在線監(jiān)測技術在市政領域的應用現(xiàn)狀及前景

繆勤榮

(中新南京生態(tài)科技島投資發(fā)展有限公司 江蘇南京 210019)

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各類工程設備為人們提供越來越便捷舒適的生活，與此同時此類設備的可靠性、穩(wěn)定性以及安全問題也逐步成為人們關注的焦點，以往單純依靠人力檢測保證設備的安全可靠已遠遠無法滿足現(xiàn)實需求，近年來隨著“物聯(lián)網(wǎng)”概念的興起，在線監(jiān)測技術迅速發(fā)展，在眾多工業(yè)領域得到了廣泛的應用，大幅提高了人各類工程設備的管理效率及水平。

“智慧城市”是城市未來發(fā)展的必然方向，而智能化的市政設施是智慧城市的主要內容。市政設施智能化即是通過在線監(jiān)測技術的運用，實現(xiàn)市政設施的數(shù)字化、智能化調度和管理。本文主要對在線監(jiān)測技術的技術現(xiàn)狀及其在市政領域的應用現(xiàn)狀進行分析和總結，并探討在線監(jiān)測技術在市政領域應用的前景和發(fā)展方向，為市政領域在線監(jiān)測技術的應用提供技術參考。

1 在線監(jiān)測技術概述

在線監(jiān)測技術是指應用傳感設備以及傳輸網(wǎng)絡實現(xiàn)待監(jiān)測目標與控制中心的信息交換和通信，以實現(xiàn)對特定目標的智能化識別、追蹤以及實時監(jiān)控和管理的一種技術[1]。在線監(jiān)測技術實際上是“物聯(lián)網(wǎng)”概念的一種實際體現(xiàn)，其在一定程度上實現(xiàn)了人與物體的實時溝通，某些在線監(jiān)測技術甚至也可以實現(xiàn)物體之間的交互。在線監(jiān)測技術通常具有一般物聯(lián)網(wǎng)技術典型的的系統(tǒng)架構，即通常包含感知層、網(wǎng)絡傳輸層、應用層三個層面，具體架構參見(圖1)[2]。

圖1 在線監(jiān)測技術典型系統(tǒng)架構圖

在線監(jiān)測技術中的感知層一般由各類傳感器或傳感器網(wǎng)絡組成，主要實現(xiàn)對目標物信息的采集、捕獲和識別[3]。網(wǎng)路傳輸層相當于在線監(jiān)測系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)，其主要任務是實現(xiàn)信息傳輸和交換，它必須能夠實時地、可靠地將感知層采集的信息進行處理，并通過有線或無線方式發(fā)送給終端。應用管理層主要負責信息的存儲、分析和顯示，其目標就是實現(xiàn)用戶的簡單便捷化的監(jiān)控和管理。

2 市政領域在線監(jiān)測技術的應用現(xiàn)狀

在線監(jiān)測技術早在上世紀中期就開始應用于各行業(yè)之中，近年來隨著無線傳輸技術及計算機信息技術的快速發(fā)展，在線監(jiān)測技術的應用則更加多元化，普及化。在線監(jiān)測技術在市政領域的應用也越來越廣泛。目前，在線監(jiān)測技術在市政領域應用較多的主要包括以下幾個方面:

(1)智能交通

智能交通區(qū)別于以往依靠人工實現(xiàn)交通管理的方式，主要通過應用計算機技術、智能傳感技術、數(shù)據(jù)傳輸技術等先進技術實現(xiàn)交通的智能化監(jiān)控和管理。智能交通的基礎就是通過對城市交通一系列實時數(shù)據(jù)的采集、分析，建立起有針對性的、完善便捷的城市交通運輸管理體系，實現(xiàn)城市交通高效、有序地運行，提高車輛行人出行的便利程度和安全保障[4]，其應用體系如(圖2)所示。可見，在線監(jiān)測技術是智能交通的核心，大量交通智能管理功能是建立在線監(jiān)測技術應用的基礎之上。

圖2 智能交通應用體系結構圖

國外在線監(jiān)測技術在交通領域的應用起步較早。早在1995年，美國交通部就提出了“國家智能交通系統(tǒng)項目規(guī)劃”，該規(guī)劃提出到2025年建成基于智能傳感器網(wǎng)路和衛(wèi)星定位技術的智能交通系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對交通系統(tǒng)的智能化管理，可以實時地提供車輛的最佳路線，提高車輛的行駛效率，降低能源消耗;通過車距的監(jiān)控，可以更好地保障出行安全[5]。智能交通在我國的發(fā)展起步相對較晚，上世紀末期國家才開始關注智能化交通系統(tǒng)的建設，近年來隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，智能交通已成為交通領域發(fā)展的熱點。上海市率先實現(xiàn)了智能交通監(jiān)測系統(tǒng)的應用，該系統(tǒng)利用部署于道路路口處的視頻監(jiān)控和各類傳感器掌握實時的城市交通信息，并在特定車輛上設置衛(wèi)星定位系統(tǒng)和信息接收終端以便于控制中心實時地調度和管理[6]。中國科學院沈陽自動化設計的智能交通監(jiān)控系統(tǒng)也取得了良好的應用效果，該系統(tǒng)主要通過視頻監(jiān)控設備和溫度、濕度傳感器對道路的能見度和路面狀況進行實時監(jiān)測，并及時向過往車輛給出提醒，有效地保障了道路交通的安全[7]。

(2)橋梁安全監(jiān)測

橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)主要是應用傳感設備對橋梁的結構狀態(tài)進行實時地監(jiān)測和評估，并在橋梁的結構狀態(tài)出現(xiàn)異常時提供及時的預警信息，輔助橋梁的安全管理與維護[8]。近年來，隨著人們對橋梁結構安全的重視程度不斷提高，橋梁安全監(jiān)測也隨之快速發(fā)展，各項研究及應用工作不斷展開，也取得了豐碩的成果。

國外橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)的大規(guī)模建設起源于上世紀八十年代。英國的Foyle大橋、美國的Sunshine Skyway Bridge大橋，墨西哥的Tampico大橋等都在此期間建設了橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)，通過在橋身上布設的各類傳感器對大橋主梁及其它部位在荷載作用下的結構變化信息進行采集，實現(xiàn)橋梁結構安全的實時、全方位監(jiān)測[9～10]。國內對于橋梁的結構安全同樣非常重視，橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究及應用在全世界也位于前列。至今，我國的潤揚長江大橋、江陰長江大橋、蘇通大橋等大型橋梁均已建立了針對橋梁結構安全的健康監(jiān)測系統(tǒng)，而城市內的中小型橋梁也在逐步推進結構安全在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設。(圖3)為蘇通大橋安全監(jiān)測系統(tǒng)結構圖，其應用固定式監(jiān)測和移動式監(jiān)測兩種監(jiān)測方式對大橋的結構安全實時進行評估。如今，橋梁的結構安全監(jiān)測已經(jīng)成為橋梁設計過程中必須考慮的內容，杭州灣跨海大橋、杭州錢塘江四橋、蘇通大橋等在初期就設計了相應的結構安全監(jiān)測系統(tǒng)，顯然橋梁安全的在線監(jiān)測已成為橋梁建設發(fā)展的必然趨勢。

圖3 橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖

(3)管道監(jiān)測

傳統(tǒng)的管道病害檢測主要通過人工排查來解決，不僅檢測效率低，而且無法實現(xiàn)病害的實時檢測和預警。近年來隨著在線監(jiān)測技術的成熟，及各類傳感設備的發(fā)展，更多的管道采用在線監(jiān)測系統(tǒng)進行管理。目前，我國在線監(jiān)測系統(tǒng)已在石油、供水、燃氣、電力等多種管道領域得到應用。

國外對市政管線的監(jiān)測研究與應用開展的較早，尤其是石油、供水、燃氣等管道的在線監(jiān)測系統(tǒng)已相對比較成熟。對于燃氣以及石油此類具有很高安全要求的管道美國等發(fā)達國家已經(jīng)立法必須對管道可能存在的泄漏情況進行監(jiān)測[11]。而供水、排水、電力等市政管線方面，既可以遠程監(jiān)測城市管道參數(shù)，又可以遠程控制相關設備的管線SCADA系統(tǒng)在各大城市得到了廣泛的應用。國內關于管道監(jiān)測方面的研究起步相對較晚，但近幾年來發(fā)展迅速。上世紀末期，我國的一些城市開始認識到應用信息化技術管理市政管道的重要性，城市供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等城市管道信息管理系統(tǒng)在全國各大城市陸續(xù)得到建設，這些系統(tǒng)的建設有效改善了市政管網(wǎng)的管理模式[12]。此類系統(tǒng)通過在管道及相關設施內布設的傳感器和遠程控制設備，以實現(xiàn)管道信息數(shù)據(jù)的實時采集、設備的遠程控制以及危險狀況預警等功能。北京、大連、濟南等城市均建立了供水管網(wǎng)、電力管線等市政管道的SCADA系統(tǒng)，實現(xiàn)了管線的遠程調度和管理[13]。(圖2)所示為大連市旅順口區(qū)建成的給水管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)的系統(tǒng)架構，系統(tǒng)承擔了旅順口區(qū)20km2范圍的輸水管道及設備的監(jiān)控管理，有效保障了區(qū)域的供水安全。

圖4 旅順口區(qū)給水管網(wǎng)管理信息系統(tǒng)架構圖

(4)其他

除上述幾種領域之外，在線監(jiān)測技術在環(huán)境監(jiān)測與保護、城市燈光照明、災害預警、治安管理等領域都有著廣泛的應用?？梢哉f在線監(jiān)測技術作為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，其未來還將會成為市政領域不可缺少的一部分。

3 市政領域在線監(jiān)測技術的應用前景

在線監(jiān)測技術是未來“智慧城市”建設的基礎。應用在線監(jiān)測系統(tǒng)對城市進行實時地智能化的管理是城市發(fā)展的必然趨勢，2011年交通運輸部發(fā)布的《道路運輸業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確提出“在未來五年中國要按照適度超前的原則，推進交通信息化建設，大力發(fā)展智能交通，提升交通運輸?shù)默F(xiàn)代化水平”。2014年國務院辦公廳印發(fā)的《關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》中也明確提出“要在地下管線中廣泛應用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測和隱患事故預警等先進技術”?？梢灶A見未來幾年智能化市政將步入快速發(fā)展的周期，在線監(jiān)測技術將更多地應用在城市建設中去。

目前在線監(jiān)測在市政領域的應用功能還主要是設備的監(jiān)測和災害的預警，實質上在線監(jiān)測技術應用方向和價值還有很多，未來市政領域在線監(jiān)測技術還需向以下幾個方向進一步發(fā)展:

(1)建立綜合性的市政設施管理平臺。

現(xiàn)有針對各類市政設施的監(jiān)測管理系統(tǒng)建設還較為分散，尚未建立針對整個城市市政設施的綜合市政管理平臺，甚至一個城市不同區(qū)域的監(jiān)測系統(tǒng)也不相同。“智慧市政”的目標就是建立綜合性的城市管理平臺，綜合性市政管理平臺不僅有利于增加管理效率，也有助于城市資源分配管理的協(xié)調統(tǒng)一。

(2)實現(xiàn)市政在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享。

目前我國交通、橋梁等各類市政設施監(jiān)測系統(tǒng)所取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)還主要由其管理部門掌握，信息的共享通道還不通暢，數(shù)據(jù)的分享機制也不健全，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的價值還很局限。只有數(shù)據(jù)的合理共享，才可以實現(xiàn)對于行業(yè)建設管理的推進，才可以有助于在線監(jiān)測技術的應用及推廣。

(3)輔助市政規(guī)劃設計。

輔助市政規(guī)劃設計是未來市政領域在線監(jiān)測技術非常重要的發(fā)展方向?，F(xiàn)有市政設施的設計主要還是依靠理論計算以及經(jīng)驗推導，有時與實際的使用狀態(tài)存在較大差異。通過對在線監(jiān)測得到的大量的實際運行數(shù)據(jù)進行分析和計算，可以發(fā)現(xiàn)當前市政設計的不足和瓶頸，指導市政設計手段的更新，為科學的城市規(guī)劃設計提供技術手段。

(4)其他

此外，市政領域在線監(jiān)測技術在區(qū)域環(huán)境整治與保護、工程建設流程管理、市政資源分配等方向也具有很好的應用前景。

4 總結

在線監(jiān)測技術一方面可以說是物聯(lián)網(wǎng)概念的具體體現(xiàn)，另一方面它也是整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎，物聯(lián)網(wǎng)正是強調所有設施的實時在線的聯(lián)系及管理?？梢娫诰€監(jiān)測技術未來將有更加廣闊的發(fā)展機遇及應用前景，尤其作為重點發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的市政領域，我們可以大膽的預見，將來各種形式的在線監(jiān)測系統(tǒng)將對城市進行全天候管理，在線監(jiān)測系統(tǒng)將走入移動終端并完全融入我們的生活，每一位市民都可以成為城市的管理者。當然，在線監(jiān)測技術再市政領域的發(fā)展和應用還需要克服很多困難，如成本、標準化、微型化、硬件安全、網(wǎng)絡安全等方面，這也需要多個領域的技術共同推進發(fā)展。

[1]楊威.利用GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控[J].航空制造技術，2010，(20):123 －125.

[2]孫其博，劉杰，黎葬，等.物聯(lián)網(wǎng):概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010，33(3):1－9.

[3]劉勇，候榮旭.淺談物聯(lián)網(wǎng)的感知層[J].電腦學習，2010，(5):55－62.

[4]王愛民.智能交通系統(tǒng)中信息技術應用的研究[D].浙江大學，2006.

[5]Hill J，Culler D.A Wireless Embedded Sensor Architecture For System－level Optimization.UC Berkeley Technical Report，2002.

[6]周雅琴，譚定忠.無線傳感器網(wǎng)絡應用及研究現(xiàn)狀[J].傳感器世界，2009，(5):35－40.

[7]洪峰，褚紅偉，金宗科，等.無線傳感器網(wǎng)絡應用系統(tǒng)最新進展綜述[J].計算機研究與發(fā)展，2010，47(z2):81－87.

[8]馬俊.橋梁結構安全在線監(jiān)測系統(tǒng)理論與工程應用研究[D].浙江大學，2010.

[9]Muria Vila D，Gomez R，King C.Dynamics Structural Properties of Cable Stayed Tampico Bridge[J].Journal of Structural Engineering－ASCE，1991，117(1):3396 －3401.

[10]Shahawy M A，Arocklasamy M.Field Instrument to Study the Time Dependent Behavior in Sunshine Skyway Bridge.Journal of Bridge Engineering[J].Journal of Structural Engineering －ASCE，1996，1(2):2674 －2680.

[11]楊振濤，李曉東，李曉.管道沉降監(jiān)測與應用研究[J].上海地質，2006，(2):45 －47.

[12]邊際，牛晗.城市供水、用水、排水數(shù)據(jù)的信息化管理系統(tǒng)[J].工程勘察，2005，(6):24－27.

[13]張卉.基于SCADA系統(tǒng)的供水管網(wǎng)模擬與綜合管理系統(tǒng)開發(fā)[D].西安建筑科技大學，2008.