摘 要：地下管網(wǎng)在城市運行生產(chǎn)中起著關(guān)鍵性作用，其為城市的建設(shè)提供相應(yīng)的信息和能源運輸。為滿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，需要加強對城市地下管網(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)計將物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)與計算機軟件、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，業(yè)務(wù)管理平臺通過分析計算能夠準(zhǔn)確的感知地下管網(wǎng)的運行狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)控管理。管理人員通過業(yè)務(wù)管理平臺能夠及時準(zhǔn)確的掌握城市地下管網(wǎng)的情況，確保城市地下管線的安全運行，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;云計算;NB-IoT數(shù)據(jù)庫

　　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，目前已成為我國城市建設(shè)進(jìn)一步發(fā)展的重要制約因素。因此需對地下管網(wǎng)信息進(jìn)行全方位監(jiān)測和分析，依靠大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等先進(jìn)技術(shù)建立立體化監(jiān)控管理體系，支撐我國城市各級管理單位對地下管網(wǎng)運行狀況的監(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

　　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)，需要實時地掌握管網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備的運行情況和狀態(tài)信息。通過大數(shù)據(jù)分析和云計算等先進(jìn)技術(shù)提供相應(yīng)的決策和應(yīng)急處置方案，將不同種類的管網(wǎng)分成不同的管理要素，通過在管網(wǎng)中安裝智能傳感器設(shè)備監(jiān)測管網(wǎng)的運行狀態(tài)，并通過無線傳輸設(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)備可以看成是整個體系架構(gòu)中的感覺器官，用于識別和采集管網(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。通過對管網(wǎng)中壓力、流量、氣體濃度等狀態(tài)信息的監(jiān)測，能夠了解管網(wǎng)的運行狀態(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，采用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟季€復(fù)雜，費用較高，而采用無線網(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)支撐層提供整個管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的運行環(huán)境，保障系統(tǒng)的正常運行。

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

　　(4)應(yīng)用層是整個系統(tǒng)運行的中樞大腦，是整個系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制的關(guān)鍵，用于對底層傳感器數(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，為對城市地下管網(wǎng)的監(jiān)測預(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

　　2.1 物聯(lián)網(wǎng)感知層設(shè)計

　　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，針對不同類型的管線選擇不同的傳感器設(shè)備。依據(jù)《管線要素分類代碼與符號表達(dá)》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?xì)夤芫€、熱力管線、工業(yè)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?shù)慕橘|(zhì)及對城市發(fā)展建設(shè)的重要性，有針對性的根據(jù)管線性質(zhì)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(yè)管線、綜合管溝(廊)以及其他城市管線可根據(jù)實際情況進(jìn)行針對性設(shè)計。

　　2.2 傳輸層設(shè)計

　　傳輸層負(fù)責(zé)將物聯(lián)網(wǎng)感知層采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)向上傳輸。城市地下管網(wǎng)分布廣泛，管網(wǎng)監(jiān)測傳感器種類多和數(shù)量較大，使用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨覆粌H成本高，還給后期的運維工作帶來很多困難。使用無線網(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。目前市場上主流的無線傳輸方式為4G和NB-IoT，可依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實際覆蓋情況進(jìn)行無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的選擇。

　　2.3 支撐層設(shè)計

　　支撐層在整個系統(tǒng)架構(gòu)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(shù)據(jù)，對上為服務(wù)層和應(yīng)用層提供基礎(chǔ)的硬件環(huán)境支撐。支撐層為整個系統(tǒng)提供安全防護(hù)保障，確保系統(tǒng)運行過程中安全和穩(wěn)定。

　　2.4 服務(wù)層設(shè)計

　　服務(wù)層主要是用于存儲各種系統(tǒng)運行所需要的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)種類和應(yīng)用范圍的不同，將服務(wù)層劃分為三個數(shù)據(jù)庫，分別是地理信息數(shù)據(jù)庫、動態(tài)數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。

　　2.4.1 地理信息數(shù)據(jù)庫

　　地上設(shè)施：主要包括數(shù)字線劃圖數(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：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)屬類型及其它屬性信息等全過程監(jiān)管信息。

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

　　2.4.2 動態(tài)數(shù)據(jù)庫

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

　　傳感器數(shù)據(jù)：通過壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器等傳感器設(shè)備監(jiān)測到的實時狀態(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，還方便管理人員對管網(wǎng)進(jìn)行實時的監(jiān)控、維護(hù)及管理工作。

　　視頻數(shù)據(jù)：實現(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)存儲所占用的存儲較大，需根據(jù)應(yīng)用的實際情況對視頻數(shù)據(jù)的存儲周期和硬件存儲設(shè)備容量進(jìn)行合理的估算。

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