基于物聯(lián)技術(shù)的市政設(shè)施運維監(jiān)測系統(tǒng)及性能測試

摘要：針對市政設(shè)施監(jiān)測需要實時獲取大量的數(shù)據(jù)，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)多次傳輸，導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量偏低問題。提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市市政設(shè)施監(jiān)測與維護系統(tǒng)優(yōu)化。在系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了微控制器模塊、通訊模塊、供電模塊以及網(wǎng)關(guān)模塊的節(jié)點板。在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，通過集成城市市政設(shè)施時空數(shù)據(jù)，分析監(jiān)測設(shè)施數(shù)據(jù)特征屬性值，關(guān)聯(lián)定義相應(yīng)的維護內(nèi)容，實現(xiàn)系統(tǒng)功能優(yōu)化。該系統(tǒng)性能測試結(jié)果表明，系統(tǒng)在多等級并發(fā)數(shù)的運行中，表現(xiàn)出的吞吐帶寬較高，系統(tǒng)運行性能較優(yōu)，滿足了城市市政設(shè)施運維的工作需求。

關(guān)鍵詞：城市市政設(shè)施；設(shè)施監(jiān)測；設(shè)施維護；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TP277；U495文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）01-0184-04

Operation and maintenance monitoring system andperformance testing of municipal facility basedon IoT technology

LIN Yanzhen

（Binzhou Housing and Urban Rural Development Bureau Urbanization Service Center Binzhou，Binzhou 256600，Shandong China）

Abstract：Municipal facility monitoring requires real-time acquisition of a large amount of data.Due to the wide ur-ban area and scattered distribution of facilities，multiple data transmission problems are prone to occur，resulting in low system throughput.This paper proposed to design and optimize the monitoring and maintenance system of urban municipal facilities based on Internet of Things technology.In the hardware design of the system，IoT technology was introduced to design the node boards of the microcontroller module，communication module，power supply mod-ule，and gateway module.In the software design of the system，by integrating spatiotemporal data of urban municipal facilities，the characteristic attribute values of monitored facility data were analyzed，corresponding maintenance content was defined，and system functions were realized.The system performance test results showed that the sys-tem exhibited high throughput bandwidth and excellent performance in running with multiple levels of concurrency，meeting the operational requirements of urban municipal facilities.

Key words：urban municipal facilities；facility monitoring；facility maintenance；internet of things technology；sys-tem design

為了保證城市市政設(shè)施的高效穩(wěn)定運行，以此來為政府和企業(yè)提供決策依據(jù)成為城市市政設(shè)施運維的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。為了能夠進一步提高設(shè)施監(jiān)測的有效性，很多研究人員提出了設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)。

針對交通基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計，分析交通基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測范圍及對象等功能需求，設(shè)計感知層以及傳輸層等多層業(yè)務(wù)功能層次[2]。針對城市軌道交通設(shè)施的監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計，構(gòu)建城市軌道交通線網(wǎng)模型，并基于該模型分析監(jiān)測系統(tǒng)的布局需求[3]。針對移動型設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計，分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟罘秩貉舆t，結(jié)合偏振分復(fù)用正交的方法，補償相應(yīng)的延遲，實現(xiàn)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)功能[4]。設(shè)計了一種諧振腔結(jié)構(gòu)的高分辨率監(jiān)測數(shù)據(jù)采集元件，利用該軟件分析所采集數(shù)據(jù)的振幅狀態(tài)，由此實現(xiàn)設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)的功能[5]?；诖?，提出了一種城市市政設(shè)施監(jiān)測與維護系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化。該系統(tǒng)設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的節(jié)點板以及數(shù)據(jù)集成監(jiān)測分析、關(guān)聯(lián)定義的維護功能，實現(xiàn)城市市政設(shè)施監(jiān)測與維護系統(tǒng)。

1系統(tǒng)硬件優(yōu)化設(shè)計

設(shè)計的系統(tǒng)節(jié)點板包括微控制器模塊、通訊模塊、供電模塊以及網(wǎng)關(guān)模塊4個部分，4個模塊在節(jié)點板上的架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，系統(tǒng)節(jié)點板硬件以微控制器為核心，分別連接其他3個模塊。

節(jié)點板硬件的微處理器模塊采用flash存儲器作為核心結(jié)構(gòu)。通過這一結(jié)構(gòu)將其調(diào)節(jié)為零等待的運行狀態(tài)，實現(xiàn)實時加速的功能[6]。設(shè)計的供電模塊為系統(tǒng)的核心電源元件，節(jié)點板供電模塊主板電路采用了串口連接的方法，結(jié)合MAX485芯片來兼容電平。

在設(shè)計的通訊模塊中引入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個城市市政設(shè)施處獲取實時數(shù)據(jù)，并通過通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中。

（1）將城市市政設(shè)施連接到物聯(lián)網(wǎng)中，并將其作為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的感知層[7]；

（2）節(jié)點板通訊模塊的核心層次為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層；

（3）將其存儲至系統(tǒng)的存儲器中，形成應(yīng)用層架構(gòu)[8]。

為了進一步提高系統(tǒng)節(jié)點板數(shù)據(jù)通訊功能的負載能力，本研究對傳統(tǒng)意義上的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行優(yōu)化，添加一層具備可擴展性的平臺層，加強數(shù)據(jù)傳輸?shù)募尚?。由此形成基于物?lián)網(wǎng)技術(shù)的四層數(shù)據(jù)通訊架構(gòu)。設(shè)計的網(wǎng)關(guān)模塊如圖2所示。

由圖2可知，設(shè)計的節(jié)點板網(wǎng)關(guān)硬件模塊通過微控制器模塊與節(jié)點板上的通訊模塊及供電模塊連接。

2系統(tǒng)軟件優(yōu)化設(shè)計

2.1集成城市市政設(shè)施時空數(shù)據(jù)

研究采用時空特征實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成功能。構(gòu)建實體空間中的設(shè)施運行數(shù)據(jù)概念模型[9-11]。

通過構(gòu)建實體空間中的城市市政設(shè)施數(shù)據(jù)概念模型，分析相應(yīng)數(shù)據(jù)在空間中的坐標點位。該點位的表達[12-14]：

式中：r表示數(shù)據(jù)的空間點位；v表示數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)通訊層中的傳輸速率；t2表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕邮諘r間點；t1表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)送時間點；I表示通訊層延時。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)據(jù)概念模型中分離得到的數(shù)據(jù)屬性，綜合形成設(shè)施數(shù)據(jù)的時空特征。根據(jù)該特征，在系統(tǒng)中統(tǒng)一集成城市市政設(shè)施時空數(shù)據(jù)。

2.2監(jiān)測數(shù)據(jù)集成分析

在上述集成得到的城市市政設(shè)施運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對該數(shù)據(jù)進行監(jiān)測分析。

根據(jù)數(shù)據(jù)中包含的時間屬性，將集成的設(shè)施數(shù)據(jù)按照時間節(jié)點排序。通過分析數(shù)據(jù)的排序分布狀態(tài)，實現(xiàn)對相應(yīng)設(shè)施的監(jiān)測分析。

在此基礎(chǔ)上，分析設(shè)施數(shù)據(jù)的特征屬性值：

式中：zA表示設(shè)施A的運行數(shù)據(jù)特征屬性值；x表示狀態(tài)向量；λ表示概率上限值。

根據(jù)式（2）分析所得的數(shù)據(jù)特征屬性值，將其轉(zhuǎn)換為碼值信息，如圖3所示[16-18]。

由圖3可知，分別將設(shè)施在聯(lián)合分布函數(shù)模型中的分布概率以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)特征屬性值作為數(shù)據(jù)碼值的2個維度，并通過點對應(yīng)的形式，生成設(shè)施運行數(shù)據(jù)對應(yīng)的碼值信息。

2.3關(guān)聯(lián)定義設(shè)施維護內(nèi)容

研究采用關(guān)聯(lián)對應(yīng)的方法實現(xiàn)這一系統(tǒng)功能。根據(jù)上述監(jiān)測環(huán)節(jié)中分析得到的數(shù)據(jù)特征屬性值，關(guān)聯(lián)相應(yīng)的維護內(nèi)容，如式（3）所示。

式中：S表示數(shù)據(jù)屬性相似度；N表示該設(shè)施在單位時間內(nèi)集成的屬性值數(shù)量；φ表示設(shè)施維護數(shù)據(jù)編碼權(quán)重。

根據(jù)式（3）的分析結(jié)果，得到當前設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)施維護內(nèi)容數(shù)據(jù)之間的相似度。根據(jù)該相似度，通過聚類滿足閾值的監(jiān)測數(shù)據(jù)及其維護內(nèi)容數(shù)據(jù)，優(yōu)化維護內(nèi)容的定義，如式（4）所示[19-20]。

式中：c表示聚類值；α表示數(shù)據(jù)集成的色散偏差。

研究所設(shè)計系統(tǒng)的實踐應(yīng)用中，該閾值的設(shè)置根據(jù)城市市政設(shè)施的不同分別設(shè)定。

3系統(tǒng)性能測試及結(jié)果

3.1測試準備

測試所設(shè)計的城市市政設(shè)施監(jiān)測與維護系統(tǒng)的功能可行性，并采用對比測試的方法分析該系統(tǒng)的運行性能。系統(tǒng)測試主要通過智能型驅(qū)動以及PLC元件來調(diào)控系統(tǒng)環(huán)境，所選用設(shè)備元件的技術(shù)參數(shù)分別如表1和表2所示。

系統(tǒng)測試所搭建的其他環(huán)境參數(shù)：Windows 10系統(tǒng)、Intel i7-4790處理器以及16 GB的運行內(nèi)存。

設(shè)置本次系統(tǒng)測試中的城市市政設(shè)施模擬環(huán)境。本次系統(tǒng)測試以某城市的市政設(shè)施系統(tǒng)為依托。該市政設(shè)施所涵蓋的主城區(qū)面積為1 253.23 km2，包含城市路燈照明等基礎(chǔ)市政設(shè)施，如表3所示。

將表3所示的城市市政設(shè)施的基本架構(gòu)于計算機中生成，并獲取相應(yīng)的歷史運行數(shù)據(jù)作為本次系統(tǒng)測試的實驗數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)施運行數(shù)據(jù)的邏輯將其隨機組合，形成若干個系統(tǒng)測試實驗數(shù)據(jù)組。

3.2運維系統(tǒng)性能測試

在搭建的系統(tǒng)測試實驗環(huán)境中，實現(xiàn)所設(shè)計的城市市政設(shè)施監(jiān)測與維護系統(tǒng)。

所設(shè)計的城市市政設(shè)施監(jiān)測與維護系統(tǒng)，在系統(tǒng)界面上追求較為直觀的應(yīng)用效果，使用人員能夠直接地獲取到所需的市政設(shè)施信息，并能夠?qū)?yīng)到具體的設(shè)施點位以及相應(yīng)的維護需求信息。

3.3系統(tǒng)負載性能測試及結(jié)果

為了測試所設(shè)計城市市政設(shè)施監(jiān)測與維護系統(tǒng)的有效性，分別應(yīng)用文獻[2]、文獻[3]和文獻[4]提出的設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)作為對比對象進行測試實驗。通過不同系統(tǒng)測試結(jié)果，分析對應(yīng)系統(tǒng)整體性能的優(yōu)劣。

經(jīng)過測試，得到不同系統(tǒng)的負載性能測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在本次系統(tǒng)性能測試中，并發(fā)數(shù)在1 000個以下時，不同的設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)表現(xiàn)出的吞吐帶寬的差別較小。當并發(fā)數(shù)繼續(xù)增加后，文獻[2]所設(shè)計的系統(tǒng)吞吐帶寬出現(xiàn)了較大幅度地降低，文獻[3]和文獻[4]所設(shè)計的系統(tǒng)表現(xiàn)出吞吐帶寬的升高幅度逐漸變小。而所設(shè)計系統(tǒng)的吞吐帶寬仍以較高的幅度升高。從這一實驗結(jié)果可知，所設(shè)計系統(tǒng)在大量并發(fā)數(shù)下，仍能夠表現(xiàn)出較高的吞吐帶寬，表明該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率較快，有著更為優(yōu)質(zhì)的負載性能。

4結(jié)語

城市市政設(shè)施的運維工作對于城市居民的生活保障十分關(guān)鍵。為了助力這一工作的順利開展，研究提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市市政設(shè)施監(jiān)測與維護系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化。經(jīng)過測試可知，所設(shè)計的系統(tǒng)功能滿足預(yù)期，并且系統(tǒng)的整體性能較為優(yōu)異。該系統(tǒng)在城市市政設(shè)施運維工作中應(yīng)用，能夠幫助運維人員較為及時且清晰地獲取到所需的設(shè)施運行監(jiān)測信息，并結(jié)合系統(tǒng)分析所給定的設(shè)施維護信息，作出相應(yīng)的措施。在此基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效保障城市市政的正常運行，保障城市居民的基本生活需求，促進城市的可持續(xù)發(fā)展。

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（責任編輯：蘇幔，平海）