基于物联网的城市排水管线在线监测系统的设计与实现

分类号分类号 TP311TP311单位代码 单位代码 1042210422 密密 级 级 学学 号 号 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 论论文文题题目目 基于物联网的城市排水管线在线监测系统基于物联网的城市排水管线在线监测系统 的设计与实现的设计与实现 Design and Implementation of the monitoring system based on Internet of Things urban drainage pipe line 作作 者者 姓姓 名名 学学 院院 名名 称称 软软件件学学院院 专专业业学学位位名名称称 软软件件工工程程 指指 导导 教教 师师 合合 作作 导导 师师 专业学位专业学位 2013 年 4 月 12 日 分类号分类号 TP311TP311单位代码 单位代码 1042210422 密密 级 级 学学 号 号 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 论论文文题题目目 基于物联网的城市排水管线在线监测系统基于物联网的城市排水管线在线监测系统 的设计与实现的设计与实现 Design and Implementation of the monitoring system based on Internet of Things urban drainage pipe line 作作 者者 姓姓 名名 学学 院院 名名 称称 专专业业学学位位名名称称 指指 导导 教教 师师 合合 作作 导导 师师 专业学位专业学位 2013 年 4 月 12 日 原创性声明和关于论文使用授权的说明原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 日期 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允 许论文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此 规定 论文作者签名 导师签名 日期 山东大学硕士学位论文 i 目目 录录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪论 1 1 1 城市排水管线在线监测系统开发背景 1 1 2 国内外研究现状 2 1 3 解决的主要问题 4 1 4 本文的主要工作 5 1 5 论文的组织结构 6 第 2 章 需求分析 8 2 1 系统概述 8 2 1 1 城市排水管线在线监测系统项目背景 8 2 1 2 城市排水管线在线监测系统项目说明 8 2 1 3 城市排水管线在线监测系统概述 9 2 2 系统目标和解决的问题 9 2 3 需求问题描述 10 2 3 1 城市排水管线在线监测系统功能性需求 13 2 3 2 城市排水管线在线监测系统非功能性需求 16 第 3 章 架构设计 18 3 1 系统设计目标和原则 18 3 2 系统技术架构设计 19 3 2 1 城市排水管线在线监测系统物理架构 20 3 2 2 城市排水管线在线监测系统逻辑架构 20 3 2 3 城市排水管线在线监测系统技术路线 22 3 3 系统功能架构 23 3 4 系统数据采集架构 24 3 5 系统部署架构 25 第 4 章 详细设计 27 4 1 数据采集层设计 27 4 1 1 采集设备选型 27 4 2 1 采集设备安装 28 4 2 数据传输层设计 28 4 2 1 传输网络设计 28 4 2 2 系统外部接口设计 31 4 2 3 数据业务集成设计 31 4 3 数据层设计 32 4 3 1 数据库设计 32 4 3 2 数据表设计 33 4 4 业务支撑层设计 38 4 4 1 数据和 GIS 引擎 38 山东大学硕士学位论文 ii 4 4 2 权限组件 38 4 4 3 信息共享交换 39 4 5 业务应用层设计 41 4 5 1 公共部分设计说明 41 4 5 2 部分应用功能模块设计 43 4 6 系统开发 运行设计 47 4 6 1 系统定制性和扩展性 47 4 6 2 系统效率优化设计 47 4 6 3 系统安全性设计 48 4 6 4 开发及运行环境设计 49 第 5 章 系统实现与测试 51 5 1 城市排水管线在线监测系统总体实现 51 5 1 1 监测设备选择和安装 51 5 1 2 传输网络选择 52 5 1 3 监测应用系统开发 54 5 1 4 监测应用系统功能 54 5 2 城市排水管线在线监测系统测试 68 5 2 1 测试环境 68 5 2 2 测试依据 68 5 2 3 测试结果统计 68 5 2 4 测试度量 69 5 2 5 测试的充分性评价 69 5 2 6 测试结论 69 第 6 章 结论 70 参考文献 71 致 谢 73 山东大学硕士学位论文 iii CONTENTSCONTENTS Chinese Abstract I English Abstract II Chapter 1 Introduction 1 1 1 Development background for the Urban drainage line Monitoring System 1 1 2 The latest state of technology 2 1 3 The main problems need to be resolved in this paper 4 1 4 The main work of this paper 5 1 5 The structure of this paper 6 Chapter 2 The requirement analysis 8 2 1 Introduction to the system 8 2 1 1 Project background of the Urban drainage line Monitoring System 8 2 1 2 Project comment of the Urban drainage line Monitoring System 8 2 1 3 Introduction to the whole solution of Urban drainage line Monitoring System 9 2 2 Project goal of the Urban drainage line Monitoring System 9 2 3 The discription of requirement 10 2 3 1 Functional requirement 13 2 3 2 Non functional requirement 16 Chapter 3 Construction design 18 3 1 Desing aim and principle for this system 18 3 2 Technology construction design 19 3 2 1 Technology construction for the Urban drainage line Monitoring System 20 3 2 2 Logical construction for the Urban drainage line Monitoring System 20 3 2 3 Technology roadmap for the Urban drainage line Monitoring System 22 3 3Functional construction 23 3 4System Data acquisition architecture 24 3 5System deployment architecture 25 Chapter 4 Detail design 27 4 1 Data acquisition layer design 27 4 1 1 Acquisition selection of equipment 27 4 2 1 Acquisition equipment installation 28 4 2 Data transport layer design 28 4 2 1 Transmission Network Design 28 4 2 2 The systems external interface design 31 4 2 3 Data services integrated design 31 4 3 Data layer design 32 4 3 1 Database Design 32 4 3 2 Data table design 33 4 4 Business support layer design 38 山东大学硕士学位论文 iv 4 4 1 Data and GIS engine 38 4 4 2 Permission components 38 4 4 3 Exchange of information sharing 39 4 5 Business application layer design 39 4 5 1 Public part of the design description 41 4 5 2 Part of the application function module design 43 4 6 System development operation design 47 4 6 1 System customization and scalability 47 4 6 2 Optimize the design of system efficiency 47 4 6 3 System security design 48 4 6 4 Development and runtime environment design 49 Chapter 5 Implement and test 51 5 1 The whole implement for the the Urban drainage line Monitoring System 51 5 1 1 The selection and installation of monitoring equipment 51 5 1 2 Transmission network selection 52 5 1 3 Monitoring application system development 54 5 1 4 Monitoring application system functions 54 5 2 Test of the Urban drainage pipe line monitoring system 68 5 2 1 Test environment 68 5 2 2 Test based on 68 5 2 3 Test result statistics 68 5 2 4 Test metrics 69 5 2 5 Full evaluation of the test 69 5 2 6 Test Conclusion 69 Chapter 6 Conclusion 70 Referrences 71 Acknowledgements 73 山东大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 伴随济南城市化的进程 城市排水管网系统的建设速度快 规模大 更新 快 排水管网管理的难度越来越大 近年来 城市雨水管网溢流和排水不畅事 件时有发生 济南也曾遭暴雨袭击 对社会秩序 城市功能 环境与资源等造 成不同程度的破坏 给人民生活 经济社会发展和城市正常运转带来较大影响 为应对以上问题 提高城市排水管网的运行监测 管理和应急服务水平 在济 南市排水管理服务中心开展了城市排水管网在线监测系统建设 项目主要通过构建排水设施在线监测系统五大层次即数据采集层 数据传 输网络 数据层 业务支撑层以及业务应用层来实现对排水管网和设施实时运 行状态的监控 建设中采用遥感 遥测 数据库 地理信息系统 GIS 全球定 位系统 GPS 互联网 Internet 等现代科技技术来支撑项目的设计和开发 项目 建设包括硬件平台建设及软件平台建设 数据采集层基于物联网技术 部署和 接入先进的排水管道内液位测量设备 实现对城市地下排水管网内的液位和流 速监测 数据传输层通过建立和选择有线 无线数据传输网络传输实时数据并 对数据进行分析 判别和入库 数据层主要承担着系统中的排水管网空间数据 实时监测数据等各类型数据管理和存储 业务支撑层通过数据引擎 GIS 引擎 服务组件等支撑模块成为应用系统和数据层之间的桥梁和纽带 项目建设过程中以先进性 实用性 可靠性 安全性和扩展性为建设原则 标准和规范上遵循地理信息相关标准 计算机软硬件标准 济南数字市政标准 等国家 行业和地方的有关建设标准 目前项目在济南市排水管理服务中心上 线 实现了济南市城市排水管线监测的统一 集中管理 在实际运行过程中 从 社会 经济以及管理效益上满足了城市排水排水设施管理工作的需要 提高了 济南城市排水设施运行运营管理和规划决策水平 关键字 关键字 排水管网 管网监测 物联网 3S 山东大学硕士学位论文 II ABSTRACTABSTRACT With the process of urbanization in Jinan the faster the pace of construction of the municipal sewer system large scale fast update drainage network management more and more difficult In recent years the city storm sewer overflow and poor drainage events have occurred Jinan who have been heavy rains caused varying degrees of damage the social order urban functions environment and resources to the people s living standards economic and social development and urban the normal operation of a greater impact In response to the above problems improve the urban drainage network operation monitoring management and emergency service levels drainage management service center in Jinan City to carry out the construction of the municipal sewer line monitoring system Project by constructing drainage facilities online monitoring system five level layer Data Acquisition Data Transmission Network Data Layer Business Support Layer and Business Application Layer to achieve real time operating status of the drainage network and facilities monitoring Building in the use of Remote Sensing Telemetry Database Geographic Information Systems GIS Global Positioning System GPS the Internet the Internet and other modern technology to support the design and development of the project Of this project includes the construction of the hardware platform and software platform Data Acquisition Layer is based on Internet of Things technology deployment and access level measurement equipment advanced drains within the urban underground drainage network level and flow monitoring Data Transmission Layer through the establishment and wired wireless data transmission network real time data transmission and data analysis discriminant and storage data layer is mainly responsible for the management and storage of the drainage network in the spatial data in the system real time monitoring data and other types of data Service support layer through the data engine GIS engine service components support module as a bridge and link between the applications and the data 山东大学硕士学位论文 III layer Project construction process construction principles advanced practical reliability security and scalability for geographic information standards computer hardware and software standards digital Jinan Municipal standard national industry and local standards and norms to followconstruction standards Project in Jinan drainage management service center line the drain line monitoring of Jinan city unified centralized management in actual operation from the social economic and management effectiveness to meet the needs of the urban drainage and drainage facilities management work of improve the Jinan urban drainage facilities run operations management and planning decision making level Keywords Drainage network Pipe Network Monitoring Internet of Things 3S 山东大学硕士学位论文 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 排水系统是城市的重要基础设施 在城市经济建设中发挥着重要的作用 近年来 随着城市规模不断的扩大和生活水平的日益提高 城市排水管网系统 越来越复杂 同时近年来严重城市内涝也对城市排水系统提出了更高的要求 如何应对气候的变化 社会的发展 作为城市排水系统的重要组成部分 排水管网的运行管理和安全调度将面临着更高要求和严峻考验 在传统的排水 管网运行中 管网的改扩建和运行调度凭借简单的数据计算完成 甚至仅凭个 人的经验决策 导致管网不能进行科学地 高效地 安全地管理和运行 因此 使用计算机 借助现代信息技术对管网进行在线监测 通过掌握和积累排水管 线的运行记录 实现排水管线的规划 设计 管理和运行调度进行科学化 精 细化建设 来提高排水企业整体水平和服务质量 1 11 1 城市排水管线在线监测系统开发背景城市排水管线在线监测系统开发背景 我国多数城市排水管道不成系统 有的利用街道 河道排水 影响环境卫 生 有的排水能力低致使有的城市雨后长时间积水 对生活 生产影响很大 目前 我国城市排水网普及率 按服务面积计算为 64 8 左右 排水管道总厂 度 11 万 km 多 人均却只占有排水管道长度 0 55m 1 近年来 我国的城市排 水系统虽然已经有了长足的进步 取得了比较显著的成效 但也存在不足之处 许多城市在汛期发生 水浸 内涝 等事件 给人民群众带来经济损失和生 命安全威胁 城市排水管线的信息化管理面临的主要问题归纳起来有以下几点 1 排水管线运行管理水平较低 目前 我国大部分城市的排水运行管理水平较低 很多城市仍沿用传统依 靠图纸甚至人工记忆和经验的管理模式 2 随着计算机技术的普及和发展 不 少城市对排水数据进行了信息化处理 但其信息化和专业化程度比较低 多采 用 AutoCAD Excel 等格式单个文件分块存储数据 无法掌握城市排水系统的复 山东大学硕士学位论文 2 杂网络特征 此外 虽有部分城市采用了基于 GIS 的新型管理模式 但其专业 分析功能通常都较弱 系统仅体现了排水管网的地理特征 仅提供基本地图显 示和查询功能 缺少网络分析 动态模拟和优化分析等专业功能 不能为城市 排水安全运行提供科学的决策支持 2 管网人工管理及养护难度大 很多城市对污水排放管理不严格 居民生活和工业污水任意排放 导致管 网淤积严重 过水能力得不到充分利用 泥沙淤积 管网老化 排水管道被占 压情况也比较普遍 3 河道乱倒垃圾 污水私自排放以及众多污水处理厂站的 管理还存在位置分散 人工管理难度大的问题 需要采取数字化的管理手段来 实现远程的状态信息获取 3 排水系统调度分析和布局优化相对滞后 排水设施基础数据以及管网实时 历史运行状态信息获取能力的缺乏 不 能提供精确和权威的数据 为污水收集设施规划提供服务支持 排水系统调度 控制分析 布局优化分析和应急事故分析也缺乏科学依据 流域级别的综合管 理模式无法实现 在城市防汛抢险等危机事件过程中 现有的管理调度手段苍 白无力 4 缺乏有效的管网运行评估和监测手段 大多数城市目前没有对地下的排水管线实现实时在线监测 基于在线数据 的全管网系统分析和动态模拟管理模式鲜有应用案例 不能及时准确掌握排水 管网在汛期以及日常各个时期运行状况的变化情况 无法掌握管网在重要节点 的流量 流速和液位情况 无法对汛情做出正确的判断 1 21 2 国内外研究现国内外研究现状状 美国的环境保护管理体制主要分为联邦环保局 10 个大区办公室 按地区 而并非按流域或水系设立 和州环保局 3 个层次 USEPA 美国国家环保局 是 负责环境保护的综合协调管理机构 其主要职责是进行宏观管理 负责制定有关 环境保护的法规 政策 标准与方法 并监督执行 与中国情况不同 USEPA 和 其 10 个大区办公室是垂直领导关系 4 与我国明显不同的是 USEPA 并没有建 山东大学硕士学位论文 3 立本系统的国家级水环境监测站网 也没有建立本系统的水环境监测队伍 各大 区和各州环保局负责组织对本地区水体进行定期的监测 由于没有环保系统的监测队伍 因而主要依靠合同实验室 商业性私营公司 其他部门和自愿者 按照环保局提出的要求进行监测 而 USEPA 按合同给予经 费补助 USGS 是美国内政部下属的专门负责收集自然界信息的技术机构 其中 水资源部有 4000 余名工作人员 下设东南 中部及西部 3 个大区 其主要经费 来源与 USEPA 相同 即由国会拨款 与 USEPA 不同的是 USGS 有自己完整的国 家监测站网 包括水质和水文监测站网 以及采样 样品处理 保存与分析技术 规范与规定 有相应的专业监测队伍 负责美国全国的地表 地下水体及大气降 水的水质与水量的监测 水质自动监测在美国起步较早 1959 年美国开始对俄亥俄河进行水质自动 监测 1960 年纽约州环保局开始着手对本州的水系建立自动监测系统 1966 年 美国安装了第一个水质监测自动电化学监测器 1973 年美国水质监测系统有 12 个自动监测网 每个自动监测网由 4 15 个自动监测站组成 1975 年美国建立 了由 13000 个监测站组成的自动连续监测网 在这些流域和各州 地区 分布 设置的监测网中 由 150 个站组成联邦水质监测站网 即国家水质监测网 英国 由英国莱斯特大学参与 英国电子科学核心计划研究的科学家开发的洪水 智能监测系统 5 可以对可能暴发的洪水发出预警 利用网络计算 系统可及 时发出洪水警报 以便采取预防措施 降低洪水造成的损失 每个独立的监测 点由 13 个智能回声传感器组成 每个传感器装有一个比口香糖包还小的高性能 计算机 以无线方式与网络中的其它传感器相通 形成计算网 该套监测设备 可以被安置在洪灾易发地点 在洪水来临前 传感器会及时发出警报 为正确 分析和判断防汛形势 科学制定防汛调度方案提供依据 提高了决策的科学性 主动性 几乎所有新建的水厂都应用了监控的光通讯 集散型控制及 CRT 显示等装 置 计算机系统除监控水厂和泵站运行外 配套采用了加药控制装置 自动搅 拌实验器 污染浓度计 SV 测定器和自动界面计等传感器和分析仪 从而使作 为加速澄清池的药品混合 混凝和沉淀三大功能全部实现自动化运作 在自来 山东大学硕士学位论文 4 水经营管理中的判断系统 数据库和图像管理等软件技术的应用也得到了迅速 的发展 6 水厂的运行从过程控制型向信息管理型过渡 水处理厂将与管网系 统 水资源调度系统 河流水质监视和预报系统等有机的联系在一起 在水源 水质 污水排放 流域水质监测的基础上 根据饮用水水质标准和水量变化 完成对若干自来水厂和污水处理厂运行的全面控制 以求更大范围的宏观环境 效益和经济效益 7 1 31 3 解决的主要问题解决的主要问题 目前 济南市排水管理服务中心负责城区约 200 公里的排水河道 市区约 300 平方公里 长度约 2100 公里的城市排水管线 以及 8 座中水处理站点和 14 个雨污泵站管理 为改善城市水环境 完成生态市建设 小清河水污染防控以及主要污染物 减排目标 排水中心按照市委 市政府的统一部署和市市政公用局的统一安排 先后组织实施了城区护城河 东泺河 西泺河 工商河等主要河道的综合整治 加快了城区污水收集与处理设施建设步伐 有效改善了城区河道水质 为护城 河通航 大明湖扩建和小清河综合整治等重点工程的实施奠定了良好的基础 但受排水基础设施建设历史欠账巨大 无法对现有管网实施监控等客观因素制 约 因雨污混流 管网淤积等原因造成的污水冒溢问题仍然时有发生 对护城 河 大明湖水质和小清河出境断面水质达标造成一定影响 项目建设意义和解决问题主要有以下几点 1 科学管理管网运行数据 完善应用数据中心 改善传统管网数据记录分散 不统一 不完整的局面 采用高科技信息化 的管理手段对管网运行数据进行管理 8 建立应用数据中心 为排水中心业务 应用 数据共享 决策分析打下坚实的数据基础 2 提高工作效率 辅助管理决策 通过对管网运行重要指标的实时监测 指导工作人员对管网的日常巡查 检修养护工作 杜绝凭个人经验做判断依据的现象 提高人员的工作效率 及 时准确的提供管网运行信息 为相关管理者进行科学决策提供事实依据 3 管网运行现状分析和评估 山东大学硕士学位论文 5 通过分析复杂管网的网络结构 上下游关系 为管理者准确了解污水管网 的结构特征提供依据 通过雨污水排水状况的动态模拟分析 全面反映污水管 网的排水负荷现状 发现雨污水管网系统中的薄弱环节和区域 为管网的改扩 建及管理提供支持 4 辅助管网规划设计 利用管网监测得到的海量历史数据 通过计算机技术建立管网运行模型进 行分析 以便发现当前管网运行设计的不足和瓶颈 为未来管网科学 合理 有据的规划提供技术手段 5 提高管网应急事件处置能力 通过对液位 压力 流量等管网运行数据的实时监测 能够迅速找出当前 管网运行出现的问题 研究出当前事件的处置办法 实现排水中心针对应急事 件的快速反应 快速诊断 快速行动 通过对现有城市排水管网实施实时监控 实时获取污水管网的流量 流速 液位等运行参数 对运行参数进行分析 预 警污水管网冒溢造成城区河道水质污染等突发性环境事件的发生 确保城市排 水设施安全 稳定运行 为城市污水管网规划建设 改造维护及应急处置提供 数据支持 6 为打造智慧城市奠定基础 构建智能城市排水系统 保证排水系统的正常运行与在暴雨影响下形成的 大量雨污水的及时排放 通过监控中心 24 小时监测城市排水状况 对溢流和内 涝过程规律进行系统分析 及时整改相应的排水管道 尽量避免城市积水 及 时排查和解决管道破损 管道堵塞 管道老化等问题 为打造智能城市打好坚 实的基础 1 41 4 本文的主要工作本文的主要工作 本文主要在现有排水信息化建设的系统基础上 分析了城市排水行业的实 际需求和业务流程 并结合物联网技术 设计和实现了城市排水管线的在线监 测系统 本文讨论了城市排水行业的信息化项目的背景和所面对问题 介绍了 在排水行业面临的挑战和机遇 在此基础上分析了系统的业务流程 并进行了 流程改进和系统化工作 分析了排水管网监测的开发思路 进而分析系统的功 山东大学硕士学位论文 6 能需求和非功能性需求 将系统需求以流程图和用例图的形式详细说明 得到 排水管线管理和监测的系统需求和设计指南 本项目主要针对排水管网的监测技术和物联网应用等关键技术进行研究 主要掌握和建立以下几方面工作 1 排水管网设施的实时感知 研究排水管网设施的数据采集感知节点 9 节点采用低功耗 多模 可重 构技术 并拥有智能感知能力 感知节点能够适用于管道 防汛 河道等各种 排水业务应用范围 针对发生的紧急情况能够及时准确的预警 同时可以对设 施的运行状况进行长期监测 2 排水高速数据传输融合网络 排水服务使用的网络多种多样 为了完成数据的高速传输需求 项目研究 了电力载波网络和无线网络 同时还要可实现其与互联网 RFID WiFi WiMAX 3G B3G LTE Zigbee 蓝牙和红外等多种传输协议的互联 互通 网络可以支持新的传输协议 只需通过远程更新网关程序再配合传输模 块即可达到和新的协议进行通信 3 面向排水管线运行安全的监控预警网络 通过构建面对运行安全预警网络 提高应急指挥及快速处置能力 保障城 市排水管线的安全运行 利用智能网络 通过液位 流量 流速等各种传感器 在监控中心实时监控排水管线液位 流量 流速等数据 实现系统自动报警 预警 使得整个城市排水管线的安全运行可把握 可控制 可预测 项目根据排水行业监测管理系统的实际需求 设计并实现了监测数据分析 模型 并对监测结果进行了对比分析和展示 在详细分析的最后 分析了系统 测试 并对压力测试的环境搭建和测试过程进行了详细讨论 1 51 5 论文的组织结构论文的组织结构 第 1 章绪论 主要描述排水行业监测管理系统的开发背景和技术的国内外 现状 本文解决的主要问题和完成的工作 第 2 章需求分析 主要进行排水行业监测管理系统的需求分析 首先进行 了排水行业监测管理系统的概述 其次描述了该系统的系统目标和解决的问题 山东大学硕士学位论文 7 最后对需求分析按照功能需求和非功能需求两个类别进行描述 第 3 章架构设计 主要进行系统的架构设计 首先对系统的设计目标和原 则进行了阐述 其次 在技术架构设计中 分别按照物理架构和逻辑架构进行 设计 最后详细描述了系统功能架构的设计过程 第 4 章详细设计 本章主要进行系统的详细设计 首先在系统建模部分 在对整体模型结构描述的基础上 对系统的整体结构进行设计 并分别进行了 各个模块的详细设计 第 5 章系统实现与测试 首先描述了系统的整体实现 并对各个模块的实 现进行了描述 其次 着重分析了功能开发和监测模块的实现 并对算法实现 进行了详细描述 最后 本章描述了系统测试的情况 并对压力测试进行了详 细描述 第 6 章对论文进行了总结 并对系统的进一步提升提出了改进意见 山东大学硕士学位论文 8 第第 2 2 章章 需求分析需求分析 2 12 1 系统概述系统概述 2 1 1 城市排水管线在线监测系统项目背景城市排水管线在线监测系统项目背景 项目建设和开发具有一定的技术基础 济南排水中心的前期建设完成了排 水综合管理系统的建设 为排水设施普查成果应用于排水业务提供了机制 同 时实现和完善了城市排水管网空间基础数据与业务数据的更新管理机制 实现 对排水重点专项业务和日常综合业务方面的管理 能够对突发事件做出快速反 应和准确分析并及时解决问题 排水综合管理系统同时实现了与城市防汛视频 监控系统 中水站监测系统 防汛预警决策支持系统 12319服务热线系统以及 排水其他相关系统的有机整合 为城市排水设施 城区河道 中水站 泵站的 运行 调控等方面的提供在线监视 监测 监控以及应急指挥调度的管理 但济南市城市排水管线分布面广 量大 在没有物联网技术支撑的情况下 只能采用传统手段实现对排水设施进行监控管理和分析 目前无法全面实现对 排水管线的实时采集 动态监控和运行状态感知 2 1 2 城市排水管线在线监测系统项目说明城市排水管线在线监测系统项目说明 基于物联网技术的排水管线在线监测系统项目将在原先信息化系统的基础 上继续开发新功能和新系统 主要包括 远程排水设施运行状态实时感知和数 据采集 动态数据传输 智能高效处理排水设施的海量信息和数据 实现对排 水管线在汛期安全运行情况进行有效准确监督 实现排水管理服务部门的业务 办理快速高效协同 项目建立排水管网基础数据中心 管网在线监测指挥系统以及基于GIS服务 和协同平台技术之上的各项业务管理系统 项目的建成能够实现济南市城市排 水的统一 集中管理 全面提升济南的排水设施运营管理水平 规划决策水平 和客户服务水平 为保障排水设施的安全稳定运行提供现代数字化管理手段 山东大学硕士学位论文 9 2 1 3 城市排水管线在线监测系统概述城市排水管线在线监测系统概述 系统综合集成了物联网技术 移动通信技术 数据仓库技术 3S技术等先 进信息技术 提供了对排水管网的基础设施进行信息自动采集 在线视频 动 态监测 实时监控管理 辅助决策和应急处置管理等功能 系统功能满足排水管理服务中心对城市排水设施 城区河道 中水站 泵 站运行等方面的在线监视 监测需要 满足污水全收集和其他工程管理需要 满足城市排水管理业务工作需要 满足中心的日常办公需要 充分发挥既有系统资源功效 为城市排水规划 建设 管理和应急处置工 作提供了技术支持 实现了城市排水数据 排水决策等的信息化管理 达到对 地下排水管网的可视化管理 为城市排水设施规划 建设提供合理化分析 为 排水事故影响进行评价和分析 提供合理化处置建议 提高排水管理的数字化 信息化水平 2 22 2 系统目标和解决的问题系统目标和解决的问题 本项目的系统建设的目标 是在前期项目完成项目的基础上 实现排水业 务的精细化 主要包括 1 在排水监管中心建立监测数据分析平台 用于将现场采集的液位 流量 流速等数据进行接入 整理和分析 并提供直观 有效的排水系统监测分析结 果 为排水事件的提前预警和及时处置提供决策支持 建立一套先进有效的排 水预警机制 2 通过与既有管网监测系统的对接 利用平台提供基于地理信息实时 全 界面的数据展示 并按系统既定时间自动刷新数据 方便工作人员随时查看各 个观测点管道的运行状况 实现管网数据的综合展示 3 通过监测分析平台的建设 提升排水中心对于管网监测数据的科学分析 能力 并对分析结果实现即时的报警与同步处理 使管网的运行问题能够得到 快速的解决 提升办公决策的准确性 及时性 有效性 4 通过对管网现状的分析 得到现行管网运行的薄弱环节 并利用分析结 果进行管网布局的优化设计与评估 实现对管网的优化 增强管网的排水能力 山东大学硕士学位论文 10 降低冒溢等排水故障的发生概率 5 通过对实时的监测数据的分析与处理 对管网进行运行预警并对管网的 运行现状实现动态模拟 为决策者提供准确直观的决策依据 6 依托于现代信息技术 充分贯彻数字市政建设的指导思想 实现排水管 网监测的自动信息化 建立起先进的管理模式 提高单位行政效率及社会公共 服务水平 7 基于现代无线通讯技术 建立起移动办公平台 可随时随地的信息查询 及报警管理 实现机动灵活的办公方式 2 32 3 需求问题描述需求问题描述 济南市排水管理服务中心 以下简称中心 隶属济南市政公用事业局 负 责济南市区城市排水许可管理 市区河道 排水泵站监督管理 城市污水管网 泵站的规划建设和管理维护等工作 中心下属排水管理 河道管理 工程管理 中水站泵站管理 技术档案管理 办公室 财务科 信息中心管理等8个部门 管理着历下 市中 天桥 槐荫 历城5个区十个业务单位 济南市市政公用 事业局 济南市排水管理服务 中心 市政公用事业局 其他下属科室 办公室 河道管理科 技术科 排水管理科 财务科 中水站泵站管理科 工程科 信息中心 图 2 1 组织架构图 1 科室职能 山东大学硕士学位论文 11 管理中心的各个科室在日常工作中所承担业务范围和职能如表2 1所示 表 2 1 科室职能表 科室业务范围 办公室中心日常办公事务 日常通知 公文收发管理 排水文化建设 财务科中心财务相关工作 排水科负责城市排水户管理 排水管网的养护维护监督管理 城市排水许可 管理 排水的应急处置管理 排水工程管理 排水设施在线实时运行 监控 考核管理 排水安全生产管理 排水设施巡查管理 河道科负责河道日常管理的监督 河道巡查管理 12319 分站工作 河道清 淤工作管理 河道应急抢险 河道工程审批 河道在线运行实时监控 河道科日常考核 工程管理 科 负责排水中心相关工程项目的前期手续准备 工程项目招投标过程 工程项目过程的监督管理 工程项目考核管理 中水站 泵站科 负责中水站 泵站的在线实时监控 中水站 泵站日常管理 中水站 泵站考核管理 中水站水质数据报告 泵站状态报告 泵站应急抢险 技术科技术档案的管理 工程项目的前期手续管理和工程档案的归档管理 科技项目管理 信息中心负责中心信息化建设及日常管理工作 2 信息化建设情况 目前中心建设和运行的系统有 1 排水综合管理信息系统 系统涉及排水设施地理信息子系统 巡查养护子系统 监督考核子系统 行政审批子系统 技术档案管理等十余个子系统模块 是一个集地理信息 网 上办公 公众服务于一体的城市排水综合管理信息系统 2 地理信息系统 建立了济南排水空间基础数据和日常业务数据的更新管理机制 实现能将 排水设施的普查成果应用于排水日常业务工作中 提高城市排水管网和设施的 空间数据的管理的力度和效率 提高城市排水数字化管理水平 将城市排水设 施普查成果应用于排水业务工作 建立和完善城市排水管网空间基础数据更新 管理机制和业务数据更新管理机制 提高城市排水管网和设施的空间规划和设 计能力 为城市排水规划 建设 管理和应急处置工作提供可靠技术支持 提 升地下排水管网的管理水平 实现与 数字市政 系统的无缝链接 实现数据 山东大学硕士学位论文 12 的对接 共享和业务的交流 对接 3 中水站SCADA系统 在各污水处理厂站建立设备自控系统 实现安全运行和实时流量 水质数 据 通过组态图的形式接入到管理系统中 4 视频监控系统 建立了中水站视频监控 河道视频监控和防汛视频监控 5 防汛预警系统 系统为独立运行系统 放置在济南市政公用市政局 该系统根据济南地貌 特点 通过分析大量地形 雨情等基础信息资料 建立洪水分析预报模型 并 根据不同降雨强度 降雨时间 洪水在地表 河道及城市排水管网内和在主要 道路的流动状况 实现灾情预警 预报 3 业务现状分析 排水管网监测信息化现存在的主要问题包括 1 管网监测运行管理不系统 不统一 不规范 目前济南排水中心针对管网运行监测 还没有制定较统一 规范 系统的 监测管理机制 对于管网监测业务 中心正处于试验摸索阶段 2 管网监测数据分析利用程度低 通过排水的监测设备得到管网运行状态参数后 对数据分析利用的程度较 低 利用这些状态参数进行管网运行状况的评估与管网布局的优化评估 对管 网的运行异常状况进行提前预警具有重要意义 3 分析结果展示程度差 排水综合管理信息系统的方案以流程为主 对应急方案的文档进行管理说 明 应急方案分析结果的展示方面较为欠缺 不能直观的进行展示 4 与空间数据结合程度低 现有系统中的数据展示以数据本身为主 未结合空间数据进行地图上进行 位置的展示 空间数据的属性信息中缺少对监测数据信息的描述 5 管网监测点布局缺乏长远规划 目前中心正在使用的监测设备数量较少 布点也仅限于大明湖污水主干管 东护城河 西护城河主干管等较典型的几个问题区 缺乏管网监测布局长远科 学规划 山东大学硕士学位论文 13 4 业务需求 随着社会的发展 信息技术的不断更新 在济南市市政公用事业局推进 数字市政 的大浪潮下 济南市排水管理服务中心结合自身业务 对中心的 信息化建设整体布局 着眼未来 对管网运行监测业务提出了更高的要求 1 综合性的管网监测数据分析功能 在实现管网运行监测数据统一 规范 集中管理的基础上 排水中心对如 何利用这些监测数据解决实际业务问题迫切渴求 中心希望系统能够提供更加 强大的综合性的数据分析功能 以解决管网运行管理过程中各种问题 为管网 未来规划 辅助决策支持提供有力的技术支持 10 2 丰富的报表统计功能 数据报表是中心日常工作评估 管理考核 决策支持的重要利器 但目前 情况是 当前管网运行监测系统报表功能是一项空白 3 信息系统资源整合