摘 要：地下管網在城市運行生產中起著關鍵性作用，其為城市的建設提供相應的信息和能源運輸。為滿足智慧城市和孿生城市的建設需求，提高城市信息化、智能化建設水平，需要加強對城市地下管網的監控和管理。物聯感知下的管網監控系統頂層設計將物聯網傳感器技術與計算機軟件、通信數據傳輸等技術進行合理化的組合應用，使物聯網傳感器采集到的管網狀態信息能夠準確的傳輸到業務管理平臺，業務管理平臺通過分析計算能夠準確的感知地下管網的運行狀態，并進行相應的調控管理。管理人員通過業務管理平臺能夠及時準確的掌握城市地下管網的情況，確保城市地下管線的安全運行，為城市的穩定發展保駕護航。
關鍵詞：智慧城市;物聯網;大數據;管網監控;云計算;NB-IoT數據庫
0 引 言
相關研究表明，在城市諸多能耗損失指標中，城市地下管網消耗的能源占有極大比重，目前已成為我國城市建設進一步發展的重要制約因素。因此需對地下管網信息進行全方位監測和分析，依靠大數據、物聯網、云計算等先進技術建立立體化監控管理體系，支撐我國城市各級管理單位對地下管網運行狀況的監控管理，為城市的管理規劃提供數據支撐。
1 管網監控物聯網體系總體架構設計
管網監控系統是城市基礎設施建設的一部分，智慧城市和孿生城市的建設離不開管網的智能化改造。管網要達到智慧的狀態，需要實時地掌握管網監控設備的運行情況和狀態信息。通過大數據分析和云計算等先進技術提供相應的決策和應急處置方案，將不同種類的管網分成不同的管理要素，通過在管網中安裝智能傳感器設備監測管網的運行狀態，并通過無線傳輸設備將采集到的數據傳輸至數據中心。管網監控物聯網體系結構如圖1所示。
物聯網感知設備可以看成是整個體系架構中的感覺器官，用于識別和采集管網上的狀態信息。物聯網感知設備主要包括管網狀態采集傳感器、井蓋位置傳感器等。通過對管網中壓力、流量、氣體濃度等狀態信息的監測，能夠了解管網的運行狀態。
(1)傳輸層可以看成是提供信息傳遞的神經系統，將物聯網感知設備采集到的管網狀態數據傳輸至服務層。由于管網分布分散，采用有線網絡進行數據傳輸的布線復雜，費用較高，而采用無線網絡進行數據傳輸比較合理。推薦采用目前主流的4G網絡或NB-IoT網絡進行數據傳輸。
(2)支撐層提供整個管網監控系統的運行環境，保障系統的正常運行。
(3)服務層可以看成是信息的存儲系統，服務層對下接收傳輸層的傳感器監測數據，對上根據應用層系統需求提供系統分析運行所需要的數據。
(4)應用層是整個系統運行的中樞大腦，是整個系統實現智能控制的關鍵，用于對底層傳感器數據的智能分析，負責管網信息的處理、挖掘、共享，為管理人員提供準確的分析結果，為對城市地下管網的監測預警和輔助分析提供支撐。
2 物聯網管網監控系統設計
2.1 物聯網感知層設計
物聯網感知層是物聯網管網監控系統的基礎，需要根據管網監控的需求，針對不同類型的管線選擇不同的傳感器設備。依據《管線要素分類代碼與符號表達》要求，將城市管線分為電力管線、電信管線、給水管線、排水管線、燃氣管線、熱力管線、工業管線、綜合管溝(廊)以及其他城市管線
9大類。對于管線中運輸的介質及對城市發展建設的重要性，有針對性的根據管線性質選擇傳感器類型。具體管線傳感器類型選擇見表1所列。其中電信管線、工業管線、綜合管溝(廊)以及其他城市管線可根據實際情況進行針對性設計。
2.2 傳輸層設計
傳輸層負責將物聯網感知層采集的監測數據向上傳輸。城市地下管網分布廣泛，管網監測傳感器種類多和數量較大，使用有線網絡進行數據傳輸的方案不僅成本高，還給后期的運維工作帶來很多困難。使用無線網絡進行傳感器采集數據傳輸是最經濟高效的數據傳輸手段。目前市場上主流的無線傳輸方式為4G和NB-IoT，可依據網絡的實際覆蓋情況進行無線傳輸網絡的選擇。
2.3 支撐層設計
支撐層在整個系統架構中起著承上啟下的作用，支撐層對下接收傳輸層傳輸上來的傳感器數據，對上為服務層和應用層提供基礎的硬件環境支撐。支撐層為整個系統提供安全防護保障，確保系統運行過程中安全和穩定。
2.4 服務層設計
服務層主要是用于存儲各種系統運行所需要的數據。根據數據種類和應用范圍的不同，將服務層劃分為三個數據庫，分別是地理信息數據庫、動態數據庫和業務數據庫。
2.4.1 地理信息數據庫
地上設施：主要包括數字線劃圖數據(DLG)、數字高程模型數據(DEM)、數字正射影像數據(DOM)、數字柵格圖數據(DRG)，為所有城市管理職能管理部門提供統一的空間定位和空間分析的基礎地理單元。
地下管線：包括地下管網的地理位置信息、埋深、材質、埋設年限、附屬設施、權屬類型及其它屬性信息等全過程監管信息。
地名地址：地名地址數據是國家信息化建設的重要基礎，在國家信息化體系中，地名地址是不可或缺的重要節點和橋梁，在信息傳遞中發揮著重要作用。
2.4.2 動態數據庫
位置信息數據：通過GPS/北斗導航定位等技術獲取的移動終端的位置信息數據，可用于對巡檢人員、維修搶險人員的督察檢查，可用于對應急車輛的定位與調度等。
傳感器數據：通過壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器等傳感器設備監測到的實時狀態的數據，傳感信息數據的獲取不僅為上層應用系統的分析提供數據支撐，還方便管理人員對管網進行實時的監控、維護及管理工作。
視頻數據：實現接入所有視頻資源的統一登錄查看，提高城市視頻監管效能。由于視頻數據存儲所占用的存儲較大，需根據應用的實際情況對視頻數據的存儲周期和硬件存儲設備容量進行合理的估算。
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