董伟峰 张 艳
城市生命线工程在现代城市规划、建设以及管理中发挥着不容忽视的作用,而其在各种信息技术手段的支持下,从原本单一化的形式演变成了多权属、多类别的综合性系统,形成了完善的网络架构。城市生命线工程在运行中一旦出现异常,可能产生连锁效应,对城市的整体公共安全造成威胁。基于此,做好城市生命线管理工作,保障其安全稳定运行,尤其重要。
1 城市生命线管理概述
城市生命线是维持城市正常运转的系统,包含多个系统工程,如交通系统、能源系统、通信系统、给排水系统等。城市生命线本身有着其独有的特点,如关联性、基础性、系统性及复杂性等,面对城市在发展中存在的各种挑战,需要将城市公共安全管理所具备的预警功能、监控功能和诊断功能等全部发挥出来,切实提高城市生命线的安全性及可靠性。现如今,在城市生命线管理方面存在着很多问题,如防灾意识差、抗灾能力不足等,影响了管理的有效性。因此,必须利用先进的信息技术手段,如大数据技术、云计算技术、物联网技术、AI技术等,做好3个方面的工作。
(1)数据收集。通过对城市生命线数据信息的有效收集,能够实现有效的灾前预判,对城市生命线的抗灾能力进行衡量,构建起相应的清单制度,就生命线系统清单与关键基础设施清单进行合理区分。可以利用 DV技术和 GIS技术,对实时数据进行收集以及分发处理,配合移动智能终端设备,也能够完成现场数据的采集、分析,建立起智慧设施信息化
体系,推动城市生命线运维体系的整体贯通。
(2)科学决策。科学决策需要借助相应的信息服务平台,把握城市生命线网络的运行情况,为其运行发展提供相应的决策依据。以云计算、物联网、互联网+等技术为支撑,建立起城市生命线智能辅助决策平台,为基础设施的灾害预防以及修复工作提供决策支持。
(3)风险评估。有效的风险评估可以实现对突发性安全事件的预测,控制其所带来的社会影响。城市生命线风险管理包含了三方面内容:首先是风险评估,建立相应的数据库和物联感知网络,对生命线中的潜在风险进行实时评估;其次是预测预警,借助预警系统对生命线系统的各项指数进行监测,形成对风险区域的快速预警;最后是预案制定,依照风险评估结果,构建监测平台,推动不同平台间数据信息的共建共享,政府部门制定相应的应急预案,提升灾害发生时的响应能力。
2 面向城市生命线管理的物联网关键技术
物联网指运用红外感应装置、二维码识读设备、射频识别装置等传感器设施,依照事前约定好的协议,将相应的物品连接互联网,实现物品与网络之间以及物品之间的信息交互,从而达到识别、定位、跟踪以及监管等功能的网络。在实际发展中,物联网被认为是互联网以及移动通信网络之后,再一次出现的信息产业浪潮,因此受到了世界各国的广泛关注。从城市生命线管理的角度,物联网应用中的关键技术包括以下6个方面。
2.1 RFID技术
RFID指射频识别,也就是通常所说的电子标签,支持快速读写操作和长期跟踪管理。通过与传感器技术以及嵌入式软件的深度结合,利用现有的硬件技术、网络环境和数据库,可以搭建起包含大量移动标签和阅读器的物联网,其有着巨大的覆盖范围。
2.2 传感器技术
传感器能够依照相应的规则,将人们无法直接识别的信息转化,使得能够被获取和识别。信息化背景下,传感器技术的发展开始朝着智能化和网络化的方向演变,传统的传感器逐渐被智能化传感器以及 Web传感器所取代。基于微型传感器节点的合理布设,配合无线通信,能够得到相应的无线传感器网络。
2.3 网络融合技术
网络融合能够实现对于不同网络的融合,从而确保其相互之间可以实现有效的沟通和交流。如今,在网络融合技术中,Moby Dick项目比较具有代表性,其采用的接入方式包括以太网、WLAN及 WCDMA,在进行网络构建的过程中,核心目标是以 IPv6作为基础,实现对 AAA、Qos、移动性支持等内容的集成,最终有效连接不同的管理域或者接入网络。
2.4 数据压缩技术
数据压缩能够减少数据存储所需的空间,实现对数据的快速传输和高效处理,提高通信能力以及数据查询能力。如今,数据压缩技术在互联网、计算机、物联网等众多领域得到了广泛应用,依照分类依据的不同,可以将数据压缩分为三种:第一种是无损压缩和有损压缩;第二种是冗余度压缩和熵压缩;第三种是字典编码和统计编码。
2.5 数据融合技术
数据融合技术也称分布式传感技术,强调借助多种不同
2.6 智能识别技术
智能识别技术的典型代表是智能视频分析,也称为计算机图像视觉分析,可以从相应的场景中对背景和目标进行分离,然后对目标进行跟踪分析。现阶段,智能视频分析算法包含了三种类型:第一种是事件差分法,主要是利用了视频图像的特性,从连续视频中获取动态化的目标信息;第二种是背景减除法,结合背景图像和当前图像的差分,确定相应的运动区域;第三种是光流法,实际上是推向亮度模式的表观运动,计算机视觉研究中一个极具挑战性的任务,就是从
光流中,对物体的三维结构和运动状态进行恢复。
3 案例分析
以某城市生命线中的液化气监测管理为例,其本身存在比较严重的安全问题,一旦发生爆燃事故,可能带来巨大的经济损失,甚至引发人员伤亡,给社会公共安全带来严重威胁。对此,相关管理部门尝试使用物联网技术,实现对液化气的监测监管。相应的监测系统框架如图1所示。
图1 系统框架
3.1 项目建设内容
一是对数据采集装置进行安装。选择城市中的某个区域,在区域内1500户液化气公共服务用户端,安装相应的数据采集装置,配合物联网,对液化气浓度、安全设施运行状态等相关信息进行采集。二是搭建起相应的市级和区级远程监控系统,将系统接入到城市生命线物联网应用系统中。三是结合相应的安全网络,集成数据采集装置、报警器以及相应的安全辅助设备,进行系统联动以及远程监测。
3.2 相关算法设计
液化气监测系统中,可以采用加权平均数据融合算法,以规避传感器故障引发的影响,减少系统误差。
假设传感器数量为 N,全部观测到了未知量 Y,分别记录为{Yi}(i=1, 2, …, N),第 N个传感器观测的数据可以表 示为:
(1)
式中,Y(t)为测量的真实数值;ni(t)为传感器白噪声。若观测不存在偏差,同时相互独立,则 的估计值为:
(2)
(3)
式中, 为第 i个传感器的噪声方差,加权系数的和为1。为了得到某个观测量的预估值,必须对每一个传感器的权重进行明确。为了对式(3)中方差的最小加权系数进行计算,需要关注相应的辅助函数:
(4)
式(3)在 的条件下,最小值问题可以归集为相应的极值问题,存在:
(5)
借助传感器的测量数据以及算术平均值差的平方,可以得到某个传感器的方差,从而提高估计值的精准度。
3.3关键技术
3.3.1 物联数据专网技术
液化气监测监控系统实现了对区域的全面覆盖,系统中设置数量众多的感知设备,设备通过相应的城市物联数据专网,接入到区域监测平台中。物联数据专网在保障全面覆盖的同时,具备较强的便捷性,能够实现传感器设备、区域城市管理平台以及市政市容监控平台之间的可靠连接,从而很好地满足项目的实际需求。
3.3.2 多传感器融合技术
结合项目的实际情况分析,采用了多样化的传感技术,如气体浓度、电信号、位移信息等,能够对各种安全辅助设施的运行状态进行有效监测。在系统方案中,数据采集终端实现了对于多传感器数据信息的有效采集、管理、监测及传输等。数据采集终端在传感器监测和处理技术的支持下,可以对各种数据信息进行有效采集,能够同时实现本地管理、远程控制以及数据交互功能,形成更加完善的系统控制平台。系统能够针对传感器数据和设备状态信息进行实时监测,及时发现潜在的风险隐患,做好相应的风险预警。