基于物联网的城市排水管线在线监测系统的设计与实现.doc
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基于物联网的城市排水管线在线监测系统的设计与实现.doc
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分类号:
TP311 单位代码:
10422
密级:
学号:
(专业学位)
硕士学位论文
论文题目:
基于物联网的城市排水管线在线监测系统
的设计与实现
DesignandImplementationofthemonitoringsystembasedonInternetofThingsurbandrainagepipeline
作者姓名
学院名称软件学院
专业学位名称软件工程
指导教师
合作导师
2013年4月12日
分类号:
TP311 单位代码:
10422
密级:
学号:
(专业学位)
硕士学位论文
论文题目:
基于物联网的城市排水管线在线监测系统
的设计与实现
DesignandImplementationofthemonitoringsystembasedonInternetofThingsurbandrainagepipeline
作者姓名
学院名称
专业学位名称
指导教师
合作导师
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
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
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(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
目录
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
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
CONTENTS
ChineseAbstract I
EnglishAbstract II
Chapter1Introduction 1
1.1DevelopmentbackgroundfortheUrbandrainagelineMonitoringSystem 1
1.2Thelateststateoftechnology 2
1.3Themainproblemsneedtoberesolvedinthispaper 4
1.4Themainworkofthispaper 5
1.5Thestructureofthispaper 6
Chapter2Therequirementanalysis 8
2.1Introductiontothesystem 8
2.1.1ProjectbackgroundoftheUrbandrainagelineMonitoringSystem 8
2.1.2ProjectcommentoftheUrbandrainagelineMonitoringSystem 8
2.1.3IntroductiontothewholesolutionofUrbandrainagelineMonitoringSystem 9
2.2ProjectgoaloftheUrbandrainagelineMonitoringSystem 9
2.3Thediscriptionofrequirement 10
2.3.1Functionalrequirement 13
2.3.2Non-functionalrequirement 16
Chapter3Constructiondesign 18
3.1Desingaimandprincipleforthissystem 18
3.2Technologyconstructiondesign 19
3.2.1TechnologyconstructionfortheUrbandrainagelineMonitoringSystem 20
3.2.2LogicalconstructionfortheUrbandrainagelineMonitoringSystem 20
3.2.3TechnologyroadmapfortheUrbandrainagelineMonitoringSystem 22
3.3Functionalconstruction 23
3.4SystemDataacquisitionarchitecture 24
3.5Systemdeploymentarchitecture 25
Chapter4Detaildesign 27
4.1Dataacquisitionlayerdesign 27
4.1.1Acquisitionselectionofequipment 27
4.2.1Acquisitionequipmentinstallation 28
4.2Datatransportlayerdesign 28
4.2.1TransmissionNetworkDesign 28
4.2.2Thesystemsexternalinterfacedesign 31
4.2.3Dataservicesintegrateddesign 31
4.3Datalayerdesign 32
4.3.1DatabaseDesign 32
4.3.2Datatabledesign 33
4.4Businesssupportlayerdesign 38
4.4.1DataandGISengine 38
4.4.2Permissioncomponents 38
4.4.3Exchangeofinformationsharing 39
4.5Businessapplicationlayerdesign 39
4.5.1Publicpartofthedesigndescription 41
4.5.2Partoftheapplicationfunctionmoduledesign 43
4.6Systemdevelopment,operationdesign 47
4.6.1Systemcustomizationandscalability 47
4.6.2Optimizethedesignofsystemefficiency 47
4.6.3Systemsecuritydesign 48
4.6.4Developmentandruntimeenvironmentdesign 49
Chapter5Implementandtest 51
5.1ThewholeimplementforthetheUrbandrainagelineMonitoringSystem 51
5.1.1Theselectionandinstallationofmonitoringequipment 51
5.1.2Transmissionnetworkselection 52
5.1.3Monitoringapplicationsystemdevelopment 54
5.1.4Monitoringapplicationsystemfunctions 54
5.2TestoftheUrbandrainagepipe-linemonitoringsystem 68
5.2.1Testenvironment 68
5.2.2Testbasedon 68
5.2.3Testresultstatistics 68
5.2.4Testmetrics 69
5.2.5Fullevaluationofthetest 69
5.2.6TestConclusion 69
Chapter6Conclusion 70
Referrences 71
Acknowledgements 73
iv
摘要
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:
排水管网;管网监测;物联网;3S;
ABSTRACT
WiththeprocessofurbanizationinJinan,thefasterthepaceofconstructionofthemunicipalsewersystem,large-scale,fastupdate,drainagenetworkmanagementmoreandmoredifficult.Inrecentyears,thecitystormseweroverflowandpoordrainageeventshaveoccurred,Jinanwhohavebeenheavyrainscausedvaryingdegreesofdamage,thesocialorder,urbanfunctions,environmentandresources,tothepeople'slivingstandards,economicandsocialdevelopmentandurbanthenormaloperationofagreaterimpact.Inresponsetotheaboveproblems,improvetheurbandrainagenetworkoperationmonitoring,managementandemergencyservicelevels,drainagemanagementservicecenterinJinanCitytocarryouttheconstructionofthemunicipalsewerlinemonitoringsystem.
Projectbyconstructingdrainagefacilitiesonlinemonitoringsystemfive-levellayer:
DataAcquisition、DataTransmissionNetwork,、DataLayer,、BusinessSupportLayerandBusinessApplicationLayertoachievereal-timeoperatingstatusofthedrainagenetworkandfacilitiesmonitoring.BuildingintheuseofRemoteSensing,Telemetry,Database,GeographicInformationSystems(GIS),GlobalPositioningSystem(GPS),theInternet(theInternet)andothermoderntechnologytosupportthedesignanddevelopmentoftheproject.Ofthisprojectincludestheconstructionofthehardwareplatformandsoftwareplatform,DataAcquisitionLayerisbasedonInternetofThingstechnology,deployment,andaccesslevelmeasurementequipment,advanceddrainswithintheurbanundergrounddrainagenetworklevelandflowmonitoring;DataTransmissionLayerthroughtheestablishmentandwired,wirelessdatatransmissionnetworkreal-timedatatransmissionanddataanalysis,discriminant,andstorage;datalayerismainlyresponsibleforthemanagementandstorageofthedrainagenetworkinthespatialdatainthesystem,real-timemonitoringdataandothertypesofdata.Servicesupportlayerthroughthedataengine,GISengine,servicecomponentssupportmoduleasabridgeandlinkbetweentheapplicationsandthedatalayer.
Projectconstructionprocess,constructionprinciples,advanced,practical,reliability,securityandscalabilityforgeographicinformationstandards,computerhardwareandsoftwarestandards,digitalJinanMunicipalstandardnational,industryandlocalstandardsandnormstofollowconstructionstandards.ProjectinJinandrainagemanagementservicecenterline,thedrainlinemonitoringofJinancityunified,centralizedmanagement,inactualoperation,fromthesocial,economicandmanagementeffectivenesstomeettheneedsoftheurbandrainageanddrainagefacilitiesmanagementworkofimprovetheJinanurbandrainagefacilitiesrunoperationsmanagementandplanningdecision-makinglevel.
Keywords:
Drainagenetwork;PipeNetworkMonitoring;InternetofThings;3S;
73
第1章绪论
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。
1.1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
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- 关 键 词:
- 基于 联网 城市 排水 管线 在线 监测 系统 设计 实现