农村管线有序建设与运维管理机制的设计与优化研究

农村管线有序建设与运维管理机制的设计与优化研究

姚成龙

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摘要:农村地区管线基础设施的有序建设和高效运维对于保障公共服务水平、改善民生具有重要意义。然而，当前管理模式存在诸多不足，如人力成本高、效率低下、被动响应等，亟需通过新理念和新技术加以优化创新。本研究提出了一种基于物联网和大数据技术的智能化管理体系。该体系包括覆盖全域的物联网感知层、集中式大数据平台，以及一系列智能化运维策略，如状态预警预测、故障智能诊断、精准化巡检调度等。这一创新性方案可实现对农村管线全生命周期的感知与决策，提高运营效率，降低维护成本，确保供应安全可靠，为相关部门制定科学管理政策提供技术支撑。

关键词:农村管线、智能化管理、物联网、大数据、运维优化

引言:

随着乡村振兴战略的深入实施，加强农村基础设施建设日益受到重视。作为供水、供电、通信等重要民生工程的载体，农村管线网络的有序建设和高效运维管理对于提升农村公共服务水平、改善农民生活质量具有重要意义。本文针对传统管理模式中存在的问题，提出一种创新性的解决方案。

1.现状分析与问题剖析

1.1农村管线现状调查

农村地区的管线基础设施建设起步较晚，存在一定的滞后性，随着城乡一体化进程的推进，农村管线网络不断扩大，但整体发展仍面临诸多挑战，由于地理环境的限制，农村管线铺设范围广、线路长度大，给维护带来难度，由于资金投入有限，部分管线老化失修，安全隐患较大，再者，管线建设缺乏统一规划和技术标准，系统缺乏协调统一，此外农村地区专业人才缺乏，维护队伍建设滞后，技术力量薄弱，上述问题导致农村管线运营效率低下，供应可靠性差，亟需通过科学化、智能化的手段加以解决。

1.2传统管理模式缺陷

目前农村管线的运维管理主要依赖人工巡查和被动维修的模式，存在明显的滞后性和被动性，管理效率极低，人工巡检的时间和成本投入大，且存在盲区，难以对整个管网状态进行全面把控，被动维修响应滞后，无法及时发现和处理隐患，导致故障频发、损失加重，再者，管理数据化水平低，缺乏对历史运行数据的分析和利用，无法进行精准的状态评估和故障预测，此外管理模式缺乏智能化手段，过于依赖人力，工作强度大、效率低下，传统管理模式已无法满足现代化农村管线运维的要求，亟需通过新理念和新技术的应用来进行优化和创新。

2.智能化管理体系构建

2.1物联网感知层设计

为实现对农村管线的全面感知，需要构建覆盖全域的物联网感知层，该层采用多种传感器组网的方式，对管线的运行状态数据进行采集，压力传感器及流量计等用于监测管线内介质的压力及流量等动态参数;红外测温仪及腐蚀传感器等用于检测管线外部的温度、腐蚀等环境因素;光纤传感器用于检测管线的形变和位移;声发射传感器用于检测管线内部介质的泄漏和异常噪声等。上述各类传感器通过无线自组网技术互联，形成感知节点，并将采集数据通过无线传输技术上传至数据中心，视频监控系统被部署于重点区域，用于视觉监控。此外，无人机及卫星遥感等移动终端可被调度执行巡线任务，对管网进行全景扫描，提供三维视角数据以弥补固定节点的盲区，该物联网感知层可对管线的全生命周期数据进行实时采集，为智能化管理奠定数据基础。

在物联网感知层的传感器选型和布设上，需要满足覆盖全面、冗余备份的原则，根据管线介质的不同特性，需要部署相应的传感器组合，如对于输水管线，需重点监测压力、流量、水质等参数;对于输电线路，需重点监测温度、绝缘性能等参数，传感器的选型要满足抗干扰、防腐蚀、远传距离等要求，确保数据的准确性和可靠性。

在节点布设时，需要根据管线的走向、周边环境等因素进行合理规划，并遵循就近就地的原则，采取分布式部署。同时要预留一定冗余节点作为备份，以提高系统的容错能力，对于特殊地形或重点区域，可适当增加节点密度，提高监测精度。无线传输技术的选择需要考虑覆盖范围、带宽、抗干扰等因素，如窄带物联网技术(NB-IoT)具有远距离覆盖、低功耗等特点，适合于农村地区。而5G等新兴技术也可为未来升级预留接口。通过前述设计可以高效构建起覆盖全面及数据丰富的物联网感知层。对于视频监控系统和移动执行终端，需要针对不同应用场景选择合适的方案，视频监控可采用有线或无线网络传输技术并通过智能视频分析算法对视频画面进行识别和处理，发现异常情况无人机可搭载高清摄像头及红外热成像仪等传感器，执行管线及沿线的巡检任务，而卫星遥感则可提供区域级的管网全景图像，协助发现大面积的缺陷隐患。

上述各类感知设备将采集到的数据统一传输至物联网网关，网关通过5G、卫星通信等技术与云端数据中心连接实现端云协同，通过优化网络拓扑结构及引入边缘计算节点等方式，可以实现数据在边缘侧的分流处理，减轻数据传输压力，提升实时性能。同时，还需设计数据加密传输、安全认证等机制，确保数据的完整性和保密性。该物联网感知层旨在对管线全生命周期的状态数据进行全方位、高密度的采集，为数字孪生、预测性维护等智能化应用提供数据支撑，推动农村管线运维向智能化、自动化、精细化方向发展。

2.2大数据平台架构

为有效管理和利用海量的管线运行数据，需要构建集中式的大数据平台，该平台采用"云-边-端"结构，端侧为前述物联网感知层，边缘侧为就近部署的边缘计算节点，云端为大数据中心，端侧传感器将采集数据先传输至边缘节点，边缘节点对数据进行初步处理、融合和缓存，同时将关键数据上传至云端，云端大数据中心采用分布式架构，包括数据存储模块(Hadoop分布式文件系统)、实时计算模块(Storm/Spark流式处理)、批量处理模块(MapReduce)、数据分析挖掘模块等，平台支持对结构化、半结构化和非结构化数据(如视频、图像等)的处理。

通过大数据平台可实现对全网运行数据的汇总、存储和深度分析并输出分析结果，为管线全生命周期的智能化管理提供决策支持，该平台可与物联网感知层、运维管理系统及上位应用无缝集成，构建端到端的智能化管理体系。

3.智能化运维策略研究

3.1预警预测与故障诊断

基于物联网和大数据平台采集的海量运行数据，可借助人工智能和机器学习算法，实现对管线运行状态的智能预警预测和故障诊断。具体而言可以建立管线运行状态的数学模型，通过模型训练对正常模式下的运行数据进行学习形成正常工况的特征模式，在实际运行过程中，将实时采集的数据与正常模式进行对比，一旦发现异常偏离，就可以对异常程度进行量化评判从而提前预警潜在的故障隐患，同时通过分析数据的演变趋势，可以对未来的运行状态进行预测，为制定检修策略提供依据。

当故障发生时可以分析故障点前后的关键数据，对照历史故障案例库，运用机器学习算法快速定位故障发生的原因和位置，给出有针对性的维修方案，缩短故障处理时间，降低损失，对于复杂的故障情况，可借助专家系统对故障进行诊断分析，为科学决策提供支持。

3.2智能巡检与作业调度

基于物联网大数据平台获取的管线全景式运行数据，不仅可以减少传统人工巡检的工作量还可通过智能化手段优化巡检作业的调度，对于管线沿线的巡检任务，可通过风险评估模型，分析各线段发生故障的概率，对高风险线段适度增加巡检频次，对低风险线段适当减少巡检，实现精确化的"因临制宜"调度，提高工作效率。对于一些特殊环境的管线，可调度无人机、无人车等移动执行器执行远程视觉检查，减少人工作业的风险，对于一些需要断线检修的场景，通过对历史数据的分析可对检修时间、资源需求进行精准预判，提前做好物资准备和人员调配，提高作业效率。此外借助增强现实(AR)、虚拟现实(VR)等技术，可为现场作业人员提供实时指导，避免操作失误，确保作业的规范性和安全性，通过以上智能化手段的应用有助于优化资源调配，提升运维效率，降低运营成本。

结束语:

该研究基于新兴信息技术的应用，为农村管线的智能化管理提供了系统性方案，通过感知设施状态、分析运行数据实现资产全生命周期的高效监控和精细化管理，有助于降低运维成本，提高供应可靠性，促进农村基础设施现代化水平的提升，为乡村振兴战略贡献力量。

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