基于物聯(lián)網(wǎng)多源數(shù)據(jù)融合的管線監(jiān)測平臺設(shè)計應(yīng)用

馬俊瑞 劉 旭 陳曉爽 皮明宇

(1. 正元地理信息集團(tuán)股份有限公司, 北京 101300; 2. 正元地理信息智慧城市建設(shè)公司, 北京 101300)

0 引言

城市地下綜合管線是指城市區(qū)域內(nèi)供水、排水、燃?xì)狻崃Α㈦娏Α⑼ㄐ拧V播電視、工業(yè)等類型管線及其附屬設(shè)施,是保障城市正常運行的基礎(chǔ)設(shè)施與“生命線”[1],高效準(zhǔn)確地監(jiān)測地下綜合管線的健康運行狀況是城市管理的一項重要工作。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)及通信技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)外大中城市各行業(yè)單位部門通過建立專業(yè)的管網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)輔助城市地下管線管理工作現(xiàn)已成為趨勢[2-4],對于城市綜合管理而言,供水、排水、燃?xì)獾雀鳂I(yè)務(wù)主管部門的管線實時監(jiān)測數(shù)據(jù)類型繁多,且通過不同廠家設(shè)備的多維傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出[5-6],若把各行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中歸置管理進(jìn)行綜合監(jiān)測展示應(yīng)用,需要分析不同行業(yè)類型物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)協(xié)議及其可接入網(wǎng)絡(luò)模式,如排水泵站通信標(biāo)準(zhǔn)接口(OLE for Process Control，OPC)技術(shù)對應(yīng)的可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)多種設(shè)備協(xié)議。在此背景下,通過Vue-cli結(jié)合實際項目進(jìn)行組件開發(fā)搭建融合城市管理地下綜合管線在線監(jiān)測的安全監(jiān)管平臺[7-8]。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 管線物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)集成的需求

地下管線的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)種類繁雜,數(shù)據(jù)的格式不規(guī)范,標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一,每種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)都是有各自的業(yè)務(wù)部門信息系統(tǒng)進(jìn)行管理,分布零散,互通困難。所以,對所有業(yè)務(wù)部門涉及的管線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析整理,通過專線網(wǎng)絡(luò)互通的環(huán)境,將不同廠商監(jiān)測設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)整合納入統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺以規(guī)范數(shù)據(jù)格式和規(guī)范,實現(xiàn)地下管線物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成。

1.2 管線物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)共享交換的需求

管線監(jiān)測數(shù)據(jù)共享包括城市管理局內(nèi)各業(yè)務(wù)單位的數(shù)據(jù)共享,現(xiàn)在各業(yè)務(wù)單位的數(shù)據(jù)交換共享和監(jiān)測報警數(shù)據(jù)共享交互全部通過紙質(zhì)打印和數(shù)據(jù)拷貝的形式提交,城市管理人員需要匯總各業(yè)務(wù)單位的多種監(jiān)測報警數(shù)據(jù),工作效率低。因此,需要建立統(tǒng)一的監(jiān)測數(shù)據(jù)集成平臺和共享機(jī)制,通過信息化手段,簡化共享步驟和形式,為智慧城市數(shù)據(jù)管理應(yīng)用提供便利。

2 系統(tǒng)設(shè)計

通常,具體到某個行業(yè)的地下管線運行在線監(jiān)測的傳感器設(shè)備來自同一廠家,保證了數(shù)據(jù)解析協(xié)議的統(tǒng)一。比如采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議或者通過自定義標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議把數(shù)據(jù)接入到物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一平臺當(dāng)中[9-10],但在數(shù)據(jù)集成過程中,會出現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備品牌類型多、傳輸協(xié)議不統(tǒng)一、第三方技術(shù)支持缺失等問題。因此,本文提出一套適用地下管線物聯(lián)網(wǎng)多源數(shù)據(jù)融合集成的解決路線,進(jìn)而實現(xiàn)地下管線綜合監(jiān)管平臺的開發(fā)展示和應(yīng)用。

本文從數(shù)據(jù)傳輸接入的四種歸集途徑入手,通過不同的處理方式將供水、排水、燃?xì)狻⒎姥此膫€行業(yè)的數(shù)據(jù)按照不同歸集途徑統(tǒng)一接入物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一平臺,將數(shù)據(jù)格式規(guī)范化處理并入庫,進(jìn)而與Vue-cli實時交互展示行業(yè)管線動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息,平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺總體架構(gòu)

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 多源數(shù)據(jù)獲取

城市地下綜合管線涉及眾多權(quán)屬單位的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)狀況參差不齊,且監(jiān)測設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)情況相差較大。因此,針對不同單位來源的管線監(jiān)測數(shù)據(jù)依據(jù)實際情況采用不同的對接途徑,主要歸納為四種。

(1)HTTP數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)單位不提供第三方設(shè)備供應(yīng)商的技術(shù)支持,但有穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺且可提供HTTP服務(wù)接口,可以通過正元后臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)對服務(wù)接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)抽析、請求頻次設(shè)置、訂閱轉(zhuǎn)發(fā)等。(2)Modbus協(xié)議設(shè)備數(shù)據(jù)。有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備廠商提供技術(shù)支持的情況下,通過Modbus協(xié)議通訊的設(shè)備數(shù)據(jù),包括遠(yuǎn)程終端單元(Remote Terminal Unit，RTU)模式和美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼(American Standard Code for Information Interchange，ASCII)模式。采集方式是通過給定通訊協(xié)議去完成數(shù)據(jù)通訊,獲取設(shè)備采集的數(shù)據(jù)。(3)對接源數(shù)據(jù)庫。對于信息化建設(shè)較老的物聯(lián)網(wǎng)平臺,承建單位不能提供任何技術(shù)協(xié)助或已不存在,但現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫完好并能正常運行,通過數(shù)據(jù)庫管理員開放物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫表的讀取權(quán)限,定期對數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行數(shù)據(jù)抓取。(4)OPC數(shù)據(jù)接入。通過已有的OPC Server獲取PLC設(shè)備數(shù)據(jù),這種方式用得最多的是泵站數(shù)據(jù),其中細(xì)分有三種數(shù)據(jù)采集形式:其一是通過OPC Server服務(wù)端,依據(jù)不同的PLC設(shè)備協(xié)議讀取數(shù)據(jù),其二是通過OPC Client客戶端連接服務(wù)端讀取數(shù)據(jù),其三是直接從OPC Server的數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)解析

為了保證物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的規(guī)范性和統(tǒng)一性,需要將多源數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,通過前述四種方式獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流標(biāo)準(zhǔn)化,對接規(guī)范中包括三種數(shù)據(jù)模式,將數(shù)據(jù)推送到物聯(lián)網(wǎng)Redis中,使數(shù)據(jù)進(jìn)入基礎(chǔ)平臺數(shù)據(jù)流程,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理如表1所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流對接規(guī)范

3.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

面對多源數(shù)據(jù)體量大、更新快、種類多的特點,為能夠把行業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面高效的展示,采用現(xiàn)在通用的Vue-cli前端腳手架進(jìn)行數(shù)據(jù)展示,數(shù)據(jù)源請求采用平臺封裝的HTTP協(xié)議服務(wù)。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 Modbus協(xié)議采集數(shù)據(jù)

Modbus協(xié)議是一種允許不同控制器通過網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備進(jìn)行通信的語言,它有兩種不同的通訊規(guī)約,一種適用于通訊量較少并且是文本通訊的Modbus ASCII,另外一種是通訊數(shù)據(jù)量大而且是二進(jìn)制的Modbus RTU,在本平臺的設(shè)計研發(fā)中采用后者,同時在數(shù)據(jù)讀取的過程中利用SuperSocket這個輕量級可跨平臺擴(kuò)展的服務(wù)器程序框架作為事件驅(qū)動通信,獲取數(shù)據(jù)報文,然后處理解析并進(jìn)行數(shù)據(jù)推送。以窨井監(jiān)測設(shè)備為例，采集處理流程如圖2所示。

圖2 Modbus數(shù)據(jù)采集流程

4.2 OPC接入數(shù)據(jù)

在供水、排水、燃?xì)獾刃袠I(yè)的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測涉及不同供應(yīng)廠商的設(shè)備,為保證設(shè)備與應(yīng)用程序或者接入平臺之間的接口標(biāo)準(zhǔn)化,引用OPC,包括OPC Sever、OPC Client與OPC Tool。

OPC Sever用于和PLC設(shè)備進(jìn)行通訊,獲取設(shè)備數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)推送到指定端口的OPC Client端,相當(dāng)于OPC Client訂閱了數(shù)據(jù)。基本思路首先在Server端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置,定義好控制接口,包括數(shù)據(jù)同步訪問服務(wù)器端口和數(shù)據(jù)推送端口,然后通過讀取配置文件啟動服務(wù),書寫解析內(nèi)容完成后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)即可。

OPC Client的作用則是通過接收Server端的PLC數(shù)據(jù),解析處理后，根據(jù)表1中物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流對接規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)格式，推送到Redis服務(wù)器上。大致過程也是首先在Client端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置,指定Redis服務(wù)器所在的地址和通道號以及OPC Server所在服務(wù)器和數(shù)據(jù)推送端口,啟動緩沖推送,設(shè)置完代理參數(shù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)推送。

OPC Tool是用于PLC設(shè)備信息配置的,包括設(shè)備所在IP地址,端口號和驅(qū)動程序,以及要讀取的數(shù)據(jù)變量地址。

4.3 數(shù)據(jù)加載

在地下管線綜合監(jiān)管平臺中為了高效快速地展示多源數(shù)據(jù),平臺采用了Vue-cli前端腳手架,將供水、排水、燃?xì)獾刃袠I(yè)模塊的地圖展示及數(shù)據(jù)詳情展示組件化,服務(wù)采用物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)布的在線數(shù)據(jù)服務(wù),做到前后端分離,可高效快速進(jìn)行數(shù)據(jù)展示,在各專題模塊的地圖與監(jiān)測頁面展示切換方面提升了效率,降低了多行業(yè)頁面重復(fù)冗余的情況,代碼易于維護(hù)方面也有很大的優(yōu)化。

5 系統(tǒng)功能與應(yīng)用類例

地下管線綜合監(jiān)管平臺匯聚了管線相關(guān)行業(yè)部門的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù),開發(fā)了指標(biāo)統(tǒng)計展示、行業(yè)專題監(jiān)測、共享統(tǒng)計、管線評估、短信預(yù)警發(fā)送、視頻接入等功能。

6 應(yīng)用示例

安慶市數(shù)字城管智慧化升級一期項目由安慶市城市管理局進(jìn)行組織建設(shè),項目為安慶供水、燃?xì)狻⑴潘⒎姥吹刃袠I(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行了完整的物聯(lián)網(wǎng)索引數(shù)據(jù)庫建設(shè),包括4大類21種數(shù)據(jù)項。為防止資源浪費和資金重復(fù)投入使用,集成接入各行業(yè)已有的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù),包括防汛、供水相關(guān)的液位、壓力、流量等監(jiān)測數(shù)據(jù)。項目建設(shè)自2020年 6月份系統(tǒng)投入使用以來,城市管理局通過該系統(tǒng)掌控多行業(yè)業(yè)務(wù)實時動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),共監(jiān)測到供水管道滲漏6次,防汛液位預(yù)警9次,并都在第一時間預(yù)警短信告知了各行業(yè)負(fù)責(zé)人,有效輔助各業(yè)務(wù)單位的實際工作。且通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢報表打印,無須各業(yè)務(wù)單位每周進(jìn)行警情紙質(zhì)報告的報送工作,節(jié)約了人力投入，提高了協(xié)同工作效率。

7 結(jié)束語

城市地下管線錯綜復(fù)雜,地下管網(wǎng)安全運行監(jiān)測數(shù)據(jù)集成面臨涉事業(yè)務(wù)部門范圍廣、數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)采集途徑不統(tǒng)一等問題。本文結(jié)合項目實踐提出了基于多源數(shù)據(jù)融合的設(shè)計路線和應(yīng)用成果,很大程度上避免了資金的重復(fù)投入和資源建設(shè),節(jié)約了社會成本,提高了管網(wǎng)業(yè)務(wù)人員的協(xié)同決策能力和辦公水平。但在現(xiàn)實集成建設(shè)過程中,涉及業(yè)務(wù)單位信息化狀況落后、設(shè)備型號版本及穩(wěn)定性參差不齊、第三方運維公司支持力度弱等原因，都對管網(wǎng)數(shù)據(jù)融合過程產(chǎn)生消極的影響,隨著國家信息化建設(shè)的推進(jìn),該問題可逐步被解決。