基于物联网的城市地下管网智能监控系统分析

马海军，吴超超，李显坤

（1.宿州市市政工程管理处，安徽 宿州 234000；2.正元地理信息集团股份有限公司，北京 101399）

1 引言

在讲究万物互联的今天，物联网在越来越多的领域改变着人们的工作、学习和生活。将物联网技术运用于城市地下管网智能监控中，可以明显加快数据处理速度，提升数据访问便捷性，减少人工频繁操作带来的误差，但同时也存在着对网络环境、软硬件质量、实时通信、视频图像处理要求高的缺点。因此，必须系统深入研究物联网技术应用于该领域的具体方法，严格按照软件工程思想进行系统设计，确保系统的安全、可靠、便捷。

2 关键技术

2.1 物联网技术

物联网是物物相连的互联网，是互联网的延伸，它利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式连在一起，形成人与物、物与物相连，实现信息化和远程管理控制。物联网应用的关键技术主要有识别和感知技术、网络与通信技术、数据挖掘与融合技术等。物联网被广泛应用于智能交通、智慧医疗、智能家居、环保监测、智能电网、智能农业、安防保卫等领域[1]。

2.2 全息摄像技术

一种利用波的干涉记录被摄物体反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技术[2]。全息摄影是通过一束参考光和被摄物体上反射的光叠加在感光片上产生干涉条纹而成。全息摄影不仅记录被摄物体反射光波的振幅（强度），而且还记录反射光波的相对相位，全息摄像实现了影像的360°全方位无死角全覆盖，被广泛应用于自动成像、智能监控、视频传播等领域中。

2.3 计算机网络技术

计算机网络技术，是利用计算机技术与通信技术，将不同的计算机进行互联互通，实现资源共享、信息传递、网页浏览、上传下载等功能。计算机网络技术的基础是OSI 7 层协议制度，其核心是TCP/IP 技术，通过硬件或者无线协议的方式，按照严密的协议构筑完善的网络空间，一般按网络范围划分为局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）。

2.4 大数据技术

大数据技术是一种规模大到在获取、存储、管理、分析方面大大超出了传统数据库软件工具能力范围的数据集合，具有海量的数据规模、快速的数据流转、多样的数据类型和价值密度低4 大特征。大数据最大的特征是数据量巨大，大到传统的数据处理软件如Excel、Mysql 等都无法很好地支持分析。这也意味着大数据阶段，无论是数据的存储还是加工计算等过程，用到的处理技术也会完全不同，如Hadoop、Spark 等[3]。

3 需求分析

3.1 功能需求分析

能够实现实施检测不同物联网模块应该完成的内容，将监测数据实时传递到系统中，在不同计算机之间进行视频图像信息文件的实时发送和接收，智能计算出异常数据并做出初步判断，实现对数据库的增删改查等操作，在出现明显异常情况时能够进行语音报警等功能。

3.2 用户需求分析

软件设计整体上要界面清晰、简洁，人机交互性强，算法时空复杂度低，能自动检测异常输入等情况。

3.3 业务需求分析

总体结构上符合计算机C/S 三层架构体系，特别是数据层能够脱离主机系统和各个客户端，实现云端访问，减轻系统存储大量数据的压力，使得能够向核心业务聚焦，减轻系统的硬件和通信压力。

4 系统设计

4.1 系统总体架构设计

基于物联网的城市地下管网智能监控系统需要设置5 个不同的组成部分，分别是交互层、传输层、监视层、数据层和运算层。交互层用于系统与用户之间进行交互，接受用户输入的信息，向用户反馈实时信息。传输层用于将不同信息在不同计算机结点之间进行传递，将每个重点监控位置的物联网模块感应到的信息传递到主机上。监视层用于实时监测重点部位和设备的状态情况，对视频图像数据进行初步识别，将出现异常的数据或者随机抽取的数据送运算层进行计算甄别。数据层关注数据存储及管理操作，通常选择成熟的关系数据库管理系统来承担这项任务，具体到本软件，建立7 个数据库。运算层使用机器训练方法，对于待运算的数据进行计算，得出是否正常的结论，并将结果传输到交互层，能够让用户实时观测到。

4.2 系统具体实现方法

4.2.1 硬件环境的确定

在服务器与物理距离最近的客户端之间建立光纤连接，在服务器端与光纤连接处搭建波长分割复用器，在该客户端与光纤连接处搭建解复用器。使搭载不同信息的不同波长光信号能够在该光线中传输，并正确到达该客户端。在最近客户端与其他客户端之间建立光纤连接，根据物理距离的不同选择不同的网络拓扑结构，达到使用光纤数量最少的目的。系统的参数配置可通过后台的配置文件完成，包括设备机箱ID、内部卡槽ID、节目码流名称和相应的主备路告警门限。

4.2.2 编程语言的确定

鉴于Python 语言具有语法逻辑严谨、网络编程功能强大、封装性好、更适应于人工智能开发等特点[4]，本系统使用Python语言，在Visual Studio 2015 平台上进行开发。

4.2.3 数据库的设计

本系统使用SQL SERVER2005 进行数据库的设计与开发。大部分面向对象高级编程语言封装了连接和操作SQL SERVER 的类，方便系统与数据库进行快速连接，直接在界面层对数据库进行增删并改操作。本系统需要建立以下数据库：用户管理信息表、视频信息表、图像信息表、报警信息表、文件信息表、已发送数据信息表、客户端信息表。

4.3 基于物联网的城市地下管网智能监控系统设计实现

本文对5 个不同的部分分别进行设计实现。

4.3.1 交互层的设计实现

交互层使用专门的窗体，用于向用户实时显示当前监控状态，并接受用户所有输入情况，进行窗体的切换和显示状态的变化。交互层所属类设置3 个属性，分别表示用户是否输入、当前显示页面播放内容属于哪个部分及是否多页面显示，设置5 个方法，分别表示根据用户输入进行响应、根据用户点击不同命令按钮进行响应、变换显示状态、切换不同页面和回放或者提取当前页面进行放大分析。

4.3.2 传输层的设计实现

传输层使用专门的窗体，用于系统接收客户端发送的信息，向客户端发送信息，并在一个完整数据接收或者发送完毕后实时更改对应数据库信息。所属类设置2 个属性，分别表示接收/发送文件类型（由相应客户端发送时设置前缀得到）和接收的超时时间，设置4 个方法，分别表示监听、接收、发送和实时更新。

在传输层中，主要是进行数据的实时发送与接收，将不同计算机连接成真正的网络，实现“云计算”功能。该模块发送接收功能的实现，通过以TCP 连接为主，UDP 连接为辅的形式进行。在过多强调数据安全性和传输可靠性的情况下，使用前者进行连接；在过多强调数据传输速度和实现群发功能的情况下，使用后者进行连接。

4.3.3 监测层的设计实现

监测层不使用专门的窗体，在计算机后台运行，并配合各个物联网模块和全息摄影设备进行。监测层所属类设置较为简单，仅有一个属性和一个方法，分别为同时检测的最大数量和调整物联网模块参数，但却是整个系统的核心，对系统能否正常发挥效能起到决定性作用。

5 测试分析

5.1 测试目的和方法

依托宿州市智慧管网项目、亳州市智慧管网项目、衢州市化工园区管网项目进行测试[5]。使用黑盒测试方法，即不关注内部过程具体怎么实现，只关注输入的正确性，检测最后输出结果的可靠性和准确性。

5.2 测试过程

3 个项目分别选取不同的管道不同的位置共计100 处实际场景进行模拟测试，安装好物联网模块后，运行该系统。分别考察该系统对异常情况鉴别率、计算结果正确率、报警次数、延时传递次数等指标。为了使测试具有区分度，防止所选取的测试位置没有异常情况的出现，每个测试过程中均人为制造相当数量的异常情况。

5.3 测试数据分析

通过综合3 个项目的测试结果，使用算数相加取平均值的方法，计算出异常情况鉴别率为90.5%，计算结果正确率为92.3%，延时传递次数为26，基本上满足了一般场景下的需求，但异常情况鉴别率和计算结果正确率还有进一步提升的空间。整个实验过程报警次数为0，说明系统能够正常运转，但同时也说明在试验场景中异常情况设置不够，以致区分度不够的情况出现。

5.4 测试结论

通过进行测试分析可知：本系统能够满足一般场景下的城市地下智能管网监控工作，但依然有较大提升空间，需要在下步工作中进一步提升异常情况鉴别率和计算正确率，因此，要求对相应算法进行完善和改进，同时需要对测试中异常情况的设置更加突出实际运用效果。

6 结语

基于物联网的城市地下管网智能监控系统，在实验测试中尽管表现较好，但应该看到地下管网种类繁多，具有复杂性、多变性和不可预测性，因此，测试中难以穷尽所有的地下管网可能情况。在实践中需要进一步针对不同使用场景和使用目的，对该系统的使用动态效能进行持续监测，不断提出改进方法，做出具体改进举措，以不断降低问题发生的频率，提升该系统在复杂地下管网监控中的实际应用效果。在下一步的工作中主要有以下几个努力方向：一是进一步提高系统运行的准确率；二是进一步提高系统运行效率；三是改进相关算法，进一步提升适应更多更复杂情况的能力；四是在硬件和网络架构上进行改进和提升。