以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的污水管網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)

宋雷震

(淮南聯(lián)合大學(xué) 智能制造學(xué)院，淮南 232038)

物聯(lián)網(wǎng)作為新型的信息交換以及通信理念，具有智能化、識(shí)別和通信、互聯(lián)3個(gè)重要特征[1]。智能化表示網(wǎng)絡(luò)中事物具備控制化、反饋?zhàn)詣?dòng)化的特點(diǎn)；識(shí)別和通信體現(xiàn)出萬(wàn)物之間連接和互動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)物質(zhì)基礎(chǔ)；互聯(lián)則是物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基本條件。物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)傳感器、紅外傳感器等先進(jìn)的技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)相通，最終達(dá)到物和物、物和人萬(wàn)物互聯(lián)的狀態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為目前經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展的新紀(jì)元，其在智慧醫(yī)療、食藥安全、物流運(yùn)輸、公共事件等方面應(yīng)用廣泛[2]。該技術(shù)的核心是融合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和物理世界，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過(guò)程的智能化感知、識(shí)別和管理。此次研究提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)污水管網(wǎng)管理，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建出污水管網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)[3]。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的污水管網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)

1.1 污水管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為科技發(fā)展應(yīng)用中的關(guān)鍵組成部分，涉及信息的獲取、傳輸、分析、實(shí)施等環(huán)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整體結(jié)構(gòu)是開放式結(jié)構(gòu)，常見的架構(gòu)組成有感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層作為物聯(lián)網(wǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，經(jīng)常會(huì)使用到智能傳感器、編碼、射頻識(shí)別等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集以及智能控制，數(shù)字化、精度高、實(shí)時(shí)性是該層的特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)層因其位于3層結(jié)構(gòu)中的中間，所以又被稱為傳輸層。該層的功能是把從感知層獲取到的信息內(nèi)容及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸至應(yīng)用層，同時(shí)也可以將應(yīng)用層決策信息反向傳輸?shù)礁兄獙覽4]。現(xiàn)階段以太網(wǎng)或者光纖冗雜網(wǎng)等材料結(jié)合TCP/IP協(xié)議可達(dá)成數(shù)據(jù)交互。此次研究結(jié)合海綿城市的特點(diǎn)，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建污水管網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)。污水管網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)的目標(biāo)和設(shè)計(jì)遵循實(shí)用性、先進(jìn)性、完整性、可靠性、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)高的原則。監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)采用四層次的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)采集終端、傳輸數(shù)據(jù)、處理服務(wù)器、監(jiān)控中心，所用的先進(jìn)信息化管理手段是模塊化數(shù)據(jù)集成、GIS(Generalized Information System)地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信[5]。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

采集終端包括監(jiān)控設(shè)備采集和能源供給2個(gè)部分。前者使用監(jiān)控傳感器對(duì)管線節(jié)點(diǎn)、道路積水點(diǎn)、低洼處監(jiān)測(cè)點(diǎn)等實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)的初始化工作，后者是指內(nèi)置鋰電池、太陽(yáng)能、外置可充電電池等供電設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸層經(jīng)GPRS(General Packet Radio Service)把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞給終端服務(wù)器。終端服務(wù)器可根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的液位情況調(diào)整數(shù)據(jù)采集頻率。監(jiān)控中心主要是指移動(dòng)手機(jī)、中央屏幕、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)。用戶可以隨時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)情況并及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。污水管網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)所使用的B/S架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，包括數(shù)據(jù)采集層、通信層、資源層、業(yè)務(wù)邏輯層、功能表現(xiàn)層5個(gè)層次(圖2)。

圖2 污水管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)

1.2 污水管網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集層包含采集監(jiān)測(cè)設(shè)備和能源供給2個(gè)部分。針對(duì)海綿城市污水管網(wǎng)分布密集且數(shù)量龐大的特點(diǎn)，系統(tǒng)使用投入式液位計(jì)、超聲波液位計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。設(shè)置低洼處、立交橋、河道、雨水井等監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)管網(wǎng)的運(yùn)行情況以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位狀態(tài)，利用通用數(shù)據(jù)接口連接高低頻傳感器數(shù)據(jù)，以避免數(shù)據(jù)格式不同導(dǎo)致傳輸效率低的問(wèn)題[6]。能源供給結(jié)合了太陽(yáng)能、蓄電池、市電3種供電方式，并安裝供電互補(bǔ)控制器，滿足動(dòng)態(tài)切換太陽(yáng)能和市電供電方式，減少傳統(tǒng)單一供電模式耗能高的問(wèn)題。監(jiān)測(cè)設(shè)備的型號(hào)結(jié)合實(shí)際情況需要滿足以下幾點(diǎn)：量程范圍是0～300 m，適用范圍為水井、污水池、蓄水池、窨井等液位的測(cè)量；具備高測(cè)量精度、寬溫度范圍、高穩(wěn)定性及可靠性、抗干擾能力強(qiáng)、方便安裝且價(jià)格實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)通信層包括無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊(DTU)、GPRS網(wǎng)絡(luò)通信、操作系統(tǒng)，該層核心是無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端，將傳感器收集的信息經(jīng)GPRS傳輸至終端服務(wù)器。數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)串口傳輸，設(shè)定服務(wù)器公網(wǎng)IP和端口號(hào)以及串口參數(shù)。DTU的指示燈有電源指示燈(POW)、工作狀態(tài)指示燈(NET)、連接指示燈(DATA)。

數(shù)據(jù)資源層稱為污水管監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，包括基礎(chǔ)地理信息庫(kù)、綜合管線數(shù)據(jù)庫(kù)、污水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)?；A(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋道路、綠地、水系等地形數(shù)據(jù)；綜合管線數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)和液體監(jiān)測(cè)信息，內(nèi)容包括污水管線、雨水管線；污水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容涵蓋管線節(jié)點(diǎn)和河道監(jiān)測(cè)信息。數(shù)據(jù)庫(kù)的物理結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋內(nèi)容的屬性值，由于篇幅受限，研究?jī)H展示部分字段屬性值，見表1。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容部分屬性值

業(yè)務(wù)邏輯層是管網(wǎng)監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，也是連接功能表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)通信層間的橋梁，包括要素層服務(wù)、GIS Web服務(wù)、二維地圖服務(wù)、空間處理服務(wù)、數(shù)據(jù)交換服務(wù)、管線分析服務(wù)。該層接收功能表現(xiàn)層發(fā)來(lái)的請(qǐng)求并進(jìn)行相應(yīng)的邏輯處理，之后將最終結(jié)果傳遞給客戶端[7]。ArcGIS 服務(wù)器將地圖文檔通過(guò)地圖服務(wù)的形式發(fā)布出來(lái)并給出對(duì)應(yīng)的REST API，客戶端經(jīng)ArcGIS API for JaveScript提取地球資源，實(shí)現(xiàn)交換、空間處理等地圖服務(wù)。與此同時(shí)，該層還能分析管線等數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)邏輯。ArcGIS 服務(wù)器提供緩沖區(qū)、面積、長(zhǎng)度幾何計(jì)算的Geometry Services內(nèi)部引擎且準(zhǔn)備REST API進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。實(shí)現(xiàn)步驟為：①構(gòu)建緩沖區(qū)參數(shù)對(duì)象和幾何服務(wù)對(duì)象；②設(shè)置緩沖區(qū)域的參數(shù)并進(jìn)行buffer指令，涉及幾何對(duì)象、距離、單位、空間參考參數(shù)；③利用識(shí)別模塊查看緩沖區(qū)域的管線、管點(diǎn)、面；④把結(jié)果對(duì)象以符號(hào)的形式添加到圖層。

利用閾值判斷2個(gè)污水管道之間是否出現(xiàn)堵塞，如果閾值大于設(shè)定值認(rèn)定2個(gè)管道間發(fā)生堵塞，反之則為暢通狀態(tài)。研究使用廣度優(yōu)先搜索算法(BFS)進(jìn)行連通性分析，判斷管道是否存在連通圖和非連通圖。該算法是一種盲目搜索算法，通過(guò)遍歷節(jié)點(diǎn)查找目標(biāo)。客戶端選定起始管道為目標(biāo)，依據(jù)回溯方法和遍歷理論獲得終止管道，確定兩端管道間的路徑并分析連通性的情況(圖3)。

圖3 連通性分析示意

第一步，將管線S0設(shè)置為起始管線并存放于LineList列表中，查看和起始管線相鄰的S1，S2……管線。第二步，確定S1，S2……相鄰管線是否在LineList列表中，若不在，即設(shè)定S0和S1，S2……分別為主管線和從管線。并將主從管線的信息存放于ListBodyNext列表中，然后將從管線作為起始管線，進(jìn)行第一步操作。第三步，遍歷主從列表，確定某從管線是否是該起始管線的終止管線，如果不是，則2個(gè)管道未連通；如果是，則將該起始管線存放在路徑列表，并確定對(duì)象的主管線是否是起始管線，如果是，則兩管道連通，如果不是，即將該對(duì)象主管線設(shè)置為終止管線并繼續(xù)第三步的操作。

功能表現(xiàn)層是用戶操作可視化界面層(Web瀏覽器)，經(jīng)邏輯層處理數(shù)據(jù)并將結(jié)果呈現(xiàn)給瀏覽器，通過(guò)地圖顯示出來(lái)。界面層由BootStrap，JavaScript，CSS框架構(gòu)建，具有較好交互性、方便用戶操作。界面層實(shí)現(xiàn)功能有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查看和統(tǒng)計(jì)，污水管網(wǎng)數(shù)據(jù)查看、分析、統(tǒng)計(jì)，防汛預(yù)警歷史信息查看、統(tǒng)計(jì)。二維地圖服務(wù)利用百度地圖的服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)污水管預(yù)警和監(jiān)測(cè)，并以設(shè)置點(diǎn)的圖標(biāo)覆蓋顯示狀態(tài)和位置。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和顯示是將數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)輸入ECharts圖表庫(kù)得到餅狀圖、柱狀圖、折線圖，可以實(shí)現(xiàn)高度個(gè)性化、交互式、直觀的可視化數(shù)據(jù)圖表。預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)列表顯示預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)信息，有利于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的獲取[8]。分析和查詢污水管線的數(shù)據(jù)是通過(guò)功能表現(xiàn)層實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)REST API獲取污水管線圖層和基礎(chǔ)地理圖。查看和統(tǒng)計(jì)幾何結(jié)果選擇點(diǎn)、多邊形、圓等多種形式。

2 污水管網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)功能測(cè)試

2.1 資產(chǎn)管理和運(yùn)行監(jiān)控模塊分析

為測(cè)試系統(tǒng)的有效性，對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的污水管網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行污水管網(wǎng)資產(chǎn)管理、污水管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控、防汛預(yù)警管理三大功能模塊分析。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備大多分布于管點(diǎn)處，地圖中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置和管點(diǎn)位置一致[9]。研究首先進(jìn)行管網(wǎng)的資產(chǎn)管理模塊功能分析，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面直觀顯示用戶輸入位置且出現(xiàn)液位監(jiān)測(cè)設(shè)備和液位運(yùn)行情況，正常狀態(tài)下的色標(biāo)為綠色，如果高出預(yù)警線則會(huì)出現(xiàn)黃色色標(biāo)，若超過(guò)報(bào)警線則會(huì)出現(xiàn)紅色色標(biāo)，并顯示預(yù)警信息。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備、管點(diǎn)、管線等的幾何信息查詢，且高亮顯示已選中的實(shí)體。同時(shí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)管線長(zhǎng)度、管線材質(zhì)、管點(diǎn)特征的統(tǒng)計(jì)，其中管線長(zhǎng)度和液位趨勢(shì)所顯示的效果分別如圖4所示。

圖4 管線長(zhǎng)度和液位趨勢(shì)的示意

實(shí)驗(yàn)通過(guò)連通性理論進(jìn)行堵管分析，判斷起始管段和終止管段兩管間是否存在堵塞，測(cè)試結(jié)果表明堵塞和不堵塞均能正常顯示，界面會(huì)出現(xiàn)高亮提示，箭頭分別顯示起始管段和終止管段。進(jìn)行污水管運(yùn)行監(jiān)控模塊功能測(cè)試，系統(tǒng)界面能查詢歷史時(shí)間內(nèi)位置信息、設(shè)備信息、液位情況。其中實(shí)時(shí)液位涵蓋井深線、報(bào)警線、預(yù)警線，直觀看出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的液位情況。液位趨勢(shì)包括最低水位、最高水位、平均水位。系統(tǒng)可以通過(guò)柱狀圖顯示液位情況，某一區(qū)域在2019年某一時(shí)間段內(nèi)的液位趨勢(shì)如圖5所示。

2.2 防汛預(yù)警和系統(tǒng)性能分析

實(shí)驗(yàn)最后進(jìn)行預(yù)警管理功能測(cè)試，結(jié)果驗(yàn)證系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)查詢和統(tǒng)計(jì)預(yù)警數(shù)據(jù)。此次研究展示某一區(qū)域在2019年某一時(shí)間段內(nèi)防汛預(yù)警數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)頻次結(jié)果如圖6所示。液位預(yù)警區(qū)間為[1.4 m，1.8 m]，液位報(bào)警范圍為1.8 m。

實(shí)驗(yàn)選取2019年污水管網(wǎng)系統(tǒng)預(yù)警數(shù)據(jù)，進(jìn)一步利用時(shí)效性、準(zhǔn)確率、漏報(bào)率指標(biāo)進(jìn)行污水管網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)分析，結(jié)果如圖7所示。結(jié)合準(zhǔn)確率和漏報(bào)率數(shù)據(jù)可以看出，預(yù)警系統(tǒng)在6，7，8月份的準(zhǔn)確率低且漏報(bào)率高，這主要是因?yàn)樵谶@3個(gè)月份經(jīng)常出現(xiàn)降雨情況，預(yù)測(cè)警系統(tǒng)靈敏性能可能降低。準(zhǔn)確率最高值和最低值分別為98.7%和96.3%。漏報(bào)率的最高值和最低值為3.3%和2.2%。預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確率可以看出其整體性能較為穩(wěn)定，但在6，7，8月份的耗時(shí)較長(zhǎng)且耗時(shí)均在0.3 s以上，其余月份的耗時(shí)均在0.25 s左右。系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)期間為保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，采用多種方式測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，以確保數(shù)據(jù)的真實(shí)、可靠。

3 結(jié)論

1) 針對(duì)原有污水管網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性和智能化的需求，此次研究提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的污水管網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)。針對(duì)污水管網(wǎng)中最易出現(xiàn)的堵塞問(wèn)題和超過(guò)警戒液位問(wèn)題采用預(yù)警系統(tǒng)可以提前發(fā)現(xiàn)，當(dāng)預(yù)警系統(tǒng)檢測(cè)到此時(shí)管內(nèi)某一段區(qū)域兩端液位開始出現(xiàn)差值，并且差值逐漸發(fā)生變化，則預(yù)警系統(tǒng)會(huì)發(fā)出信息提示，告知用戶可能發(fā)生管網(wǎng)堵塞；若預(yù)警系統(tǒng)檢測(cè)到水位超過(guò)設(shè)定警戒值，隨即會(huì)發(fā)出預(yù)警信息，提示工作人員注意水位變化。

2) 利用GIS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基本構(gòu)架基礎(chǔ)上構(gòu)建五層預(yù)警系統(tǒng)，包括管網(wǎng)信息查詢、管網(wǎng)信息統(tǒng)計(jì)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)分析、預(yù)警數(shù)據(jù)管理四個(gè)模塊。經(jīng)污水管資產(chǎn)管理、污水管運(yùn)行監(jiān)控、防汛預(yù)警管理三大功能測(cè)試分析，證實(shí)所提出的預(yù)警系統(tǒng)能高效準(zhǔn)確得實(shí)現(xiàn)液位數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，并能準(zhǔn)確分析起始管道和終止管道兩者的連通性。該系統(tǒng)的準(zhǔn)確率最低值和最高值依次為96.3%和98.7%，漏報(bào)率的最低值和最高值為2.2%和3.3%，預(yù)警耗時(shí)值為0.25 s左右。此次研究未對(duì)水災(zāi)的影響進(jìn)行模擬分析，這將是下一步需要完善的工作。