技术、爆炸防护理论、气体化学分析技术、预测预警、安全评估等公共安全技术。整个系统技术组成如图 2。

危险空间的识别技术会根据管网的功能、服务对象和周围环境进行区域划分，进行三维空间建模。利用专题图层叠加、空间拓扑构建和临近空间分析，获得燃气管网与其他地下空间相邻区域的分布数据，如地理坐标、空间体积和空间属性等，评估空间的风险等级。

混合气体爆炸危险性分析技术通过对不同成分、不同比例燃气与污水、雨水等管网的杂质气体(CO、H₂S等)混合后在常见危险密闭环境中的爆炸机理、爆炸浓度极限、爆炸冲击波压力、爆炸火焰温度、毁伤范围等关键参数，建立混合气体爆炸危险性快速评估模型，科学有效评估可燃混合气体的爆炸风险。

泄漏后果预测技术将根据事故的种类不同所产生的危害作用不同，如天然气喷射燃烧、天然气混合爆炸、水漫路面、水冲击路面坍塌等，结合事故发生地的区域划分、地质条件、管网信息和用户分布，对人员伤亡、经济损失、交通和用水影响区域进行预测^[10]。

多源信息显示技术实现多源异构互联网数据的实时接入和动态处理，鉴于物联网数据量大容易造成网络链接拥塞的问题，引入了基于粒计算的感知节点选择方法，该方法可以控制数据上传量，通过粒度的调节选择更具有代表性的数据，通过云中心或本地网关向节点下达是否上传数据的命令^[11]。利用单传感器数据的时间相关性，设计数据异常检测机制进行异常检测^[12]，通过对异常数据进行分析能实现对异常原因的深入挖掘，提取对物联网管控的有用信息，提高物联网应用场景的舒适性与安全性。

密闭空间泄漏源反演技术会根据气体不同时间的浓度监测场，设置泄漏空间边界条件和校正因子，用优化算法和随机逼近等反演方法对密封空间泄漏源进行反演推算。

2.4 功能模块

为了合理的开发，遵循软件功能的需求、设计原则以及框架，系统应用层主要分成风险识别、监测报警、报警分析、爆炸预警、评估报告、数据管理、综合统计等7个模块，如图 3所示。

风险识别会根据风险等级用不同颜色将燃气管网和窨井区分可视化，可以根据需要查看窨井或燃气管网的风险详情(包括监测曲线、特征曲线、风险等级、窨井/管网属性信息)。监测报警能够实现动态实时监测，将所布置的传感器显示在地图上，可以实时显示前端的监测值及监测曲线。如果存在报警信息将根据报警级别发布报警，并及时与前端联系进行处理。报警分析将对报警点进行管线及扩散分析，对有可能爆炸报警点进行爆炸模拟。评估报告根据燃气管网和窨井的“健康”状态生成相应的评估报告辅助决策。数据管理和综合统计将对数据进行综合管理及分析，提供更为详尽的地下管网“健康”状况。

3 系统实现

应用层系统是整套系统的核心功能，也是体现系统价值所在的地方。结合物联网和GIS的特点，本系统采用基于SOA(Service-Oriented Architecture)面向服务的体系结构进行设计，服务间将采用通用的、统一的、平台无关的方式进行交互。应用层系统是基于Java EE(Java platform，enterprise edition)的MVC(model view controller)开发框架设计开发的，采用B/S设计，浏览器访问。

系统表示层是在CityMakerSDK的基础上使用HTML5/CSS进行二次开发，CityMakerSDK是伟景行所提供的三维GIS二次开发组件库，用户可以将优秀的三维引擎集成到自己的系统中或对已有系统进行功能拓展。服务器层包括业务服务器和GIS服务器，GIS服务器用来发布存储于地理特征数据库FDB(feature database)的三维模型数据和地形数据，业务数据存储在Oracle中，方便进行属性数据的编辑和修改。在系统中查看窨井属性如图 4所示。

4 结束语

本文针对当前地下燃气管网管理难度大、管线维护困难、危险系数高等特点，从物联网和GIS相结合的角度实现对地下燃气管网的实时动态监测。物联网为GIS进行数据采集处理，GIS为物联网提供分析展示，实现对地下燃气管网的动态监测，对潜在或发展中的风险点及时预警定位，综合各种风险因素进行系统识别、趋势判断和预测预警，为实现主动式安全保障提供技术支持和理论依据，辅助决策。地下燃气管网监测系统是保障城市安全运行的重要基础设施，系统功能可靠、技术先进。有效降低城市安全事故经济损失和提升城市生命线公共安全应急能力，提高燃气管网管理部门的安全管理能力和应急处置能力，具有很强的社会效益和经济效益。