物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化市政技術(shù)在“包頭市市政設(shè)施數(shù)字化監(jiān)控與管理系統(tǒng)”中的綜合應用

中國電子科技集團公司第五十研究所 盧 強

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(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在無錫建設(shè)“感知中國”中心?！案兄袊钡暮x很深，傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)涉及面很廣，如何把溫總理的這一戰(zhàn)略發(fā)展思路與國內(nèi)數(shù)字化城市建設(shè)、數(shù)字化市政管理的發(fā)展目標有效結(jié)合，將會對本行業(yè)的多個產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重大影響，本文將以“包頭市市政設(shè)施數(shù)字化監(jiān)控與管理系統(tǒng)”中應用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字市政技術(shù)為主線以及今后如何與“感知中國”這一發(fā)展思路相結(jié)合為技術(shù)基礎(chǔ)，以包頭市城市建設(shè)科學化管理、數(shù)字化城市綜合平臺建設(shè)為目標，就傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化城管、數(shù)字化市政、數(shù)字化照明等的跨行業(yè)、跨平臺應用進行綜合論述與設(shè)計規(guī)劃。

二 國內(nèi)現(xiàn)有數(shù)字化城市建設(shè)的基礎(chǔ)以及今后發(fā)展方向與“感知中國”的結(jié)合

我國城市建設(shè)、數(shù)字化管理建設(shè)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(shè)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(gòu)成“感知中國”和物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分之一。而城市建設(shè)、電力、市政及照明等更是與城市日常運行息息相關(guān)的行業(yè)。

在我國數(shù)字化城市迅猛發(fā)展中，涉及行業(yè)包括城市電力自動化、數(shù)字化城管、數(shù)字化市政綜合管理、數(shù)字化照明監(jiān)控、城市環(huán)境監(jiān)測、城市智能公共交通等等，隨著這些行業(yè)應用的發(fā)展，在包頭現(xiàn)有許多行業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)建設(shè)了一定的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)或者說是框架，如交通、治安的城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電力與城市照明監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感網(wǎng)絡(luò)、服務于各個行業(yè)應用的無線公用通信網(wǎng)絡(luò)等等。但是，由于各個行業(yè)歸口不一、城市管理缺乏高層面的統(tǒng)籌管理手段，這些應用沒有有機整合，屬于有“物”、有“網(wǎng)”，但無法“聯(lián)”——因為缺少整體規(guī)劃、缺少對“聯(lián)”這一技術(shù)環(huán)節(jié)的有效支持。

三 以“感知包頭”為契機，以“物聯(lián)網(wǎng)”為平臺，實現(xiàn)城市的數(shù)字化動態(tài)管理

隨著近年來市政建設(shè)的飛速發(fā)展，管理需求的不斷升溫，已經(jīng)從傳統(tǒng)的“三遙”，擴展到整合了遙調(diào)（遠程調(diào)壓節(jié)能）、遙視（遠程視頻監(jiān)控）、遙位（遠程檢修車輛定位）、全方位防盜等多種技術(shù)的統(tǒng)一管理平臺。

不僅如此，市政行業(yè)除了城市照明的其它領(lǐng)域，對于監(jiān)控管理、統(tǒng)一調(diào)度、預警維護方面的需求，更是隨著市政建設(shè)快速發(fā)展而日益迫切。在包頭，已經(jīng)建成的市政處數(shù)字化管理監(jiān)控中心，已對市政處日常工作流程、調(diào)度、監(jiān)控、指揮等實現(xiàn)集中管理，系統(tǒng)建設(shè)框架如下圖所示：

四 以城市市政設(shè)施為管理對象，運用多種傳感網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)城市的數(shù)字化動態(tài)管理

城市管理覆蓋面較廣，其應用的技術(shù)也涉及多個行業(yè)，而這多個行業(yè)又相互關(guān)聯(lián)，要達到“感知包頭”的目的，如何實現(xiàn)包頭城市的“物聯(lián)”，實現(xiàn)動態(tài)綜合管理，可以從點、線、面、三維、動態(tài)三維等多個層面推進技術(shù)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(tài)點與動態(tài)點，分布于全市的燈桿作為城市管理物聯(lián)網(wǎng)的基本靜態(tài)節(jié)點，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，并以單個燈桿為管理節(jié)點，拓展節(jié)點周邊約30m范圍內(nèi)的電子標簽與區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)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(wǎng)匯接點、供熱管道匯接點等都屬于靜態(tài)管理節(jié)點。而動態(tài)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(tài)點的管理、調(diào)度、指揮，并拓展節(jié)點的功能應用，對動態(tài)點周邊約30m范圍內(nèi)通過電子標簽與區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自動監(jiān)測。

線：同樣分為靜態(tài)線路與動態(tài)線路。分布于全市的照明線路、排水管網(wǎng)、供電線路、光纖線路等構(gòu)成靜態(tài)線路網(wǎng)絡(luò)，而動態(tài)線路則包括水、電、汽的動態(tài)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(xiàn)對城市運行網(wǎng)絡(luò)的基本信息捕捉。

面：面的管理依托于點和線，實現(xiàn)對點、線的各個節(jié)點相應職能的影響范圍分析與統(tǒng)計，并實現(xiàn)動態(tài)預警，提供決策的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。

三維：三維信息重點包括地下管網(wǎng)信息庫構(gòu)建，地下管網(wǎng)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(shù)據(jù)，是今后系統(tǒng)能夠有效應用的基礎(chǔ)。而地面三維實景系統(tǒng)則針對重點區(qū)域與路段，提供景觀、照明、容量等數(shù)據(jù)分析，提供改造等決策依據(jù)。

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動態(tài)三維：在點、線、面以及三維城市模型基礎(chǔ)上，增加動態(tài)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(shù)應用逐步推進——

數(shù)字化市政綜合管理平臺建設(shè)：涵蓋市政管理各個行業(yè)（照明、道路、橋梁、公交、給排水等等）的統(tǒng)一調(diào)度管理平臺建設(shè)，整合重組已有的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)各個系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通，統(tǒng)一管理調(diào)度。

城市動態(tài)三維信息系統(tǒng)建設(shè)：在城市地上地下三維地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加時間運行軸，動態(tài)管理市政行業(yè)涉及的各個細小物件的動態(tài)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(tài)、動態(tài)承重，包括城市各測水點動態(tài)水位與泵站工作狀態(tài)，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(huán)節(jié)，在監(jiān)控中心的三維地理信息庫中，都能夠通過分布于物聯(lián)網(wǎng)的傳感系統(tǒng)實時掌握。

市政物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)：包括擴大傳感網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)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(qū)域的人，都可以通過軟硬件技術(shù)，實現(xiàn)對這些監(jiān)控對象的當前狀態(tài)進行偵測并作出判斷，大幅度提升城市管理水平。

通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)平臺建設(shè)：各個城市現(xiàn)有的通信系統(tǒng)種類繁多，存在不少重復建設(shè)、利用率不均衡等多種問題，如何把現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)絡(luò)與有線光纖網(wǎng)絡(luò)、公用通信網(wǎng)絡(luò)與專用通信網(wǎng)絡(luò)，整合到市政物聯(lián)網(wǎng)中，為感知市政服務，提供合理、有效、便捷的通信平臺，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的前提基礎(chǔ)。同時，通信協(xié)議與標準的統(tǒng)一整合，更是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

五 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字化城市管理系統(tǒng)的幾個重要技術(shù)應用

1、橋梁監(jiān)控與管理技術(shù)

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)投入越來越多，橋梁建設(shè)的現(xiàn)代化水平越來越高。橋梁的智能化建設(shè)顯得越來越重要。橋梁健康監(jiān)控體檢包括橋梁各種狀態(tài)參數(shù)，如應變、壓力、結(jié)構(gòu)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(jiān)理部門，構(gòu)成橋梁監(jiān)控管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

綜合業(yè)務的橋梁光纖監(jiān)控與管理系統(tǒng)應該是一個集運營管理系統(tǒng)、安全監(jiān)視系統(tǒng)、健康監(jiān)控體檢系統(tǒng)于一體的綜合業(yè)務信息收發(fā)平臺。

橋梁監(jiān)控與管理技術(shù)涵蓋橋梁超載動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、橋梁運營管理系統(tǒng)、安全監(jiān)視系統(tǒng)、健康監(jiān)控體檢系統(tǒng)、橋梁視頻監(jiān)控系統(tǒng)等多種橋梁安全監(jiān)控系統(tǒng)，該綜合性監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠很好的監(jiān)控橋梁車輛運行情況，而且能夠?qū)崟r監(jiān)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(shù)

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(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)記錄的地理信息以及地形圖數(shù)據(jù)，自動生成管網(wǎng)的橫斷面圖、縱剖面圖。也可以根據(jù)市政各類管網(wǎng)相互的連接關(guān)系自動生成管網(wǎng)的三維立體圖，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇觀察任意位置和任意方向的管網(wǎng)參數(shù)屬性信息。

同時，分布于地下管線的各個在線監(jiān)測傳感系統(tǒng)，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(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，并在地理信息系統(tǒng)平臺和三維模型中動態(tài)顯示。當在線監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)按照設(shè)定的告警機制，動態(tài)預警并及時采取應急預案，實現(xiàn)城市市政管理的動態(tài)三維化，提升城市建設(shè)管理的精細化水平。

橫斷面觀察

縱剖面觀察

三維立體圖

3、基于線路智能穩(wěn)壓的節(jié)能技術(shù)

智能節(jié)電器技術(shù)已經(jīng)廣泛應用，降壓節(jié)能的幅度直接決定了實際光照度與光源工作狀態(tài)，在每個光源的工作狀態(tài)實時掌握的基礎(chǔ)上，可以更為精確地控制照明電壓，真正實現(xiàn)“按需節(jié)能”。

在國內(nèi)許多已建數(shù)字化照明系統(tǒng)中，實現(xiàn)了節(jié)電技術(shù)與監(jiān)控技術(shù)的整合，達到“管理節(jié)能”與“技術(shù)節(jié)能”的科學平衡，有效避免了“盲目節(jié)能”、“節(jié)能不節(jié)費”的情況發(fā)生。

基于IGBT電力電子技術(shù)的智能節(jié)電器

該類設(shè)備采用獨立連續(xù)調(diào)壓電磁疊加補償式有載調(diào)壓變壓器技術(shù)。由于采用了電磁疊加補償式有載調(diào)壓變壓器技術(shù)，就確保了節(jié)電器設(shè)備的高可靠性指標及對電網(wǎng)環(huán)境的無諧波污染。同時，電磁疊加補償式變壓器的使用，實現(xiàn)了調(diào)壓控制過程中，照明供電的始終不斷電供電。獨立連續(xù)調(diào)壓控制技術(shù)的使用，又保證了調(diào)壓過程中，電壓連續(xù)穩(wěn)定變化，不影響照明光源設(shè)備的正常照明，不影響路燈照明系統(tǒng)的亮燈率指標。

照明節(jié)電器遠程聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)

根據(jù)CJJ45-2006《城市道路照明設(shè)計標準》要求，對進入深夜的照明環(huán)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(huán)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(guī)要求。因此，要實現(xiàn)這樣的要求，必須可實現(xiàn)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(jié)電器遠程聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)，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(jié)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(jié)能節(jié)電措施，道路照明的標準是嚴格受控的，所實現(xiàn)的節(jié)電節(jié)能是：

1）避免了深夜道路照明標準過高而造成的浪費，所節(jié)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(jié)約到的能源。

因此，合理的節(jié)能方案是在不降低道路照明設(shè)計標準的前提下，通過對路燈供電電壓實施遠程TPO動態(tài)控制，達到對道路照明照度動態(tài)控制，實現(xiàn)真正的“按需照明”，避免不必要的照明浪費，實現(xiàn)“按需節(jié)能”。

自動閉環(huán)調(diào)壓穩(wěn)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(jié)電器必須具有自動穩(wěn)壓功能。中國電科五十所研制的智能照明節(jié)電器，采用了32位Philips ARM工業(yè)控制級處理器，μC/OS II嵌入式操作系統(tǒng)，管理軟件運行穩(wěn)定可靠。節(jié)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(shù)，采樣精度達1%。節(jié)電器采用閉環(huán)智能、自動調(diào)壓穩(wěn)壓控制方式工作，自動根據(jù)設(shè)定的輸出目標電壓值，和采樣檢測到的輸入電壓數(shù)值比較，計算確定最佳的降壓調(diào)壓范圍，確保經(jīng)過節(jié)電器輸出的照明電壓，始終符合設(shè)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(jù)輸入電壓變化自動調(diào)節(jié)降壓范圍，始終保證最大降壓數(shù)值，確保獲得最好的節(jié)點效果。

4、電子條形碼與電子標簽RFID技術(shù)

條形碼與電子標簽RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于日常生活以及交通、安防等領(lǐng)域，在城市管理中，通過此項技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，可以有效監(jiān)測各細小物件的位置變化，實現(xiàn)對以前無法觸及到的細小環(huán)節(jié)的有效管理。

作為城市市政的基礎(chǔ)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(jié)合，精確管理、定位全市市政和照明設(shè)施，實現(xiàn)對所有市政設(shè)施使用的全程跟蹤，將極大提高城市市政設(shè)施的管理效率與動態(tài)調(diào)度管理能力。

此項技術(shù)的具體實施，需要按現(xiàn)有的管理流程作出規(guī)劃，對各個物資器材進行合理編號并結(jié)合器材自身的條形碼或RFID電子標簽，對設(shè)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(shè)備進行查詢與狀態(tài)更新。

同時，結(jié)合地理信息系統(tǒng)，巡查人員可以通過手持設(shè)備掃描現(xiàn)場設(shè)備的條形碼或識別其電子標簽，快速掌握此設(shè)備的所有進貨、安裝、維護以及故障信息，以便于對突發(fā)故障的迅速處理。

5、基于視頻識別、市政物聯(lián)網(wǎng)的綜合防盜網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

基于3G無線網(wǎng)絡(luò)或光纖網(wǎng)絡(luò)，運用低照度攝像技術(shù)和先進的視頻識別軟件，可對重點區(qū)域與路段進行視頻巡檢，發(fā)現(xiàn)可疑人員有指定違法行為，可現(xiàn)場自動警示、錄像并通知值班人員。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐步應用，各個市政設(shè)備設(shè)施，大到箱變、車輛，小到燈泡、井蓋，均可利用物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實現(xiàn)實時監(jiān)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(jié)合城市數(shù)字化市政監(jiān)控與管理系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)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(yè)的所有信息、元件通過物聯(lián)網(wǎng)有機的結(jié)合起來，其目的是讓市政管理和城市建設(shè)管理的各種對象與網(wǎng)絡(luò)連接，能夠感知、方便識別和提高管理水平，從傳感網(wǎng)建設(shè)的深度、廣度、整合性著手，全面發(fā)展數(shù)字化城市、數(shù)字化城管、數(shù)字化市政、數(shù)字化照明。

系統(tǒng)建設(shè)將積極圍繞建設(shè)我國西部地區(qū)經(jīng)濟強市和創(chuàng)建國家生態(tài)園林城市的發(fā)展目標，結(jié)合包頭市城市建設(shè)管理的工作實際，借鑒國際國內(nèi)先進城市在城市建設(shè)數(shù)字化管理的成功經(jīng)驗，立足于城市建設(shè)管理體制、機制和方式的創(chuàng)新，切實發(fā)揮政府的公共管理和公共服務職能，應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、無線通訊技術(shù)、工作流技術(shù)、多媒體技術(shù)等高新技術(shù)手段，整合城建信息資源，創(chuàng)新城市建設(shè)管理模式，有效增強管理效能，建立覆蓋市區(qū)，面向城市建設(shè)管理與服務的數(shù)字化管理體系，提高城市建設(shè)的科學決策水平，實現(xiàn)城市管理的信息化、標準化、精細化、動態(tài)化，長效化，全面提升城市品位和城市基礎(chǔ)設(shè)施對城市經(jīng)濟和人民生活的服務功能和承載能力。