基于傳感器技術(shù)的智慧城市管理云平臺(tái)研究

劉洲峰 金 鑫 陸 漫 徐敏杰 陳存廣

（1、中原工學(xué)院，河南 鄭州450007 2、河南威果智能科技有限公司，河南 鄭州450001 3、哈爾濱中科盈江科技有限公司，黑龍江 哈爾濱150000）

在近十幾年來(lái)的城市管理實(shí)踐中，越來(lái)越多的城市認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)城市管理體制機(jī)制的弊端：城管問(wèn)題信息傳遞不及時(shí)，監(jiān)督與管理被動(dòng)滯后；專業(yè)管理部門職責(zé)不清，條塊分割，管理缺位；管理方式粗放，習(xí)慣于突擊式、運(yùn)動(dòng)式管理；缺乏有效的監(jiān)督和評(píng)價(jià)機(jī)制，問(wèn)題處置效率和質(zhì)量相對(duì)低下。為了解決傳統(tǒng)城市管理的弊端，城市管理建設(shè)引入了信息化技術(shù)、感知技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，各類新型數(shù)據(jù)源也不斷涌現(xiàn)，對(duì)城市管理的數(shù)字化和信息化建設(shè)范圍和規(guī)模在不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)大量依靠主觀經(jīng)驗(yàn)的決策逐漸建立在了基于據(jù)的理性分析之上。日益多元的城市功能提升與城市空間集約利用、城市安全需求與城市數(shù)字化建設(shè)步伐滯后之間的矛盾突出，表現(xiàn)為：缺乏城市數(shù)字化建設(shè)所必須的政府部門間信息共享與服務(wù)機(jī)制；缺少以政府管理需求為目標(biāo)的部門間統(tǒng)一的信息服務(wù)集成平臺(tái)；缺少針對(duì)城市及城市群的無(wú)縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)化城市及網(wǎng)絡(luò)化城市群的信息共享、功能協(xié)調(diào)發(fā)展缺少必要的技術(shù)支撐；尤為突出的是對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理能力嚴(yán)重不足，仍停留在簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析階段，大數(shù)據(jù)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)能力未能得到體現(xiàn)。相關(guān)技術(shù)發(fā)展難以滿足城市功能提升中的成果實(shí)用化、技術(shù)集成化、監(jiān)測(cè)精細(xì)化、管理智能化、信息一體化、響應(yīng)快速化要求。

本論文將基于智慧熱力應(yīng)用平臺(tái)、智慧燃?xì)鈶?yīng)用平臺(tái)、智慧環(huán)保應(yīng)用平臺(tái)、智慧水務(wù)應(yīng)用平臺(tái)、以及智慧安全應(yīng)用平臺(tái)，充分利用地下管網(wǎng)（燃?xì)?、熱力、供水）、工業(yè)生產(chǎn)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等傳感器技術(shù)方面的行業(yè)優(yōu)勢(shì)，按照資源整合、開放共享的原則，建設(shè)面向智慧城市管理的云平臺(tái)。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：a.構(gòu)建基于開放標(biāo)準(zhǔn)的智能物聯(lián)感知服務(wù)層（MaaS），便于設(shè)備類型擴(kuò)展和功能增加，形成支持主流物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的接入能力。b.融合傳感器信號(hào)處理信息、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、可視化技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)企事業(yè)單位及社會(huì)公眾提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)。c.以各類開放標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，形成城市地下管網(wǎng)及城市重要區(qū)域運(yùn)行狀態(tài)感知、監(jiān)測(cè)、控制等數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和語(yǔ)義規(guī)范，為第三方服務(wù)接入、數(shù)據(jù)共享提供支撐。

1 傳感器研究

傳感器是能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。本文重點(diǎn)研究氣體傳感器的技術(shù)路線，傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)電子線路處理、放大和轉(zhuǎn)換后，實(shí)現(xiàn)氣體含量的顯示和報(bào)警?？梢?jiàn)，傳感器是氣體檢測(cè)報(bào)警儀的基礎(chǔ)的、核心部件，它的優(yōu)劣一定程度上決定了氣體檢測(cè)報(bào)警儀的質(zhì)量和功能指標(biāo)。

1.1 電化學(xué)傳感器的工藝路線

電化學(xué)式氣體傳感器由貴金屬催化電極、鉑絲引線、氣體傳感器外殼、電解液及其它輔助材料組裝而成，所用材料中貴金屬催化電極、電解液為自加工配套生產(chǎn)，鉑絲引線、氣體傳感器外殼為外部購(gòu)件。技術(shù)特點(diǎn)包括：1.1.1 采用碳- 鎢合金作催化劑，利用鉑做表面修飾等技術(shù)，提高了電化學(xué)式氣體傳感器的靈敏度；納米技術(shù)的應(yīng)用改善了催化劑的分布狀態(tài)，加快了電化學(xué)式氣體傳感器的響應(yīng)回復(fù)速率，提高了穩(wěn)定性；1.1.2 采用鉑- 釕合金作催化劑，金屬溶解法制備載體金屬的微缺陷及絲網(wǎng)印刷等技術(shù)制備催化電極，使電化學(xué)式氣體傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；1.1.3 運(yùn)用獨(dú)特的貴金屬擔(dān)載技術(shù)，以在超高溫惰性氛圍中處理的石墨為載體擔(dān)載金的方法制作電極，使電化學(xué)式氣體傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)；1.1.4 采用絲網(wǎng)印刷工藝制備電極，提高了電極尺寸的一致性和電極的強(qiáng)度，使催化劑的分布更均勻，提高了元件的穩(wěn)定性。采用價(jià)格低廉、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的磺化聚α- 甲基苯乙烯制固體質(zhì)子交換膜，延長(zhǎng)了質(zhì)子交換膜的使用壽命，輔以偏心結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，有效解決了電化學(xué)式氣體傳感器的漏液?jiǎn)栴}，提高了元件穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了使用壽命。

1.2 氣體探測(cè)智能終端工藝路線

本文氣體探測(cè)智能終端由傳感器模塊、電源板或電源模塊、主板和儀表殼體組成。氣體傳感器通過(guò)接插件連接到主板上，以提供數(shù)字的檢測(cè)信號(hào)；電源板通過(guò)導(dǎo)線連接到主板上，為主板提供電源。氣體探測(cè)智能終端的生產(chǎn)工藝包括以上四大組成部分的生產(chǎn)和裝配成品的處理，主要包括以下工序：1.2.1 電路板送制板廠制板，加工機(jī)械部件，購(gòu)買電子元件和機(jī)械零件；1.2.2 電源板裝配：將電子元件焊接到電路板上，并安裝相應(yīng)的機(jī)械部件。1.2.3 嵌入式系統(tǒng)寫片操作：程序員將編譯好的探測(cè)器程序通過(guò)編程器寫到電路板的嵌入式系統(tǒng)中。1.2.4 主板裝配：將電子元件焊接到電路板上，并安裝相應(yīng)的機(jī)械部件及經(jīng)寫片的嵌入式系統(tǒng)。1.2.5 傳感器處理：對(duì)氣體傳感器進(jìn)行必要的處理，如添加保護(hù)殼等。1.2.6 檢測(cè)儀的裝配：包括連接傳感器和主板、連接主板和電源板、并將其裝入機(jī)殼。1.2.7 檢測(cè)儀處理：將裝配好的檢測(cè)儀進(jìn)行老化和標(biāo)定。標(biāo)定過(guò)程先加電，手動(dòng)控制測(cè)量氣體濃度，反復(fù)試驗(yàn)調(diào)整直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。1.2.8 成品檢驗(yàn)合格后進(jìn)行包裝，然后入庫(kù)。

2 管理云平臺(tái)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

基于傳感器技術(shù)的智慧城市管理云平臺(tái)的實(shí)質(zhì)是利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市智慧式智能化管理，為市民創(chuàng)造安康和諧生活，促進(jìn)城市的綠色健康發(fā)展。建設(shè)智慧城市已成為當(dāng)今世界城市發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的歷史潮流。

2.1 水力模型：通過(guò)數(shù)采儀、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、水質(zhì)水壓表等在線監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)感知城市供排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并采用可視化的方式有機(jī)整合水務(wù)管理部門與供排水設(shè)施，形成“城市水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)”，并可將海量水務(wù)信息進(jìn)行及時(shí)分析與處理，并做出相應(yīng)的處理結(jié)果輔助決策建議，以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理水務(wù)系統(tǒng)的整個(gè)生產(chǎn)、管理和服務(wù)流程，從而達(dá)到“智慧”的狀態(tài)。水力模型是智慧供水平臺(tái)的決策大腦，是看清管網(wǎng)運(yùn)行工況的眼睛。

2.2 排洪模型：防洪排澇信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于虛擬仿真技術(shù)的防洪排澇設(shè)施的瀏覽和查詢。 功能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)繪制區(qū)域內(nèi)的三維城市景觀、防洪排澇設(shè)施及其運(yùn)行狀態(tài)、任意飛行漫游洪澇擴(kuò)散模擬和災(zāi)害評(píng)估、三維實(shí)體統(tǒng)計(jì)查詢，讓防洪排澇數(shù)據(jù)直觀、真實(shí)、實(shí)時(shí)的展示在決策者面前。根據(jù)SCADA、檢測(cè)、人工巡查等數(shù)據(jù)，通過(guò)排洪模型大數(shù)據(jù)分析，形成對(duì)未來(lái)預(yù)測(cè)的，排洪模型通過(guò)GIS 展現(xiàn)到客戶端，對(duì)排洪工作安排，決策人力部署提供了有效的支撐。

2.3 物聯(lián)綜合平臺(tái)：全國(guó)設(shè)備管控總覽。管理管控，全國(guó)各地，不同行業(yè)、區(qū)域的物聯(lián)設(shè)備情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

3 結(jié)論

建設(shè)基于傳感器技術(shù)的智慧城市管理云平臺(tái)可以大幅度推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)在城市基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用能力和水平，實(shí)現(xiàn)全面感知和精準(zhǔn)分析，以運(yùn)營(yíng)管理的靈活性和高效性彌補(bǔ)物質(zhì)建設(shè)的各種不足，使城市供水、供熱、供氣等各類基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)模式由經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，管控模式由事后處理變?yōu)槭虑皵?shù)據(jù)預(yù)判。同時(shí)，也推動(dòng)相關(guān)運(yùn)營(yíng)商改變舊的服務(wù)模式，由被動(dòng)變主動(dòng)，有效提高城市管理和服務(wù)水平、安全水平。