大数据视角下城市智慧管网信息系统研究—

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大数据视角下城市智慧管网信息系统研究——以广东为例

发表时间：2020/7/2 来源：《基层建设》2020年第6期作者：闵强

[导读] 摘要：物联网在线监测、大数据分析、多维展现等先进技术对城市智慧管网管理新模式，实现管网的现状分析、动态模拟、运行管理、风险分析、应急处置和科学化管理，为城市管网综合管理和安全运行提供可靠的基础数据和有效的监管手段。

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        摘要：物联网在线监测、大数据分析、多维展现等先进技术对城市智慧管网管理新模式，实现管网的现状分析、动态模拟、运行管理、风险分析、应急处置和科学化管理，为城市管网综合管理和安全运行提供可靠的基础数据和有效的监管手段。根据国家智慧城市的总体战略，城市智慧管网主要是利用物联网、智能传感器及三维技术等新一代信息技术对供水、排水、燃气、电力及通信等管线实现全天候实时监测，制定和颁发合理的管网管理制度，保障城市管网运行安全。提出基于地理信息系统和数据采集与监视控制系统集成的城市智慧管网信息系统，详细描述该系统的总体设计与实现方案，最终达到掌控城市主要管网及重点区域的管网运行状况、预警告警重大安全隐患等目的。
        关键词：智慧管网；三维技术；智能传感器
        前言；
        智慧管网是有生命的，如果把城市看作是人的身体，那么城市管线就是人体内部的动脉和静脉。管线是城市基础设施建设的重要部分，而且被称为城市的“生命线”，是实现社会健康协调和城市经济可持续发展的重要基础之一。一般来说，管线包括：供水、排水、燃气、电力、通信及管网附属设施等。综合管线数据库、专业排水管线数据库的标准建设，并针对管线普查探测、安全生产保证体系及施工安全措施等内容提出了相关技术规范和标准，形成比较齐全的管线数据库，为建设智慧管网信息系统打下了坚实的前期基础。城市管网运行管理的核心就是保证管网运行的稳定性及安全性。
        一、智慧管网信息管理体系构建研究
        1.1信息采集过程
        城市的智慧管网分布是比较不均匀的，根据特定需求，可以采用不同的方案。为了实现对城市智慧管网的高效管理，发挥出重要的协调作用，就需要对整个城市的智慧管网运行信息进行实时采集，将真实的数据信息上传到相关信息化管理平台上。通过核心处理系统对这些采集到的信息进行分析挖掘，提高了信息利用的效率。关于城市智慧管网信息的存储方式有许多种，主要以传统的图表图纸展现以及现代化的电子存储形式为主。从实际的发展情况可以看出，电子信息存储的成本正在不断下降，存储空间正在不断扩大，可靠性也正在不断增强。因此，电子存储形式将是未来信息存储的主要模式。针对智慧管网的探测过程，要建立统一的标准，进行数据采集和处理，使得整个城市的智慧管网信息数据能够实现互通，这也是打造智慧城市管网系统的重要基础。
        1.2信息存储
        针对数据信息采集之后的存储方式进行了一些说明。但总体来看，城市智慧管网的权力由多个单位进行管辖，不同的单位采取的是不同的工作模式，相关的数据标准尚未实现统一，这样不仅给数据高效利用带来了较大的难题，而且会导致整体数据信息存储的成本大幅度增高。在实现智慧城市智慧管网的建设过程中比较重要的一项就是实现整个城市的智慧管网信息互通。比较科学的方案是应用云技术来解决这一难题，采用分布式网络以及网格计算，确保数据存储的安全性。鼓励不同的单位将所有的数据信息上传到整个城市智慧管网建设的数据库系统中，实现资源共享。
        1.3信息展示
        城市智慧管网基本上都是建设在城市道路地面之下，那么在进行统一管理的过程中，就有可能无法通过二维图形对具体的空间分布情况进行深入了解。在智慧城市的理念下，可以应用一些三维立体化建模技术，比如BIM技术等，直接根据采集到的一些真实数据，或者是将已经得到的一些图纸信息数据直接生成三维管线模型，构建出完善的三维立体化数据库系统。通过GIS数据可视化功能来对智慧管网的空间信息进行科学展示，有利于相关工程建设人员及时了解相关的建设概况，特别是能够对不同管网之间的结合情况以及距离数据进行科学展示。信息展示阶段对于城市智慧管网信息管理体系的构建，具有十分重要的促进作用，能够提高这项工作开展的效果。
        1.4信息分析
        在得到了大量的城市智慧管网信息之后，还需要着重加强对这些数据信息的分析和挖掘，使得这些数据信息能够有特定的应用效果。通过这些数据信息能够展现出城市智慧管网运行的真实情况，以便对未来发展过程中有可能出现的风险进行预测，采取有针对性的措施提前进行解决，避免造成重大的事故。比如在电力管网或者是燃气管网过程中，可以应用一些智能化监控设备来实现对整体工作的实时监测，一旦发现相关监测信号超过了设定的阈值时就触发报警。展现出了极强的准确性。并且经过一段时间的运行之后，积累得到的数据信息，可以应用大数据信息进行预测，充分提高数据信息的利用率。
        二、智慧信息管理机制的研究
        2.1智慧管理
        在应用智慧城市理念的过程中，需要重点突出智慧管理因素，使得多种工作都能够通过智慧管理来发挥效果，降低人工工作的影响。但是必须明确的是，应用智慧管理并不是完全抵制人的参与，而是需要实现智能化设备和人工工作之间的有机结合。智慧管理可以看作是一种新型的信息化管理模式，能够使用更加先进的智能传感器，对各种城市智慧管网运行过程中的数据信息进行实时采集，达到物联网建设的需求，通过云计算技术来进行智能化处理，发出相应的指令，并进行执行。从目前的情况可以看出智慧管理将是城市智慧管网建设的重点发展领域。
        2.2数据共享
        数据信息共享是提高城市智慧管网工作效率的重要举措。在此过程中，能够使得多个工作部门实现良好合作，降低信息传递的成本，提高安全机制。在未来的城市智慧管网建设中，需要着重加强大数据共享的力度，整合资源，确保信息处理的安全性、真实性。可以根据实际的管网建设来对相应的硬件设备动态资源进行配置和扩展，以此来做好基础设施建设。目前数据共享建设过程中，主要可以应用分布式共享方式，能够确保信息采集和处理的实时性要求，展现了极强的动态化优势，增强了工作的灵活性。
        2.3情景模式的构建
        城市智慧管网运行的过程中，很有可能面临较复杂的环境，会带来不一样的影响。因此，基于智慧城市理念的智慧管网信息管理体系构建，就需要着重加强情景模式的构建，针对各种可能出现的情况做好应急预案。这样在出现这类情况时，就能够自动通过智能化系统来进行高效处理，及时降低损失，提高故障处理的效率。在此过程中需要做好前景筛选工作，能够从已经得到的实践经验中对一些突发事件进行筛选，最好是筛选出一些有代表性的基本情节，这是比较符合现实发展因素的。特别要着重加强对一些历史资料的分析和处理，结合先进的计算机大数据处理技术进行建模，展开推演以及建模分析，最终在确定了这些情景模式的应对策略之后，还需要做好文字描述以及图表制作说明，甚至可以制作出三维一体化视频展示模式，构建出更加科学完善的应对预案。

        三、管网监测系统设计
        3.1设计思路
        管网监测系统的设计思想是根据监控的具体需求在合适的地点安装多种类型的传感器，还要根据传感器的位置布置，信号输出状态，电源要求，网络状态等进行分析，选择出最适合现场且建设成本最低的监控箱布置、网络的选择等具体的现场解决方案。数据采集至数据中心后，通过平台软件将现场实时工况直观展示出来，并通过对历史数据的统计分析来提供一些更高级的功能。

3.2业务架构
本系统以规划、建设与管理并重的方式，充分利用地理信息系统（GIS）、建筑信息模型（BIM）、物联网、大数据、北斗高精度定位、云计算等现代信息技术[2]，强化广东智慧管线监测，促进广东城市管线运行数据互通共享、应急处置及时精准、管理服务科学高效，确保城市安全稳定运行。广东管线在线监测与控制系统的业务架构如图2所示。

        本系统采用典型的云计算架构进行设计，从性质和功能上划分为网络层、公共设施层、大数据层、平台层和应用层。
        [1]感知层
        感知层是物联网的基础核心部分，传感器是获得基础信息的重要设备，它利用各种预设机制把被测量对象转化为电信号并产生相应的响应动作。本系统需布设对应的传感设备获取管网运行状态数据，包括温度、压力、水位、pH值、余氯、浊度传感器等。
        [2]网络层
        网络层为广东管线在线监测与控制系统的互联互通提供网络环境，主要包括物联网、通讯网和互联网。目前广东已经具备了较好的网络基础设施条件，本系统将直接利用该建设成果。
        [3]公共设施层
        公共设施层是广东管线在线监测与控制系统运行的支撑环境，包括由计算资源、软件资源、存储资源等组成的服务端集成环境，以及由监测设备、移动终端、多功能大屏等组成的用户端运行环境。其中服务集成环境将直接利用建好的智慧广东云计算平台，避免资源重复建设、减少系统投入成本；用户端运行环境是广东管线在线监测与控制系统的重要建设内容之一。
        [4]大数据层
        大数据层为广东管线在线监测与控制系统提供核心的数据来源，主要包括：基础地形数据、管线数据、监测感知数据。其中管线数据包括：排水、燃气、供水、电力、通信及其他各类管线。基础地形数据包括：境界、水系、建筑物、影像、交通等基础数据。监测感知数据包括：流量、水位、温度、水质、压力等监测数据。
        [5]平台层
        平台层是广东管线在线监测与控制系统的服务提供方，是广东管线在线监测与控制系统建设运行的基础性服务平台，其包括：城市地理信息（GIS）公共服务平台及城市物联网公共服务平台。
        [6]应用层
        应用层是本系统的核心应用软件层，也是本系统的重点建设内容，运用广东管线地理信息成果，与地面地形图、建筑物三维仿真模型、航空影像数据等有机融合，基于SCADA系统建设管网运行监测、自动化控制、预警预报、巡查养护等应用子系统，用户则涵盖广东管线的各个权属、监督和管理单位。
        3.3系统功能设计
        本系统包括八大子系统，分别为：
        3.3.1物联网公共服务平台
        通过物联网公共服务平台，以适配不同类型传感器的通讯协议，建立感知消息总线，并在其基础上实时获取各类传感器的感知数据，对获取的感知数据进行分类编码，为管线监测应用提供在线的物联网感知数据服务。
        3.3.2管网运行数据交换系统
        通过管网运行数据交换系统，对本系统中新建的传感器设备产生的数据进行采集汇聚；对管网权属单位（广东自来水厂、污水公司、燃气公司、供电公司和电信公司等）已有传感器监测数据进行在线接入。结合“智慧广东”建设总体设计，基于全县统一的城市地理信息支撑平台开发广东管线“一张图”系统，整体展示广东供水、排水、燃气、通信、电力以及市政井盖等各类管网设施的监控信息，效率高、速度快，实时性强，体现广东管线监控管理一体化理念。
        3.3.4管线在线监测系统
        对供水、排水、燃气三类管网进行在线监测。实现供水管网水压、流量、余氯、浊度等参数的远程监控，实时掌控供水管网运行参数、水质状态及管网漏损情况；利用专业模型全面模拟城市排水管网内的水量、水质等变化过程，对雨水管网、污水管网进行溢流分析；为燃气公司的生产管理和业务开展提供可视化的空间资源数据，提高资产的运营水平，为外业巡检、抢修人员提供实时、可靠的数据支撑和工作系统。
        3.3.5市政井盖监测系统
        对市政井盖状态的主动感知，实时监控，一旦井盖打开、破损、丢失等情况，立即发送报警信息到后台数据处理中心，后台通过短信方式将报警信息发送给维护人员，在最短时间内处理井盖事件。从而变被动应付为主动管理，变人员巡查为系统监控，以达到提高城市井盖管理效率，有效保护社会公共财产和人民群众人身安全的目的。
        3.3.6预警告警系统
        在城市供水、排水、燃气管网和城市井盖故障、事故发生时，及时将预警信息发布给管网、井盖管理和权属单位，以及城市河道流域、防洪工程、低洼地带、厂区、居民区和商业区的相关人员，以便对问题进行防范和处置。
        3.3.7管线在线控制系统
        对供水、排水、燃气三类管网进行在线控制。采集管网压力、流量、水质、温度等关键数据，依托水量预测和管网数学模型，确定调度预案，以达到优化调度决策的目的。
        3.3.8管线巡检养护系统实现对管网的日常检查管理，及时发现隐患并进行维修。同时通过对巡检点、巡检任务的安排及对巡检人员的管理，实现对巡检人员更好的监督管理。
        结束语
        智慧城市是城市发展的必然方向，而城市运行管理平台又是智慧城市的核心，未来城市中各行各业都将实现智慧化，城市运行管理平台将是城市的大脑，负责整个城市的运行规划。管线的管理水平关乎着城市管理及规划水平，能体现一个城市的综合实力。只有建设出“有数据、有图像、有效用”的智慧管网信息系统，实现对管线24h全天候常态化实时监测，提高管网运行效率及水平，才能真正地保障管网安全运行及应急处理能力。现阶段，广东智慧管网建设已取得了一定的成绩，但仍需继续努力，以实现更高层次的“智慧化”管网管理水平发挥出它应有的价值。
        参考文献
        [1]智慧管网在城市发展中的运用性分析[J].刘朋.智能建筑.2017(1)
        [2]智慧管网在智慧城市中的重要应用[J].杜卫.智慧城市.2019(1)
        [3]市政污水管网建设实施要点分析[J].邹涛.现代国企研究.2019(10)
        [4]智慧水务之管网监控云服务平台的设计[J].陈建刚.建设科技.2017(6)
        [5]市政污水管网系统存在的问题及解决对策[J].高斌.价值工程.2019(2)
        [6]用户发展与管网建设管理新模式[J].刘玉勇.供水技术.2016(6)