物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的管線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉源 張博群 李宗鑫

摘 要：地下管網(wǎng)在城市運(yùn)行生產(chǎn)中起著關(guān)鍵性作用，其為城市的建設(shè)提供相應(yīng)的信息和能源運(yùn)輸。為滿(mǎn)足智慧城市和孿生城市的建設(shè)需求，提高城市信息化、智能化建設(shè)水平，需要加強(qiáng)對(duì)城市地下管網(wǎng)的監(jiān)控和管理。物聯(lián)感知下的管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)將物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件、通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)進(jìn)行合理化的組合應(yīng)用，使物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集到的管網(wǎng)狀態(tài)信息能夠準(zhǔn)確的傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)管理平臺(tái)，業(yè)務(wù)管理平臺(tái)通過(guò)分析計(jì)算能夠準(zhǔn)確的感知地下管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)控管理。管理人員通過(guò)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)能夠及時(shí)準(zhǔn)確的掌握城市地下管網(wǎng)的情況，確保城市地下管線(xiàn)的安全運(yùn)行，為城市的穩(wěn)定發(fā)展保駕護(hù)航。

關(guān)鍵詞：智慧城市;物聯(lián)網(wǎng);大數(shù)據(jù);管網(wǎng)監(jiān)控;云計(jì)算;NB-IoT數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）05-0-03

0 引 言

相關(guān)研究表明，在城市諸多能耗損失指標(biāo)中，城市地下管網(wǎng)消耗的能源占有極大比重，目前已成為我國(guó)城市建設(shè)進(jìn)一步發(fā)展的重要制約因素。因此需對(duì)地下管網(wǎng)信息進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)和分析，依靠大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)建立立體化監(jiān)控管理體系，支撐我國(guó)城市各級(jí)管理單位對(duì)地下管網(wǎng)運(yùn)行狀況的監(jiān)控管理，為城市的管理規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

1 管網(wǎng)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)體系總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一部分，智慧城市和孿生城市的建設(shè)離不開(kāi)管網(wǎng)的智能化改造。管網(wǎng)要達(dá)到智慧的狀態(tài)，需要實(shí)時(shí)地掌握管網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行情況和狀態(tài)信息。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)提供相應(yīng)的決策和應(yīng)急處置方案，將不同種類(lèi)的管網(wǎng)分成不同的管理要素，通過(guò)在管網(wǎng)中安裝智能傳感器設(shè)備監(jiān)測(cè)管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心。管網(wǎng)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備可以看成是整個(gè)體系架構(gòu)中的感覺(jué)器官，用于識(shí)別和采集管網(wǎng)上的狀態(tài)信息。物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備主要包括管網(wǎng)狀態(tài)采集傳感器、井蓋位置傳感器等。通過(guò)對(duì)管網(wǎng)中壓力、流量、氣體濃度等狀態(tài)信息的監(jiān)測(cè)，能夠了解管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。

（1）傳輸層可以看成是提供信息傳遞的神經(jīng)系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備采集到的管網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)層。由于管網(wǎng)分布分散，采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟季€(xiàn)復(fù)雜，費(fèi)用較高，而采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸比較合理。推薦采用目前主流的4G網(wǎng)絡(luò)或NB-IoT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（2）支撐層提供整個(gè)管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（3）服務(wù)層可以看成是信息的存儲(chǔ)系統(tǒng)，服務(wù)層對(duì)下接收傳輸層的傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)上根據(jù)應(yīng)用層系統(tǒng)需求提供系統(tǒng)分析運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)。

（4）應(yīng)用層是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的中樞大腦，是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制的關(guān)鍵，用于對(duì)底層傳感器數(shù)據(jù)的智能分析，負(fù)責(zé)管網(wǎng)信息的處理、挖掘、共享，為管理人員提供準(zhǔn)確的分析結(jié)果，為對(duì)城市地下管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警和輔助分析提供支撐。

2 物聯(lián)網(wǎng)管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)感知層是物聯(lián)網(wǎng)管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，需要根據(jù)管網(wǎng)監(jiān)控的需求，針對(duì)不同類(lèi)型的管線(xiàn)選擇不同的傳感器設(shè)備。依據(jù)《管線(xiàn)要素分類(lèi)代碼與符號(hào)表達(dá)》要求，將城市管線(xiàn)分為電力管線(xiàn)、電信管線(xiàn)、給水管線(xiàn)、排水管線(xiàn)、燃?xì)夤芫€(xiàn)、熱力管線(xiàn)、工業(yè)管線(xiàn)、綜合管溝（廊）以及其他城市管線(xiàn)

9大類(lèi)。對(duì)于管線(xiàn)中運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)及對(duì)城市發(fā)展建設(shè)的重要性，有針對(duì)性的根據(jù)管線(xiàn)性質(zhì)選擇傳感器類(lèi)型。具體管線(xiàn)傳感器類(lèi)型選擇見(jiàn)表1所列。其中電信管線(xiàn)、工業(yè)管線(xiàn)、綜合管溝（廊）以及其他城市管線(xiàn)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

2.2 傳輸層設(shè)計(jì)

傳輸層負(fù)責(zé)將物聯(lián)網(wǎng)感知層采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)向上傳輸。城市地下管網(wǎng)分布廣泛，管網(wǎng)監(jiān)測(cè)傳感器種類(lèi)多和數(shù)量較大，使用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨覆粌H成本高，還給后期的運(yùn)維工作帶來(lái)很多困難。使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳感器采集數(shù)據(jù)傳輸是最經(jīng)濟(jì)高效的數(shù)據(jù)傳輸手段。目前市場(chǎng)上主流的無(wú)線(xiàn)傳輸方式為4G和NB-IoT，可依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際覆蓋情況進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)的選擇。

2.3 支撐層設(shè)計(jì)

支撐層在整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中起著承上啟下的作用，支撐層對(duì)下接收傳輸層傳輸上來(lái)的傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)上為服務(wù)層和應(yīng)用層提供基礎(chǔ)的硬件環(huán)境支撐。支撐層為整個(gè)系統(tǒng)提供安全防護(hù)保障，確保系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中安全和穩(wěn)定。

2.4 服務(wù)層設(shè)計(jì)

服務(wù)層主要是用于存儲(chǔ)各種系統(tǒng)運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)種類(lèi)和應(yīng)用范圍的不同，將服務(wù)層劃分為三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，分別是地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.4.1 地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)

地上設(shè)施：主要包括數(shù)字線(xiàn)劃圖數(shù)據(jù)（DLG）、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（DEM）、數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)（DOM）、數(shù)字柵格圖數(shù)據(jù)（DRG），為所有城市管理職能管理部門(mén)提供統(tǒng)一的空間定位和空間分析的基礎(chǔ)地理單元。

地下管線(xiàn)：包括地下管網(wǎng)的地理位置信息、埋深、材質(zhì)、埋設(shè)年限、附屬設(shè)施、權(quán)屬類(lèi)型及其它屬性信息等全過(guò)程監(jiān)管信息。

地名地址：地名地址數(shù)據(jù)是國(guó)家信息化建設(shè)的重要基礎(chǔ)，在國(guó)家信息化體系中，地名地址是不可或缺的重要節(jié)點(diǎn)和橋梁，在信息傳遞中發(fā)揮著重要作用。

2.4.2 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)

位置信息數(shù)據(jù)：通過(guò)GPS/北斗導(dǎo)航定位等技術(shù)獲取的移動(dòng)終端的位置信息數(shù)據(jù)，可用于對(duì)巡檢人員、維修搶險(xiǎn)人員的督察檢查，可用于對(duì)應(yīng)急車(chē)輛的定位與調(diào)度等。

傳感器數(shù)據(jù)：通過(guò)壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器等傳感器設(shè)備監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，傳感信息數(shù)據(jù)的獲取不僅為上層應(yīng)用系統(tǒng)的分析提供數(shù)據(jù)支撐，還方便管理人員對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控、維護(hù)及管理工作。

視頻數(shù)據(jù)：實(shí)現(xiàn)接入所有視頻資源的統(tǒng)一登錄查看，提高城市視頻監(jiān)管效能。由于視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所占用的存儲(chǔ)較大，需根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際情況對(duì)視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)周期和硬件存儲(chǔ)設(shè)備容量進(jìn)行合理的估算。

2.4.3 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)

營(yíng)收數(shù)據(jù)：針對(duì)營(yíng)收業(yè)務(wù)的信息管理，根據(jù)用戶(hù)的使用特點(diǎn)，可以根據(jù)用戶(hù)需求實(shí)行階梯式收費(fèi)，并且包含特殊用戶(hù)減免費(fèi)用、商業(yè)使用等的價(jià)格信息。

資產(chǎn)數(shù)據(jù)：實(shí)現(xiàn)對(duì)所管理的各種物資情況進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)。資產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)與上層應(yīng)用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的不斷更新。

應(yīng)急保障數(shù)據(jù)：基于歷史應(yīng)急事件信息，建設(shè)管網(wǎng)應(yīng)急事件類(lèi)、應(yīng)急預(yù)案類(lèi)、應(yīng)急事故等級(jí)類(lèi)等事件數(shù)據(jù)庫(kù)。在管網(wǎng)應(yīng)急搶險(xiǎn)維修過(guò)程中涉及的數(shù)據(jù)，包含事故應(yīng)急過(guò)程中生成的事故相關(guān)位置圖、事故圖片、文字信息、應(yīng)急調(diào)度指揮所需的應(yīng)急預(yù)案、搶險(xiǎn)過(guò)程中需求的應(yīng)急物資信息等。

2.5 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

2.5.1 運(yùn)維管理平臺(tái)

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)集地圖基本操作、圖層控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)下載等功能于一體;實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)的質(zhì)檢、入庫(kù)、更新及對(duì)工程文件的一般性操作，常規(guī)的視圖操作;為數(shù)據(jù)的日常維護(hù)，管網(wǎng)數(shù)據(jù)更新，管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

運(yùn)維管理子系統(tǒng)：主要面對(duì)的對(duì)象是系統(tǒng)管理員，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)登錄、用戶(hù)管理、權(quán)限管理、日志管理等功能，達(dá)到快捷完成工作人員權(quán)限變動(dòng)等日常維護(hù)工作，能夠方便系統(tǒng)管理人員調(diào)整系統(tǒng)使之適應(yīng)用戶(hù)變化的需求。

2.5.2 業(yè)務(wù)管理平臺(tái)

一張圖展示子系統(tǒng)：提供了基于二維管網(wǎng)地圖的基礎(chǔ)應(yīng)用操作，主要包括二維管網(wǎng)基本信息的瀏覽查看功能，如放大、縮小、漫游、左旋、右旋、上仰、下俯、放大、縮小、全圖、俯視、復(fù)位等;基于不同屬性的管網(wǎng)信息的單一查詢(xún)和綜合查詢(xún)功能，如管徑、材質(zhì)、修建年限、關(guān)鍵字、模糊查詢(xún)和精確查詢(xún)等;還包括分類(lèi)和分段統(tǒng)計(jì)，如根據(jù)管線(xiàn)的點(diǎn)性質(zhì)、管線(xiàn)材質(zhì)以及管線(xiàn)管徑分類(lèi)等進(jìn)行的統(tǒng)計(jì);提供橫、縱剖面分析、緩沖區(qū)分析以及垂直凈距、水平凈距等輔助規(guī)劃功能。通過(guò)管線(xiàn)基礎(chǔ)應(yīng)用系統(tǒng)，用戶(hù)可以完成基本的二維地圖信息的基本操作功能。

自動(dòng)化辦公子系統(tǒng)：為內(nèi)部辦公提供實(shí)時(shí)信息發(fā)布、行業(yè)動(dòng)態(tài)、通知公告、公文流轉(zhuǎn)、辦公郵件、即時(shí)通訊、數(shù)據(jù)分析等功能支撐。實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息的實(shí)時(shí)更新、快速查詢(xún)、動(dòng)態(tài)管理、互通互聯(lián)，提高辦公自動(dòng)化水平。

資產(chǎn)管理子系統(tǒng)：基于數(shù)字電子地圖之上的資源管理系統(tǒng)，以基礎(chǔ)地理圖庫(kù)和供水資源設(shè)施圖庫(kù)為背景，以準(zhǔn)確可靠的供水管理資源屬性數(shù)據(jù)為依據(jù)，查詢(xún)分析，統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，維護(hù)管理各種供水資源，為企業(yè)的經(jīng)營(yíng)決策提供詳實(shí)、準(zhǔn)確、可信的科學(xué)依據(jù)。實(shí)現(xiàn)管線(xiàn)、設(shè)備、車(chē)輛、物資等供水資產(chǎn)的統(tǒng)一調(diào)度管理。

巡檢養(yǎng)護(hù)子系統(tǒng)：針對(duì)市區(qū)內(nèi)管道和山區(qū)管道的智能巡檢分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要由PC（B/S結(jié)構(gòu)）端和移動(dòng)端組成，主要解決傳統(tǒng)人工巡檢不到位、無(wú)法確定管線(xiàn)位置、遺漏巡檢點(diǎn)、數(shù)據(jù)保存不完整、不準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。系統(tǒng)將巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，達(dá)到數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)共享，減少人員的重復(fù)性勞動(dòng)，提高資源的利用率和工作效率的目的。

智能監(jiān)控管理子系統(tǒng)：是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，運(yùn)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)展示、預(yù)警等功能，為用戶(hù)提供對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)展示、預(yù)警提示等決策輔助信息，提高對(duì)管網(wǎng)的管理水平。

應(yīng)急管理子系統(tǒng)：除了滿(mǎn)足搶險(xiǎn)資源的日常維護(hù)管理以外，在應(yīng)急事件發(fā)生時(shí)系統(tǒng)可通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，根據(jù)部門(mén)、人員、車(chē)輛、設(shè)備、地點(diǎn)等綜合的物資信息進(jìn)行科學(xué)分析，評(píng)估出最合理的資源調(diào)度方案，與此同時(shí)自動(dòng)完成工單派發(fā)、接單等業(yè)務(wù)的流轉(zhuǎn)，以“無(wú)紙化”代替“人為化”，大幅度節(jié)省應(yīng)急處置前的準(zhǔn)備時(shí)間。

營(yíng)收子系統(tǒng)：解決傳統(tǒng)的手工抄表，按戶(hù)收費(fèi)等落后的經(jīng)營(yíng)方式，建立覆蓋營(yíng)銷(xiāo)、計(jì)量、抄表、收費(fèi)、票據(jù)等一系列業(yè)務(wù)，具有業(yè)務(wù)辦理、用量管理、費(fèi)用管理、賬務(wù)管理、票據(jù)管理、營(yíng)收?qǐng)?bào)表等功能。支持遠(yuǎn)傳自動(dòng)抄表替代傳統(tǒng)手工抄表，對(duì)抄收率統(tǒng)計(jì)以及遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)的曲線(xiàn)智能分析。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究利用和依靠大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)不同規(guī)模的管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，針對(duì)不同管網(wǎng)的監(jiān)控技術(shù)和監(jiān)控指標(biāo)等多種類(lèi)多數(shù)據(jù)源信息，有目標(biāo)性的進(jìn)行管網(wǎng)信息的優(yōu)化采集、高性能的數(shù)據(jù)傳輸和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合。建立立體化的監(jiān)控管理體系，并在此基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，支撐我國(guó)城市各級(jí)管理單位對(duì)地下管網(wǎng)運(yùn)行狀況的監(jiān)控管理，為地下管網(wǎng)的全生命周期管理提供可靠的輔助決策支持，為城市的管理規(guī)劃提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]王亞麗.城市管網(wǎng)信息化管理與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[J].城市勘察，2018（11）：332-336.

[2]舒詩(shī)湖，何文杰，趙明，等.供水管網(wǎng)漏失檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].給水排水，2018（6）：114-116.

[3]郭寶，劉毅，張揚(yáng).NB-IoT組網(wǎng)規(guī)劃分析[J].移動(dòng)通信，2018，42

（3）：48-53.

[4]王春蓮.智慧城市中物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（13）：8-9.

[5]荊靈玲，張峰瑜.基于GIS的供熱管網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究[J].城市勘測(cè)，2018（11）：296-297.

[6]畢亭亭，孟磊磊.智能燃?xì)夤芫W(wǎng)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)探析[J].黑龍江科

學(xué)，2018，（5）：132-133.

[7]張文.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字市政應(yīng)用[J].科技視界，2015（2）：76.

[8]張曉光.將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于城市地下管線(xiàn)管理[J].測(cè)繪通報(bào)，2013（10）：67-68.

[9]章光旭，陳明智，毛五星，等.基于RFID/GIS的城市地下管網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2018（3）：126-130.

[10]崔陽(yáng)，王華.基于GIS的城市地下管線(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005（36）：230-232.

[11]古永生.關(guān)于智慧城市地下管網(wǎng)信息綜合管理系統(tǒng)研究[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2017（6）：97.