基于iBeacon的地下綜合管廊監控系統與分析

呂繼群

(浙江建設職業技術學院，浙江 杭州 311231)

0 引 言

隨著國家城市化進程的進一步加快，城市地下基礎設施落后的問題日益突出，從我國國情出發，借鑒國際先進經驗，在城市建造用于集中敷設電力、通信、廣電、給排水、熱力、燃氣等市政管線的地下綜合管廊，是創新城市基礎設施建設的重要舉措，不僅可以逐步消除“馬路拉鏈”、“空中蜘蛛網”等問題，用好地下空間資源，提高城市綜合承載能力，滿足民生之需，而且可以帶動有效投資、增加公共產品供給，提升新型城鎮化發展質量，打造經濟發展新動力。張俊在談到綜合管廊建設存在的問題研究。時麗萍通過對城市綜合管廊的運行環境分析后認為研究。王長祥等綜合介紹了發達國家的管廊研究。無論是管廊建設速度還是建設規模，中國都已經是世界上的第一的管廊大國，隨著管廊建設規模的發展，有關管廊工程的投資、規劃、建設階段，尤其是運營維護階段的研究還相當薄弱，管廊工程是典型的跨多學科的綜合學科，在大規模的建設推進下，適用于管廊的各種新技術層出不窮，同進也伴隨著各種新問題，隨著問題的逐步解決，又有更多新的技術應用，這種螺旋式上升，需要更多的探索與實踐，因此，從實際出發，探索管廊的技術應用、多系統聯動機制、運營維護等的研究顯得尤其必要。

1 研究現狀及難點

綜上所述，由于起步較早，發達國家在管廊技的技術和制度均領先于國內管廊。我國無論是在投資規模、工程技術方面已經大大領先于國外，但是在規劃建設、成本回收、運營維護管理模式等方面與國際高水平相比還是存在一定的差距。應該做好長遠規劃，而不是一哄而上，大干快上，只講速度，或者片面追求大求全，浪費資金并無益處。由于管廊人才培訓相關的探索幾乎是空白，如何利用現有資源對管廊急需人才進行培訓，以適應當前的管廊建設形勢，存在著很大的不確定性。張竹村等重點介紹了國外管廊建設的趨勢研究。龔凱在介紹了在管廊技術中比較先進的非接觸式感溫電纜和圖像感煙技術在管廊中的應用場景研究。張東杰對于BIM+GIS在管廊中的應用提出了可以實現數據共享研究。謝博全等研究了基于BIM+3DGIS的城市基礎設施物理信息融合研究。綜合管廊一般分為綜合管廊實訓空間干線內設置電艙、水艙和燃氣艙三種艙室，支線內設置電艙和水艙兩種艙室。廊內巡更/人員定位研究存在以下問題。

(1)管廊是線狀結構、空間狹長，無線信號在垂直廊道走向方向傳播范圍受限。

(2)廊內架設管線支架密集，無線信號視距傳播距離較短。

(3)管廊金屬材質設施較多，網絡信號一般較差。

(4)系統斷電的情況下，容易迷失方向。

2 概 述

2.1 綜合管廊發展背景

隨著國家城市化進程的進一步加快，城市地下基礎設施落后的問題日益突出，從我國國情出發，借鑒國際先進經驗，在城市建造用于集中敷設電力、通信、廣電、給排水、熱力、燃氣等市政管線的地下綜合管廊，是創新城市基礎設施建設的重要舉措，不僅可以逐步消除“馬路拉鏈”、“空中蜘蛛網”等問題，用好地下空間資源，提高城市綜合承載能力，滿足民生之需，而且可以帶動有效投資、增加公共產品供給，提升新型城鎮化發展質量，打造經濟發展新動力。2013年國務院總理李克強7月28日主持召開國務院常務會議，部署推進城市地下綜合管廊建設，從那以后，國家在各個層面促進管廊建設，最近幾年內，密集出臺了一系列政策與法規，管廊建設成為一段時間的建設重點。幾年來，中國的管廊從少到多，一舉成為世界第一的管廊大國，據不完全統計，到2020年，這個數字將達到12 000 km。因為管廊建設近幾年剛剛起步，各方面的人才均嚴重缺乏，加強管廊專業人才的培訓已經刻不容緩，管廊實訓系統在培養人才的實際操作方面作用突出，也要加快節奏，緊跟時代前進的步伐。

2.2 項目概況

綜合管廊實訓空間位于學院內實訓樓西側，長50 m，按照功能劃分為入口段、管線引出段、管線交叉段(兼教學空間)、集水投料段及通風出口段共5個區域。綜合管廊實訓空間干線內設置電艙、水艙和燃氣艙三種艙室，支線內設置電艙和水艙兩種艙室。電艙內空為寬×高=2.0 m×3.0 m，水艙內空為3.4 m×3.0 m，燃氣艙內空為1.5 m×3.0 m。為三倉設計，分別是燃氣艙、綜合艙(水信艙)和電力艙，中間部分作為教學空間，保留承力用的立柱，取消隔墻，以方便教學與參觀。管廊環境比較惡劣，大部分設備能適應高溫、高濕度的工作環境，管廊監控與管理系統工程包含、消防報警系統、智能照明系統、環境監控子系統、安放及視頻監控子系統、機電設備控制子系統，廣播子系統、無線巡更及定位子系統、管廊安全監控檢測子系統、智能井蓋子系統以及作為核心的管廊管理綜合平臺。

3 系統總體設計

3.1 系統理念

通常情況下，管廊內沒有手機信號，通過有關的通信公司，建設中轉基站將手機信號引入管廊是一個解決的辦法，但是如果在管廊內發生系統斷電的情況下，管廊內工作人員將無法通過手機及時知曉自己的準確位置，這非常不利于管廊人員的工作與逃生。因此，管廊內無需電源的導航系統顯得非常重要。同時，萬一在管廊內發生火警、有害氣體超標，現有大多數管廊平臺都可以通過廣播提示、燈光報警、手機提醒等多種方式提醒管廊內人員，但是，僅僅提醒是不夠的，應該快速準確地引導管廊內人員在最短最安全的路徑撤離，由于管廊是線狀結構，如果指導不及時，導致人員撤向火場，反而可能導致人員傷亡，管廊內集成導航系統將可以及時準確地引導廊內人員撤離，甚至可以根據管廊內氧氣濃度計算逃生路線。

在管廊的日常巡更過程中，容易發生巡更過程無法核查，沒有實時狀態，尤其是巡更線路無法核查，存在著設備漏檢的可能性，采用通過集成巡更/人員定位系統可在GIS中再次展示巡更軌跡，為人力、OA等第三方管理平臺提供原始工作數據。由于運維情況復雜，巡檢人員很難完全掌握地下管廊運行工況，且容易迷失方向，且位于地下網絡信號一般較差，遠程監控人員很難實時對工作人員進行指導、監控，工作人員也存在一定的安全隱患。因此引入地下管廊3D定位導航系統，既可能對管廊內的電力、水力、通訊管線設施進行動態檢查與情況分析，又能對廊內設施進行綜合監測與分析診斷，用科技手段輔助管廊監控，有很強的現實的應用意義。

3.2 系統組成

本藍牙導航系統功能包括實時定位、位置搜索、路線規劃、路線導航、巡更路線規劃等。地下管廊3D定位導航系統采用藍牙iBeacon室內定位技術、無線傳輸技術等，利用微信、APP平臺，為用戶提供室內實時定位、路徑規劃導航、位置搜索查詢、場景遠程漫游、待巡檢位置標記、巡檢數據上傳、人員反向定位等服務。快速定位設備隱患位置、巡檢人員位置，提高管廊管理和維護效率。

(1)定位原理

在藍牙iBeacon覆蓋的區域，iBeacon周期性地廣播信號，智能終端接收到信號后，通過本地算法根據信號的強弱及其它傳感器收集到的信號，生成智能終端所在位置的傳感器的特征值，并根據特征值生成智能終端的位置信息。使用智能終端的用戶在不同位置接收到的藍牙信號的特征值不同，通過對比系統生成的特征值與接收到的特征值進行比對，從而判斷用戶所在的位置。

(2)系統方案

如圖1所示，采用分層、分布式的部署結構，明確地分離了表現層和業務邏輯，能夠保證應用服務邏輯的一致性和穩定性、結構的開放性、功能的可擴展性和可維護性、開發的可并行性。Web前端采用MVC框架Struts 2，Struts 2可以說是Struts穿上了WebWork的外衣，其內核大部分都是采用WebWork的技術，并且基于AOP的設計思想，讓我們在軟件設計上的能夠更加多地體現“高內聚，低耦合”的設計思想。

圖1 系統架構圖

移動端采用J2EE框架Spring，作為一個開源的J2EE框架，雖然它沒有太多的新技術點，但它的整合性，拿得我們的開發更加簡單，IOC、AOP、事務處理、開源框架的整合支持等等，使得作為一個J2EE框架的首選頁面框架，使用DIV技術、JSTL標簽庫、Struts 2標簽庫、DWR、AJAX、XML+XSLT等技術來讓頁面更容易維護，使用OSCache緩存技術來提高頁面的訪問速度。

(3)定位導航模塊

管廊內正常情況下沒有手機信號，因此，管廊內導航系統，如表1，巡更系統顯得非常有必要。平臺通過集成巡更/人員定位系統可在GIS中再次展示巡更軌跡，為人力、OA等第三方管理平臺提供原始工作數據。本產品用戶系統功能包括實時定位、位置搜索、路線規劃、路線導航、巡更路線規劃等。定位導航模塊包括實時定位、位置搜索、路徑規劃、路線導航等。

表1 管廊內導航系統參數表

系統設置模塊包括系統設置、系統維護、意見反饋等。

(4)系統設計

①根據項目實施規范要求和項目實際需要，收集相關資料，平面圖紙(紙質、掃描件或CAD圖)。根據現場圖紙信息，制作布點圖，現場按照設計好的布點圖部署硬件，并記錄下每個部署的硬件的MAC地址(一般記下后兩個字節即可，如e65a，e66b等，貼一個硬件，就在圖紙上記錄一下)。

②收集區域內標志信息、提示信息、設備信息等。

③若設備名稱等信息有變更，需要及時收集并更新。

4 實際效果

4.1 定位功能

在管廊內安裝部署好iBeacon后，開啟藍牙打開應用程序，即可成功定位，并顯示用戶當前實時位置，精度約2～3 m。該位置既可以顯示在用戶手機上，也可以同步在系統監控中心平臺上顯示，有助于平臺人員實時指導廊內工作人員，也有助于廊內人員掌握自己所處的位置。

4.2 導航作用

為了用戶更方便地使用導航功能，開發了適用了本管廊的APP兩個(安卓與蘋果各一個)。APP名字：建院巡更，在導航系統上，集成有當成的地址，附近的設備。需要完成的任務。出現緊急情況下人員的撤離線路等。發出警告信號，指示系統能正確指引管廊內人員撤離危險現場。

4.3 規劃線路

用戶通過搜索或圖上點選目標位置后，系統自動規劃一條導航路線。另外，如果管廊存在立體交叉等復雜環境，3D系統可以實現樓層切換、跨樓層導航等功能。

4.4 遠程漫游瀏覽

系統可設定手動和自動兩種模式操作，在手動模式下，用戶即使不在硬件部署的現場，也可以瀏覽、查看，在場景中漫游，提前熟悉場地情況。

4.5 指導巡檢

安排巡更人員工作時，可以將待巡檢的位置提前進行標記，并將標記的信息儲存在數據庫中，以便隨時調用，檢修人員及結果信息可實時上傳至數據庫，便于巡檢管理與資源調度。

4.6 緊急撤離

在管廊內發生危險時，通過平臺可以對管廊內工作人員提醒，通常可以有幾種方式：緊急廣播，燈光+警報，指示逃生線路。利用無源的手機藍牙導航可以避免在特殊情況下，由于斷電等其他原因，可以作為冗余的安全措施，確保廊內工作人員在最短的時間人撤離。

4.7 實訓效果對比

在管廊實訓系統的研究過程中，從開始選題到最后完成，中間歷時3年，期間多次修改，在評價管廊實訓系統時，選取了兩個年級的學生各20名作為對照組。在管廊相關內容課程講述過程中，一并讓學生填寫自己對其他系統的認知能力打分。在實訓系統設計與研究的最初，按照單一專業知識進行設計，如表2所示，比如人員撤離管廊而不考慮指示與管廊內結構，發現效果并不太好。

表2 實訓效果數據表

如圖2所示，于是，在設計其余演示與教學系統時，都考慮了涉及2～3個專業，讓參觀者們能親身感受到管廊是一個整體，不是一個一個的系統，在分析時可以逐一講解，但在管廊內實際使用時，都是各系統聯動。

圖2 實訓效果對比圖

5 研究結果與改進建議

(1)管廊定位的方式除了藍牙，還可以使用基于WIFI的定位，兩者之間的優劣未進行對比。

(2)燃氣艙內藍牙對系統安全的影響沒有進行基礎性研究。

(3)管廊的定位與導航目前只是用于人員的定位，導航與人員緊急撤離，還沒有與安防系統聯動，下一步應進行相關的研究。

(4)藍牙導航與系統BIM模型之間的數據沒有打通，系統未直接顯示在Bim+GIS模型上，下一步的研究工作也應及時展開，因此，藍牙系統的定位與導航系統的研究工作任重道遠。