物联网技术下的管线监控系统设计

　　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

　　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。

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