物聯網技術下的管線監控系統設計

劉源 張博群 李宗鑫

摘 要：地下管網在城市運行生產中起著關鍵性作用，其為城市的建設提供相應的信息和能源運輸。為滿足智慧城市和孿生城市的建設需求，提高城市信息化、智能化建設水平，需要加強對城市地下管網的監控和管理。物聯感知下的管網監控系統頂層設計將物聯網傳感器技術與計算機軟件、通信數據傳輸等技術進行合理化的組合應用，使物聯網傳感器采集到的管網狀態信息能夠準確的傳輸到業務管理平臺，業務管理平臺通過分析計算能夠準確的感知地下管網的運行狀態，并進行相應的調控管理。管理人員通過業務管理平臺能夠及時準確的掌握城市地下管網的情況，確保城市地下管線的安全運行，為城市的穩定發展保駕護航。

關鍵詞：智慧城市;物聯網;大數據;管網監控;云計算;NB-IoT數據庫

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-0-03

0 引 言

相關研究表明，在城市諸多能耗損失指標中，城市地下管網消耗的能源占有極大比重，目前已成為我國城市建設進一步發展的重要制約因素。因此需對地下管網信息進行全方位監測和分析，依靠大數據、物聯網、云計算等先進技術建立立體化監控管理體系，支撐我國城市各級管理單位對地下管網運行狀況的監控管理，為城市的管理規劃提供數據支撐。

1 管網監控物聯網體系總體架構設計

管網監控系統是城市基礎設施建設的一部分，智慧城市和孿生城市的建設離不開管網的智能化改造。管網要達到智慧的狀態，需要實時地掌握管網監控設備的運行情況和狀態信息。通過大數據分析和云計算等先進技術提供相應的決策和應急處置方案，將不同種類的管網分成不同的管理要素，通過在管網中安裝智能傳感器設備監測管網的運行狀態，并通過無線傳輸設備將采集到的數據傳輸至數據中心。管網監控物聯網體系結構如圖1所示。

物聯網感知設備可以看成是整個體系架構中的感覺器官，用于識別和采集管網上的狀態信息。物聯網感知設備主要包括管網狀態采集傳感器、井蓋位置傳感器等。通過對管網中壓力、流量、氣體濃度等狀態信息的監測，能夠了解管網的運行狀態。

（1）傳輸層可以看成是提供信息傳遞的神經系統，將物聯網感知設備采集到的管網狀態數據傳輸至服務層。由于管網分布分散，采用有線網絡進行數據傳輸的布線復雜，費用較高，而采用無線網絡進行數據傳輸比較合理。推薦采用目前主流的4G網絡或NB-IoT網絡進行數據傳輸。

（2）支撐層提供整個管網監控系統的運行環境，保障系統的正常運行。

（3）服務層可以看成是信息的存儲系統，服務層對下接收傳輸層的傳感器監測數據，對上根據應用層系統需求提供系統分析運行所需要的數據。

（4）應用層是整個系統運行的中樞大腦，是整個系統實現智能控制的關鍵，用于對底層傳感器數據的智能分析，負責管網信息的處理、挖掘、共享，為管理人員提供準確的分析結果，為對城市地下管網的監測預警和輔助分析提供支撐。

2 物聯網管網監控系統設計

2.1 物聯網感知層設計

物聯網感知層是物聯網管網監控系統的基礎，需要根據管網監控的需求，針對不同類型的管線選擇不同的傳感器設備。依據《管線要素分類代碼與符號表達》要求，將城市管線分為電力管線、電信管線、給水管線、排水管線、燃氣管線、熱力管線、工業管線、綜合管溝（廊）以及其他城市管線

9大類。對于管線中運輸的介質及對城市發展建設的重要性，有針對性的根據管線性質選擇傳感器類型。具體管線傳感器類型選擇見表1所列。其中電信管線、工業管線、綜合管溝（廊）以及其他城市管線可根據實際情況進行針對性設計。

2.2 傳輸層設計

傳輸層負責將物聯網感知層采集的監測數據向上傳輸。城市地下管網分布廣泛，管網監測傳感器種類多和數量較大，使用有線網絡進行數據傳輸的方案不僅成本高，還給后期的運維工作帶來很多困難。使用無線網絡進行傳感器采集數據傳輸是最經濟高效的數據傳輸手段。目前市場上主流的無線傳輸方式為4G和NB-IoT，可依據網絡的實際覆蓋情況進行無線傳輸網絡的選擇。

2.3 支撐層設計

支撐層在整個系統架構中起著承上啟下的作用，支撐層對下接收傳輸層傳輸上來的傳感器數據，對上為服務層和應用層提供基礎的硬件環境支撐。支撐層為整個系統提供安全防護保障，確保系統運行過程中安全和穩定。

2.4 服務層設計

服務層主要是用于存儲各種系統運行所需要的數據。根據數據種類和應用范圍的不同，將服務層劃分為三個數據庫，分別是地理信息數據庫、動態數據庫和業務數據庫。

2.4.1 地理信息數據庫

地上設施：主要包括數字線劃圖數據（DLG）、數字高程模型數據（DEM）、數字正射影像數據（DOM）、數字柵格圖數據（DRG），為所有城市管理職能管理部門提供統一的空間定位和空間分析的基礎地理單元。

地下管線：包括地下管網的地理位置信息、埋深、材質、埋設年限、附屬設施、權屬類型及其它屬性信息等全過程監管信息。

地名地址：地名地址數據是國家信息化建設的重要基礎，在國家信息化體系中，地名地址是不可或缺的重要節點和橋梁，在信息傳遞中發揮著重要作用。

2.4.2 動態數據庫

位置信息數據：通過GPS/北斗導航定位等技術獲取的移動終端的位置信息數據，可用于對巡檢人員、維修搶險人員的督察檢查，可用于對應急車輛的定位與調度等。

傳感器數據：通過壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器等傳感器設備監測到的實時狀態的數據，傳感信息數據的獲取不僅為上層應用系統的分析提供數據支撐，還方便管理人員對管網進行實時的監控、維護及管理工作。

視頻數據：實現接入所有視頻資源的統一登錄查看，提高城市視頻監管效能。由于視頻數據存儲所占用的存儲較大，需根據應用的實際情況對視頻數據的存儲周期和硬件存儲設備容量進行合理的估算。

2.4.3 業務數據庫

營收數據：針對營收業務的信息管理，根據用戶的使用特點，可以根據用戶需求實行階梯式收費，并且包含特殊用戶減免費用、商業使用等的價格信息。

資產數據：實現對所管理的各種物資情況進行分類存儲、統計。資產數據通過與上層應用系統間的數據交換，實現數據的不斷更新。

應急保障數據：基于歷史應急事件信息，建設管網應急事件類、應急預案類、應急事故等級類等事件數據庫。在管網應急搶險維修過程中涉及的數據，包含事故應急過程中生成的事故相關位置圖、事故圖片、文字信息、應急調度指揮所需的應急預案、搶險過程中需求的應急物資信息等。

2.5 應用層設計

2.5.1 運維管理平臺

數據管理子系統：數據管理子系統集地圖基本操作、圖層控制、數據處理、數據更新、數據下載等功能于一體;實現對管網普查數據的質檢、入庫、更新及對工程文件的一般性操作，常規的視圖操作;為數據的日常維護，管網數據更新，管網系統應用等提供基礎數據支持。

運維管理子系統：主要面對的對象是系統管理員，實現單點登錄、用戶管理、權限管理、日志管理等功能，達到快捷完成工作人員權限變動等日常維護工作，能夠方便系統管理人員調整系統使之適應用戶變化的需求。

2.5.2 業務管理平臺

一張圖展示子系統：提供了基于二維管網地圖的基礎應用操作，主要包括二維管網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、復位等;基于不同屬性的管網信息的單一查詢和綜合查詢功能，如管徑、材質、修建年限、關鍵字、模糊查詢和精確查詢等;還包括分類和分段統計，如根據管線的點性質、管線材質以及管線管徑分類等進行的統計;提供橫、縱剖面分析、緩沖區分析以及垂直凈距、水平凈距等輔助規劃功能。通過管線基礎應用系統，用戶可以完成基本的二維地圖信息的基本操作功能。

自動化辦公子系統：為內部辦公提供實時信息發布、行業動態、通知公告、公文流轉、辦公郵件、即時通訊、數據分析等功能支撐。實現基礎信息的實時更新、快速查詢、動態管理、互通互聯，提高辦公自動化水平。

資產管理子系統：基于數字電子地圖之上的資源管理系統，以基礎地理圖庫和供水資源設施圖庫為背景，以準確可靠的供水管理資源屬性數據為依據，查詢分析，統計預測，維護管理各種供水資源，為企業的經營決策提供詳實、準確、可信的科學依據。實現管線、設備、車輛、物資等供水資產的統一調度管理。

巡檢養護子系統：針對市區內管道和山區管道的智能巡檢分別進行設計。主要由PC（B/S結構）端和移動端組成，主要解決傳統人工巡檢不到位、無法確定管線位置、遺漏巡檢點、數據保存不完整、不準確、數據丟失等問題。系統將巡檢數據進行統一管理，達到數據信息的實時共享，減少人員的重復性勞動，提高資源的利用率和工作效率的目的。

智能監控管理子系統：是整個物聯網管網監控系統的核心，運用實時數據、歷史數據以及報警信息，實現管網運行狀態展示、預警等功能，為用戶提供對管網運行的實時監測展示、預警提示等決策輔助信息，提高對管網的管理水平。

應急管理子系統：除了滿足搶險資源的日常維護管理以外，在應急事件發生時系統可通過大數據分析技術，根據部門、人員、車輛、設備、地點等綜合的物資信息進行科學分析，評估出最合理的資源調度方案，與此同時自動完成工單派發、接單等業務的流轉，以“無紙化”代替“人為化”，大幅度節省應急處置前的準備時間。

營收子系統：解決傳統的手工抄表，按戶收費等落后的經營方式，建立覆蓋營銷、計量、抄表、收費、票據等一系列業務，具有業務辦理、用量管理、費用管理、賬務管理、票據管理、營收報表等功能。支持遠傳自動抄表替代傳統手工抄表，對抄收率統計以及遠傳數據的曲線智能分析。

3 結 語

本文研究利用和依靠大數據、物聯網、云計算等先進技術，根據不同規模的管網監控系統，針對不同管網的監控技術和監控指標等多種類多數據源信息，有目標性的進行管網信息的優化采集、高性能的數據傳輸和多源異構數據的整合。建立立體化的監控管理體系，并在此基礎上，利用大數據挖掘技術對海量監測數據進行數據挖掘，支撐我國城市各級管理單位對地下管網運行狀況的監控管理，為地下管網的全生命周期管理提供可靠的輔助決策支持，為城市的管理規劃提供有力的數據支撐。

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