物联网技术下的管线监控系统设计

刘源 张博群 李宗鑫

摘 要：地下管网在城市运行生产中起着关键性作用，其为城市的建设提供相应的信息和能源运输。为满足智慧城市和孪生城市的建设需求，提高城市信息化、智能化建设水平，需要加强对城市地下管网的监控和管理。物联感知下的管网监控系统顶层设计将物联网传感器技术与计算机软件、通信数据传输等技术进行合理化的组合应用，使物联网传感器采集到的管网状态信息能够准确的传输到业务管理平台，业务管理平台通过分析计算能够准确的感知地下管网的运行状态，并进行相应的调控管理。管理人员通过业务管理平台能够及时准确的掌握城市地下管网的情况，确保城市地下管线的安全运行，为城市的稳定发展保驾护航。

关键词：智慧城市;物联网;大数据;管网监控;云计算;NB-IoT数据库

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）05-0-03

0 引 言

相关研究表明，在城市诸多能耗损失指标中，城市地下管网消耗的能源占有极大比重，目前已成为我国城市建设进一步发展的重要制约因素。因此需对地下管网信息进行全方位监测和分析，依靠大数据、物联网、云计算等先进技术建立立体化监控管理体系，支撑我国城市各级管理单位对地下管网运行状况的监控管理，为城市的管理规划提供数据支撑。

1 管网监控物联网体系总体架构设计

管网监控系统是城市基础设施建设的一部分，智慧城市和孪生城市的建设离不开管网的智能化改造。管网要达到智慧的状态，需要实时地掌握管网监控设备的运行情况和状态信息。通过大数据分析和云计算等先进技术提供相应的决策和应急处置方案，将不同种类的管网分成不同的管理要素，通过在管网中安装智能传感器设备监测管网的运行状态，并通过无线传输设备将采集到的数据传输至数据中心。管网监控物聯网体系结构如图1所示。

物联网感知设备可以看成是整个体系架构中的感觉器官，用于识别和采集管网上的状态信息。物联网感知设备主要包括管网状态采集传感器、井盖位置传感器等。通过对管网中压力、流量、气体浓度等状态信息的监测，能够了解管网的运行状态。

（1）传输层可以看成是提供信息传递的神经系统，将物联网感知设备采集到的管网状态数据传输至服务层。由于管网分布分散，采用有线网络进行数据传输的布线复杂，费用较高，而采用无线网络进行数据传输比较合理。推荐采用目前主流的4G网络或NB-IoT网络进行数据传输。

（2）支撑层提供整个管网监控系统的运行环境，保障系统的正常运行。

（3）服务层可以看成是信息的存储系统，服务层对下接收传输层的传感器监测数据，对上根据应用层系统需求提供系统分析运行所需要的数据。

（4）应用层是整个系统运行的中枢大脑，是整个系统实现智能控制的关键，用于对底层传感器数据的智能分析，负责管网信息的处理、挖掘、共享，为管理人员提供准确的分析结果，为对城市地下管网的监测预警和辅助分析提供支撑。

2 物联网管网监控系统设计

2.1 物联网感知层设计

物联网感知层是物联网管网监控系统的基础，需要根据管网监控的需求，针对不同类型的管线选择不同的传感器设备。依据《管线要素分类代码与符号表达》要求，将城市管线分为电力管线、电信管线、给水管线、排水管线、燃气管线、热力管线、工业管线、综合管沟（廊）以及其他城市管线

9大类。对于管线中运输的介质及对城市发展建设的重要性，有针对性的根据管线性质选择传感器类型。具体管线传感器类型选择见表1所列。其中电信管线、工业管线、综合管沟（廊）以及其他城市管线可根据实际情况进行针对性设计。

2.2 传输层设计

传输层负责将物联网感知层采集的监测数据向上传输。城市地下管网分布广泛，管网监测传感器种类多和数量较大，使用有线网络进行数据传输的方案不仅成本高，还给后期的运维工作带来很多困难。使用无线网络进行传感器采集数据传输是最经济高效的数据传输手段。目前市场上主流的无线传输方式为4G和NB-IoT，可依据网络的实际覆盖情况进行无线传输网络的选择。

2.3 支撑层设计

支撑层在整个系统架构中起着承上启下的作用，支撑层对下接收传输层传输上来的传感器数据，对上为服务层和应用层提供基础的硬件环境支撑。支撑层为整个系统提供安全防护保障，确保系统运行过程中安全和稳定。

2.4 服务层设计

服务层主要是用于存储各种系统运行所需要的数据。根据数据种类和应用范围的不同，将服务层划分为三个数据库，分别是地理信息数据库、动态数据库和业务数据库。

2.4.1 地理信息数据库

地上设施：主要包括数字线划图数据（DLG）、数字高程模型数据（DEM）、数字正射影像数据（DOM）、数字栅格图数据（DRG），为所有城市管理职能管理部门提供统一的空间定位和空间分析的基础地理单元。

地下管线：包括地下管网的地理位置信息、埋深、材质、埋设年限、附属设施、权属类型及其它属性信息等全过程监管信息。

地名地址：地名地址数据是国家信息化建设的重要基础，在国家信息化体系中，地名地址是不可或缺的重要节点和桥梁，在信息传递中发挥着重要作用。

2.4.2 动态数据库

位置信息数据：通过GPS/北斗导航定位等技术获取的移动终端的位置信息数据，可用于对巡检人员、维修抢险人员的督察检查，可用于对应急车辆的定位与调度等。

传感器数据：通过压力传感器、流量传感器、液位传感器等传感器设备监测到的实时状态的数据，传感信息数据的获取不仅为上层应用系统的分析提供数据支撑，还方便管理人员对管网进行实时的监控、维护及管理工作。

视频数据：实现接入所有视频资源的统一登录查看，提高城市视频监管效能。由于视频数据存储所占用的存储较大，需根据应用的实际情况对视频数据的存储周期和硬件存储设备容量进行合理的估算。

2.4.3 业务数据库

营收数据：针对营收业务的信息管理，根据用户的使用特点，可以根据用户需求实行阶梯式收费，并且包含特殊用户减免费用、商业使用等的价格信息。

资产数据：实现对所管理的各种物资情况进行分类存储、统计。资产数据通过与上层应用系统间的数据交换，实现数据的不断更新。

应急保障数据：基于历史应急事件信息，建设管网应急事件类、应急预案类、应急事故等级类等事件数据库。在管网应急抢险维修过程中涉及的数据，包含事故应急过程中生成的事故相关位置图、事故图片、文字信息、应急调度指挥所需的应急预案、抢险过程中需求的应急物资信息等。

2.5 应用层设计

2.5.1 运维管理平台

数据管理子系统：数据管理子系统集地图基本操作、图层控制、数据处理、数据更新、数据下载等功能于一体;实现对管网普查数据的质检、入库、更新及对工程文件的一般性操作，常规的视图操作;为数据的日常维护，管网数据更新，管网系统应用等提供基础数据支持。

运维管理子系统：主要面对的对象是系统管理员，实现单点登录、用户管理、权限管理、日志管理等功能，达到快捷完成工作人员权限变动等日常维护工作，能够方便系统管理人员调整系统使之适应用户变化的需求。

2.5.2 业务管理平台

一张图展示子系统：提供了基于二维管网地图的基础应用操作，主要包括二维管网基本信息的浏览查看功能，如放大、缩小、漫游、左旋、右旋、上仰、下俯、放大、缩小、全图、俯视、复位等;基于不同属性的管网信息的单一查询和综合查询功能，如管径、材质、修建年限、关键字、模糊查询和精确查询等;还包括分类和分段统计，如根据管线的点性质、管线材质以及管线管径分类等进行的统计;提供横、纵剖面分析、缓冲区分析以及垂直净距、水平净距等辅助规划功能。通过管线基础应用系统，用户可以完成基本的二维地图信息的基本操作功能。

自动化办公子系统：为内部办公提供实时信息发布、行业动态、通知公告、公文流转、办公邮件、即时通讯、数据分析等功能支撑。实现基础信息的实时更新、快速查询、动态管理、互通互联，提高办公自动化水平。

资产管理子系统：基于数字电子地图之上的资源管理系统，以基础地理图库和供水资源设施图库为背景，以准确可靠的供水管理资源属性数据为依据，查询分析，统计预测，维护管理各种供水资源，为企业的经营决策提供详实、准确、可信的科学依据。实现管线、设备、车辆、物资等供水资产的统一调度管理。

巡检养护子系统：针对市区内管道和山区管道的智能巡检分别进行设计。主要由PC（B/S结构）端和移动端组成，主要解决传统人工巡检不到位、无法确定管线位置、遗漏巡检点、数据保存不完整、不准确、数据丢失等问题。系统将巡检数据进行统一管理，达到数据信息的實时共享，减少人员的重复性劳动，提高资源的利用率和工作效率的目的。

智能监控管理子系统：是整个物联网管网监控系统的核心，运用实时数据、历史数据以及报警信息，实现管网运行状态展示、预警等功能，为用户提供对管网运行的实时监测展示、预警提示等决策辅助信息，提高对管网的管理水平。

应急管理子系统：除了满足抢险资源的日常维护管理以外，在应急事件发生时系统可通过大数据分析技术，根据部门、人员、车辆、设备、地点等综合的物资信息进行科学分析，评估出最合理的资源调度方案，与此同时自动完成工单派发、接单等业务的流转，以“无纸化”代替“人为化”，大幅度节省应急处置前的准备时间。

营收子系统：解决传统的手工抄表，按户收费等落后的经营方式，建立覆盖营销、计量、抄表、收费、票据等一系列业务，具有业务办理、用量管理、费用管理、账务管理、票据管理、营收报表等功能。支持远传自动抄表替代传统手工抄表，对抄收率统计以及远传数据的曲线智能分析。

3 结 语

本文研究利用和依靠大数据、物联网、云计算等先进技术，根据不同规模的管网监控系统，针对不同管网的监控技术和监控指标等多种类多数据源信息，有目标性的进行管网信息的优化采集、高性能的数据传输和多源异构数据的整合。建立立体化的监控管理体系，并在此基础上，利用大数据挖掘技术对海量监测数据进行数据挖掘，支撑我国城市各级管理单位对地下管网运行状况的监控管理，为地下管网的全生命周期管理提供可靠的辅助决策支持，为城市的管理规划提供有力的数据支撑。

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