基于iBeacon的地下综合管廊监控系统与分析

吕继群

(浙江建设职业技术学院，浙江 杭州 311231)

0 引 言

随着国家城市化进程的进一步加快，城市地下基础设施落后的问题日益突出，从我国国情出发，借鉴国际先进经验，在城市建造用于集中敷设电力、通信、广电、给排水、热力、燃气等市政管线的地下综合管廊，是创新城市基础设施建设的重要举措，不仅可以逐步消除“马路拉链”、“空中蜘蛛网”等问题，用好地下空间资源，提高城市综合承载能力，满足民生之需，而且可以带动有效投资、增加公共产品供给，提升新型城镇化发展质量，打造经济发展新动力。张俊在谈到综合管廊建设存在的问题研究。时丽萍通过对城市综合管廊的运行环境分析后认为研究。王长祥等综合介绍了发达国家的管廊研究。无论是管廊建设速度还是建设规模，中国都已经是世界上的第一的管廊大国，随着管廊建设规模的发展，有关管廊工程的投资、规划、建设阶段，尤其是运营维护阶段的研究还相当薄弱，管廊工程是典型的跨多学科的综合学科，在大规模的建设推进下，适用于管廊的各种新技术层出不穷，同进也伴随着各种新问题，随着问题的逐步解决，又有更多新的技术应用，这种螺旋式上升，需要更多的探索与实践，因此，从实际出发，探索管廊的技术应用、多系统联动机制、运营维护等的研究显得尤其必要。

1 研究现状及难点

综上所述，由于起步较早，发达国家在管廊技的技术和制度均领先于国内管廊。我国无论是在投资规模、工程技术方面已经大大领先于国外，但是在规划建设、成本回收、运营维护管理模式等方面与国际高水平相比还是存在一定的差距。应该做好长远规划，而不是一哄而上，大干快上，只讲速度，或者片面追求大求全，浪费资金并无益处。由于管廊人才培训相关的探索几乎是空白，如何利用现有资源对管廊急需人才进行培训，以适应当前的管廊建设形势，存在着很大的不确定性。张竹村等重点介绍了国外管廊建设的趋势研究。龚凯在介绍了在管廊技术中比较先进的非接触式感温电缆和图像感烟技术在管廊中的应用场景研究。张东杰对于BIM+GIS在管廊中的应用提出了可以实现数据共享研究。谢博全等研究了基于BIM+3DGIS的城市基础设施物理信息融合研究。综合管廊一般分为综合管廊实训空间干线内设置电舱、水舱和燃气舱三种舱室，支线内设置电舱和水舱两种舱室。廊内巡更/人员定位研究存在以下问题。

(1)管廊是线状结构、空间狭长，无线信号在垂直廊道走向方向传播范围受限。

(2)廊内架设管线支架密集，无线信号视距传播距离较短。

(3)管廊金属材质设施较多，网络信号一般较差。

(4)系统断电的情况下，容易迷失方向。

2 概 述

2.1 综合管廊发展背景

随着国家城市化进程的进一步加快，城市地下基础设施落后的问题日益突出，从我国国情出发，借鉴国际先进经验，在城市建造用于集中敷设电力、通信、广电、给排水、热力、燃气等市政管线的地下综合管廊，是创新城市基础设施建设的重要举措，不仅可以逐步消除“马路拉链”、“空中蜘蛛网”等问题，用好地下空间资源，提高城市综合承载能力，满足民生之需，而且可以带动有效投资、增加公共产品供给，提升新型城镇化发展质量，打造经济发展新动力。2013年国务院总理李克强7月28日主持召开国务院常务会议，部署推进城市地下综合管廊建设，从那以后，国家在各个层面促进管廊建设，最近几年内，密集出台了一系列政策与法规，管廊建设成为一段时间的建设重点。几年来，中国的管廊从少到多，一举成为世界第一的管廊大国，据不完全统计，到2020年，这个数字将达到12 000 km。因为管廊建设近几年刚刚起步，各方面的人才均严重缺乏，加强管廊专业人才的培训已经刻不容缓，管廊实训系统在培养人才的实际操作方面作用突出，也要加快节奏，紧跟时代前进的步伐。

2.2 项目概况

综合管廊实训空间位于学院内实训楼西侧，长50 m，按照功能划分为入口段、管线引出段、管线交叉段(兼教学空间)、集水投料段及通风出口段共5个区域。综合管廊实训空间干线内设置电舱、水舱和燃气舱三种舱室，支线内设置电舱和水舱两种舱室。电舱内空为宽×高=2.0 m×3.0 m，水舱内空为3.4 m×3.0 m，燃气舱内空为1.5 m×3.0 m。为三仓设计，分别是燃气舱、综合舱(水信舱)和电力舱，中间部分作为教学空间，保留承力用的立柱，取消隔墙，以方便教学与参观。管廊环境比较恶劣，大部分设备能适应高温、高湿度的工作环境，管廊监控与管理系统工程包含、消防报警系统、智能照明系统、环境监控子系统、安放及视频监控子系统、机电设备控制子系统，广播子系统、无线巡更及定位子系统、管廊安全监控检测子系统、智能井盖子系统以及作为核心的管廊管理综合平台。

3 系统总体设计

3.1 系统理念

通常情况下，管廊内没有手机信号，通过有关的通信公司，建设中转基站将手机信号引入管廊是一个解决的办法，但是如果在管廊内发生系统断电的情况下，管廊内工作人员将无法通过手机及时知晓自己的准确位置，这非常不利于管廊人员的工作与逃生。因此，管廊内无需电源的导航系统显得非常重要。同时，万一在管廊内发生火警、有害气体超标，现有大多数管廊平台都可以通过广播提示、灯光报警、手机提醒等多种方式提醒管廊内人员，但是，仅仅提醒是不够的，应该快速准确地引导管廊内人员在最短最安全的路径撤离，由于管廊是线状结构，如果指导不及时，导致人员撤向火场，反而可能导致人员伤亡，管廊内集成导航系统将可以及时准确地引导廊内人员撤离，甚至可以根据管廊内氧气浓度计算逃生路线。

在管廊的日常巡更过程中，容易发生巡更过程无法核查，没有实时状态，尤其是巡更线路无法核查，存在着设备漏检的可能性，采用通过集成巡更/人员定位系统可在GIS中再次展示巡更轨迹，为人力、OA等第三方管理平台提供原始工作数据。由于运维情况复杂，巡检人员很难完全掌握地下管廊运行工况，且容易迷失方向，且位于地下网络信号一般较差，远程监控人员很难实时对工作人员进行指导、监控，工作人员也存在一定的安全隐患。因此引入地下管廊3D定位导航系统，既可能对管廊内的电力、水力、通讯管线设施进行动态检查与情况分析，又能对廊内设施进行综合监测与分析诊断，用科技手段辅助管廊监控，有很强的现实的应用意义。

3.2 系统组成

本蓝牙导航系统功能包括实时定位、位置搜索、路线规划、路线导航、巡更路线规划等。地下管廊3D定位导航系统采用蓝牙iBeacon室内定位技术、无线传输技术等，利用微信、APP平台，为用户提供室内实时定位、路径规划导航、位置搜索查询、场景远程漫游、待巡检位置标记、巡检数据上传、人员反向定位等服务。快速定位设备隐患位置、巡检人员位置，提高管廊管理和维护效率。

(1)定位原理

在蓝牙iBeacon覆盖的区域，iBeacon周期性地广播信号，智能终端接收到信号后，通过本地算法根据信号的强弱及其它传感器收集到的信号，生成智能终端所在位置的传感器的特征值，并根据特征值生成智能终端的位置信息。使用智能终端的用户在不同位置接收到的蓝牙信号的特征值不同，通过对比系统生成的特征值与接收到的特征值进行比对，从而判断用户所在的位置。

(2)系统方案

如图1所示，采用分层、分布式的部署结构，明确地分离了表现层和业务逻辑，能够保证应用服务逻辑的一致性和稳定性、结构的开放性、功能的可扩展性和可维护性、开发的可并行性。Web前端采用MVC框架Struts 2，Struts 2可以说是Struts穿上了WebWork的外衣，其内核大部分都是采用WebWork的技术，并且基于AOP的设计思想，让我们在软件设计上的能够更加多地体现“高内聚，低耦合”的设计思想。

图1 系统架构图

移动端采用J2EE框架Spring，作为一个开源的J2EE框架，虽然它没有太多的新技术点，但它的整合性，拿得我们的开发更加简单，IOC、AOP、事务处理、开源框架的整合支持等等，使得作为一个J2EE框架的首选页面框架，使用DIV技术、JSTL标签库、Struts 2标签库、DWR、AJAX、XML+XSLT等技术来让页面更容易维护，使用OSCache缓存技术来提高页面的访问速度。

(3)定位导航模块

管廊内正常情况下没有手机信号，因此，管廊内导航系统，如表1，巡更系统显得非常有必要。平台通过集成巡更/人员定位系统可在GIS中再次展示巡更轨迹，为人力、OA等第三方管理平台提供原始工作数据。本产品用户系统功能包括实时定位、位置搜索、路线规划、路线导航、巡更路线规划等。定位导航模块包括实时定位、位置搜索、路径规划、路线导航等。

表1 管廊内导航系统参数表

系统设置模块包括系统设置、系统维护、意见反馈等。

(4)系统设计

①根据项目实施规范要求和项目实际需要，收集相关资料，平面图纸(纸质、扫描件或CAD图)。根据现场图纸信息，制作布点图，现场按照设计好的布点图部署硬件，并记录下每个部署的硬件的MAC地址(一般记下后两个字节即可，如e65a，e66b等，贴一个硬件，就在图纸上记录一下)。

②收集区域内标志信息、提示信息、设备信息等。

③若设备名称等信息有变更，需要及时收集并更新。

4 实际效果

4.1 定位功能

在管廊内安装部署好iBeacon后，开启蓝牙打开应用程序，即可成功定位，并显示用户当前实时位置，精度约2～3 m。该位置既可以显示在用户手机上，也可以同步在系统监控中心平台上显示，有助于平台人员实时指导廊内工作人员，也有助于廊内人员掌握自己所处的位置。

4.2 导航作用

为了用户更方便地使用导航功能，开发了适用了本管廊的APP两个(安卓与苹果各一个)。APP名字：建院巡更，在导航系统上，集成有当成的地址，附近的设备。需要完成的任务。出现紧急情况下人员的撤离线路等。发出警告信号，指示系统能正确指引管廊内人员撤离危险现场。

4.3 规划线路

用户通过搜索或图上点选目标位置后，系统自动规划一条导航路线。另外，如果管廊存在立体交叉等复杂环境，3D系统可以实现楼层切换、跨楼层导航等功能。

4.4 远程漫游浏览

系统可设定手动和自动两种模式操作，在手动模式下，用户即使不在硬件部署的现场，也可以浏览、查看，在场景中漫游，提前熟悉场地情况。

4.5 指导巡检

安排巡更人员工作时，可以将待巡检的位置提前进行标记，并将标记的信息储存在数据库中，以便随时调用，检修人员及结果信息可实时上传至数据库，便于巡检管理与资源调度。

4.6 紧急撤离

在管廊内发生危险时，通过平台可以对管廊内工作人员提醒，通常可以有几种方式：紧急广播，灯光+警报，指示逃生线路。利用无源的手机蓝牙导航可以避免在特殊情况下，由于断电等其他原因，可以作为冗余的安全措施，确保廊内工作人员在最短的时间人撤离。

4.7 实训效果对比

在管廊实训系统的研究过程中，从开始选题到最后完成，中间历时3年，期间多次修改，在评价管廊实训系统时，选取了两个年级的学生各20名作为对照组。在管廊相关内容课程讲述过程中，一并让学生填写自己对其他系统的认知能力打分。在实训系统设计与研究的最初，按照单一专业知识进行设计，如表2所示，比如人员撤离管廊而不考虑指示与管廊内结构，发现效果并不太好。

如图2所示，于是，在设计其余演示与教学系统时，都考虑了涉及2～3个专业，让参观者们能亲身感受到管廊是一个整体，不是一个一个的系统，在分析时可以逐一讲解，但在管廊内实际使用时，都是各系统联动。

表2 实训效果数据表

图2 实训效果对比图

5 研究结果与改进建议

(1)管廊定位的方式除了蓝牙，还可以使用基于WIFI的定位，两者之间的优劣未进行对比。

(2)燃气舱内蓝牙对系统安全的影响没有进行基础性研究。

(3)管廊的定位与导航目前只是用于人员的定位，导航与人员紧急撤离，还没有与安防系统联动，下一步应进行相关的研究。

(4)蓝牙导航与系统BIM模型之间的数据没有打通，系统未直接显示在Bim+GIS模型上，下一步的研究工作也应及时展开，因此，蓝牙系统的定位与导航系统的研究工作任重道远。