高鐵軍,吳立新

(東北大學(xué)3S與數(shù)字礦山研究所,遼寧沈陽(yáng) 110004）

論城市管網(wǎng)智慧管理研究范疇與關(guān)鍵技術(shù)

高鐵軍,吳立新

(東北大學(xué)3S與數(shù)字礦山研究所,遼寧沈陽(yáng) 110004）

城市管網(wǎng)是城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)的生命線和基礎(chǔ)設(shè)施,管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)是數(shù)字城市與數(shù)字礦山的重要組成部分。管網(wǎng)信息集成、共享應(yīng)用與決策支持是智慧城市重要建設(shè)內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)城市管網(wǎng)智慧管理CPSM是城市管網(wǎng)管理必然趨勢(shì)和發(fā)展方向。該文結(jié)合城市管網(wǎng)管理技術(shù)現(xiàn)狀,明確了CPSM的內(nèi)涵、基本特征;界定了CPSM的研究范疇,即標(biāo)準(zhǔn)體系、模型體系、核心數(shù)據(jù)庫(kù)、門(mén)戶(hù)集成平臺(tái)、應(yīng)用服務(wù)、智能分析與控制、網(wǎng)絡(luò)與安全和智能傳感器;提出了CPSM的關(guān)鍵技術(shù),包括門(mén)戶(hù)集成技術(shù)、Web服務(wù)技術(shù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和軟件智能技術(shù);指明CPSM的研究方向,為城市管網(wǎng)智慧管理提供理論參考。

城市管網(wǎng)智慧管理;智慧城市;數(shù)字礦山;研究范疇;關(guān)鍵技術(shù)

城市管網(wǎng)主要包括電力、路燈、電車(chē)、交通信號(hào)、電信、聯(lián)通、移動(dòng)、網(wǎng)通、鐵通、軍用通訊、有線電視、熱力、蒸汽、給水、熱水、溫泉、雨水、污水、中水、雨污合流、天然氣、煤氣、液化氣、工業(yè)、乙炔、石油、氧氣、氫氣、人防、安防、綜合管溝、不明管線等32類(lèi)管線[1]?！皵?shù)字管網(wǎng)”作為“數(shù)字城市”與“數(shù)字礦山”的重要組成部分,支持并延伸數(shù)字城市與數(shù)字礦山的建設(shè)與實(shí)施。近年來(lái),我國(guó)許多城市相繼建立了綜合管網(wǎng) GIS和各類(lèi)專(zhuān)業(yè)管網(wǎng) GIS,成功探索并實(shí)現(xiàn)了以城市精細(xì)化管理為目標(biāo),以城市基礎(chǔ)設(shè)施包括城市管網(wǎng)為部件的網(wǎng)格化管理新模式[2],豐富并完善了“數(shù)字城市”建設(shè)內(nèi)容。

管網(wǎng)部件基礎(chǔ)設(shè)施和信息系統(tǒng)的成熟發(fā)展,推動(dòng)并支持管網(wǎng)信息共享和集成應(yīng)用建設(shè)進(jìn)程。對(duì)城市管網(wǎng)資源進(jìn)行Web集成、共享應(yīng)用,并萃取專(zhuān)業(yè)模型、輔助決策支持,實(shí)現(xiàn)城市管網(wǎng)智慧管理(City Pipelines Smart Management,CPSM）是城市管網(wǎng)管理的必然趨勢(shì)和發(fā)展方向。本文結(jié)合管網(wǎng)數(shù)字化管理技術(shù)現(xiàn)狀及問(wèn)題分析,從“智慧城市”角度提出了管網(wǎng)信息共享集成CPSM新模式,討論了其內(nèi)涵、基本特征、研究范疇及關(guān)鍵技術(shù)。

1 城市管網(wǎng)數(shù)字管理技術(shù)現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代,美國(guó)率先提出了數(shù)字化管道的概念[3]。隨著3S(RS、GPS、GIS）技術(shù)的推廣與集成應(yīng)用,城市管網(wǎng)管理已從CAD時(shí)代過(guò)渡到 GIS時(shí)代。主要特征為:數(shù)據(jù)采集從傳統(tǒng)測(cè)量發(fā)展為以激光、雷達(dá)、紅外等為代表的遙感采集;制圖技術(shù)從數(shù)字地圖時(shí)代發(fā)展為以 Geodatabase為代表的智能地圖時(shí)代;管網(wǎng)應(yīng)用從單一應(yīng)用發(fā)展為集成應(yīng)用;使用模式從桌面應(yīng)用發(fā)展為網(wǎng)上應(yīng)用。美國(guó)、加拿大、墨西哥、英國(guó)和意大利等國(guó)在管網(wǎng)數(shù)字化管理方面技術(shù)先進(jìn),如:美國(guó)BUCKEYE管道公司利用 GIS技術(shù)建立了管道管理系統(tǒng),美國(guó)管道安全局建立了國(guó)家管道制圖系統(tǒng),意大利SNAM公司開(kāi)發(fā)了SIGAS天然氣管道工程GIS。

目前,我國(guó)數(shù)字管網(wǎng)的建設(shè)成果主要集中在信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和專(zhuān)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)兩方面。服務(wù)于管網(wǎng)管理的管網(wǎng) GIS、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)[4]、呼叫系統(tǒng)、營(yíng)業(yè)收費(fèi)系統(tǒng)以及 GPS車(chē)輛跟蹤等管網(wǎng)專(zhuān)業(yè)管理信息系統(tǒng),是不同開(kāi)發(fā)商在不同時(shí)期、不同環(huán)境下、用不同技術(shù)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的,是針對(duì)管網(wǎng)管理某一領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng),由于缺少統(tǒng)一的系統(tǒng)共享集成平臺(tái),無(wú)法實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)深層次集成應(yīng)用、高級(jí)分析、決策支持和智能控制。我國(guó)現(xiàn)行數(shù)字管網(wǎng)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題有:1）信息孤島:由于技術(shù)和基礎(chǔ)架構(gòu)先天不足,現(xiàn)有管網(wǎng)信息系統(tǒng)大多是孤島型的應(yīng)用,系統(tǒng)之間相互獨(dú)立封閉,資源共享與集成應(yīng)用困難。2）IT黑洞:現(xiàn)有管網(wǎng)信息系統(tǒng)多是采用面向技術(shù)的、業(yè)務(wù)無(wú)關(guān)的“原始”編程工具開(kāi)發(fā)的,軟件開(kāi)發(fā)模式的落后使得信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)困難,導(dǎo)致IT黑洞普遍存在。3）決策支持功能弱:由于各類(lèi)管網(wǎng)信息系統(tǒng)主要面向單一應(yīng)用,其數(shù)據(jù)源和決策支持模型具有局限性。此外,空間基準(zhǔn)不一致、數(shù)據(jù)語(yǔ)義不一致、數(shù)據(jù)尺度不一致等,也造成信息共享困難,影響決策支持。

2009年1月28日,IBM首席執(zhí)行官彭明盛先生提出把傳感器裝備到日常生活中的各種物體當(dāng)中,并且連接起來(lái)形成“物聯(lián)網(wǎng)”;再通過(guò)超級(jí)計(jì)算機(jī)和云計(jì)算將“物聯(lián)網(wǎng)”整合,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上數(shù)字地球與人類(lèi)社會(huì)和物理系統(tǒng)的整合,形成“智慧地球”[5]。“智慧城市”是“智慧地球”的六大推廣領(lǐng)域之一,“智慧管網(wǎng)”是“智慧城市”的重要部分和有機(jī)組成。目前,美國(guó)正在研制基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和云環(huán)境的管網(wǎng)GIS,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)提供透明、及時(shí)的應(yīng)用服務(wù)[6],以此實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的用戶(hù)化、大眾化和智慧化。信息技術(shù)的發(fā)展使“數(shù)字城市”快速發(fā)展為“智慧城市”,促進(jìn)并推動(dòng)了“管網(wǎng)智慧化管理”理念的提出和CPSM的誕生,為我國(guó)現(xiàn)行數(shù)字管網(wǎng)問(wèn)題的解決提供了有效途徑。

2 城市管網(wǎng)智慧管理內(nèi)涵與基本特征

緊隨“智慧城市”建設(shè)步伐,科學(xué)統(tǒng)籌管網(wǎng)信息采集、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通訊、業(yè)務(wù)服務(wù)開(kāi)發(fā)與集成、云計(jì)算、決策分析和智能控制,建立管網(wǎng)智慧管理CPSM新模式,是城市管網(wǎng)管理的發(fā)展方向和必然趨勢(shì)。其內(nèi)涵為:通過(guò)互聯(lián)網(wǎng),把植入管網(wǎng)設(shè)施的智能傳感器連接起來(lái)形成物聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)物理管網(wǎng)的全面感知;利用云計(jì)算技術(shù)對(duì)感知信息進(jìn)行智能處理和分析,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上“數(shù)字管網(wǎng)”與物聯(lián)網(wǎng)的融合以及管網(wǎng)智能響應(yīng)與決策支持。

城市管網(wǎng)智慧管理基本特征為:1）智能感知:智能傳感器獲取管網(wǎng)運(yùn)行溫度、壓力、流量等工況參數(shù),傳感器CPU支持信息輸入、輸出和自我調(diào)節(jié);如當(dāng)閥門(mén)、調(diào)壓器等智能設(shè)備發(fā)現(xiàn)工況異常時(shí),可以自我調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)自愈[7],增強(qiáng)管網(wǎng)免疫力。2）網(wǎng)絡(luò)互聯(lián):應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、新一代移動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新興信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)設(shè)施與設(shè)施、設(shè)施與人、人與人的互聯(lián)互通和相互感知。3）信息集成:集成平臺(tái)支持管網(wǎng)數(shù)據(jù)資源服務(wù)、業(yè)務(wù)服務(wù)和調(diào)度服務(wù)的集成;支持多源數(shù)據(jù)、多業(yè)務(wù)、多環(huán)境的門(mén)戶(hù)集成。4）決策分析:基于多源數(shù)據(jù)、模型庫(kù)、應(yīng)用業(yè)務(wù)服務(wù)鏈和專(zhuān)家知識(shí)庫(kù),通過(guò)云計(jì)算和演繹推理,實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)智能分析與決策支持。

3 城市管網(wǎng)智慧管理研究范疇

城市管網(wǎng)智慧管理(CPSM）的研究?jī)?nèi)容主要包括:標(biāo)準(zhǔn)體系、模型體系、核心數(shù)據(jù)庫(kù)、門(mén)戶(hù)集成平臺(tái)、應(yīng)用服務(wù)、智能分析與控制、網(wǎng)絡(luò)與安全和智能傳感器,其組成結(jié)構(gòu)與層次關(guān)系如圖1。

圖1 城市管網(wǎng)智慧管理研究?jī)?nèi)容及其相互關(guān)系Fig.1 Research contentsand its relations of CPSM

3.1 標(biāo)準(zhǔn)體系

標(biāo)準(zhǔn)體系既是數(shù)字城市建設(shè)的起點(diǎn)與保障,也是管網(wǎng)智慧管理的前提和關(guān)鍵。標(biāo)準(zhǔn)體系在遵循國(guó)標(biāo)和行標(biāo)的基礎(chǔ)上,應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充、完善和修訂。CPSM標(biāo)準(zhǔn)體系主要包含數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

(1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn):用于規(guī)范數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)描述和數(shù)據(jù)處理[8]。CPSM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)包括:管網(wǎng)信息分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)投影(坐標(biāo)和高程）系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)分層和編碼標(biāo)準(zhǔn)、城市地形數(shù)據(jù)分層和編碼標(biāo)準(zhǔn)、1∶500(1∶1 000、1∶2 000）地形圖圖例標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)通用術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)、專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、SCADA數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、DOM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、DEM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)、地名地址標(biāo)準(zhǔn)、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等。

(2）系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn):是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)。CPSM系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)主要包括:管網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)互操作標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)權(quán)限管理標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)Web服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)門(mén)戶(hù)標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)界面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)代碼編寫(xiě)標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)系統(tǒng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)通訊標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)建模標(biāo)準(zhǔn)、管網(wǎng)系統(tǒng)維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)等。

(3）信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):主要指主流的計(jì)算機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和通訊標(biāo)準(zhǔn),包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(TCP/IP、H TTP和H TTPS等）和Web服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)(XML、SOAP、UDD I、WSDL、WFS、WM S、GML、KML、RIA、SILVERL IGHT、REST）等。

(4）應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn):主要指與管網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn),包括管網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、歸檔、測(cè)試、安全等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 模型體系

模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象,是系統(tǒng)分析的基礎(chǔ),可以通過(guò)建立管網(wǎng)模型集成服務(wù)鏈[9]來(lái)支持管網(wǎng)模型的高級(jí)應(yīng)用。包括:數(shù)據(jù)模型、業(yè)務(wù)模型和分析模型。數(shù)據(jù)模型有管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型、賬務(wù)數(shù)據(jù)模型、SCADA數(shù)據(jù)模型、OA數(shù)據(jù)模型、CallCenter數(shù)據(jù)模型、腐蝕數(shù)據(jù)模型等;業(yè)務(wù)模型有搶修支持模型、工程管理模型、營(yíng)業(yè)收費(fèi)模型、辦公業(yè)務(wù)模型等;分析模型有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型、資產(chǎn)評(píng)估模型、管網(wǎng)安全模型、網(wǎng)絡(luò)分析模型、水動(dòng)力模型、預(yù)警分析模型、災(zāi)害評(píng)估模型、腐蝕分析模型等。

3.3 核心數(shù)據(jù)庫(kù)

核心數(shù)據(jù)庫(kù)是管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù),支持并影響CPSM信息集成與共享應(yīng)用,包括元數(shù)據(jù)庫(kù)、地理數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、模型庫(kù)、管理庫(kù)、業(yè)務(wù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)7大類(lèi)。元數(shù)據(jù)庫(kù)用于指導(dǎo)空間數(shù)據(jù)的組織、管理和歸檔,是網(wǎng)上在線數(shù)據(jù)分發(fā)和共享的索引[10];地理數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)DOM、DEM、地形、管網(wǎng)等地理數(shù)據(jù);規(guī)則庫(kù)用于定義業(yè)務(wù)規(guī)則和數(shù)據(jù)規(guī)則,它可以單獨(dú)存儲(chǔ)或存儲(chǔ)在 Geodatabase中;模型庫(kù)用于定義各種業(yè)務(wù)分析和決策支持模型,以及面向多業(yè)務(wù)應(yīng)用的模型集成服務(wù)鏈;管理庫(kù)用于門(mén)戶(hù)平臺(tái)的配置管理,支持平臺(tái)的健壯性;業(yè)務(wù)庫(kù)用于存儲(chǔ)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)和工作流配置;知識(shí)庫(kù)用于存儲(chǔ)業(yè)務(wù)邏輯和推理知識(shí),是管網(wǎng)智能分析的知識(shí)源。

3.4 門(mén)戶(hù)集成平臺(tái)

門(mén)戶(hù)集成平臺(tái)是企業(yè)信息服務(wù)總線 ESB,負(fù)責(zé)各種業(yè)務(wù)服務(wù)的運(yùn)行與調(diào)度。“門(mén)(Portal）”是Web Portal,分為兩大類(lèi):一類(lèi)是面向公眾的信息門(mén)戶(hù),包括商業(yè)信息門(mén)戶(hù)(Commercial Po rtal）和公共信息發(fā)布門(mén)戶(hù)(Publishing Portal）;另一類(lèi)是服務(wù)于特殊團(tuán)體的企業(yè)信息門(mén)戶(hù)(Enterp rise Information Portal）。管網(wǎng)門(mén)戶(hù)平臺(tái)(圖2）是一種企業(yè)信息門(mén)戶(hù),它遵循SOA的各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[11],以網(wǎng)絡(luò)方式集成和發(fā)布管網(wǎng)信息資源;同時(shí),它也是一種以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ),利用多重計(jì)算技術(shù)和高性能系統(tǒng)[12]的地理信息門(mén)戶(hù)平臺(tái),是實(shí)現(xiàn)CPSM的有效途徑。

圖2 管網(wǎng)信息門(mén)戶(hù)Fig.2 Pipeline information portal of CPSM

管網(wǎng)門(mén)戶(hù)平臺(tái)基本功能:1）統(tǒng)一身份管理:實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一用戶(hù)資料管理與認(rèn)證,用戶(hù)無(wú)需申請(qǐng)多個(gè)賬戶(hù)和密碼;2）統(tǒng)一權(quán)限管理:統(tǒng)一管理同一用戶(hù)名在不同系統(tǒng)(服務(wù)）中的權(quán)限;3）統(tǒng)一訪問(wèn)入口:通過(guò)門(mén)戶(hù)統(tǒng)一訪問(wèn)OA、CRM、ERP、GIS、SCADA、GPS等各種后臺(tái)應(yīng)用服務(wù);4）統(tǒng)一界面風(fēng)格:集成各種后臺(tái)系統(tǒng)(服務(wù)）,提供統(tǒng)一的界面風(fēng)格;5）內(nèi)容管理:實(shí)現(xiàn)內(nèi)容創(chuàng)建、發(fā)布、審批、地理處理,搜索個(gè)性化及工作流配置等;6）協(xié)同工作:通過(guò)多種方式如內(nèi)部論壇、日程表、工作流、網(wǎng)上會(huì)議、即時(shí)通訊等,實(shí)現(xiàn)信息找人,而不是人找信息,提高工作效率;7）指令收發(fā):各種控制指令下發(fā)到管網(wǎng)智能傳感器,同時(shí)接收管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)反饋值。

3.5 應(yīng)用服務(wù)

應(yīng)用服務(wù)是運(yùn)行在管網(wǎng)門(mén)戶(hù)平臺(tái)中的業(yè)務(wù)單元,負(fù)責(zé)具體業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)。CPSM門(mén)戶(hù)平臺(tái)集成8大業(yè)務(wù)服務(wù):管網(wǎng)地理信息服務(wù)、SCADA服務(wù)(水力建模服務(wù)[13]）、經(jīng)營(yíng)管理服務(wù)、客戶(hù)呼叫服務(wù)、安全評(píng)估服務(wù)、工程項(xiàng)目管理服務(wù)、資產(chǎn)與設(shè)備管理服務(wù)、業(yè)務(wù)辦公OA服務(wù)。各個(gè)業(yè)務(wù)服務(wù)之間相互依賴(lài),并分別對(duì)應(yīng)不同的業(yè)務(wù)部門(mén)(表1）。

表1 八大應(yīng)用服務(wù)對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)部門(mén)Table 1 Eight business servicesand related departments

3.6 智能分析與控制

CPSM的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)智能分析和自動(dòng)控制。智能分析結(jié)果的質(zhì)量取決于數(shù)據(jù)源的質(zhì)量、分析模型的可靠性、高級(jí)計(jì)算的正確性及推理機(jī)的科學(xué)性。分析結(jié)果可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街悄軅鞲衅?控制傳感器的運(yùn)行與動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的科學(xué)調(diào)度與運(yùn)營(yíng)。

3.7 網(wǎng)絡(luò)與安全

泛在網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)城市管網(wǎng)智慧管理(CPSM）的基礎(chǔ)設(shè)施,為管網(wǎng)信息的互聯(lián)互通提供高性能網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。采集器、傳感器獲取的信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣電網(wǎng)、無(wú)線寬帶傳輸?shù)皆贫?在云端完成計(jì)算、分析、存儲(chǔ)和分發(fā)。信息安全關(guān)系到國(guó)家安全,因此,需要研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代安全網(wǎng)絡(luò),為管網(wǎng)信息高速傳輸、共享與集成應(yīng)用提供安全、可靠、高性能的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

3.8 智能傳感器

智能傳感器是一種既有敏感元件又有信號(hào)處理線路和 CPU的傳感器[14],是CPSM的觸覺(jué)器官。研制開(kāi)發(fā)適用于城市管網(wǎng)特點(diǎn)的管網(wǎng)智能傳感器,不僅可以豐富智慧管網(wǎng)的信息源,而且可以實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)設(shè)備的智能控制。如智能閥門(mén)接到調(diào)度中心關(guān)閥指令后,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閥,降低管網(wǎng)事故影響;智能閥門(mén)還可以將其運(yùn)行狀態(tài)、開(kāi)啟扣數(shù)等工況參數(shù)定時(shí)上傳到調(diào)度中心。

4 城市管網(wǎng)智慧管理關(guān)鍵技術(shù)

CPSM關(guān)鍵技術(shù)包括門(mén)戶(hù)集成技術(shù)、Web服務(wù)技術(shù)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)以及軟件智能技術(shù)。

(1）門(mén)戶(hù)集成技術(shù):門(mén)戶(hù)技術(shù)是建立管網(wǎng)門(mén)戶(hù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)信息共享與集成應(yīng)用的核心技術(shù),建議采用SOA構(gòu)架(圖3）,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)松散耦合的粗粒度或細(xì)顆粒的SOA應(yīng)用服務(wù)組件進(jìn)行分布式部署、組合和調(diào)度。SOA組件(服務(wù)）之間通過(guò)簡(jiǎn)單、精確定義的接口進(jìn)行通訊,不涉及底層編程接口和通訊模型[15],便于服務(wù)組件的掛接與卸載。門(mén)戶(hù)平臺(tái)中各種業(yè)務(wù)組件服務(wù)的主流技術(shù),是一種新的Web應(yīng)用程序分支,它向外界暴露能夠通過(guò)Web進(jìn)行調(diào)用的API,是自包含、自描述、模塊化的應(yīng)用,可以在網(wǎng)絡(luò)中被描述、發(fā)布、查找及調(diào)用。

(3）數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù):針對(duì)管網(wǎng)信息的復(fù)雜性、海量性、不確定性、動(dòng)態(tài)性以及多源、多精度、多時(shí)相、多尺度的特點(diǎn),為統(tǒng)一管理和共享管網(wǎng)資源,使用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù),建立面向主題的、集成的、不可更新的、隨時(shí)間不斷變化[16]的管網(wǎng)數(shù)據(jù)集合,豐富管網(wǎng)數(shù)據(jù)模型、業(yè)務(wù)模型、分析模型,實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘、支持管網(wǎng)智能分析與高級(jí)應(yīng)用。

(4）數(shù)據(jù)采集和傳感器技術(shù):主要指支持自動(dòng)化和智能化的數(shù)據(jù)采集和通用適配器技術(shù)。包括感知、通信、自愈、抗干擾、誤差補(bǔ)償、分辨識(shí)別、信息融合和自控等傳感器技術(shù)。智能傳感器支持軟件自動(dòng)更新,保證傳感器擁有最新的知識(shí)技能。通用適配器技術(shù)支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)智能傳感器的物聯(lián)網(wǎng)接入。

(5）網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù):網(wǎng)絡(luò)承載各種管網(wǎng)信息和控制指令的高效、穩(wěn)定和安全傳輸。網(wǎng)絡(luò)分為有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò),涉及的主要技術(shù)有光傳輸技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)、無(wú)線通信和移動(dòng)電話、寬頻數(shù)字技術(shù)、因特網(wǎng)技術(shù)。影響網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量的主要指標(biāo)是帶寬、傳輸距離、抗噪性和穩(wěn)定性[17]。

(6）軟件智能技術(shù):計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)已從面向?qū)ο蟀l(fā)展為面向服務(wù),并正從面向服務(wù)向智能模型方向發(fā)展。軟件智能體(software agent）是駐留在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),它們自覺(jué)地感知環(huán)境并作用于環(huán)境,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)定的目標(biāo)或任務(wù)[18]。城市管網(wǎng)智能體在管網(wǎng)分布式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境中感知并作用于管網(wǎng)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的智能獲取、處理、存儲(chǔ)、搜索、表現(xiàn)以及多重準(zhǔn)則決策支持(M ultiple Criteria Decision Making,MCDM）[19]。管網(wǎng)智能體應(yīng)具備利用空間知識(shí)進(jìn)行推理和可進(jìn)化兩種基本能力。

圖3 管網(wǎng)門(mén)戶(hù)SOA的核心組件Fig.3 Key components of SOA in pipeline portal

5 結(jié)語(yǔ)

(2）Web服務(wù)技術(shù):Web Service是構(gòu)建運(yùn)行于

門(mén)戶(hù)、Web Service、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通訊、智能傳感器和軟件智能技術(shù)的迅猛發(fā)展,支撐并推動(dòng)了“智慧城市”的快速發(fā)展,同時(shí)促進(jìn)了城市管網(wǎng)智慧管理CPSM新模式的誕生與應(yīng)用?；陂T(mén)戶(hù)的CPSM是實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)業(yè)務(wù)信息集成應(yīng)用與智能分析的有效方法。通過(guò)對(duì)CPSM內(nèi)涵、基本特征、研究?jī)?nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)的討論,明確了“智慧管網(wǎng)”的研究方向,為城市管網(wǎng)智慧化管理深入研究提供了理論依據(jù)。實(shí)現(xiàn)城市管網(wǎng)智慧管理,不僅可為城市管網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行提供技術(shù)保障,而且可提高管網(wǎng)信息社會(huì)服務(wù)質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)信息的透明化、大眾化與智能化,并提升城市綜合防災(zāi)減災(zāi)能力。

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On Research Domain and Key Technologies of City Pipeline Smart Management

GAO Tie-jun,WU Li-xin

(Institute for Geoinform atics and Digita l M ine Research,N ortheastern University,Shenyang 110004,China）

Being infrastructures of a city,city pipeline acts as city′s lifeline engineering and city pipeline management system is an impo rtant part of digital city.The integration of pipeline information,the app lication of shared data and the support for decision-making are the chief functions of smart city and it is a developing trend of city pipelinemanagement to realize city pipeline smartmanagement(CPSM）to meet the sharing and integrating demands.On an overview of city pipeline management system and its weakness,the paper defined the meanings of CPSM,exp lained the four main characters of CPSM including intelligence sensing,interlink and intercommunication,resources-integrating and decision-making.Meanw hile,the paper analyzed the research domains of CPSM including standards,models,key databases,po rtal p latfo rm,services,w ise analysis and controls,netwo rk and security,and smart senso rs in detail.Furthermo re,the key technologiesof CPSM such as portal integration,web services,data warehouse,data collection and sensors,communication network and software agent were p resented and discussed in the paper.Thesemake the basic theo riesof CPSM and declare the research directions of it.

city pipeline smartmanagement;smart city;digitalmine;research domain;key technologies

P208

A

1672-0504(2011）04-0019-05

2011-02-28;

2011-04-25

國(guó)家杰出青年基金課題(50525414）

高鐵軍(1969-）,男,博士后,從事城市 GIS、管網(wǎng) GIS研究。E-mail:gtjcock@sina.com