馬海軍，吳超超，李顯坤

（1.宿州市市政工程管理處，安徽 宿州 234000；2.正元地理信息集團(tuán)股份有限公司，北京 101399）

1 引言

在講究萬物互聯(lián)的今天，物聯(lián)網(wǎng)在越來越多的領(lǐng)域改變著人們的工作、學(xué)習(xí)和生活。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用于城市地下管網(wǎng)智能監(jiān)控中，可以明顯加快數(shù)據(jù)處理速度，提升數(shù)據(jù)訪問便捷性，減少人工頻繁操作帶來的誤差，但同時(shí)也存在著對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、軟硬件質(zhì)量、實(shí)時(shí)通信、視頻圖像處理要求高的缺點(diǎn)。因此，必須系統(tǒng)深入研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于該領(lǐng)域的具體方法，嚴(yán)格按照軟件工程思想進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)的安全、可靠、便捷。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，它利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物等通過新的方式連在一起，形成人與物、物與物相連，實(shí)現(xiàn)信息化和遠(yuǎn)程管理控制。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)主要有識(shí)別和感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘與融合技術(shù)等。物聯(lián)網(wǎng)被廣泛應(yīng)用于智能交通、智慧醫(yī)療、智能家居、環(huán)保監(jiān)測(cè)、智能電網(wǎng)、智能農(nóng)業(yè)、安防保衛(wèi)等領(lǐng)域[1]。

2.2 全息攝像技術(shù)

一種利用波的干涉記錄被攝物體反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技術(shù)[2]。全息攝影是通過一束參考光和被攝物體上反射的光疊加在感光片上產(chǎn)生干涉條紋而成。全息攝影不僅記錄被攝物體反射光波的振幅（強(qiáng)度），而且還記錄反射光波的相對(duì)相位，全息攝像實(shí)現(xiàn)了影像的360°全方位無死角全覆蓋，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)成像、智能監(jiān)控、視頻傳播等領(lǐng)域中。

2.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)，將不同的計(jì)算機(jī)進(jìn)行互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)資源共享、信息傳遞、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、上傳下載等功能。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)是OSI 7 層協(xié)議制度，其核心是TCP/IP 技術(shù)，通過硬件或者無線協(xié)議的方式，按照嚴(yán)密的協(xié)議構(gòu)筑完善的網(wǎng)絡(luò)空間，一般按網(wǎng)絡(luò)范圍劃分為局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）、廣域網(wǎng)（WAN）。

2.4 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)是一種規(guī)模大到在獲取、存儲(chǔ)、管理、分析方面大大超出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)集合，具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、多樣的數(shù)據(jù)類型和價(jià)值密度低4 大特征。大數(shù)據(jù)最大的特征是數(shù)據(jù)量巨大，大到傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件如Excel、Mysql 等都無法很好地支持分析。這也意味著大數(shù)據(jù)階段，無論是數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)還是加工計(jì)算等過程，用到的處理技術(shù)也會(huì)完全不同，如Hadoop、Spark 等[3]。

3 需求分析

3.1 功能需求分析

能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)施檢測(cè)不同物聯(lián)網(wǎng)模塊應(yīng)該完成的內(nèi)容，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到系統(tǒng)中，在不同計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行視頻圖像信息文件的實(shí)時(shí)發(fā)送和接收，智能計(jì)算出異常數(shù)據(jù)并做出初步判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的增刪改查等操作，在出現(xiàn)明顯異常情況時(shí)能夠進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警等功能。

3.2 用戶需求分析

軟件設(shè)計(jì)整體上要界面清晰、簡(jiǎn)潔，人機(jī)交互性強(qiáng)，算法時(shí)空復(fù)雜度低，能自動(dòng)檢測(cè)異常輸入等情況。

3.3 業(yè)務(wù)需求分析

總體結(jié)構(gòu)上符合計(jì)算機(jī)C/S 三層架構(gòu)體系，特別是數(shù)據(jù)層能夠脫離主機(jī)系統(tǒng)和各個(gè)客戶端，實(shí)現(xiàn)云端訪問，減輕系統(tǒng)存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的壓力，使得能夠向核心業(yè)務(wù)聚焦，減輕系統(tǒng)的硬件和通信壓力。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的城市地下管網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)需要設(shè)置5 個(gè)不同的組成部分，分別是交互層、傳輸層、監(jiān)視層、數(shù)據(jù)層和運(yùn)算層。交互層用于系統(tǒng)與用戶之間進(jìn)行交互，接受用戶輸入的信息，向用戶反饋實(shí)時(shí)信息。傳輸層用于將不同信息在不同計(jì)算機(jī)結(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳遞，將每個(gè)重點(diǎn)監(jiān)控位置的物聯(lián)網(wǎng)模塊感應(yīng)到的信息傳遞到主機(jī)上。監(jiān)視層用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)部位和設(shè)備的狀態(tài)情況，對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行初步識(shí)別，將出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)或者隨機(jī)抽取的數(shù)據(jù)送運(yùn)算層進(jìn)行計(jì)算甄別。數(shù)據(jù)層關(guān)注數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理操作，通常選擇成熟的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)來承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)，具體到本軟件，建立7 個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。運(yùn)算層使用機(jī)器訓(xùn)練方法，對(duì)于待運(yùn)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出是否正常的結(jié)論，并將結(jié)果傳輸?shù)浇换樱軌蜃層脩魧?shí)時(shí)觀測(cè)到。

4.2 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方法

4.2.1 硬件環(huán)境的確定

在服務(wù)器與物理距離最近的客戶端之間建立光纖連接，在服務(wù)器端與光纖連接處搭建波長(zhǎng)分割復(fù)用器，在該客戶端與光纖連接處搭建解復(fù)用器。使搭載不同信息的不同波長(zhǎng)光信號(hào)能夠在該光線中傳輸，并正確到達(dá)該客戶端。在最近客戶端與其他客戶端之間建立光纖連接，根據(jù)物理距離的不同選擇不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，達(dá)到使用光纖數(shù)量最少的目的。系統(tǒng)的參數(shù)配置可通過后臺(tái)的配置文件完成，包括設(shè)備機(jī)箱ID、內(nèi)部卡槽ID、節(jié)目碼流名稱和相應(yīng)的主備路告警門限。

4.2.2 編程語(yǔ)言的確定

鑒于Python 語(yǔ)言具有語(yǔ)法邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、網(wǎng)絡(luò)編程功能強(qiáng)大、封裝性好、更適應(yīng)于人工智能開發(fā)等特點(diǎn)[4]，本系統(tǒng)使用Python語(yǔ)言，在Visual Studio 2015 平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)。

4.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用SQL SERVER2005 進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。大部分面向?qū)ο蟾呒?jí)編程語(yǔ)言封裝了連接和操作SQL SERVER 的類，方便系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行快速連接，直接在界面層對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行增刪并改操作。本系統(tǒng)需要建立以下數(shù)據(jù)庫(kù)：用戶管理信息表、視頻信息表、圖像信息表、報(bào)警信息表、文件信息表、已發(fā)送數(shù)據(jù)信息表、客戶端信息表。

4.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的城市地下管網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本文對(duì)5 個(gè)不同的部分分別進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

4.3.1 交互層的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

交互層使用專門的窗體，用于向用戶實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前監(jiān)控狀態(tài)，并接受用戶所有輸入情況，進(jìn)行窗體的切換和顯示狀態(tài)的變化。交互層所屬類設(shè)置3 個(gè)屬性，分別表示用戶是否輸入、當(dāng)前顯示頁(yè)面播放內(nèi)容屬于哪個(gè)部分及是否多頁(yè)面顯示，設(shè)置5 個(gè)方法，分別表示根據(jù)用戶輸入進(jìn)行響應(yīng)、根據(jù)用戶點(diǎn)擊不同命令按鈕進(jìn)行響應(yīng)、變換顯示狀態(tài)、切換不同頁(yè)面和回放或者提取當(dāng)前頁(yè)面進(jìn)行放大分析。

4.3.2 傳輸層的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

傳輸層使用專門的窗體，用于系統(tǒng)接收客戶端發(fā)送的信息，向客戶端發(fā)送信息，并在一個(gè)完整數(shù)據(jù)接收或者發(fā)送完畢后實(shí)時(shí)更改對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)信息。所屬類設(shè)置2 個(gè)屬性，分別表示接收/發(fā)送文件類型（由相應(yīng)客戶端發(fā)送時(shí)設(shè)置前綴得到）和接收的超時(shí)時(shí)間，設(shè)置4 個(gè)方法，分別表示監(jiān)聽、接收、發(fā)送和實(shí)時(shí)更新。

在傳輸層中，主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)送與接收，將不同計(jì)算機(jī)連接成真正的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)“云計(jì)算”功能。該模塊發(fā)送接收功能的實(shí)現(xiàn)，通過以TCP 連接為主，UDP 連接為輔的形式進(jìn)行。在過多強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)安全性和傳輸可靠性的情況下，使用前者進(jìn)行連接；在過多強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸速度和實(shí)現(xiàn)群發(fā)功能的情況下，使用后者進(jìn)行連接。

4.3.3 監(jiān)測(cè)層的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測(cè)層不使用專門的窗體，在計(jì)算機(jī)后臺(tái)運(yùn)行，并配合各個(gè)物聯(lián)網(wǎng)模塊和全息攝影設(shè)備進(jìn)行。監(jiān)測(cè)層所屬類設(shè)置較為簡(jiǎn)單，僅有一個(gè)屬性和一個(gè)方法，分別為同時(shí)檢測(cè)的最大數(shù)量和調(diào)整物聯(lián)網(wǎng)模塊參數(shù)，但卻是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)系統(tǒng)能否正常發(fā)揮效能起到?jīng)Q定性作用。

5 測(cè)試分析

5.1 測(cè)試目的和方法

依托宿州市智慧管網(wǎng)項(xiàng)目、亳州市智慧管網(wǎng)項(xiàng)目、衢州市化工園區(qū)管網(wǎng)項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試[5]。使用黑盒測(cè)試方法，即不關(guān)注內(nèi)部過程具體怎么實(shí)現(xiàn)，只關(guān)注輸入的正確性，檢測(cè)最后輸出結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。

5.2 測(cè)試過程

3 個(gè)項(xiàng)目分別選取不同的管道不同的位置共計(jì)100 處實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行模擬測(cè)試，安裝好物聯(lián)網(wǎng)模塊后，運(yùn)行該系統(tǒng)。分別考察該系統(tǒng)對(duì)異常情況鑒別率、計(jì)算結(jié)果正確率、報(bào)警次數(shù)、延時(shí)傳遞次數(shù)等指標(biāo)。為了使測(cè)試具有區(qū)分度，防止所選取的測(cè)試位置沒有異常情況的出現(xiàn)，每個(gè)測(cè)試過程中均人為制造相當(dāng)數(shù)量的異常情況。

5.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

通過綜合3 個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果，使用算數(shù)相加取平均值的方法，計(jì)算出異常情況鑒別率為90.5%，計(jì)算結(jié)果正確率為92.3%，延時(shí)傳遞次數(shù)為26，基本上滿足了一般場(chǎng)景下的需求，但異常情況鑒別率和計(jì)算結(jié)果正確率還有進(jìn)一步提升的空間。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程報(bào)警次數(shù)為0，說明系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但同時(shí)也說明在試驗(yàn)場(chǎng)景中異常情況設(shè)置不夠，以致區(qū)分度不夠的情況出現(xiàn)。

5.4 測(cè)試結(jié)論

通過進(jìn)行測(cè)試分析可知：本系統(tǒng)能夠滿足一般場(chǎng)景下的城市地下智能管網(wǎng)監(jiān)控工作，但依然有較大提升空間，需要在下步工作中進(jìn)一步提升異常情況鑒別率和計(jì)算正確率，因此，要求對(duì)相應(yīng)算法進(jìn)行完善和改進(jìn)，同時(shí)需要對(duì)測(cè)試中異常情況的設(shè)置更加突出實(shí)際運(yùn)用效果。

6 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的城市地下管網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中盡管表現(xiàn)較好，但應(yīng)該看到地下管網(wǎng)種類繁多，具有復(fù)雜性、多變性和不可預(yù)測(cè)性，因此，測(cè)試中難以窮盡所有的地下管網(wǎng)可能情況。在實(shí)踐中需要進(jìn)一步針對(duì)不同使用場(chǎng)景和使用目的，對(duì)該系統(tǒng)的使用動(dòng)態(tài)效能進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，不斷提出改進(jìn)方法，做出具體改進(jìn)舉措，以不斷降低問題發(fā)生的頻率，提升該系統(tǒng)在復(fù)雜地下管網(wǎng)監(jiān)控中的實(shí)際應(yīng)用效果。在下一步的工作中主要有以下幾個(gè)努力方向：一是進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確率；二是進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行效率；三是改進(jìn)相關(guān)算法，進(jìn)一步提升適應(yīng)更多更復(fù)雜情況的能力；四是在硬件和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)和提升。