智慧管网应用系统及实现方法

智慧管网应用系统及实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种智慧管网应用系统及实现方法，该智慧管网系统包括：感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层，其中，感知识别层为智慧管网的信息生成单元，且感知识别层包括自动信息生成单元和人工信息生成单元；网络构建层为智慧管网的信息传输单元，且网络构建层包括远端节点和异构网络；管理服务层为智慧管网的信息处理单元，且管理服务层包括数据保护模块、数据存储模块、数据检索模块和数据组织模块；综合应用层为智慧管网的信息应用单元，综合应用层用于将智慧管网与各种公众网络终端、专业管线监控系统与数据平台、数字城市相关生产和应用领域的系统互通互联。实施本发明的技术方案，方便管网监控和管理。
【专利说明】智慧管网应用系统及实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及城市管网生产和应用领域，尤其涉及一种智慧管网应用系统及实现方法。
【背景技术】
[0002]城市管网是城市基础设施的重要组成部分，它们担负着传送信息、能量或输送介质的工作，是城市赖以生存和发展的物质基础，被称为城市的“生命线”。另一方面，国民经济的发展对信息系统早已提出了更高的要求，互联网已渐渐成为人们日常生活的信息载体和平台，无线技术的运用也使移动计算变得日益成熟和普及，并广泛参与到社会的运行和人们的各种活动中。
[0003]近年来中国各大城市相续出现了大规模的城市内涝问题，问题主要出现在城市管网建设的规划方面以及管网监控管理方面严重滞后。随着国家提出“智慧城市”发展战略，国务院也提出来“5年解决雨污分流、10年解决城市内涝”的要求，同时提出完善应急机制、加强管网日常管理、加大科技支撑力度，进一步加强城市降雨规律、排水影响评价、暴雨内涝风险等方面的研究；全面提升排水防涝数字化水平，积极应用地理信息、全球定位、遥感应用等技术系统。因此，市场呼唤出现一种方便监控和管理的智慧管网应用系统。
[0004]在过往的城市基础设施建设中，管网基础设施和信息基础设施的建设往往是分开进行的。一方面人们不断地建设和完善城市管网基础设施，另一方面，人们也在不遗余力地发展包含数据中心、个人计算机、宽带网络等的信息基础设施，但是两者之间往往互不相干。
[0005]随着现代经济的发展，主要依赖桌面型计算的主流网络计算模式，被倡导发展成更广泛地部署移动智能设备和微小计算设备的普适计算模式。从崇尚人围绕着计算机终端获取服务与支持，发展成计算机网络围绕着人主动提供服务与支持。
[0006]传感器是人们对管网基础设施进行有效感知和探测的手段，把管网基础设施中的传感器组成网络，使大量的传感器等微型化计算设备自组织地连接在一起，并将普适计算模式从满足个人需要，进一步延伸到可以大规模推广的管网基础设施等生产和应用领域。可将信息基础设施推广到管网基础设施中形成管网基础设施的网络化、信息化，实现管网基础设施与信息基础设施的整合统一。

【发明内容】

[0007]本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述管网监控管理不方便的缺陷，提供一种方便监控和管理的智慧管网应用系统及实现方法。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种智慧管网应用系统，该智慧管网系统包括:感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层，其中，
[0009]感知识别层为智慧管网的信息生成单元，且感知识别层包括自动信息生成单元和人工信息生成单元；其中，[0010]自动信息生成単元包括主动感知信息传感设备和被动感知信息传感设备，自动信息生成单元连接具有通信能力的地面节点，使管网的关键节点成为能被独立寻址的网络终端;
[0011]人工信息生成単元包括移动智能设备，用于现场人工生成管网信息，并通过异构网络移动接入；
[0012]网络构建层为智慧管网的信息传输单元，且网络构建层包括远端节点和异构网络；网络构建层为网络终端提供网络接入功能；
[0013]管理服务层为智慧管网的信息处理单元，且管理服务层包括数据保护模块、数据存储模块、数据检索模块和数据组织模块，数据保护模块包括网关；网络构建层的异构网络通过管理服务层的数据保护模块的网关互通互联；
[0014]综合应用层为智慧管网的信息应用单元；综合应用层用于将智慧管网与公众网络終端、专业管线监控系统与数据平台、数字城市相关生产和应用领域的系统互通互联及实现信息集成；
[0015]所述主动感知信息传感设备通过设置在地下管网的管道与地表之间的固定装置可拆卸固定。
[0016]在本发明所述的智慧管网应用系统中，在自动信息生成単元中，
[0017]主动感知信息传感设备包括管网无线/有线传感器、地面节点和电源；远端节点通过有线或无线方式与地面节点连接组成管网传感器网络；
[0018]被动感知信息传感设备包括信息标签和信息标签读取设备。
[0019]在本发明所述的智慧管网应用系统中，在网络构建层中，异构网络包括管网传感器网络、移动通讯网络、internet广域网、专业管线SCADA/DCS网络与数据平台、公众网络終端。
[0020]在本发明所述的智慧管网应用系统中，在管理服务层中，
[0021]数据存储模块包括多个数据存储服务器和GPS时钟，数据存储服务器之间依赖GPS时钟保持同步；
[0022]数据检索模块包括基于WEB的WEB服务器，所述WEB服务器中装载有数据检索软件；
[0023]数据组织模块包括GIS服务器、应用工作站；
[0024]数据保护模块还包括网关的防火墙。
[0025]在本发明所述的智慧管网应用系统中，综合应用层包括多祥化服务模块、规模化服务模块和行业化服务模块，其中，
[0026]多祥化服务模块包括无线智能设备和固定終端，用于提供多祥化管网信息服务，无线智能设备通过移动通信网接入internet获取服务和支持；
[0027]规模化服务模块通过网络交換机和网关接入与管网行业相关的管理和控制网络；
[0028]行业化服务模块通过网络交換机和网关接入传统的专业管线集散控制系统(DCS)、专业管线生产调度系统(SCADA)相关系统；行业化服务模块的链条化应用服务技术包括管网系统的策划、审批、招标、采购、生产、施工、管理、维护等行业数据平台，可覆盖管网系统的各个服务环节。[0029]在本发明所述的智慧管网应用系统中，所述管网包括排水管网，所述管网无线/有线传感器包括设置在排水管网不同水质监测点的多个水质污染物传感器，且所述水质污染物传感器用于检测排水管网不同水质监测点的污染物浓度数据；
[0030]所述综合应用层在进行管网雨污合流监控时，将排水管网不同水质监测点的污染物浓度数据导入所述GIS服务器的地理信息系统以得到污染物分布图，并将排水管网的地理坐标导入所述GIS服务器的地理信息系统以得到排水管网分布图，再将所述污染物分布图叠加显示于所述排水管网分布图之上，以建立排水管网的污染统计模型。
[0031]在本发明所述的智慧管网应用系统中，所述综合应用层还用于在监测到污染物浓度数据超出污染物预设标准时，根据节点关系树的线性规则得到上游节点的最大污染物浓度及最大污染物浓度的出现时间，并根据上游节点的最大污染物浓度及最大污染物浓度的出现时间定位排水管网中的污染源。
[0032]在本发明所述的智慧管网应用系统中，所述管网包括排水管网及泵站，所述管网无线/有线传感器包括设置在排水管网及泵站的不同水压监测点的多个水压传感器，所述水压传感器用于检测排水管网及泵站的不同水压监测点的水压数据；
[0033]所述综合应用层在进行排水调度监控时，将排水管网及泵站的不同水压监测点的水压数据导入所述GIS服务器的地理信息系统以得到水压分布图，并将排水管网及泵站的地理坐标导入所述GIS服务器的地理信息系统以得到排水管网及泵站分布图，再将所述水压分布图叠加显示于所述排水管网及泵站分布图之上，以建立排水管网及泵站的水压统计模型。
[0034]在本发明所述的智慧管网应用系统中，所述综合应用层还用于在监测到水压数据超出水压预设标准时，根据节点关系树的线性规则得到上游节点的最大水压及最大水压的出现时间，并根据上游节点的最大水压及最大水压的出现时间定位出排水管网或泵站的堵塞点。
[0035]在本发明所述的智慧管网应用系统中，所述管网包括多个检查井，所述管网无线/有线传感器包括设置在不同检查井的井盖上的多个井盖定位传感器，所述井盖定位传感器用于检测不同井盖的井盖定位数据；
[0036]所述综合应用层在进行突发灾害预警时，若根据井盖定位数据判断特定检查井的井盖发生移位时，根据所述GIS服务器的地理信息系统确定所述特定检查井的井盖的地理位置，并发布预警信号。
[0037]在本发明所述的智慧管网应用系统中，所述管网无线/有线传感器包括设置在管网的不同气体监测点上的多个有害气体传感器，所述有害气体传感器用于检测不同气体监测点的有害气体数据；
[0038]所述综合应用层在进行突发灾害预警时，若根据有害气体数据判断管网的特定监测点发生有害气体泄露时，根据所述GIS服务器的地理信息系统确定所述特定气体监测点的地理位置，并发布预警信号。
[0039]在本发明所述的智慧管网应用系统中，所述管网无线/有线传感器包括设置在管网的不同压流监测点上的多个水压传感器及多个流量传感器，所述水压传感器及流量传感器分别用于检测管网的不同压流监测点的水压数据和流量数据；
[0040]所述综合应用层在进行管网模拟仿真时，根据特定历史时刻下不同压流监测点的水压数据和流量数据建立静态瞬态仿真模型；根据特定历史时段内不同压流监测点的水压数据和流量数据建立静态稳态仿真模型；根据当前时刻下不同压流监测点的水压数据和流量数据建立动态瞬态仿真模型。
[0041]在本发明所述的智慧管网应用系统中，所述固定装置包括与管道固定连接的用于管网无线/有线传感器可拆卸固定的安装套，所述安装套由管道向上延伸至地表，所述安装套的上端设有用于容置地面节点和电源的地表连接机构；所述安装套内下端部设有用于管网无线/有线传感器可拆卸固定的活动快速接头，所述活动快速接头连接有用于活动快速接头连接或拆卸的拉线和柔性安装拉杆，所述拉线和柔性安装拉杆向上延伸至地表连接机构。
[0042]本发明还构造ー种智慧管网应用系统的实现方法，该智慧管网系统包括:感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层，所述应用方法包括:
[0043]感知识别层中的自动信息生成単元和人工信息生成単元生成智慧管网的信息；
[0044]网络构建层中的远端节点和异构网络传输智慧管网的信息；
[0045]管理服务层中的数据保护模块、数据存储模块、数据检索模块和数据组织模块处理智慧管网的信息；
[0046]综合应用层将智慧管网与公众网络終端、专业管线监控系统与数据平台、数字城市相关生产和应用领域的系统互通互联及实现信息集成。
[0047]实施本发明的技术方案，感知识别层实时检测管网不同监测点的数据，生成智慧管网的信息，网络构建层传输智慧管网的信息，管理服务层中的数据保护模块、数据存储模块、数据检索模块和数据组织模块对智慧管网的信息进行处理，综合应用层用于将智慧管网与各种公众网络终端、专业管线监控系统与数据平台、数字城市相关生产和应用领域的系统互通互联。因此，这种智慧管网应用系统方便监控和管理。
[0048]本发明中，主动感知信息传感设备的安装是采用设置在地下管网的管道与地表之间的固定装置可拆卸固定，该固定装置设置在管道与地面之间，该固定装置能将主动感知信息传感设备固定在管道上，用于对管道内信息进行检测，并且无需挖开土壤直接在地面就可以进行主动感知信息传感设备的拆卸和维修，实现了一种新的地下设备维修方法，地上操作十分方便，节省了维修时间，简化了施工，减少了人力物力的浪费。
【专利附图】

【附图说明】
[0049]下面将结合附图及实施例对本发明作进ー步说明，附图中:
[0050]图1是本发明智慧管网应用系统实施例一的逻辑结构图；
[0051]图2是本发明智慧管网应用系统实施例ニ的示意图；
[0052]图3是本发明智慧管网应用系统的实现方法实施例一的流程图；
[0053]图4是本发明智慧管网的传感器安装结构示意图；
[0054]图5是图4的局部放大图。
【具体实施方式】
[0055]图1是本发明智慧管网应用系统实施例一的逻辑结构图，根据信息的生成、传输、处理和应用，该智慧管网应用系统包括有感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层。
[0056]感知识别层为智慧管网的信息生成单元，且其包括自动信息生成单元和人工信息生成单元，其中，自动信息生成单元包括主动感知信息传感设备和被动感知信息传感设备，自动信息生成单元连接具有通信能力的地面节点，使管网的关键节点成为能被独立寻址的网络终端。人工信息生成单元包括移动智能设备，用于现场人工生成管网信息，并通过异构网络移动接入。该感知识别层主要用于检测管网不同监测点的静态数据和动态数据，并通过自动信息生成方式和人工信息生成方式发布管网的检测信息，其中，管网包括有供水管网、排水管网、燃气管网、泵站、检查井等。该静态数据包括地理坐标，另外还可进一步包括:埋深、材质、规格、压力、建设年代、权属单位、负责人姓名及联系方式等。该动态数据包括水压、流量、水位、有害气体浓度、水质污染物浓度等。
[0057]网络构建层为智慧管网的信息传输单元，且网络构建层包括远端节点和异构网络。网络构建层为各种网络终端提供网络接入功能。该网络构建层用于对管网的检测信息进行汇集、处理，然后通过3G/4G/WIFI的无线方式或有线方式传送管网的检测信息传送至管理服务层。
[0058]管理服务层为智慧管网的信息处理单元，且管理服务层包括数据保护模块、数据存储模块、数据检索模块和数据组织模块，数据保护模块包括网关；网络构建层的异构网络通过管理服务层的数据保护模块的网关互通互联。该管理服务层用于对所接收的管网的检测信息进行保护、存储、组织和检索。
[0059]综合应用层为智慧管网的信息应用单元，且综合应用层包括多样化服务模块、规模化服务模块和行业化服务模块。综合应用层用于将智慧管网与各种公众网络终端、专业管线监控系统与数据平台、数字城市相关生产和应用领域的系统互通互联。该综合应用层根据管理服务层所存储的管网的检测信息进行管网雨污合流监控、排水调度监控、突发灾害预警或管网模拟仿真等，以建设智能化的上层行业应用，包括规模化、行业化等服务，行业化服务还包括链条化服务。它们形成泛化关系。应当说明的是，以上所述的连接，不仅仅限于有线方式的连接，还可为各种无线方式的连接。
[0060]结合图2，在感知识别层中，自动信息生成单元的主动感知信息传感设备包括管网无线/有线传感器、地面节点和电源。远端节点通过有线或无线方式与地面节点连接组成管网传感器网络。其中，管网无线/有线传感器用于实时检测管网的相应监测点的动态数据，管网无线/有线传感器例如可包括水压传感器、流量传感器、温湿度传感器、震动传感器、气压传感器、有害气体传感器、水质污染物传感器、井盖定位传感器和/或摄像头。其中，摄像头对监控区域的视频进行捕捉，例如，监控区域下的水流、水质、水位等视频。自动信息生成单元的被动感知信息传感设备包括信息标签和信息标签读取设备。信息标签可包括设置在管网的不同监测点的多个RFID (Radio Frequency IDentificatio,无线射频识另O)标签。信息标签读取设备可包括多个RFID阅读器。其中，RFID标签预先写入有管网的相应监测点的静态数据，这些静态数据仅在管网建设时或改造时写入，平时保持不变。RFID阅读器用于读取相应RFID标签所写入的静态数据，当然，管网无线/有线传感器在检测到动态数据后也可以将其写入到相应的RFID标签，此时，RFID阅读器可同时读取静态数据和动态数据。人工信息生成单元中的移动智能设备智能终端，用于在人工巡检时，直接在现场读出管网无线/有线传感器的检查结果并输入到智能终端中，以用于动态数据的检验和修正。
[0061]结合图4、5所示，所述主动感知信息传感设备通过设置在地下管网的管道与地表之间的固定装置可拆卸固定。
[0062]所述固定装置包括与管道固定连接的用于管网无线/有线传感器可拆卸固定的安装套3，所述安装套3由管道I向上延伸至地表，所述安装套3的上端设有用于容置地面节点和电源的地表连接机构。
[0063]安装套3为中空结构，安装套3内设置管网无线/有线的传感器5，与安装套3对应的管道I上开有检测孔，所述管网无线/有线传感器5插入到检测孔内来检测管道I内信息。安装套3与管道I的固定连接有多种方式，ー种是安装套3直接固定在管道I上，但是由于安装套3有一定长度，安装过程不方便，因此，还可以采用分段连接的方式，即在管道I上对应检测孔设置有安装座2，安装套3通过安装座2固定在管道I上。安装座2的结构也有多种，在此不作限定，只需能将安装套3对应检测孔固定在管道I上即可，本实施例中安装座2为短套管，安装座2 —端焊接在管道I外壁上，安装套3插装在安装座2内，安装套3与安装座2之间紧配合连接或固定连接，紧配合连接可以采用过盈配合方式。固定连接可以采用焊接、螺接等方式。
[0064]所述安装套3内下端部设有用于管网无线/有线传感器5可拆卸固定的活动快速接头6，所述活动快速接头6包括固定在安装套3内的插座组件，与插座组件密封可拆卸插接的插轴11，所述插轴11端部固定管网无线/有线传感器5，所述插轴11插接到插座组件内锁定后，所述管网无线/有线传感器5插入到管道I的检测孔内。
[0065]插座组件的固定可以直接固定在安装套3内壁，也可以固定在管道I外壁上。插座组件包括插座10和卡套12，卡套12套设在插座10タト，插轴11插接在插座10内。在插座10与卡套12之间套装有卡簧15、弹簧17，在插座10上螺接有螺母18对弹簧17限位。在插座10与插轴11之间设有锁紧钢球16，对应的插轴11外壁上开有梯形槽。插座10、插轴11之间通过密封垫13、密封圈14中的至少ー个来密封。
[0066]插轴11为中空结构，其内部设置有实现贯通的插轴腔，插轴腔内穿装有管网无线/有线传感器5的电源线和通讯线。
[0067]所述活动快速接头6连接有用于活动快速接头6连接或拆卸的拉线8和柔性安装拉杆9,所述拉线8和柔性安装拉杆9向上延伸至地表连接机构。
[0068]所述拉线8下端固定在卡套12上，上端限位在地表连接机构内。拉线8对称均匀设置，一般设置两个，分别固定在卡套12端面相对的位置。插轴11上帯有导向环7，导向环与柔性安装拉杆9固定连接。导向环7设有导向孔，拉线8穿入导向孔内，用于对下放的插轴11进行导向，使其能安全快速插接到插座10内。
[0069]柔性安装拉杆9为中空的柔性可弯曲结构，下端与插轴11固定连接，上端延伸至地表连接机构内。所述柔性安装拉杆9的中空腔体对应插轴11的插轴腔，柔性安装拉杆9可用弹簧钢丝绕制，柔性安装拉杆9的中空内腔可连接管网无线/有线传感器5的电源线和通讯线。柔性安装拉杆9采用柔性结构，方便拉杆通过变形调整活动快速接头6的插接。
[0070]地表连接机构是用于管网无线/有线传感器5的供电和通讯，主动感知信息传感设备中的地面节点和电源设置其中。地表连接机构的结构不作限定，只需对其中的主动感知信息传感设备起到保护作用，本实施例的地表连接机构采用地表接线盒，地表接线盒内设置的电源和地面节点，具有根据实际需要设置。根据管道I的埋深，地表接线盒可与远端节点连接，并可安装独立的风力/太阳能电源、可更换电池或与供电网连接。
[0071]结合图4、5所示，在连接管网无线/有线传感器5时，首先通过拉线8将插座10上的卡套12向上拉至最高处并固定位置，再将插轴11的头部连带管网无线/有线传感器5，通过柔性安装拉杆9和安装套3插入到管道I上检测孔中，当插轴11的头部插到底后即可松开卡套12，卡套12在弹簧17的弹力的作用下恢复原位，卡套12在恢复原位过程中推动锁紧钢球16进入插轴11上的梯形槽内，并将锁紧钢球16固定在梯形槽内，产生自锁作用，使插轴11被锁定在插座10内不至脱落，从而实现快速连接。同时插轴11头部有密封垫13或密封圈14实现轴向密封，使地下管道I内部的流体不至向外泄露。当需要对管网无线/有线传感器5进行检修或更换时，只需通过拉线8将插座10上的卡套12向上拉至最高处,这时插轴11即可从插座10中退出。
[0072]关于管网无线/有线传感器5，还需说明的是，在实际应用时，根据现场环境和监控需求对不同的管网无线/有线传感器5进行选型。在对管网无线/有线传感器5进行安装时，首先，在管道/检查井的设计位置开检测孔，密封连接预制的固定座。施工时从固定座固定安装套3至地表，安装套3上端设置地表连接机构(地表接线盒)，安装套3具有一定强度，在一定程度上可抵抗土壤沉降造成的变形，比如采用钢塑复合管，即使安装套3弯曲变形也能保持管内各向挠曲接近相等，使其形状能够长期维持。安装套3与固定座紧密连接，并与周边土壤形成密封。然后根据需要可从地表接线盒通过安装套3在管壁内部安装或更换管网无线/有线传感器5。
[0073]感知识别层实时检测管网的环境数据并发布出去，其发布方式包括信息自动发布方式和人工信息发布方式，自动信息生成方式主要依靠主动感知设备和被动感知设备，主动感知设备包括无线通讯方式的传感器、有线通讯方式的传感器，传感器分别由地表接线盒供电，并实时检测相应监测点的动态数据，例如，水压、流量、温度、湿度、有害气体、水质(有害)及管网的视频监控。被动感知设备包括RFID阅读器及附设在管网上的RFID标签，RFID标签预先写入有相应监测点的静态数据，例如，坐标、埋深、材质、规格、压力、建设年代、权属单位、负责人姓名及联系方式等基础信息，RFID阅读器可读取相应RFID标签所写入的静态数据，并传送至管理服务层和综合应用层，以方便进行管网监控定位，进而方便对管网的统一规划、科学管理、查阅检索和现场警示，并可通过无线技术向施工人员的手机等设备发出警示，避免挖断供水、供电、燃气等管线的事件发生。人工信息发布的方式主要依靠智能终端，例如，智能手机、平板电脑等，在人工巡检时，巡检人员将现场查看到的检查结果输入到智能终端，并通过智能终端发布出去。
[0074]网络构建层的主要作用网络构建层的主要作用是把感知识别层数据接入到管理服务层，供智慧管网的上层服务使用。网络构建层利用包括互联网、无线宽带网、无线低速网、移动通信网等网络构建技术，或利用各种异构设备本身的无线通信模块和标准通信协议自组成的“物联网”。这些异构网络通过“网关”、“异构网融合”以及云计算通讯模组进行互通互联。“泛在网络”是实现“智慧管网”的基础设施，为管网信息的互联互通提供高性能网络环境。采集器、传感器获取的信息通过互联网、物联网、电信网、广电网、无线宽带传输到云端，在云端完成计算、分析、存储和分发。异构网络包括管网传感器网络、移动通讯网络、internet广域网、专业管线SCADA/DCS网络与数据平台、公众网络终端、及其他与管网行业相关管理和控制网络，如行业门户网站、市政管理、数字城市网络等通过网络交換机接入管理服务层。传感器、摄像头、RFID阅读器等获取的信息通过互联网、物联网、电信网、广电网、无线宽带传输到云端，在云端完成计算、分析、存储和分发。在该实施例中，网络构建层包括远端节点设备(中继器)、移动通讯网络设备以及网络交換机。远端节点设备可通过有线或无线的方式将传感器、RFID阅读器等所检测的环境数据实时或异步的上传到该节点，该远端节点设备起到汇集环境数据的作用。移动通讯网络设备主要在人工进行管网巡检时接收通过智能終端上传的环境数据，同样起到数据汇集的作用，同吋，该移动通讯网络设备也通过WIF1、GRPS、3G、4G等移动通讯技术为综合应用层提供无线数据通路服务。网络交換机主要实现环境数据的打包、分割、组合等处理及建立路由路径，将环境数据发送给网关。另外，管网SCADA/DCS (distributed control systems,分散控制系统)服务器主要为综合应用层提供经过智能分析和处理之后的管网综合环境数据。
[0075]管理服务层的主要作用是在高性能计算和海量存储技术的支持下，将大规模数据高效可靠地组织起来，为上层行业应用提供智能的支撑平台，例如，解决如何存储(数据库与海量存储技木)、如何检索(搜索引擎)、如何使用(数据挖掘与机器学习)、如何不被滥用(数据安全与隐私保护)等问题。在该实施例中，管理服务层包括数据检索模块、数据存储模块、数据组织模块以及数据保护模块。其中，数据存储模块包括多个数据存储服务器和GPS时钟，数据存储服务器之间依赖GPS时钟保持同歩。数据检索模块包括基于WEB的WEB服务器，WEB服务器中装载有数据检索软件。数据组织模块包括GIS服务器和应用工作站。数据保护模块包括网关及其防火墙。而且，用于数据保护的网关置于WEB服务器、数据存储服务器的前端，采用独立的硬件设备结合加密解密软件系统的形式安装到被保护的服务器的前侧，其主要作用是:(1)起到网络防火墙的作用，实现内外网的隔离和保护；(2)对传入的各种加密数据进行解密或从被保护的数据服务器发出的数据进行各类加密。
[0076]WEB服务器主要功能是提供对涉及结构化或非结构化的环境数据进行混合检索、字/词/句/片段检索、自动分库检索、多库并行检索，从而提供全方位检索手段和查寻方法，包括各种逻辑组合检索、位置检索、二次检索、渐进检索、历史检索、词根检索、大小写敏感检索、概念检索、对检索结果按与检索表达式的相关性和重要性程度排序等。另外，WEB服务器可使用高效的索引压缩技术、索引跳跃式扫描技术、多库并行检索技术、完善的多级Query-CACHE技术、基于词以及词频的b1-gram算法等进行检索。数据存储服务器主要功能是对管网的所有环境数据进行存储，例如，利用先进的数据库技术包括数据库集群技术、数据库实时备份技术、数据库数据安全技术等实现海量管网的环境数据的安全存储和高效存储。数据管理应用工作站则主要提供GIS服务以及各类数据分析应用工作站，如专家系统工作站等。
[0077]在综合应用层中，通过网络交換机和网关接入传统的管网生产调度系统(SCADA)、管网集散控制系统(DCS)，且主要作用是建设智能化的上层行业应用，包括规模化、行业化等服务，行业化服务还包括链条化服务。它们形成泛化关系。综合应用层包括多祥化服务模块、规模化服务模块和行业化服务模块，其中，多祥化服务模块包括无线智能设备和固定終端等公众网络終端，并提供多祥化管网信息服务，例如，设备可根据管网的环境数据进行管网雨污合流监控、排水调度监控、突发灾害预警或管网模拟仿真等。无线智能设备通过移动通信网接入internet获取服务和支持；规模化服务模块主要通过网络交換机和网关接入与管网行业相关管理和控制网络如行业门户网站、市政管理、数字城市网络等；行业化服务模块通过网络交换机和网关接入传统的专业管线集散控制系统(DCS)、专业管线生产调度系统(SCADA)等相关系统，行业化服务模块的链条化应用服务技术，包括管网系统的策划、审批、招标、采购、生产、施工、管理、维护等行业数据平台，可覆盖管网系统的各个服务环节。
[0078]综合应用层在进行管网雨污合流监控时，首先，排水管网不同水质监测点的多个水质污染物传感器将所检测的污染物浓度数据传送到管理服务层，综合应用层从管理服务层调出排水管网不同水质监测点的污染物浓度数据。然后，将排水管网不同水质监测点的污染物浓度数据导入GIS服务器的地理信息系统以得到污染物分布图，并将排水管网的地理坐标导入GIS服务器的地理信息系统以得到排水管网分布图，再将污染物分布图叠加显示于排水管网分布图之上，通过整合分析建立排水管网的污染统计模型。而且，可根据管理服务层中所存储的历史数据建立不同条件下的排水管网的污染统计模型，从而监测对应排水区域的长期雨污分流情况。另外，在突发情况下，当综合应用层在监测到污染物浓度数据超出污染物预设标准时，根据节点关系树的线性规则得到上游节点的最大污染物浓度及最大污染物浓度的出现时间，并根据上游节点的最大污染物浓度及最大污染物浓度的出现时间预测污染物注入节点，从而迅速准确地定位出排水管网中的污染源。
[0079]综合应用层在进行排水调度监控时，首先，排水管网及泵站的不同水压监测点的多个水压传感器将所检测的水压数据传送到管理服务层，综合应用层从管理服务层调出排水管网及泵站的不同水压监测点的水压数据。然后，将排水管网及泵站的不同水压监测点的水压数据导入GIS服务器的地理信息系统以得到水压分布图，并将排水管网及泵站的地理坐标导入GIS服务器的地理信息系统以得到排水管网及泵站分布图，再将水压分布图叠加显示于排水管网及泵站分布图之上，以建立排水管网及泵站的水压统计模型。而且，可根据管理服务层中所存储的历史数据建立不同条件下的排水管网及泵站的水压统计模型，从而监测对应排水区域的长期排水情况。另外，当综合应用层在监测到水压数据超出水压预设标准时，根据节点关系树的线性规则得到上游节点的最大水压及最大水压的出现时间，并根据上游节点的最大水压及最大水压的出现时间定位出排水管网或泵站的堵塞点。
[0080]进一步地，基于排水管网及泵站的不同水压监测点的水压数据，进行区域规模指标聚类，对城市洪水区域进行合理的分区，并控制区块规模使之符合系统运算要求。同时，根据不同条件下的排水管网及泵站的水压统计模型确定模型集类型、辨识模型结构和模型参数，最后对模型参数进行在线动态修正，从而监测对应排水区域的长期泄洪情况，以及基于计算机图形与虚拟现实技术进行城市积涝预警和排洪规划。突发情况下可利用排水管网的水压统计预测模型快速计算出管道水深，通过信息系统的网络交换器接口与排水泵站的DCS系统通讯，合理控制排水系统的自动操作，充分利用系统所有蓄水设备，避免在一个特定的区域发生洪水溢出而剩余的蓄水系统闲置，最终达到区域洪水溢出最小化。
[0081]综合应用层在进行突发灾害预警时，例如井盖移位预警，首先，不同检查井的井盖上的井盖定位传感器将所检测的井盖定位数据传送到管理服务层，综合应用层从管理服务层调出不同井盖的井盖定位数据，若根据井盖定位数据判断特定检查井的井盖发生移位时，根据GIS服务器的地理信息系统确定特定检查井的井盖的地理位置，并发布预警信号。再例如有害气体泄漏预警，首先，不同气体监测点上的多个有害气体传感器将所检测的有害气体数据传送到管理服务层，综合应用层从管理服务层调出不同气体监测点的有害气体数据，若根据有害气体数据判断管网的特定监测点发生有害气体泄露时，根据GIS服务器的地理信息系统确定特定气体监测点的地理位置，并发布预警信号。
[0082]综合应用层在进行管网模拟仿真时，首先，管网的不同压流监测点上的水压传感器及流量传感器将所检测的水压数据和流量数据传送到管理服务层，综合应用层从管理服务层调出不同压流监测点的水压数据和流量数据。然后，综合应用层可根据这些数据建立仿真模型，其目的在于了解真实系统在不同条件下的运行情况以及在増加或删去ー些条件后判断系统可能发生的变化。根据仿真模型所采用的数据的不同，可分为以下三种:(1)静态瞬态仿真模型，其是根据特定历史时刻下不同压流监测点的水压数据和流量数据所建立的，该类模型一般用于管网规划及工程设计部门进行管网规划设计，以及管网调度运行部门对压力级制较低、规模庞大且没有实时监控数据的系统进行分析。(2)静态稳态仿真模型，其是根据特定历史时段内不同压流监测点的水压数据和流量数据所建立的，该类模型可用于管网调度运行及管网规划部门进行某段时间的特定任务的离线分析，模拟各种操作的实际状态及相对合理的非正常状态。同时，在培训中通过模拟系统的运行、事故状态等条件，可提高出现风险时的反应处理能力，并可在短期内提供过去需要长期经验积累才能获得的知识。(3)动态瞬态在线仿真模型，其是根据当前时刻下不同压流监测点的水压数据和流量数据所建立的，该类模型可用于进行在线实时管网的エ况分析，并可提供调度运行最需要的又是监控系统所缺乏的管网运行前景预测，增强管网调度的安全性与高效性。
[0083]图3是本发明智慧管网应用系统的应用方法实施例一的流程图，该智慧管网系统的应用方法包括:
[0084]感知识别层中的自动信息生成単元和人工信息生成単元生成智慧管网的信息；
[0085]网络构建层中的远端节点和异构网络传输智慧管网的信息；
[0086]管理服务层中的数据保护模块、数据存储模块、数据检索模块和数据组织模块处理智慧管网的信息；
[0087]综合应用层将智慧管网与公众网络終端、专业管线监控系统与数据平台、数字城市相关生产和应用领域的系统互通互联及实现信息集成。
[0088]最后需说明的是，智慧管网应用系统中所适用的优选方案同样适用于智慧管网系统的应用方法，在此不做赘述。
[0089]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
【权利要求】
1.ー种智慧管网应用系统，其特征在于，该智慧管网系统包括:感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层，其中， 感知识别层为智慧管网的信息生成単元，且感知识别层包括自动信息生成単元和人工信息生成単元；其中， 自动信息生成単元包括主动感知信息传感设备和被动感知信息传感设备，自动信息生成单元连接具有通信能力的地面节点，使管网的关键节点成为能被独立寻址的网络终端；人工信息生成単元包括移动智能设备，用于现场人工生成管网信息，并通过异构网络移动接入； 网络构建层为智慧管网的信息传输单元，且网络构建层包括远端节点和异构网络；网络构建层为网络终端提供网络接入功能； 管理服务层为智慧管网的信息处理单元，且管理服务层包括数据保护模块、数据存储模块、数据检索模块和数据组织模块，数据保护模块包括网关；网络构建层的异构网络通过数据保护模块的网关互通互联； 综合应用层为智慧管网的信息应用单元；综合应用层用于将智慧管网与公众网络终端、专业管线监控系统与数据平台、数字城市相关生产和应用领域的系统互通互联及实现イM息集成; 所述主动感知信息传感设备通过设置在地下管网的管道与地表之间的固定装置可拆卸固定。
2.根据权利要求1所述的智慧管网应用系统，其特征在于，在自动信息生成単元中， 主动感知信息传感设备包括管网无线/有线传感器、地面节点和电源；远端节点通过有线或无线方式与地面节点连接组成管网传感器网络； 被动感知信息传感设备包括信息标签和信息标签读取设备。
3.根据权利要求2所述的智慧管网应用系统，其特征在于，在网络构建层中，异构网络包括管网传感器网络、移动通讯网络、internet广域网、专业管线SCADA/DCS网络与数据平台、公众网络終端。
4.根据权利要求3所述的智慧管网应用系统，其特征在于，在管理服务层中， 数据存储模块包括多个数据存储服务器和GPS时钟，数据存储服务器之间依赖GPS时钟保持同步； 数据检索模块包括基于WEB的WEB服务器，所述WEB服务器中装载有数据检索软件； 数据组织模块包括GIS服务器、应用工作站； 数据保护模块还包括网关的防火墙。
5.根据权利要求4所述的智慧管网应用系统，其特征在于，综合应用层包括多祥化服务模块、规模化服务模块和行业化服务模块，其中， 多祥化服务模块包括无线智能设备和固定終端，用于提供多祥化管网信息服务，无线智能设备通过移动通信网接入internet获取服务和支持； 规模化服务模块通过网络交換机和网关接入与管网行业相关的管理和控制网络； 行业化服务模块通过网络交換机和网关接入传统的专业管线集散控制系统、专业管线生产调度系统相关系统；行业化服务模块的链条化应用服务技术包括管网系统的策划、审批、招标、采购、生产、施工、管理、维护等行业数据平台，可覆盖管网系统的各个服务环节。
6.根据权利要求5所述的智慧管网应用系统，其特征在于，所述管网包括排水管网，所述管网无线/有线传感器包括设置在排水管网不同水质监测点的多个水质污染物传感器，且所述水质污染物传感器用于检测排水管网不同水质监测点的污染物浓度数据； 所述综合应用层在进行管网雨污合流监控时，将排水管网不同水质监测点的污染物浓度数据导入所述GIS服务器的地理信息系统以得到污染物分布图，并将排水管网的地理坐标导入所述GIS服务器的地理信息系统以得到排水管网分布图，再将所述污染物分布图叠加显示于所述排水管网分布图之上，以建立排水管网的污染统计模型。
7.根据权利要求6所述的智慧管网应用系统，其特征在于，所述综合应用层还用于在监测到污染物浓度数据超出污染物预设标准时，根据节点关系树的线性规则得到上游节点的最大污染物浓度及最大污染物浓度的出现时间，并根据上游节点的最大污染物浓度及最大污染物浓度的出现时间定位排水管网中的污染源。
8.根据权利要求5所述的智慧管网应用系统，其特征在于，所述管网包括排水管网及泵站，所述管网无线/有线传感器包括设置在排水管网及泵站的不同水压监测点的多个水压传感器，所述水压传感器用于检测排水管网及泵站的不同水压监测点的水压数据； 所述综合应用层在进行排水调度监控时，将排水管网及泵站的不同水压监测点的水压数据导入所述GIS服务器的地理信息系统以得到水压分布图，并将排水管网及泵站的地理坐标导入所述GIS服务器的地理信息系统以得到排水管网及泵站分布图，再将所述水压分布图叠加显示于所述排水管网及泵站分布图之上，以建立排水管网及泵站的水压统计模型。
9.根据权利要求8所述的智慧管网应用系统，其特征在于，所述综合应用层还用于在监测到水压数据超出水压预设标准时，根据节点关系树的线性规则得到上游节点的最大水压及最大水压的出现时间，并根据上游节点的最大水压及最大水压的出现时间定位出排水管网或泵站的堵塞点。
10.根据权利要求5所述的智慧管网应用系统，其特征在于，所述管网包括多个检查井，所述管网无线/有线传感器包括设置在不同检查井的井盖上的多个井盖定位传感器，所述井盖定位传感器用于检测不同井盖的井盖定位数据； 所述综合应用层在进行突发灾害预警时，若根据井盖定位数据判断特定检查井的井盖发生移位时，根据所述GIS服务器的地理信息系统确定所述特定检查井的井盖的地理位置，并发布预警信号。
11.根据权利要求5所述的智慧管网应用系统，其特征在于，所述管网无线/有线传感器包括设置在管网的不同气体监测点上的多个有害气体传感器，所述有害气体传感器用于检测不同气体监测点的有害气体数据； 所述综合应用层在进行突发灾害预警时，若根据有害气体数据判断管网的特定监测点发生有害气体泄露时，根据所述GIS服务器的地理信息系统确定所述特定气体监测点的地理位置，并发布预警信号。
12.根据权利要求5所述的智慧管网应用系统，其特征在于，所述管网无线/有线传感器包括设置在管网的不同压流监测点上的多个水压传感器及多个流量传感器，所述水压传感器及流量传感器分别用于检测管网的不同压流监测点的水压数据和流量数据； 所述综合应用层在进行管网模拟仿真时，根据特定历史时刻下不同压流监测点的水压数据和流量数据建立静态瞬态仿真模型；根据特定历史时段内不同压流监测点的水压数据和流量数据建立静态稳态仿真模型；根据当前时刻下不同压流监测点的水压数据和流量数据建立动态瞬态仿真模型。
13.根据权利要求2所述的智慧管网应用系统，其特征在于，所述固定装置包括与管道固定连接的用于管网无线/有线传感器可拆卸固定的安装套，所述安装套由管道向上延伸至地表，所述安装套的上端设有用于容置地面节点和电源的地表连接机构；所述安装套内下端部设有用于管网无线/有线传感器可拆卸固定的活动快速接头，所述活动快速接头连接有用于活动快速接头连接或拆卸的拉线和柔性安装拉杆，所述拉线和柔性安装拉杆向上延伸至地表连接机构。
14.ー种智慧管网应用系统的实现方法，其特征在于，该智慧管网系统包括:感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层，所述应用方法包括: 感知识别层中的自动信息生成単元和人工信息生成単元生成智慧管网的信息； 网络构建层中的远端节点和异构网络传输智慧管网的信息； 管理服务层中的数据保护模块、数据存储模块、数据检索模块和数据组织模块处理智慧管网的信息； 综合应用层将智慧管网与公众网络終端、专业管线监控系统与数据平台、数字城市相关生产和应用领域的系统互通互联及实现信息集成。
【文档编号】H04L12/24GK103595813SQ201310598341
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】唐菊娣, 杨春江, 刘军 申请人:锦瀚智慧管网技术有限公司