论城市管网智慧管理研究范畴与关键技术

高铁军,吴立新

(东北大学3S与数字矿山研究所,辽宁沈阳 110004）

论城市管网智慧管理研究范畴与关键技术

高铁军,吴立新

(东北大学3S与数字矿山研究所,辽宁沈阳 110004）

城市管网是城市正常运转的生命线和基础设施,管网信息管理系统是数字城市与数字矿山的重要组成部分。管网信息集成、共享应用与决策支持是智慧城市重要建设内容,实现城市管网智慧管理CPSM是城市管网管理必然趋势和发展方向。该文结合城市管网管理技术现状,明确了CPSM的内涵、基本特征;界定了CPSM的研究范畴,即标准体系、模型体系、核心数据库、门户集成平台、应用服务、智能分析与控制、网络与安全和智能传感器;提出了CPSM的关键技术,包括门户集成技术、Web服务技术、数据仓库技术、数据采集与传感器技术、网络通讯技术和软件智能技术;指明CPSM的研究方向,为城市管网智慧管理提供理论参考。

城市管网智慧管理;智慧城市;数字矿山;研究范畴;关键技术

城市管网主要包括电力、路灯、电车、交通信号、电信、联通、移动、网通、铁通、军用通讯、有线电视、热力、蒸汽、给水、热水、温泉、雨水、污水、中水、雨污合流、天然气、煤气、液化气、工业、乙炔、石油、氧气、氢气、人防、安防、综合管沟、不明管线等32类管线[1]。“数字管网”作为“数字城市”与“数字矿山”的重要组成部分,支持并延伸数字城市与数字矿山的建设与实施。近年来,我国许多城市相继建立了综合管网 GIS和各类专业管网 GIS,成功探索并实现了以城市精细化管理为目标,以城市基础设施包括城市管网为部件的网格化管理新模式[2],丰富并完善了“数字城市”建设内容。

管网部件基础设施和信息系统的成熟发展,推动并支持管网信息共享和集成应用建设进程。对城市管网资源进行Web集成、共享应用,并萃取专业模型、辅助决策支持,实现城市管网智慧管理(City Pipelines Smart Management,CPSM）是城市管网管理的必然趋势和发展方向。本文结合管网数字化管理技术现状及问题分析,从“智慧城市”角度提出了管网信息共享集成CPSM新模式,讨论了其内涵、基本特征、研究范畴及关键技术。

1 城市管网数字管理技术现状

20世纪90年代,美国率先提出了数字化管道的概念[3]。随着3S(RS、GPS、GIS）技术的推广与集成应用,城市管网管理已从CAD时代过渡到 GIS时代。主要特征为:数据采集从传统测量发展为以激光、雷达、红外等为代表的遥感采集;制图技术从数字地图时代发展为以 Geodatabase为代表的智能地图时代;管网应用从单一应用发展为集成应用;使用模式从桌面应用发展为网上应用。美国、加拿大、墨西哥、英国和意大利等国在管网数字化管理方面技术先进,如:美国BUCKEYE管道公司利用 GIS技术建立了管道管理系统,美国管道安全局建立了国家管道制图系统,意大利SNAM公司开发了SIGAS天然气管道工程GIS。

目前,我国数字管网的建设成果主要集中在信息基础设施建设和专业应用系统两方面。服务于管网管理的管网 GIS、数据采集与监视控制系统[4]、呼叫系统、营业收费系统以及 GPS车辆跟踪等管网专业管理信息系统,是不同开发商在不同时期、不同环境下、用不同技术独立开发的,是针对管网管理某一领域的专业应用系统,由于缺少统一的系统共享集成平台,无法实现管网深层次集成应用、高级分析、决策支持和智能控制。我国现行数字管网系统存在的主要问题有:1）信息孤岛:由于技术和基础架构先天不足,现有管网信息系统大多是孤岛型的应用,系统之间相互独立封闭,资源共享与集成应用困难。2）IT黑洞:现有管网信息系统多是采用面向技术的、业务无关的“原始”编程工具开发的,软件开发模式的落后使得信息系统的开发、维护、扩展和升级困难,导致IT黑洞普遍存在。3）决策支持功能弱:由于各类管网信息系统主要面向单一应用,其数据源和决策支持模型具有局限性。此外,空间基准不一致、数据语义不一致、数据尺度不一致等,也造成信息共享困难,影响决策支持。

2009年1月28日,IBM首席执行官彭明盛先生提出把传感器装备到日常生活中的各种物体当中,并且连接起来形成“物联网”;再通过超级计算机和云计算将“物联网”整合,实现网上数字地球与人类社会和物理系统的整合,形成“智慧地球”[5]。“智慧城市”是“智慧地球”的六大推广领域之一,“智慧管网”是“智慧城市”的重要部分和有机组成。目前,美国正在研制基于网络平台和云环境的管网GIS,通过网络平台提供透明、及时的应用服务[6],以此实现管网的用户化、大众化和智慧化。信息技术的发展使“数字城市”快速发展为“智慧城市”,促进并推动了“管网智慧化管理”理念的提出和CPSM的诞生,为我国现行数字管网问题的解决提供了有效途径。

2 城市管网智慧管理内涵与基本特征

紧随“智慧城市”建设步伐,科学统筹管网信息采集、数据处理、网络通讯、业务服务开发与集成、云计算、决策分析和智能控制,建立管网智慧管理CPSM新模式,是城市管网管理的发展方向和必然趋势。其内涵为:通过互联网,把植入管网设施的智能传感器连接起来形成物联网,实现物理管网的全面感知;利用云计算技术对感知信息进行智能处理和分析,实现网上“数字管网”与物联网的融合以及管网智能响应与决策支持。

城市管网智慧管理基本特征为:1）智能感知:智能传感器获取管网运行温度、压力、流量等工况参数,传感器CPU支持信息输入、输出和自我调节;如当阀门、调压器等智能设备发现工况异常时,可以自我调节,实现自愈[7],增强管网免疫力。2）网络互联:应用物联网、新一代移动宽带网络、互联网、云计算等新兴信息技术,实现管网设施与设施、设施与人、人与人的互联互通和相互感知。3）信息集成:集成平台支持管网数据资源服务、业务服务和调度服务的集成;支持多源数据、多业务、多环境的门户集成。4）决策分析:基于多源数据、模型库、应用业务服务链和专家知识库,通过云计算和演绎推理,实现管网智能分析与决策支持。

3 城市管网智慧管理研究范畴

城市管网智慧管理(CPSM）的研究内容主要包括:标准体系、模型体系、核心数据库、门户集成平台、应用服务、智能分析与控制、网络与安全和智能传感器,其组成结构与层次关系如图1。

图1 城市管网智慧管理研究内容及其相互关系Fig.1 Research contentsand its relations of CPSM

3.1 标准体系

标准体系既是数字城市建设的起点与保障,也是管网智慧管理的前提和关键。标准体系在遵循国标和行标的基础上,应进行补充、完善和修订。CPSM标准体系主要包含数据标准、系统标准、信息技术标准和应用标准。

(1）数据标准:用于规范数据定义、数据描述和数据处理[8]。CPSM数据标准包括:管网信息分类标准、管网数据格式标准、管网投影(坐标和高程）系统标准、管网数据分层和编码标准、城市地形数据分层和编码标准、1∶500(1∶1 000、1∶2 000）地形图图例标准、管网通用术语标准、专业数据标准、SCADA数据标准、DOM数据标准、DEM数据标准、数据传输标准、地名地址标准、元数据标准等。

(2）系统标准:是系统开发、建设和运行过程中应遵循的标准。CPSM系统标准主要包括:管网系统环境标准、管网数据交换标准、管网互操作标准、管网数据库设计标准、管网权限管理标准、管网Web服务标准、管网门户标准、管网界面设计标准、管网代码编写标准、管网系统测试标准、管网通讯标准、管网建模标准、管网系统维护标准等。

(3）信息技术标准:主要指主流的计算机技术标准和通讯标准,包括网络协议标准(TCP/IP、H TTP和H TTPS等）和Web服务标准(XML、SOAP、UDD I、WSDL、WFS、WM S、GML、KML、RIA、SILVERL IGHT、REST）等。

(4）应用标准:主要指与管网应用相关的技术规范与标准,包括管网规划、设计、施工、验收、归档、测试、安全等国家标准、行业标准和地方标准。

3.2 模型体系

模型是对现实世界的抽象,是系统分析的基础,可以通过建立管网模型集成服务链[9]来支持管网模型的高级应用。包括:数据模型、业务模型和分析模型。数据模型有管网数据模型、账务数据模型、SCADA数据模型、OA数据模型、CallCenter数据模型、腐蚀数据模型等;业务模型有抢修支持模型、工程管理模型、营业收费模型、办公业务模型等;分析模型有风险评估模型、资产评估模型、管网安全模型、网络分析模型、水动力模型、预警分析模型、灾害评估模型、腐蚀分析模型等。

3.3 核心数据库

核心数据库是管网信息数据仓库,支持并影响CPSM信息集成与共享应用,包括元数据库、地理数据库、规则库、模型库、管理库、业务库和知识库7大类。元数据库用于指导空间数据的组织、管理和归档,是网上在线数据分发和共享的索引[10];地理数据库用于存储DOM、DEM、地形、管网等地理数据;规则库用于定义业务规则和数据规则,它可以单独存储或存储在 Geodatabase中;模型库用于定义各种业务分析和决策支持模型,以及面向多业务应用的模型集成服务链;管理库用于门户平台的配置管理,支持平台的健壮性;业务库用于存储专业数据和工作流配置;知识库用于存储业务逻辑和推理知识,是管网智能分析的知识源。

3.4 门户集成平台

门户集成平台是企业信息服务总线 ESB,负责各种业务服务的运行与调度。“门(Portal）”是Web Portal,分为两大类:一类是面向公众的信息门户,包括商业信息门户(Commercial Po rtal）和公共信息发布门户(Publishing Portal）;另一类是服务于特殊团体的企业信息门户(Enterp rise Information Portal）。管网门户平台(图2）是一种企业信息门户,它遵循SOA的各种标准和规范[11],以网络方式集成和发布管网信息资源;同时,它也是一种以互联网技术为基础,利用多重计算技术和高性能系统[12]的地理信息门户平台,是实现CPSM的有效途径。

图2 管网信息门户Fig.2 Pipeline information portal of CPSM

管网门户平台基本功能:1）统一身份管理:实现统一用户资料管理与认证,用户无需申请多个账户和密码;2）统一权限管理:统一管理同一用户名在不同系统(服务）中的权限;3）统一访问入口:通过门户统一访问OA、CRM、ERP、GIS、SCADA、GPS等各种后台应用服务;4）统一界面风格:集成各种后台系统(服务）,提供统一的界面风格;5）内容管理:实现内容创建、发布、审批、地理处理,搜索个性化及工作流配置等;6）协同工作:通过多种方式如内部论坛、日程表、工作流、网上会议、即时通讯等,实现信息找人,而不是人找信息,提高工作效率;7）指令收发:各种控制指令下发到管网智能传感器,同时接收管网运行参数反馈值。

3.5 应用服务

应用服务是运行在管网门户平台中的业务单元,负责具体业务功能的实现。CPSM门户平台集成8大业务服务:管网地理信息服务、SCADA服务(水力建模服务[13]）、经营管理服务、客户呼叫服务、安全评估服务、工程项目管理服务、资产与设备管理服务、业务办公OA服务。各个业务服务之间相互依赖,并分别对应不同的业务部门(表1）。

表1 八大应用服务对应的业务部门Table 1 Eight business servicesand related departments

3.6 智能分析与控制

CPSM的主要目标是实现管网智能分析和自动控制。智能分析结果的质量取决于数据源的质量、分析模型的可靠性、高级计算的正确性及推理机的科学性。分析结果可以通过网络传输到智能传感器,控制传感器的运行与动作,实现管网的科学调度与运营。

3.7 网络与安全

泛在网络是实现城市管网智慧管理(CPSM）的基础设施,为管网信息的互联互通提供高性能网络环境。采集器、传感器获取的信息通过互联网、物联网、电信网、广电网、无线宽带传输到云端,在云端完成计算、分析、存储和分发。信息安全关系到国家安全,因此,需要研制具有自主知识产权的新一代安全网络,为管网信息高速传输、共享与集成应用提供安全、可靠、高性能的网络环境。

3.8 智能传感器

智能传感器是一种既有敏感元件又有信号处理线路和 CPU的传感器[14],是CPSM的触觉器官。研制开发适用于城市管网特点的管网智能传感器,不仅可以丰富智慧管网的信息源,而且可以实现管网设备的智能控制。如智能阀门接到调度中心关阀指令后,实现自动关阀,降低管网事故影响;智能阀门还可以将其运行状态、开启扣数等工况参数定时上传到调度中心。

4 城市管网智慧管理关键技术

CPSM关键技术包括门户集成技术、Web服务技术、数据仓库技术、数据采集和传感器技术、网络通讯技术以及软件智能技术。

(1）门户集成技术:门户技术是建立管网门户平台,实现管网信息共享与集成应用的核心技术,建议采用SOA构架(图3）,通过网络对松散耦合的粗粒度或细颗粒的SOA应用服务组件进行分布式部署、组合和调度。SOA组件(服务）之间通过简单、精确定义的接口进行通讯,不涉及底层编程接口和通讯模型[15],便于服务组件的挂接与卸载。门户平台中各种业务组件服务的主流技术,是一种新的Web应用程序分支,它向外界暴露能够通过Web进行调用的API,是自包含、自描述、模块化的应用,可以在网络中被描述、发布、查找及调用。

(3）数据仓库技术:针对管网信息的复杂性、海量性、不确定性、动态性以及多源、多精度、多时相、多尺度的特点,为统一管理和共享管网资源,使用数据仓库技术,建立面向主题的、集成的、不可更新的、随时间不断变化[16]的管网数据集合,丰富管网数据模型、业务模型、分析模型,实现管网数据挖掘、支持管网智能分析与高级应用。

(4）数据采集和传感器技术:主要指支持自动化和智能化的数据采集和通用适配器技术。包括感知、通信、自愈、抗干扰、误差补偿、分辨识别、信息融合和自控等传感器技术。智能传感器支持软件自动更新,保证传感器拥有最新的知识技能。通用适配器技术支持多种工业标准智能传感器的物联网接入。

(5）网络通讯技术:网络承载各种管网信息和控制指令的高效、稳定和安全传输。网络分为有线网络和无线网络,涉及的主要技术有光传输技术、卫星通信技术、无线通信和移动电话、宽频数字技术、因特网技术。影响网络通讯质量的主要指标是带宽、传输距离、抗噪性和稳定性[17]。

(6）软件智能技术:计算机软件技术已从面向对象发展为面向服务,并正从面向服务向智能模型方向发展。软件智能体(software agent）是驻留在复杂动态环境中的计算机系统,它们自觉地感知环境并作用于环境,从而实现设定的目标或任务[18]。城市管网智能体在管网分布式网络计算环境中感知并作用于管网环境,实现管网数据的智能获取、处理、存储、搜索、表现以及多重准则决策支持(M ultiple Criteria Decision Making,MCDM）[19]。管网智能体应具备利用空间知识进行推理和可进化两种基本能力。

图3 管网门户SOA的核心组件Fig.3 Key components of SOA in pipeline portal

5 结语

(2）Web服务技术:Web Service是构建运行于

门户、Web Service、数据仓库、网络通讯、智能传感器和软件智能技术的迅猛发展,支撑并推动了“智慧城市”的快速发展,同时促进了城市管网智慧管理CPSM新模式的诞生与应用。基于门户的CPSM是实现管网业务信息集成应用与智能分析的有效方法。通过对CPSM内涵、基本特征、研究内容和关键技术的讨论,明确了“智慧管网”的研究方向,为城市管网智慧化管理深入研究提供了理论依据。实现城市管网智慧管理,不仅可为城市管网的安全、稳定、高效运行提供技术保障,而且可提高管网信息社会服务质量,实现管网信息的透明化、大众化与智能化,并提升城市综合防灾减灾能力。

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On Research Domain and Key Technologies of City Pipeline Smart Management

GAO Tie-jun,WU Li-xin

(Institute for Geoinform atics and Digita l M ine Research,N ortheastern University,Shenyang 110004,China）

Being infrastructures of a city,city pipeline acts as city′s lifeline engineering and city pipeline management system is an impo rtant part of digital city.The integration of pipeline information,the app lication of shared data and the support for decision-making are the chief functions of smart city and it is a developing trend of city pipelinemanagement to realize city pipeline smartmanagement(CPSM）to meet the sharing and integrating demands.On an overview of city pipeline management system and its weakness,the paper defined the meanings of CPSM,exp lained the four main characters of CPSM including intelligence sensing,interlink and intercommunication,resources-integrating and decision-making.Meanw hile,the paper analyzed the research domains of CPSM including standards,models,key databases,po rtal p latfo rm,services,w ise analysis and controls,netwo rk and security,and smart senso rs in detail.Furthermo re,the key technologiesof CPSM such as portal integration,web services,data warehouse,data collection and sensors,communication network and software agent were p resented and discussed in the paper.Thesemake the basic theo riesof CPSM and declare the research directions of it.

city pipeline smartmanagement;smart city;digitalmine;research domain;key technologies

P208

A

1672-0504(2011）04-0019-05

2011-02-28;

2011-04-25

国家杰出青年基金课题(50525414）

高铁军(1969-）,男,博士后,从事城市 GIS、管网 GIS研究。E-mail:gtjcock@sina.com