物联网、数字化市政技术在“包头市市政设施数字化监控与管理系统”中的综合应用

中国电子科技集团公司第五十研究所 卢 强

一 引言

2009年8月7日，国务院总理温家宝考察无锡时提出，加快传感网产业发展，在无锡建设“感知中国”中心。“感知中国”的含义很深，传感网和物联网产业涉及面很广，如何把温总理的这一战略发展思路与国内数字化城市建设、数字化市政管理的发展目标有效结合，将会对本行业的多个产业发展产生重大影响，本文将以“包头市市政设施数字化监控与管理系统”中应用的物联网技术和数字市政技术为主线以及今后如何与“感知中国”这一发展思路相结合为技术基础，以包头市城市建设科学化管理、数字化城市综合平台建设为目标，就传感网、物联网、数字化城管、数字化市政、数字化照明等的跨行业、跨平台应用进行综合论述与设计规划。

二 国内现有数字化城市建设的基础以及今后发展方向与“感知中国”的结合

我国城市建设、数字化管理建设取得了很大进展，我国的国情决定了今后还将在城市化建设中加快进度，城市范围在扩大，人口在聚集，对城市的综合管理是构成“感知中国”和物联网建设的重要组成部分之一。而城市建设、电力、市政及照明等更是与城市日常运行息息相关的行业。

在我国数字化城市迅猛发展中，涉及行业包括城市电力自动化、数字化城管、数字化市政综合管理、数字化照明监控、城市环境监测、城市智能公共交通等等，随着这些行业应用的发展，在包头现有许多行业领域已经建设了一定的物联网基础或者说是框架，如交通、治安的城市视频监控系统、电力与城市照明监控系统中的传感网络、服务于各个行业应用的无线公用通信网络等等。但是，由于各个行业归口不一、城市管理缺乏高层面的统筹管理手段，这些应用没有有机整合，属于有“物”、有“网”，但无法“联”——因为缺少整体规划、缺少对“联”这一技术环节的有效支持。

三 以“感知包头”为契机，以“物联网”为平台，实现城市的数字化动态管理

随着近年来市政建设的飞速发展，管理需求的不断升温，已经从传统的“三遥”，扩展到整合了遥调（远程调压节能）、遥视（远程视频监控）、遥位（远程检修车辆定位）、全方位防盗等多种技术的统一管理平台。

不仅如此，市政行业除了城市照明的其它领域，对于监控管理、统一调度、预警维护方面的需求，更是随着市政建设快速发展而日益迫切。在包头，已经建成的市政处数字化管理监控中心，已对市政处日常工作流程、调度、监控、指挥等实现集中管理，系统建设框架如下图所示：

四 以城市市政设施为管理对象，运用多种传感网技术，实现城市的数字化动态管理

城市管理覆盖面较广，其应用的技术也涉及多个行业，而这多个行业又相互关联，要达到“感知包头”的目的，如何实现包头城市的“物联”，实现动态综合管理，可以从点、线、面、三维、动态三维等多个层面推进技术应用——

点：扩大点的覆盖范围与对象，充分精细化管理目标。点分为静态点与动态点，分布于全市的灯杆作为城市管理物联网的基本静态节点，实现联网，并以单个灯杆为管理节点，拓展节点周边约30m范围内的电子标签与区域无线网络监测应用，如对窨井盖的侦测、对周围视频图片的捕捉、灯杆加装报警按钮的管理等。同时分布于各个街道的配电箱、排水管网汇接点、供热管道汇接点等都属于静态管理节点。而动态点，则包括了运动于全市的公交车辆、出租车辆、检修车辆以及巡查人员，对这些动态点的管理、调度、指挥，并拓展节点的功能应用，对动态点周边约30m范围内通过电子标签与区域无线网络实现自动监测。

线：同样分为静态线路与动态线路。分布于全市的照明线路、排水管网、供电线路、光纤线路等构成静态线路网络，而动态线路则包括水、电、汽的动态流向，包括公交车辆、出租车辆、检修车辆以及巡查人员的行动轨迹等，通过对线的管理，实现对城市运行网络的基本信息捕捉。

面：面的管理依托于点和线，实现对点、线的各个节点相应职能的影响范围分析与统计，并实现动态预警，提供决策的数据分析基础。

三维：三维信息重点包括地下管网信息库构建，地下管网由上千公里的供水、燃气、排水、电力、通讯等各类管线组成，建立三维管理框架，逐步完善各类管线三维数据，是今后系统能够有效应用的基础。而地面三维实景系统则针对重点区域与路段，提供景观、照明、容量等数据分析，提供改造等决策依据。

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动态三维：在点、线、面以及三维城市模型基础上，增加动态运行管理，即时间运行轴，可对任何时间点的城市运行状况进行追溯与预测。

具体而言，从以下几个技术应用逐步推进——

数字化市政综合管理平台建设：涵盖市政管理各个行业（照明、道路、桥梁、公交、给排水等等）的统一调度管理平台建设，整合重组已有的监控系统，实现各个系统之间的互联互通，统一管理调度。

城市动态三维信息系统建设：在城市地上地下三维地理信息系统基础上，增加时间运行轴，动态管理市政行业涉及的各个细小物件的动态变化，包括照明的明灭、电流、功率、电压、温度、湿度，包括各个桥梁的健康状态、动态承重，包括城市各测水点动态水位与泵站工作状态，包括巡视车辆与人员的当前位置与工作过程……所有市政日常管理的工作环节，在监控中心的三维地理信息库中，都能够通过分布于物联网的传感系统实时掌握。

市政物联网基础建设：包括扩大传感网络的覆盖对象与范围，大到变压器、箱变、城市照明景观，小到地下管网的一个接头、一盏路灯灯泡、一个窨井盖、一个深夜出入在偏僻区域的人，都可以通过软硬件技术，实现对这些监控对象的当前状态进行侦测并作出判断，大幅度提升城市管理水平。

通信网络互联平台建设：各个城市现有的通信系统种类繁多，存在不少重复建设、利用率不均衡等多种问题，如何把现有的无线通信网络与有线光纤网络、公用通信网络与专用通信网络，整合到市政物联网中，为感知市政服务，提供合理、有效、便捷的通信平台，是实现物联网的前提基础。同时，通信协议与标准的统一整合，更是实现物联网的关键环节。

五 基于物联网的数字化城市管理系统的几个重要技术应用

1、桥梁监控与管理技术

随着国家基础建设投入越来越多，桥梁建设的现代化水平越来越高。桥梁的智能化建设显得越来越重要。桥梁健康监控体检包括桥梁各种状态参数，如应变、压力、结构温度、空气噪声、振动、位移、墩船撞荷、挠度、拉索张力等。这些信息将被送到桥梁运营监理部门，构成桥梁监控管理系统的数据基础。

综合业务的桥梁光纤监控与管理系统应该是一个集运营管理系统、安全监视系统、健康监控体检系统于一体的综合业务信息收发平台。

桥梁监控与管理技术涵盖桥梁超载动态监控系统、桥梁运营管理系统、安全监视系统、健康监控体检系统、桥梁视频监控系统等多种桥梁安全监控系统，该综合性监控系统不仅能够很好的监控桥梁车辆运行情况，而且能够实时监控桥梁的运行安全以及桥梁的损坏等多种情况。

2、市政地下管线综合管理和预警技术

属于包头市市政工程管理处管理范围的地下管线包括：路灯管线、排水管道、供热管道等，系统根据管网记录的地理信息以及地形图数据，自动生成管网的横断面图、纵剖面图。也可以根据市政各类管网相互的连接关系自动生成管网的三维立体图，用户可以根据自己的需要选择观察任意位置和任意方向的管网参数属性信息。

同时，分布于地下管线的各个在线监测传感系统，将路灯管线的电流、电压、功率，排水管道的水压、流量，供热管道的气压、流量、温度、供水回水等监测数据实时传输到数据中心，并在地理信息系统平台和三维模型中动态显示。当在线监测数据出现异常，系统按照设定的告警机制，动态预警并及时采取应急预案，实现城市市政管理的动态三维化，提升城市建设管理的精细化水平。

横断面观察

纵剖面观察

三维立体图

3、基于线路智能稳压的节能技术

智能节电器技术已经广泛应用，降压节能的幅度直接决定了实际光照度与光源工作状态，在每个光源的工作状态实时掌握的基础上，可以更为精确地控制照明电压，真正实现“按需节能”。

在国内许多已建数字化照明系统中，实现了节电技术与监控技术的整合，达到“管理节能”与“技术节能”的科学平衡，有效避免了“盲目节能”、“节能不节费”的情况发生。

基于IGBT电力电子技术的智能节电器

该类设备采用独立连续调压电磁叠加补偿式有载调压变压器技术。由于采用了电磁叠加补偿式有载调压变压器技术，就确保了节电器设备的高可靠性指标及对电网环境的无谐波污染。同时，电磁叠加补偿式变压器的使用，实现了调压控制过程中，照明供电的始终不断电供电。独立连续调压控制技术的使用，又保证了调压过程中，电压连续稳定变化，不影响照明光源设备的正常照明，不影响路灯照明系统的亮灯率指标。

照明节电器远程联网控制技术

根据CJJ45-2006《城市道路照明设计标准》要求，对进入深夜的照明环境，由于人流、车流均有大幅度下降，道路照明标准可以降低一个等级。同时，对某些特殊应用场合，如特殊日期的特殊集会活动等，需要提供较高的照明环境标准要求，而当特殊日期变成普通日期后，照明标准又可以降低到常规要求。因此，要实现这样的要求，必须可实现进行按时间、地点、场合（Time/Palce/Ocaasion）的不同进行不同的照明等级控制，也即不同的照明输出功率、照明输出电压的控制。

由于我们选择的方案采用了照明节电器远程联网控制技术，这样就能非常方便、灵活地按照需要对每台安装在不同地点的照明节电器的输出电压、功率及光源输出照明照度进行控制。从而保证整个夜晚道路照明期间，虽然进行了道路照明节能节电措施，道路照明的标准是严格受控的，所实现的节电节能是：

1）避免了深夜道路照明标准过高而造成的浪费，所节约到的能源；

2）避免了深夜道路供电电压过高而造成的能源浪费，所节约到的能源。

因此，合理的节能方案是在不降低道路照明设计标准的前提下，通过对路灯供电电压实施远程TPO动态控制，达到对道路照明照度动态控制，实现真正的“按需照明”，避免不必要的照明浪费，实现“按需节能”。

自动闭环调压稳压功能

影响照明电器的使用寿命的主要因素就是照明供电电压，照明节电器必须具有自动稳压功能。中国电科五十所研制的智能照明节电器，采用了32位Philips ARM工业控制级处理器，μC/OS II嵌入式操作系统，管理软件运行稳定可靠。节电器实时自动采集输入、输出电压，输出电流，输出功率等电气参数，采样精度达1%。节电器采用闭环智能、自动调压稳压控制方式工作，自动根据设定的输出目标电压值，和采样检测到的输入电压数值比较，计算确定最佳的降压调压范围，确保经过节电器输出的照明电压，始终符合设定的输出电压标准，保证每盏路灯的供电电压不低于198V 。同时，还能及时根据输入电压变化自动调节降压范围，始终保证最大降压数值，确保获得最好的节点效果。

4、电子条形码与电子标签RFID技术

条形码与电子标签RFID技术已经广泛应用于日常生活以及交通、安防等领域，在城市管理中，通过此项技术与物联网的结合，可以有效监测各细小物件的位置变化，实现对以前无法触及到的细小环节的有效管理。

作为城市市政的基础单元，灯杆、井盖分布于全市各个角落，每个灯杆、井盖的编号与条形码或电子标签RFID的结合，精确管理、定位全市市政和照明设施，实现对所有市政设施使用的全程跟踪，将极大提高城市市政设施的管理效率与动态调度管理能力。

此项技术的具体实施，需要按现有的管理流程作出规划，对各个物资器材进行合理编号并结合器材自身的条形码或RFID电子标签，对设备的进货、出库、安装、维护维修进行全程跟踪，管理人员可以通过手动输入编号、条形码扫描、手机条形码识别或电子标签阅读器等多种方式，对设备进行查询与状态更新。

同时，结合地理信息系统，巡查人员可以通过手持设备扫描现场设备的条形码或识别其电子标签，快速掌握此设备的所有进货、安装、维护以及故障信息，以便于对突发故障的迅速处理。

5、基于视频识别、市政物联网的综合防盗网络技术

基于3G无线网络或光纤网络，运用低照度摄像技术和先进的视频识别软件，可对重点区域与路段进行视频巡检，发现可疑人员有指定违法行为，可现场自动警示、录像并通知值班人员。同时，随着物联网技术逐步应用，各个市政设备设施，大到箱变、车辆，小到灯泡、井盖，均可利用物联网基础实现实时监控管理。

六 综述

包头市市政工程管理处和中国电科五十所将结合城市数字化市政监控与管理系统建设经验，通过感知中国、感知市政、感知照明，将城市管理中各个行业的所有信息、元件通过物联网有机的结合起来，其目的是让市政管理和城市建设管理的各种对象与网络连接，能够感知、方便识别和提高管理水平，从传感网建设的深度、广度、整合性着手，全面发展数字化城市、数字化城管、数字化市政、数字化照明。

系统建设将积极围绕建设我国西部地区经济强市和创建国家生态园林城市的发展目标，结合包头市城市建设管理的工作实际，借鉴国际国内先进城市在城市建设数字化管理的成功经验，立足于城市建设管理体制、机制和方式的创新，切实发挥政府的公共管理和公共服务职能，应用物联网技术、现代信息技术、虚拟现实技术、无线通讯技术、工作流技术、多媒体技术等高新技术手段，整合城建信息资源，创新城市建设管理模式，有效增强管理效能，建立覆盖市区，面向城市建设管理与服务的数字化管理体系，提高城市建设的科学决策水平，实现城市管理的信息化、标准化、精细化、动态化，长效化，全面提升城市品位和城市基础设施对城市经济和人民生活的服务功能和承载能力。