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一 引言
2009年8月7日,國務院總理溫家寶考察無錫時提出,加快傳感網產業發展,在無錫建設"感知中國"中心。"感知中國"的含義很深,傳感網和物聯網產業涉及面很廣,如何把溫總理的這一戰略發展思路與國內數字化城市建設、數字化市政管理的發展目標有效結合,將會對本行業的多個產業發展產生重大影響,本文將以"包頭市市政設施數字化監控與管理系統"中應用的物聯網技術和數字市政技術為主線以及今后如何與"感知中國"這一發展思路相結合為技術基礎,以包頭市城市建設科學化管理、數字化城市綜合平臺建設為目標,就傳感網、物聯網、數字化城管、數字化市政、數字化照明等的跨行業、跨平臺應用進行綜合論述與設計規劃。
二 國內現有數字化城市建設的基礎以及今后發展方向與"感知中國"的結合
我國城市建設、數字化管理建設取得了很大進展,我國的國情決定了今后還將在城市化建設中加快進度,城市范圍在擴大,人口在聚集,對城市的綜合管理是構成"感知中國"和物聯網建設的重要組成部分之一。而城市建設、電力、市政及照明等更是與城市日常運行息息相關的行業。在我國數字化城市迅猛發展中,涉及行業包括城市電力自動化、數字化城管、數字化市政綜合管理、數字化照明監控、城市環境監測、城市智能公共交通等等,隨著這些行業應用的發展,在包頭現有許多行業領域已經建設了一定的物聯網基礎或者說是框架,如交通、治安的城市視頻監控系統、電力與城市照明監控系統中的傳感網絡、服務于各個行業應用的無線公用通信網絡等等。但是,由于各個行業歸口不一、城市管理缺乏高層面的統籌管理手段,這些應用沒有有機整合,屬于有"物"、有"網",但無法"聯",因為缺少整體規劃、缺少對"聯"這一技術環節的有效支持。
三 以"感知包頭"為契機,以"物聯網"為平臺,實現城市的數字化動態管理
隨著近年來市政建設的飛速發展,管理需求的不斷升溫,已經從傳統的"三遙",擴展到整合了遙調(遠程調壓節能)、遙視(遠程視頻監控)、遙位(遠程檢修車輛定位)、全方位防盜等多種技術的統一管理平臺。
不僅如此,市政行業除了城市照明的其它領域,對于監控管理、統一調度、預警維護方面的需求,更是隨著市政建設快速發展而日益迫切。在包頭,已經建成的市政處數字化管理監控中心,已對市政處日常工作流程、調度、監控、指揮等實現集中管理,系統建設框架如下圖所示:
包頭市市政工程管理處在已建成的"市政設施數字化監控與管理系統"的基礎上,以溫總理提出"感知中國"的發展綱要為契機,將繼續大力提升城市建設管理各個行業的數字化管理水平,擴大城市建設管理部門對城市照明、給排水、路橋、環衛、公交、綜合治安等各個微觀環節的監控范圍,提高監控的技術手段,進而整合到城市數字化綜合管理系統中,形成未來城市科技化、人性化管理的基礎。
四 以城市市政設施為管理對象,運用多種傳感網技術,實現城市的數字化動態管理
城市管理覆蓋面較廣,其應用的技術也涉及多個行業,而這多個行業又相互關聯,要達到"感知包頭"的目的,如何實現包頭城市的"物聯",實現動態綜合管理,可以從點、線、面、三維、動態三維等多個層面推進技術應用--
點:擴大點的覆蓋范圍與對象,充分精細化管理目標。點分為靜態點與動態點,分布于全市的燈桿作為城市管理物聯網的基本靜態節點,實現聯網,并以單個燈桿為管理節點,拓展節點周邊約30m范圍內的電子標簽與區域無線網絡監測應用,如對窨井蓋的偵測、對周圍視頻圖片的捕捉、燈桿加裝報警按鈕的管理等。同時分布于各個街道的配電箱、排水管網匯接點、供熱管道匯接點等都屬于靜態管理節點。而動態點,則包括了運動于全市的公交車輛、出租車輛、檢修車輛以及巡查人員,對這些動態點的管理、調度、指揮,并拓展節點的功能應用,對動態點周邊約30m范圍內通過電子標簽與區域無線網絡實現自動監測。
線:同樣分為靜態線路與動態線路。分布于全市的照明線路、排水管網、供電線路、光纖線路等構成靜態線路網絡,而動態線路則包括水、電、汽的動態流向,包括公交車輛、出租車輛、檢修車輛以及巡查人員的行動軌跡等,通過對線的管理,實現對城市運行網絡的基本信息捕捉。
面:面的管理依托于點和線,實現對點、線的各個節點相應職能的影響范圍分析與統計,并實現動態預警,提供決策的數據分析基礎。
三維:三維信息重點包括地下管網信息庫構建,地下管網由上千公里的供水、燃氣、排水、電力、通訊等各類管線組成,建立三維管理框架,逐步完善各類管線三維數據,是今后系統能夠有效應用的基礎。而地面三維實景系統則針對重點區域與路段,提供景觀、照明、容量等數據分析,提供改造等決策依據。
動態三維:在點、線、面以及三維城市模型基礎上,增加動態運行管理,即時間運行軸,可對任何時間點的城市運行狀況進行追溯與預測。
具體而言,從以下幾個技術應用逐步推進--數字化市政綜合管理平臺建設:涵蓋市政管理各個行業(照明、道路、橋梁、公交、給排水等等)的統一調度管理平臺建設,整合重組已有的監控系統,實現各個系統之間的互聯互通,統一管理調度。
城市動態三維信息系統建設:在城市地上地下三維地理信息系統基礎上,增加時間運行軸,動態管理市政行業涉及的各個細小物件的動態變化,包括照明的明滅、電流、功率、電壓、溫度、濕度,包括各個橋梁的健康狀態、動態承重,包括城市各測水點動態水位與泵站工作狀態,包括巡視車輛與人員的當前位置與工作過程……所有市政日常管理的工作環節,在監控中心的三維地理信息庫中,都能夠通過分布于物聯網的傳感系統實時掌握。市政物聯網基礎建設:包括擴大傳感網絡的覆蓋對象與范圍,大到變壓器、箱變、城市照明景觀,小到地下管網的一個接頭、一盞路燈燈泡、一個窨井蓋、一個深夜出入在偏僻區域的人,都可以通過軟硬件技術,實現對這些監控對象的當前狀態進行偵測并作出判斷,大幅度提升城市管理水平。通信網絡互聯平臺建設:各個城市現有的通信系統種類繁多,存在不少重復建設、利用率不均衡等多種問題,如何把現有的無線通信網絡與有線光纖網絡、公用通信網絡與專用通信網絡,整合到市政物聯網中,為感知市政服務,提供合理、有效、便捷的通信平臺,是實現物聯網的前提基礎。同時,通信協議與標準的統一整合,更是實現物聯網的關鍵環節。
五 基于物聯網的數字化城市管理系統的幾個重要技術應用
1、橋梁監控與管理技術隨著國家基礎建設投入越來越多,橋梁建設的現代化水平越來越高。橋梁的智能化建設顯得越來越重要。橋梁健康監控體檢包括橋梁各種狀態參數,如應變、壓力、結構溫度、空氣噪聲、振動、位移、墩船撞荷、撓度、拉索張力等。這些信息將被送到橋梁運營監理部門,構成橋梁監控管理系統的數據基礎。綜合業務的橋梁光纖監控與管理系統應該是一個集運營管理系統、安全監視系統、健康監控體檢系統于一體的綜合業務信息收發平臺。橋梁監控與管理技術涵蓋橋梁超載動態監控系統、橋梁運營管理系統、安全監視系統、健康監控體檢系統、橋梁視頻監控系統等多種橋梁安全監控系統,該綜合性監控系統不僅能夠很好的監控橋梁車輛運行情況,而且能夠實時監控橋梁的運行安全以及橋梁的損壞等多種情況。
2、市政地下管線綜合管理和預警技術屬于包頭市市政工程管理處管理范圍的地下管線包括:路燈管線、排水管道、供熱管道等,系統根據管網記錄的地理信息以及地形圖數據,自動生成管網的橫斷面圖、縱剖面圖。也可以根據市政各類管網相互的連接關系自動生成管網的三維立體圖,用戶可以根據自己的需要選擇觀察任意位置和任意方向的管網參數屬性信息。
同時,分布于地下管線的各個在線監測傳感系統,將路燈管線的電流、電壓、功率,排水管道的水壓、流量,供熱管道的氣壓、流量、溫度、供水回水等監測數據實時傳輸到數據中心,并在地理信息系統平臺和三維模型中動態顯示。當在線監測數據出現異常,系統按照設定的告警機制,動態預警并及時采取應急預案,實現城市市政管理的動態三維化,提升城市建設管理的精細化水平。
3、基于線路智能穩壓的節能技術
智能節電器技術已經廣泛應用,降壓節能的幅度直接決定了實際光照度與光源工作狀態,在每個光源的工作狀態實時掌握的基礎上,可以更為精確地控制照明電壓,真正實現"按需節能"。
在國內許多已建數字化照明系統中,實現了節電技術與監控技術的整合,達到"管理節能"與"技術節能"的科學平衡,有效避免了"盲目節能"、"節能不節費"的情況發生。
☆基于IGBT電力電子技術的智能節電器該類設備采用獨立連續調壓電磁疊加補償式有載調壓變壓器技術。由于采用了電磁疊加補償式有載調壓變壓器技術,就確保了節電器設備的高可靠性指標及對電網環境的無諧波污染。同時,電磁疊加補償式變壓器的使用,實現了調壓控制過程中,照明供電的始終不斷電供電。獨立連續調壓控制技術的使用,又保證了調壓過程中,電壓連續穩定變化,不影響照明光源設備的正常照明,不影響路燈照明系統的亮燈率指標。
☆照明節電器遠程聯網控制技術根據CJJ45-2006《城市道路照明設計標準》要求,對進入深夜的照明環境,由于人流、車流均有大幅度下降,道路照明標準可以降低一個等級。同時,對某些特殊應用場合,如特殊日期的特殊集會活動等,需要提供較高的照明環境標準要求,而當特殊日期變成普通日期后,照明標準又可以降低到常規要求。因此,要實現這樣的要求,必須可實現進行按時間、地點、場合(Time/Palce/Ocaasion)的不同進行不同的照明等級控制,也即不同的照明輸出功率、照明輸出電壓的控制。由于我們選擇的方案采用了照明節電器遠程聯網控制技術,這樣就能非常方便、靈活地按照需要對每臺安裝在不同地點的照明節電器的輸出電壓、功率及光源輸出照明照度進行控制。從而保證整個夜晚道路照明期間,雖然進行了道路照明節能節電措施,道路照明的標準是嚴格受控的,所實現的節電節能是:
1)避免了深夜道路照明標準過高而造成的浪費,所節約到的能源;
2)避免了深夜道路供電電壓過高而造成的能源浪費,所節約到的能源。
因此,合理的節能方案是在不降低道路照明設計標準的前提下,通過對路燈供電電壓實施遠程TPO動態控制,達到對道路照明照度動態控制,實現真正的"按需照明",避免不必要的照明浪費,實現"按需節能"。
☆自動閉環調壓穩壓功能影響照明電器的使用壽命的主要因素就是照明供電電壓,照明節電器必須具有自動穩壓功能。中國電科五十所研制的智能照明節電器,采用了32位PhilipsARM工業控制級處理器,μC/OSII嵌入式操作系統,管理軟件運行穩定可靠。節電器實時自動采集輸入、輸出電壓,輸出電流,輸出功率等電氣參數,采樣精度達1%。節電器采用閉環智能、自動調壓穩壓控制方式工作,自動根據設定的輸出目標電壓值,和采樣檢測到的輸入電壓數值比較,計算確定最佳的降壓調壓范圍,確保經過節電器輸出的照明電壓,始終符合設定的輸出電壓標準,保證每盞路燈的供電電壓不低于198V。同時,還能及時根據輸入電壓變化自動調節降壓范圍,始終保證最大降壓數值,確保獲得最好的節點效果。
4、電子條形碼與電子標簽RFID技術
條形碼與電子標簽RFID技術已經廣泛應用于日常生活以及交通、安防等領域,在城市管理中,通過此項技術與物聯網的結合,可以有效監測各細小物件的位置變化,實現對以前無法觸及到的細小環節的有效管理。作為城市市政的基礎單元,燈桿、井蓋分布于全市各個角落,每個燈桿、井蓋的編號與條形碼或電子標簽RFID的結合,精確管理、定位全市市政和照明設施,實現對所有市政設施使用的全程跟蹤,將極大提高城市市政設施的管理效率與動態調度管理能力。此項技術的具體實施,需要按現有的管理流程作出規劃,對各個物資器材進行合理編號并結合器材自身的條形碼或RFID電子標簽,對設備的進貨、出庫、安裝、維護維修進行全程跟蹤,管理人員可以通過手動輸入編號、條形碼掃描、手機條形碼識別或電子標簽閱讀器等多種方式,對設備進行查詢與狀態更新。
同時,結合地理信息系統,巡查人員可以通過手持設備掃描現場設備的條形碼或識別其電子標簽,快速掌握此設備的所有進貨、安裝、維護以及故障信息,以便于對突發故障的迅速處理。
5、基于視頻識別、市政物聯網的綜合防盜網絡技術
基于3G無線網絡或光纖網絡,運用低照度攝像技術和先進的視頻識別軟件,可對重點區域與路段進行視頻巡檢,發現可疑人員有指定違法行為,可現場自動警示、錄像并通知值班人員。同時,隨著物聯網技術逐步應用,各個市政設備設施,大到箱變、車輛,小到燈泡、井蓋,均可利用物聯網基礎實現實時監控管理。
六 綜述
包頭市市政工程管理處和中國電科五十所將結合城市數字化市政監控與管理系統建設經驗,通過感知中國、感知市政、感知照明,將城市管理中各個行業的所有信息、元件通過物聯網有機的結合起來,其目的是讓市政管理和城市建設管理的各種對象與網絡連接,能夠感知、方便識別和提高管理水平,從傳感網建設的深度、廣度、整合性著手,全面發展數字化城市、數字化城管、數字化市政、數字化照明。
系統建設將積極圍繞建設我國西部地區經濟強市和創建國家生態園林城市的發展目標,結合包頭市城市建設管理的工作實際,借鑒國際國內先進城市在城市建設數字化管理的成功經驗,立足于城市建設管理體制、機制和方式的創新,切實發揮政府的公共管理和公共服務職能,應用物聯網技術、現代信息技術、虛擬現實技術、無線通訊技術、工作流技術、多媒體技術等高新技術手段,整合城建信息資源,創新城市建設管理模式,有效增強管理效能,建立覆蓋市區,面向城市建設管理與服務的數字化管理體系,提高城市建設的科學決策水平,實現城市管理的信息化、標準化、精細化、動態化,長效化,全面提升城市品位和城市基礎設施對城市經濟和人民生活的服務功能和承載能力。
作者:包頭市市政工程管理處 陳巖 中國電子科技集團公司第五十研究所 盧強 |
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