武汉市智慧城市能源分享.doc

武汉市智慧城市政府公用事业子云武汉市智慧城市政府公用事业子云 及物联网应用工程及物联网应用工程 项项 目目 建建 议议 书书 银江股份有限公司银江股份有限公司 20112011 年年 7 7 月月 1 目 录 前 言 1 第一章 概述 3 1 1 项目名称和立项依据 3 3 1 2 编制单位 3 3 1 2 编制目的 3 3 1 3 编制依据 3 3 第二章 现状分析 5 2 1 武汉市概况 5 5 2 2 存在的问题 5 5 第三章 指导思想和编制原则 7 3 1 指导思想 7 7 3 2 编制原则 7 7 3 3 设计原则 8 8 第四章 总体目标 10 4 1 总体建设目标 1010 4 2 建设的必要性 1010 第五章 总体框架和技术简介 13 5 1 系统框架 1313 5 2 关键技术简介 1414 5 2 1 云计算技术 1414 2 5 2 2 物联网技术 1515 5 2 3 ZigBee 无线通讯技术 1616 5 3 系统突出优势 1919 5 4 报警机制 2020 5 4 1 报警方式 2020 5 4 2 报警类型 2121 第六章 主要建设内容 22 6 1 云计算子平台 2222 6 1 1 平台简介 2222 6 1 2 平台主要功能 2525 6 1 3 硬件平台建设 2828 6 1 4 监控中心建设 2929 6 2 ZIGBEE基础通信网 3030 6 3 智能路灯管理系统 3232 6 3 1 城市路灯现状分析 3232 6 3 2 国内外路灯管理现状分析 3333 6 3 3 系统方案设计 3535 6 3 4 系统主要功能 3838 6 3 5 系统优势分析 4040 6 4 井盖防盗报警系统 4141 6 4 1 城市井盖现状分析 4141 6 4 2 国内外井盖管理现状分析 4242 3 6 4 3 设计方案优势分析 4545 6 4 4 系统方案设计 4646 6 4 5 系统功能 4949 6 5 综合管沟监控系统 5050 6 5 1 综合管沟现状分析 5050 6 5 2 国内外综合管沟管理现状 5252 6 5 3 设计方案优势分析 5454 6 5 4 系统方案设计 5454 6 5 5 系统主要功能 5757 6 6 防汛水位测报系统 5858 6 6 1 武汉市防汛现状 5858 6 6 2 国内外防汛管理方法 5959 6 6 3 设计方案优势分析 6060 6 6 4 系统方案设计 6161 6 6 5 系统主要功能 6464 6 7 自动苗木灌溉系统 6565 6 7 1 武汉市苗木现状 6666 6 7 2 国内外苗木灌溉现状 6767 6 7 3 设计方案优势分析 6868 6 7 4 系统方案设计 6969 6 7 5 系统主要功能 7171 6 8 ZIGBEE定位系统 7272 4 6 8 1 武汉市现状 7272 6 8 2 国内外现状 7474 6 8 3 系统优势分析 7676 6 8 4 系统方案设计 7878 6 8 5 系统功能 8080 6 9 临时管线管理系统 8080 6 9 1 武汉市现状 8181 6 9 2 系统原理 8181 6 9 3 系统功能 8282 6 10 排水管沟监控系统 8383 6 10 1 武汉市排放现状 8484 6 10 2 国内外排水管沟管理方法 8585 6 10 3 系统优势分析 8686 6 10 4 系统方案设计 8686 6 10 5 系统功能 9191 第七章 效益分析 93 7 1 社会效益 9393 7 2 经济效益 9393 第八章 投资估算 95 第九章 其它 99 9 1 合理化建议 9999 9 2 系统弊端分析 9999 1 第一章 概述 2 1 1 项目名称和立项依据 项目名称 项目名称 武汉市政府公用事业子云及物联网应用工程 立项依据 立项依据 1 武汉市智慧城市设计概念纲要 2 武汉市智慧城市总体规划纲要 3 武汉市地理空间信息资源共享平台规划设 计及建设总体设计方案 4 武汉市建设管理暂行办法 1 2 编制单位 编制单位 编制单位 银江股份有限公司 技术支持 技术支持 银江股份有限公司 1 2 编制目的 为全面贯彻落实 武汉市智慧城市设计纲要 的精神 加强市 政公用设施的智能化管理 推进城市智慧建设 更好的为武汉人民 提供方便 快捷的服务 根据 武汉市智慧城市设计纲要 要求 编制本规划方案 1 3 编制依据 民用建筑节能条例 国务院令 2008 530 号 城市市政综合监管信息系统单元网格划分与编码规则 CJ T 213 2005 城市市政综合监管信息系统管理部件和事件分类 编码及数据要 求 CJ T 214 2007 城市市政综合监管信息系统地理编码 CJ T 215 2005 城市市政综合监管信息系统建设规范 CJJ T106 2005 3 国家机关办公建筑和大型公共建筑分项能耗数据采集技术导则 建科综函 2008 58 号 关于加快数字化城市管理试点工作的通知 建办城函 2007 42 号 低压电力用户集中抄表系统技术条件 DL T 698 2007 多功能电能表通讯规约 DL T 645 2007 多功能电能表 DL T 614 2007 1 级和 2 级静止式交流有功电度表 GB T17215 2002 计算机软件产品开发文件编制指南 GB T 8567 1988 计算机软件需求说明编制指南 GB T 9385 1988 计算机软件分类与代码 GB T 13702 1992 软件工程术语 GB T 11457 1995 信息技术软件生存期过程 GB T 8566 1995 软件过程能力评估模型 SJ T 11234 2001 软件能力成熟度模型 SG T 11235 2001 国家公共安全行业标准 GB50198 94 GA T75 94 民用建筑电气设计规范 JGJ16 2008 电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范 GB50168 2006 电气装置安装工程接地装置施工及验收规范 GB50169 2006 智能建筑设计标准 GB T50314 2006 低压配电设计规范 GB50054 95 4 第二章 现状分析 2 1 武汉市概况 武汉位于中国中部 是湖北省省会和政治 经济及文化中心 世界第三大河长江及其最大的支流汉水在此相汇 市区由隔江鼎立 的武昌 汉口 汉阳三部分组成 通称武汉三镇 唐代大诗人李白 的一句 黄鹤楼中吹玉笛 江城五月落梅花 使这座中国腹地的 特大中心城市自古有着 江城 的美誉 全市现辖 13 个区 3 个 国家级开发区 武汉经济技术开发区 东湖新技术开发区 吴家山 台商投资区 总面积 8494 平方公里 常住人口 858 万人 武汉 是一座典型的山水园林城市 上百座大小山峦遍布三镇 近两百个 湖泊座落其间 水域面积占到全市国土面积的四分之一 居全国大 城市之首 其中东湖水域面积 33 平方公里 是中国最大的城中湖 2 2 存在的问题 武汉市目前还处于继续建设进程中 但市政设施的管理以基本完 善 虽然在各级领导的重视下 市政设施的管理工作已取得了很多 成绩 但是在看到一定进展的同时 还要清楚地看到其中存在的问 题 管理半径大 传统人工方式难以满足需求 武汉市作为一个友好 开放的城市 占地面积大且还处于进一 步建设进程中 各类市政设施种类繁多且数量庞大 依靠传统人工 方式进行管理存在很大难度 以部分设施的管理为例 路灯路灯 内现已有数以万计的路灯 并在随着建设步伐进一步增 5 加 采用人工管理方式 为确保整体亮灯率 避免安全隐患 必 须每日进行全巡灯 劳动强度大且能耗巨大 不符合国家节 能减排的政策要求 苗木苗木 为了市民提供一个绿色环境 斥巨资进行绿化 工作 大面积的苗木日常所需的浇灌等工作量巨大 且部分名 贵的树种还存在极大的被盗风险 垃圾桶等公共设备垃圾桶等公共设备 内公共设备因数量多 且部分处于人员稀少位置 极 易被盗 管理困难 基础设施风险抵御力较弱 近年来 地下管线等有限空间作业的预测与监测已经成为物联 网时代公共安全管理的重中之重 城市内的综合管廊长达 x 余公里 在全国范围内均属少见 综合管沟中集中了水管 热力管等各种管 线 虽安装有视频监控等设备 但一旦发生泄漏等安全事故 如有 工作人员处于管道中 很有可能无法及时得到救助 6 第三章 指导思想和编制原则 3 1 指导思想 在建设武汉市公用事业管理系统的过程中 必须十分重视五个 方面的内容 一是数据采集与监控的实时性和准确性 这是监管系 统所必须依托的数据基础 二是多种设备在系统中的广泛兼容和多 种服务在系统中的充分整合 并且使得监管系统所监管的对象摆脱 时空限制 直观地表现在管理者面前 三是系统需要在更高的层次 上实现 监 与 管 的无缝结合 可通过高起点的技术手段将更 多的管理思想和方法嵌入到系统中 实现 可视化 精细化 监管 四是响应的及时性 在突发事件 如发生泄露 盗窃等 发生时 必须在第一时间做出快速的 有效的反应 尽可能的将突发事件的 损失降到最小 五是在考虑项目采用技术的先进性的前提下 充分考虑系统的稳定 性 经济性和可实施性 项目理念 积极创建智慧型城市项目理念 积极创建智慧型城市 认真贯彻总体规划的精神 促进武汉市区的建设与发展 通过理念先导 顶层设计 自主创新 量化管理 实现智慧 市政建设 促进武汉市的大力发展 3 2 编制原则 总体规划 一体设计 分步实施 考虑扩展原则 系统采用一体化平台建设 统一建模 模块化设计 尽量避免 各自为政 盲目投资 重复建设 确保公用事业监管平台的建设能 不断扩容 升级和接入 同时必须确保系统涉及的各子模块能平滑 升级 按需扩容 全面接入 尽量降低各管理子模块之间的耦合度 加大各子模块之间的隔离度 提高系统运行的稳定性 7 需求主导 突出重点 先进稳定 注重实效原则 结合武汉市的公用事业的管理现状和将来的发展需求 通过考 察各个的管控 重点 抓大放小 按照实际需求 有重点 同时考 虑可靠性 稳定性原则实现系统的建设 应用和体现 城市的建设 必须紧密结合城市职能转变和管理体制改革 根据城市管理的实际 业务的需要 结合企业用户的要求 突出重点 稳步推进 要讲求 实效 坚持经济效益和社会效益相统一 资源整合 服务为先 统一标准 保障安全原则 充分利用和整合已有和规划建设的网络基础 业务系统和信息 资源 加强整合 充分利用 促进互联互通 信息共享 以有限的 资源整合原有管理系统 发挥其最大的效益 同时 正确处理好发 展与安全的关系 综合平衡成本和效益 制定并完善安全保障体系 3 3 设计原则 技术方案的设计遵循以下原则 可靠性原则可靠性原则 设计时充分考虑了后备以及灾难恢复系统 使整个系统在出现 故障时能够提供客户服务 并能很快的排除故障正常运行 可扩展性原则可扩展性原则 系统设计时按最经济的原则 设计了一个扩展性很强且在扩容 升级时浪费最少的系统 开放性原则开放性原则 系统能够支持多种硬件设备和网络 网络系统 数据库系统和 通信枢纽采用标准数据接口 具有与其他信息系统进行数据交换和 数据共享的能力 支持用户为实现数字化城市进行后期改造 安全性 可维护性原则安全性 可维护性原则 系统对数据的安全性给予高度重视 采取了防范措施防止非法 8 入侵 另外 对内部员工以及调度客户加强权限控制 避免用户能 够操作到超越权限的数据 提供系统自动恢复功能 实时性 并行性原则实时性 并行性原则 考虑到采集点的数量 系统采用了传输速度快的网络设计 保 证信息数据的及时有效 同时系统避免采用轮巡的方式进行点点操 作 系统具备自动并行数据上传和对多个远程采集点并行数据获取 的功能 适应性原则适应性原则 软件系统具有良好的适应性 以适应用户管理模式改变的需要 先进性原则先进性原则 在实用 可靠的前提下 系统设计应尽可能地采用国内外先进 的软件开发平台和软件开发技术 以尽量延长系统的生命周期 并 确保系统的先进性 实用性 经济性原则实用性 经济性原则 系统设计应以满足政府公共事业部城市子云的业务需求为首要 目标 充分考虑各个子系统的实际情况 结合现有软硬件平台和网 络建设的现状 使用成熟技术 避免盲目追求最新技术 造成人 财 物的浪费 在满足功能需求的前提下提高经济性 充分考虑降 低初期建设投资 运行费用和维护费用 9 第四章 总体目标 4 1 总体建设目标 4 2 建设的必要性 目前城市总占地面积大 公用设备多且分布范围广 面对如此 庞大的系统 单纯靠传统的人为管理的方式 将给管理带来很大的 困难 由此造成的浪费数额巨大 不但额外增加了城市的财政开支 也与创建创新型科技城市相违背 鉴于以上实际情况 本系统提供 了一种有效的智能化管理手段 可以提高管理水平 减少人力投入 通过技术手段来解决公用设备管理问题 为建设智能化城市提供可 靠保障 国家节能减排政策的要求 2007 年 10 月 中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务 委员会第三十次会议正式修订通过 中华人民共和国节约能源法 2008 年国家又相继颁布 民用建筑节能条例 和 公共机构节能条 例 为建筑节能监管体系的建设提供有力的法律法规和政策支持 2008 年 4 月 建设部出台 国家机关办公建筑及大型公共建筑分项 能耗数据采集技术导则 等五项导则 用以指导大型公共建筑分项 能耗数据采集系统的建设 随着以上国家法律和相关部委文件和规范的相继颁布和出台 表明了国家已充分认识到建设 资源节约型 环境友好型 社会对 于国民经济长期可持续发展的重要意义 同时也表明了国家控制能 源消耗增长 提高能源利用效率的决心 社会发展的必然趋势 10 人类正走进以信息技术为核心的知识经济时代 信息资源已成为 与材料以及能源同等重要的战略资源 信息技术正以其广泛的渗透性 和无与伦比的先进性与传统产业结合 信息产业已发展为世界范围内 的朝阳产业和新的经济增长点 信息化已成为推进国民经济和社会发 展的助力器 信息化水平则成为一个城市或地区现代化水平和综合实 力的重要标志 因此 世界各国都把加快信息化建设作为国家的发 展战略 公众的迫切需要 随着城市的不断发展 人民生活水平不断提高 对生活的质量 要求也随之增加 老百姓对武汉市的服务要求也越来越高 不仅要 求城市具体基本的服务功能和体系 还要更好 更方便 更高效满 足市民的出行 信息的查询等等 增强市政部门之间的信息交换能力 提高协同工作能力 由于武汉市的各个部门和上级和平级部门都是互相协作的工作 模式 所以在各个部门之间都存在着大量的信息需要传递交换 使 用传统的信息交互方法既不能保证数据的实时性 全面性和规范性 又浪费大量的人力物力 从武汉市的现状来分析 大多数职能部门都开始建立自己的信 息系统 所以从以后的趋势来看 如果不建设好信息平台 就不能 和其他部门进行准确 迅速的沟通 大大降低了协同工作能力 从数据的可用度来考虑 人工生成数据的准确性差 不全面 可 保存性和查询分析能力弱 只能被动的接收 而信息化手段生成的 数据挖掘 可以方便的进行横向 纵向的比较 可以按照不同的方 式进行定制 用于挖掘 分析 提升武汉市管理水平的迫切需要 武汉市总占地面积大 公用设备多且分布范围广 面对如此庞 11 大的系统 单纯靠传统的人为管理的方式 将给管理带来很大的困 难 由此造成的浪费数额巨大 不但额外增加了城市的财政开支 也与创建创新型科技城市相违背 为了提升武汉市管理水平 加强公共设施的管理 需要建立高 效的数字化管理平台 发挥对公用事业管理专业部门等的监督评价 作用 借助现代信息技术 整合现有公用事业管理资源 加强与政 府部门的良性互动 建立监督协调 企业规范运作 广泛参与 各 司其职 各尽其能 相互配合的城市管理联动机制 12 第五章 总体框架和技术简介 5 1 系统框架 武汉市政府公用事业子云 作为武汉市政府云的有机组成部分 是武汉市政府云的重要组成部分 子平台保留了各种软硬件接口 可以方便 快捷的接入武汉市政府云 武汉市政府公用事业子云的 建设是武汉市政府云分步建设的其中一步 子平台的建设也标志着 武汉市政府云的建设迈进了一大步 公用事业子云由一个平台 一 个基础网络 八个子系统组成 一个平台是云计算平台 一个基础 网络是 ZigBee 基础通讯网 八个子系统分别是 智能路灯管理系统 井盖防盗报警系统 综合管沟监控系统 防汛水位测报系统 自动 苗木灌溉系统 临时管线管理系统 ZigBee 定位系统 排水管线监 控系统等子系统 系统框图如下所示 如上图所示 总体架构设计旨在全面考量项目定位 以武汉市 公共事业子云为基础 力争上接下联 最大效能的发挥各种业务的 13 联动性 由上图可以看出 系统总体架构的设计充分考虑了系统的开放 性和可扩展性 在 ZigBee 基础通讯网覆盖到位后 公用事业将来增 加的管理子应用系统只要满足 ZigBee 通讯协议就可以方便的接入系 统 升级扩容相当的方便和快捷 系统总体架构分为传感网 基础通讯网和软件管理平台三层 总体架构完全符合物联网系统的技术架构 是真正意义上的物联网 技术在公用事业上的应用 系统通过整合公共事业子云现有信息系统及各种数据资源 构 建完善的城市一体化解决方案 实现一体化的内部信息交换渠道 一体化的共享数据资源 一体化的身份标识机制 一体化的信息服 务措施 一体化的对外交换接口 5 2 关键技术简介 5 2 1 云计算技术 云计算 Cloud Computing 是网 格计算 Grid Computing 分布式计 算 Distributed Computing 并行计 算 Parallel Computing 效用计算 Utility Computing 网络存储 Network Storage Technologies 虚拟化 Virtualization 负载均衡 Load Balance 等传统计算 机技术和网络技术发展融合的产物 它旨在通过网络把多个成本相 对较低的计算实体整合成一个具有强大计算能力的完美系统 并借 助 SaaS PaaS IaaS MSP 等先进的商业模式把这强大的计算能力 分布到终端用户手中 Cloud Computing 的一个核心理念就是通过 不断提高 云 的处理能力 进而减少用户终端的处理负担 最终 使用户终端简化成一个单纯的输入输出设备 并能按需享受 云 的强大计算处理能力 14 云计算技术特点 数据安全可靠 云计算提供了最可靠 最安全的数据存储中心 用 户 不用再担心数据丢失 病毒入侵等麻烦 客户端需求低 云计算对用户端的设备要求最低 使用起来也最方 便 轻松共享数据 云计算可以轻松实现不同设备间的数据与应用共享 无限扩展 云计算为具有强大的几乎扩展的可能性 5 2 2 物联网技术 物联网 Internet of Things 指的 是将无处不在 Ubiquitous 的末端设 备 Devices 和设施 Facilities 包括具备 内在智能 的传感器 移动 终端 工业系统 楼控系统 家庭智能 设施 视频监控系统等 和 外在使能 Enabled 的 如贴上 RFID 的各种资产 Assets 携带无线终端的个人与车辆 等等 智能化物件或动物 或 智能尘埃 Mote 通过各种无线 或有线的长距离或短距离通讯网络实现互联互通 M2M 应用大集 成 Grand Integration 以及基于云计算的 SaaS 营运等模式 在 内网 Intranet 专网 Extranet 互联网 Internet 环境下 采用适当的信息安全保障机制 提供安全可控乃至个性化的实时在 线监测 定位追溯 报警联动 调度指挥 预案管理 远程控制 安全防范 远程维保 在线升级 统计报表 决策支持 领导桌面 集中展示的 Cockpit Dashboard 等管理和服务功能 实现对 万 物 的 高效 节能 安全 环保 的 管 控 营 一体化 物 联网将信息传感设备 RFID 传感器 定位 条码 图像等 按照 15 约定的通信协议 将特定物体与信息网络及存储集控系统连接起来 进行信息交换和自动控制 以实现智能化识别 感知 定位 跟踪 监控和管理的一种网络体系 物联网是一个全新的技术领域 它是 利用无所不在的网络技术建立起来的 且是继计算机 互联网与移 动通信网之后的又一次信息产业浪潮 物联网的提出标志着社会发 展进入一个 人与物和谐共舞 的新体系 是人类为迎接 知识文 明 的到来而正在构建和创造财富的新体系 5 2 3 ZigBee 无线通讯技术 ZigBee 是一种新兴的近距离 低复杂度 低功耗 低数据速率 低成本的无线网络技术 它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的 技术提案 是物联网时代的主流组网技术之一 是 WSN Wireless Sensor Net 的主要技术方案 主要用于近距离无线连接 它依据 802 15 4 标准 在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信 这 些传感器只需要很少的能量 以接力的方式通过无线电波将数据从 一个传感器传到另一个传感器 所以它们的通信效率非常高 随着 通信距离的增大 设备的复杂度 功耗以及系统成本都在增加 相 对于现有的各种无线通信技术 ZigBee 技术将是最低功耗和成本的 技术 ZigBee 通信协议是由 ZigBee 联盟制订的开放的国际标准 ZigBee 联盟是一个非赢利性的组织 负责对 ZigBee 协议的制订 测试和推广 由于该联盟的成员来自全球众多著名的企业 因此所 制订的协议是在很多成功应用基础上的升华 代表了很多实际的需 求 非常专业 稳定 具有良好的延续性和扩展性 协议制订后 首先要通过联盟内各行各业的专家进行审议 然后再经过实际的测 试 最后才形成协议标准 在实际应用反馈的基础上 ZigBee 协议 也在不断的升级和发展 一般每两年升级一次 但是每次升级 新 协议都完全向下兼容旧协议 ZigBee 协议是开放的国际标准 因此任何国家 任何公司所提 16 供的 ZigBee 产品都必须符合这一标准 并且 ZigBee 联盟提供了完 善而严格的测试平台对这些产品进行测试 这些措施保证了任何 ZigBee 产品都可以实现互连和互操作 这对于系统的安装 维护和 扩展都带来了极大的方便 ZigBee 支持复杂的网络结构 包括星形 树状 网状 以及复 合网络 这些网络结构都通过周密的理论分析和实际的应用测试 ZigBee 支持 64 位地址空间 并支持子网 每个子网可以管理 65535 个节点 为了有效管理各个节点 为子网内每个节点都分配了一个 网络地址以及组地址 通过这些地址 就可以实现父 子 对等 同 组等众多复杂的关系 从而实现对网络的有效管理 ZigBee 的技术特点 功耗低功耗低 ZigBee 技术采用了多种节电的工作模式 在休眠状态下耗电 量仅仅只有 1 W 通信距离短的情况下工作状态的耗电为 30mW 在低耗电待机模式下 两节普通 5 号干电池可使用 6 个月以上 通信可靠通信可靠 ZigBee 采用了 CSMA CA 的碰撞避免机制 同时为需要固定带 宽的通信业务预留了专用时隙 避免了发送数据时的竞争和冲突 MAC 层采用了完全确认的数据传输机制 每个发送的数据包都必须 等待接收方的确认信息 网络的自组织 自愈能力强网络的自组织 自愈能力强 ZigBee 的自组织功能 无需人工干预 网络节点能够感知其他 节点的存在 并确定连接关系 组成结构化的网络 ZigBee 自愈功能 增加或者删除一个节点 节点位置发生变动 节点发生故障等等 网络都能够自我修复 并对网络拓扑结构进行 相应地调整 无需人工干预 保证整个系统仍然能正常工作 网络容量大网络容量大 每个 ZigBee 网络最多可支持 65000 个节点 也就是说每个 17 ZigBee 节点可以与数万节点相连接 由于 WSN 的能力很大程度上取 决于节点的多少 也就是说可容纳的传感器节点越多 WSN 的功能 越强大 所以 ZigBee 的网络容量大的特点非常符合 WSN 的需要 有效范围大有效范围大 虽然设备之间直接通讯范围在 40 350m 之间 但是通过加入多 级 ZigBee 路由设备 网络覆盖范围可以拓展到数百米至上千米 具 体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定 频段免费 运营成本低频段免费 运营成本低 采用全球通用的免费使用许可证频段 ISM 2 4GHz 具有 16 个扩频通信信道 运营成本极低 抗干扰特性高抗干扰特性高 抗干扰性主要取决于两个指标 调制方式 ZigBee 采用的是 O QPSK 调制方式 并使用了 DSSS 扩频技术 因此抗干扰能力非常强 能够在周围的噪音之准确 无误的识别数据信号 同频干扰 ZigBee 的通信频率达到 2 4GHz 远离一般电器所 能产生的频率干扰 另外 ZigBee 有 16 个信道且通过主站的 1 条切 换信道控制命令很容易实现信道切换 极大地减少和避免了相邻网 络的同频干扰 通道的高速特性通道的高速特性 ZigBee 具备的高达 256K 的双向通信能力 可以很容易的满足 很多高实时性应用需求 这高速意味着可以在短时间内获得大量的 现场数据 时延短时延短 典型搜索设备时延为30ms 休眠激活时延为15ms 活动设备信 道接入时延为15ms 数据安全性高数据安全性高 ZigBee 技术提供了数据完整性检查和鉴权功能 加密算法支持 CRC 和 AES 128 同时各个应用可以灵活确定其安全属性 18 典型拓扑结构如下 星型网星型网网状网网状网树型网树型网 末端节点末端节点 RFD ZigBee 系统典型拓扑结构 ZigBee 技术标准协议结构图如下 应用程序应用程序ZigBee协议栈协议栈协议芯片协议芯片 物理层物理层PHY 2 4GHz 915MHz 868MHz MAC层层 MAC层层 网络层网络层NWK 星形星形 网状网状 树状树状 安全安全 应用层接口应用层接口 应用层应用层APL 行业用户定义行业用户定义 IEEE 802 15 4 定义定义 ZigBee 组织组织 定义定义 软软 件件 实实 现现 5 3 系统突出优势 武汉市公用事业管理系统是一个复杂的系统工程 它把物联网 技术与市政的各种基础设施融为一体 并与城市的常态和非常态管 理系统相结合 同时与云计算技术相结合 使管理者有效地进行日 常管理 从容应对各种突发事件 物联网是具有感知 智能和自治功能的把物品通过通信技术相 互连接形成的网络 这些物理设备可以在无人工干预的情况下实现 协同和互动 从而提供智能和集约服务 物联网具有全面感知 可 根节点根节点 Coordinator 路由节点路由节点 FFD 19 靠传递 智能处理的特点 使得管理变得更加精细化 智能化和简 单化 公用事业管理离不开数据 传统的以人工采集数据的方式 不仅数 据的实时性和准确性较差 而且人工采集的范围有限 物联网不仅 可以实时采集海量数据 而且能对数据的真实性进行鉴别 物联网 可以部署在移动 恶劣 危险 复杂的环境中 并且可以实现无人 值守 物联网能够覆盖整个城市 并可以通过大量的低端传感器的 部署对城市中的特定节点进行可视化的管理 还可以通过对物联网 的快速部署来监测突发事件 5 4 报警机制 当系统检测到设备故障信息或者发生泄露 偷盗等突发事件后 通过网络将信息传输到控制中心 中心自动发出语音报警 自动存 盘并在地图上显示相应的位置和故障类型 并可转移至相关人员的 手机上 同时系统根据应急预案的事故等级划分制度启动相应等级 的应急方案进行处理 包括内部以及武汉市内各职能板块之间的联 动 5 4 1 报警方式 图形报警 告警点闪动 变色 推出厂站图表 多幅 文字报警 文字列表出报警信息 类型 语音报警 机器发出鸣叫声 产生语音呼叫操作员 打印报警 打印机及时打印出告警信息 类型 短信报警 20 系统通过SMS机制将信息发送到管理人员手机 联动报警 系统将报警信息通过武汉市政府云第一时间将信息发 送相关联动部门 5 4 2 报警类型 越限告警 对需要报警的值设定上下限值 当越限状态变化时 发生 越限报警 通过窗口显示文字及数据变色 并根据需要打印记 录 变化报警 当系统发生正常变位时 变位点在窗口中发生数据变色 及闪烁 打印变位点状态及变化时间 推出文字信息 同时根 据需要发生语音警 事故报警 发生事故后 系统发生强烈告警 发出强烈闪烁及变色 发生语音报警 召唤操作人员 推出文字信息 说明事故原因 立即打印输出 启动事故追忆并打印 发出语音告警 告警 当各DCU通讯中断或主站没发生故障时 系统亦发生明显 的告警信息 以提示维护人员及时处理 21 第六章 主要建设内容 根据系统总体设计规划要求 本项目的主要建设内容是一个平 台 一个核心承载网 八个子系统 具体如下 一个平台 公用事业云计算平台 一个核心承载网 ZigBee 基础通讯网 八个子系统 智能路灯管理系统 井盖防盗报警系统 综合管沟监控系统 防汛水位测报系统 自动苗木灌溉系统 临时管线管理系统 ZigBee 定位系统 排水管线监控系统 主要建设内容中的公用事业管理平台和 ZigBee 基础通讯网是本 设计规划的基础建设 是八大子系统的建设的前提条件 必须在一 期规划中建设 其它的建设内容可视武汉市实际情况调整 分步建 设 同时由于本规划采用了开放式接入模式 因此主要建设包括但 不限于以上建设内容 可视武汉市实际情况增加应用子系统 6 1 云计算子平台 6 1 1 平台简介 云计算是网格计算 分布式计算 并行计算 效用计算 网络 存储 虚拟化 负载均衡等传统计算机技术和网络技术发展融合的 产物 旨在通过网络把多个成本相对较低的计算实体整合成一个具 有强大计算能力的系统 并借助 SaaS PaaS IaaS 等先进的商业模 式把强大的计算能力分发给终端用户 其核心思想 是将大量用网 22 络连接的计算资源统一管理和调度 构成一个计算资源池向用户按 需服务 云计算平台的核心是云数据中心 云计算平台的应用架构如下 云基础资源运维平台如下 云基础资源运维平台 云基础资源运维平台是云计算平台的重要组成部分 本系统采 23 用的云基础设施管理软件平台 如上图所示 可以采用完全相同的 方法连续分析和优化物理与虚拟资源 云计算平台技术特点 基于成熟主流的 J2EE 技术 具有天然的可移植性 可以稳定运 行 在多种操作系统和 J2EE 应用服务器上 操作系统支持各种商业 操 作系统 例如各种 UNIX 和 Windows 类型的操作系统以及免费的 Linux 操作系统 J2EE 应用服务器包括 WebLogic WebSphere 等 以及免费的 resin Tomcat 等 遵循先进的分布式多层模式 构建强大 稳定 可扩展的平台架 构 整个平台包括一个数据交换中心服务器和若干可动态增添的 数据适配器 数据处理节点等 在需要支持新的数据源或扩展系 统性能时 通过增加部署适配器 处理节点的类型或数量即可 完全瘦客户端三层体系结构 产品的安装 维护及升级均在服务 器端进行 客户端软件仅用于管理和监控 绿色免安装 支持 Intranet Internet 环境 适配器支持拨号上网 可以支持多种数据通讯和传输方式 以满足性能 安全 可靠性 等不同方面的需求 能够与标准的 java 消息服务器进行天然集 成 可以将其作为底层的通讯传输方式之一 内嵌先进的授权管理系统 其强大细腻的授权管理功能可以确保 对数据流的设计 部署 执行进行精确化 分级式管理 每个适 配器也可以拥有本地的单独化管理 本方案建设的云计算子平台是武汉市政府云的一个分布式子模 块 子平台保留了各种接口 可以方便快捷的接入武汉市政府云 是武汉市政府云有机组成部分 系统的物理资源接受武汉市数字化管理系统的统一调 度 如存储设备 CPU 等 GIS 系统 登录门户等公用应用模块利用武汉市原有平台 24 统一建设 本系统只做调用 6 1 2 平台主要功能 6 1 2 1 数据采集 通信方式多样化 支持光纤 拨号 GPRS GSM SMS CDMA1X 3G 技 术 等多种通讯方式同时工作 规约支持多样化 支持多种规约类型设备同时接入 通信支持断点续传功能 对于不稳定通道 能够提高数据通信成 功率 减少重复通信报文 提供主站间标准接口通信协议 可协助实现终端远程维护 升级 提供第三方厂家远程维护自身产品 支持任务上报和随机抄读 可以以任务的方式按固定间隔主动上报数据 也支持实时读取数据 6 1 2 2 设备档案管理 具有设备档案管理功能 能够进行终端设备的添加 删除 编 辑和参数设置 随时可根据需要对设备进行分区管理 用户界面上 需要显示相应设备信息结构树形图 6 1 2 3 系统管理 系统参数配置 维护系统基本参数 用于对系统功能的配置 数据备份 参数数据备份 历史数据备份 数据恢复 数据删 除 权限管理 系统权限 部门权限 岗位权限 操作员权限管理 6 1 2 4 嵌入地理信息系统 GIS 系统可将武汉市现存的地理信息系统 GIS 作为开发平台嵌入 25 把武汉市的电子地图融合入系统软件中去 实现监控 地理信息的 有机组合 通过在原 GIS 共享平台上叠加图层来完成相应地理图形 的显示 放大 缩小及查询 同时 在事故发生时 可以在 GIS 图 层上直观的反映出事故发生地点和周围的情况 方便进行统一指挥 和调度 加快救援的速度 6 1 2 5 网络平台系统 系统使用一套完整的网络平台监控系统 实时分布式系统 实 现系统的开放性 实时性 稳定性和可维护性 网络链路监控 实时监视每个节点的网络接口数据 检测网 络上运行的其他节点信息 并将检测的信息 通知给调度模块 实现网络状态的实时检测 网络节点状态监控 用户可以配置本组内的成员节点 节点 监视模块实时获取网络链路监视模块收集的 链路信息 以此来判断每个节点的链路运行 状态 服务器状态监控 服务器监控模块通过收集担当此服务器的 节点的运行状态 并根据特定的主服务器选 举策略 进行主服务节点的选举 动态服务器调度 本系统可以进行动态服务器调度策略支持 系统在正常时可以有至少两台服务器节点来 承担某一服务任务 在某服务器发生故障时 系统会自行启用动态服务器调度模块 进行 候补服务器的选择 将可以承担此服务器的 节点选举出来 作为备用节点 保证系统运 行的可靠性 进程监视 平台可以根据服务器的类型以及不同的节点来进 26 行进程的监控 并且也可以监控本应用系统节点 上的所有本应用进程 而且可以通过人为或自动 的启停某一节点上的进程 6 1 2 6 自动数据报表 制表制表 操作员在屏幕上以交互方式定义报表格式 报表数据等 可制定任何形式的数据表格 表格中可显示图形 曲线 表格在窗口中提供翻 滚 棒操作 表格可显示实时及历史数据内容 打印打印 打印分正常打印和异常打印 启动方式为定时启动 人工 启动和事件驱动 具有软拷贝功能 定时打印 定时打印调度员所需的各种报表或指定画面 如 整 点记录 日报表 月报表 年报表等 操作员可自已设 定 打印时间 事件驱动 事件驱动打印由系统实时自动随事件处理结果输出 6 1 2 7 报警处理功能 当系统检测到设备故障信息或者发生泄露 偷盗等突发事件后 通过网络将信息传输到控制中心 中心自动发出语音报警 自动存 盘并在地图上显示相应的位置和故障类型 并可转移至相关人员的 手机上 同时系统根据应急预案的事故等级划分制度启动相应等级 的应急方案进行处理 包括内部以及武汉市内各职能板块之间的联 动 事故联动方案可以根据实际情况更改和设定 27 6 1 2 8 信息自动更新功能 信息更新基于 GIS 平台 更新结束后 系统自动的按照新范围 进行防 控和监管 信息内容包括但不限于以下几点 入园企业项目开口后 进行数据修改更新 入园企业接入临时水电后 进行数据修改更新 入园企业完成正式市政管线接入后 进行数据修改更新 建设单位在交接市政管线 道路 绿化 园路 市政设施后 进行数据修改更新 6 1 2 9 自动校时功能 利用全球卫星定位系统 GPS 技术与计算机技术 通过 GPS 时 钟实现对整个系统的准确校时 保证系统内的所有设备的时间的准 确并保持与主机时钟的与一致性 6 1 2 10 WEB 发布功能 通过宽带网 通过 WEB 方式浏览 实现便携式笔记本 IPAD 等 设备的远程实时查询 查询内容包括各系统的最新以及历史数据和 故障情况 实现异地远程接入访问 能够实现远程系统诊断和维护 WEB 查询受用户密码权限保护 6 1 2 10 安全防护功能 为了使实时系统能够安全稳定的运行 系统采用多级密码保护 保证系统操作的可靠 安全 所有的系统操作员应能根据需要被赋予某些特性 这些特性 规定各级操作员对系统及各种业务活动的使用范围 如用户 姓名 口令字 操作权及操作范围等特性 操作员只有输入正确的特性 才能进入系统 即保证系统的安 全性 进入系统后 通过划分不同层次的操作 来满足各级 操作员的使用需要 从最低级的只可调出画面 到最高级的 可以修改 访问 维护功能和进行各项操作 28 操作保护 对每个上岗操作员都应有口令字控制 以限定各个 不同操作员的操作权限和操作范围 在执行遥控时进行口令 字检查 以确保系统不受无关人员误操作的破坏 6 1 3 硬件平台建设 云硬件平台主要包括总控单元 计算节点 共享存储 虚拟网 络和软件资源 云总控单元主要负责结算节点的基础供应 包括散 热 供电 对内 外 IO 设备配置 健康监控等 每个总控最多可 以容纳 16 个基础计算节点或者 8 个高级计算节点 多个总控之间可 以实现合并 最多可以合并 1000 个控制单元 总控内还包含以太网 模块和存储网络模块 硬件架构如下 6 1 4 监控中心建设 监控中心设立专用局域网络 对远距离分布在城市内的各个监 控点的终端设备进行控制和管理 系统时间以及光照度由专门设备 进行检测 大屏幕采用 DLP 拼接屏 用以显示常规系统操作界面 29 系统报警信息可以通过 GSM 以短信的形式传输至相关人员手机 监控中心通过路由器及交换机配置 100M 1000M 自适应交换局域 网络 具有固定 IP 地址 实现通讯 中心电源采用在线不间断电源 供电 设计监控中心市电停电的情况下可以使用 8 小时 可以将监 控系统画面通过 DLP 屏显示在大屏上 当有领导来参观时 可以更 加方便 清晰地查看系统 同时也便于陪同人员的讲解 某监控中心实景图某监控中心实景图 6 2 ZigBee 基础通信网 物联网是以数据为中心的面向应用的网络 主要完成信息感知 数据处理 数据回传 以及决策支持等功能 其硬件平台由传感网 核心承载网和信息服务系统等几个大的部分组成 物联网硬件平台组成示意图如下 如上图所示 传感网部分包括感知节点 数据采集 控制 和 30 末稍网络 汇聚节点 接入网关等 核心承载网部分为物联网业务 的基础通信网络 信息服务系统硬件设施主要负责信息的处理和决 策支持 根据武汉市的实际情况 考虑系统的经济性 开放性和可控性 本方案采用 ZigBee 网络做为基础通信网 按照相关管理部门的有关标准 规范和 ZigBee 技术的组网特点 结合武汉市的实际情况 基础通信网的通讯网格 以路 街为主体 借用路灯杆为安装承载物 在每杆路灯的高点安装 ZigBee 的组网基 站 形成 ZigBee 基础通讯网格 同时也构成了武汉市管理单元网格 和监督网格 基础通信网物理组网示意图如下 物理组网示意图 基础通信网通讯拓扑示意图如下 31 6 3 智能路灯管理系统 6 3 1 城市路灯现状分析 6 3 1 1 设备现状 目前 武汉市的路灯建设尚未全部完成 目前现状分三种 道路建设已经完工 路灯尚未安装到位 道路建设已经完工 路灯已安装 但是没有投入使用 已完全投入使用 但尚处于自然管理状态 武汉市核心区的路灯建设已基本完成 核心区的道路总长度约 为 KM 路灯数量约为杆 总用电功率为 KW 路灯类型基本上都为单 臂双火灯 采用双侧对称式排列 顺向间距为 30 40 米之间 武汉 市一期建设规划全部落实后 路灯总数将超过 50000 杆 路灯路灯 32 6 3 1 2 管理现状 武汉市的路灯建设权归属于武汉市建设局 由于种种原因目前 武汉市的路灯的管理权还没有验收 移交给公用事业服务中心 同 时 武汉市路灯电缆被偷盗现象屡有发生 目前城市的路灯已投入使用部分全部采用人工控制 尚有部分 暂未投入使用 其主要原因有二 已安装的路灯因没有控制系统 无法实现自动控制 如若亮 灯 需要大量的人工去配合 城市面积广阔且还处于继续建设中 城市内人员复杂 在偏 僻地段 夜晚如若亮灯极易出现偷盗现象 给城市造成不必 要的损失 6 3 1 3 存在的问题 目前的路灯管理方式虽然成本低 但无法实现远程控制 无法 实现灵活的管理和实时监控 无法真正满足武汉市的智能化控制要 求 具体表现在以下几个方面 无法实现实时监测 监控无法实现实时监测 监控 路灯的控制点由相关人员人工控制 工作效率低下 难以实 现统一管理 无法实时反馈照明设施的工作状态信息 无法实现应急调度无法实现应急调度 在有重大情况时 如接待任务 天气瞬变 节假日等 无法 做到实时远程控制 无法实现远程校时无法实现远程校时 33 时钟控制器经过长时间运行会出现累计误差 同时在时控出 现故障时也会导致各控制点亮灯时间不统一 无法做到精确控制 无法实现故障远程报警无法实现故障远程报警 目前的故障上报主要依赖于工作人员巡查 缺乏主动性和可 靠 性 浪费人力及物力 同时影响管理部门形象 无法实现电缆防盗无法实现电缆防盗 路灯照明设施分布广 数量多 管理难度大 随着武汉市范 围的日益扩大 且武汉市处于郊区 电缆偷盗现象将日益加剧 现有的设备无法做到针对性的管理 无法实现照明用电的有效管理无法实现照明用电的有效管理 由于没有建立起系统的用电统计资料 难以发现不法份子偷 接电缆盗电等异常行为 无法实现照明用电的精细化管理 6 3 2 国内外路灯管理现状分析 6 3 2 1 路灯管理模式变迁趋势 国内外路灯的管理模式的变迁经历了三个阶段 在 2010 年 6 月 照明行业年会召开后 开始进入了第四阶段 具体变迁情况及标志如下图所示 路灯管理模式变迁趋势图 各管理模式特点各管理模式特点 人工控制模式 路灯的开 关由人工进行控制 需要人工巡视 检修 34 管理效率低下 漏查率高 时控 光控模式 在每条路灯线路的控制箱安装控制模块 可以根据设定的 时间段和亮度阀值进行控制 需要在每个季节对路灯开 关时间进行调整 按亮度进行开 关控制 准确率较低 系统不能闭环 现场的情况 各种事故导致的白天亮 灯 时间飞走等故障不能及时上报 需要人工进行巡视 检修 集中控制模式 通过在每条路灯线路的控制箱安装监控设备 再通过 GPRS CDMA 组网 实现以线路为单位的集中控制 可以形成网络 实现可远程监控 无法实现按需照明 在灯具发生故障时不能及时上报 需要人工进行巡视 检修 单灯控制模式 实现以灯泡为单位的精细化控制 按需照明 节能环保 实时单灯故障监测并上报 便于及时维修 保证亮灯率 改人工巡灯为自动巡灯 降低人工成本 实现电缆防盗报警功能 可以实现灯杆防漏电 灯杆电费管理等功能 6