智慧物联网在城市燃气防灾减灾中运用

2022-09-21 16:46:20 来源:写作指导

摘要:本文结合物联网技术,基于互联网管理系统,提出智慧城市建设中易燃有毒有害气体实时监测数据系统构架及传输方案,可供相关工程技术人员参考。

关键词:物联网;智慧城市;有害气体实时监测

1引言

物联网和移动互联网技术的融合能够实现社会经济效益的最大化提升,并预防灾害事故的发生。因此,创建智慧物联网发展模式是必然趋势。近年来,国内城市燃气事故频发,引发广泛关注。城市燃气快速发展,安全防护却跟不上。管道燃气管线违章占压、违规穿越密闭空间等问题大量存在,液化石油气企业违法充装、无证经营等行为突出,且科技信息化手段滞后,燃气自闭阀、燃气泄漏报警器等使用率低下,甚至许多城镇燃气事故的发生源于楼道未安装信息化燃气报警装置或装置出现故障,居民无法提前感知重大风险。基于大数据云平台、移动网络和物联网传感器,智慧物联网在城市燃气防灾减灾中有巨大的应用空间。

2系统设计要点

该系统由大数据云平台、物联网和终端传感器构建而成,需要满足城市燃气和有毒有害气体监测预警的需求。(1)构建一个普遍适用于城乡的传感设备数据传输网络,该网络具备终端分布广、种类繁多、数量庞大、采样频繁等特点。(2)根据智慧城市易燃有毒有害气体监测的管理特点,形成一个高效实用的多传感器数据融合算法,解决现场网关设备数据融合问题。(3)设计一组普适、便捷的物联网应用中间件架构及数据处理层压缩算法,实现传感器等感知元件和应用系统之间的数据格式转换、传输及过滤,具有统一的传感信息接入标准,具备对传感信息进行身份认证和安全传输的能力。(4)通过信息化、集中管理的方式,实现对易燃有毒有害气体的实时监测、预警,以及监测设备资产管理、运行监测、智能控制和整体运维管理,从而达到节能增效的目的,提升智慧城市安全管理水平。(5)充分利用项目积累的大量数据,优化系统业务管理、风险管控,以数据为中心,基于人工智能算法,支撑智慧化应用。

3总体思路

该系统利用现有成熟先进的监测技术,从数字化角度出发,结合智慧城市的发展趋势,基于大数据云平台和移动互联网,采用NB-IoT或LoRa终端物联网,在城市范围内的智慧灯杆和建筑楼道安装易燃有毒有害气体传感器,并接入互联网管理系统,构建易燃有毒有害气体监测系统,以实现城市应急、公共服务等综合管理。

4系统设计该系统

主要由气体采集设备、声光报警设备、联网模块、后台管理云平台(实时监测预警系统管理软件、监视屏、中心平台服务器)组成,包括前端感知子系统、网络传输子系统、物联网子系统和管理平台子系统四个部分。其中,气体采集设备、声光报警设备和联网模块组成一个采集单元,而联网模块主要作为云平台和采集设备(报警设备)之间数据交换的桥梁,向上通过网络与后台管理中心进行通信,实现数据交互与控制。气体采集设备实时采集CH4、H2S、NH3、CO、CO2等易燃有害气体在空气中的浓度等数据,然后通过无线或有线方式,经网关将采集的数据传输到云平台。

4.1前端感知子系统

气体采集设备是前端感知子系统的核心,它决定了预警的准确性。当空气中存在有害气体时,气体传感器会实时监测有害气体的浓度值,从而实现对有害气体的实时监测警告。气体传感器应用广泛,但每种应用场景下都有不同的技术要求,如被测气体类型、封装尺寸、灵敏度、寿命、响应时间等。本系统采用气体传感器来实现前端感知。选择气体传感器主要考虑的因素有量程范围、干扰气体、灵敏度、防水防护登记、采样方式等。

4.2网络传输子系统

在物联网的三层体系架构中,网络层承担着传输的功能,即通过互联网与物联网的融合,将各方面信息进行可靠交互与共享,并对应用、感知设备进行管理和鉴权。而这必须要有较大的吞吐量和较高的安全性。该系统主要考虑通过NB-IoT和LoRa-IoT两种无线传输技术来实现物联网的构建。现场的各种传感设备通过有线网络连接接入融合网关,融合网关通过NB-IoT或LoRa-IoT接入通信基站,通信基站通过网络光纤连接,接入大数据云平台。

4.3物联网子系统

设备侧(联网模块)通过基于TCP的MQTT协议,上传数据到物联网云服务平台提供的自定义Topic,服务端通过AMQPSDK获取设备上报消息,将数据处理后存入数据库。服务端通过调用物联网平台接口Pub向设备指令,设备接收到指令后进行相应的操作。Topic通信背景如图1所示。4.4管理平台子系统采用信息化技术进行智能化的有害气体在线监测及智能化数据分析、预警,为积极预防、处理事故提供可靠保障,实现监测预警与运维一体化可控、可测和可视。管理平台子系统架构如图2所示。(1)有害气体智能感知及智能分析预警技术。通过前端各类气体监测传感器等采集各区域有害气体监测数据,结合区域监测数据、历史数据等海量数据分析,实现对城市有害气体的分布、识别预警与预判,提升应急事件监测及预警能力,为供气部门提供辅助监测。(2)三维可视化技术。运用三维可视化、VR虚拟现实等技术,进行城市有害气体监测点基于3D的数据及报警三维可视化呈现、可视化交互与监控,实现2D/3D场景的可视化切换。同时,实现三维可视化仿真演练。(3)监测传感器智能巡检及运维技术。实现对有害气体传感器的远程智能巡检、传感器设备故障状态监测功能。采用流程与工单方式让机电设备的巡查、维修、派单信息化,实现对设备的资产管理、机电设备巡检管理、机电设备维修管理、设备运行监测系统的数据交互等功能。(4)应急调度融合通信技术。可以做到有害气体监测应急事件快速发现、无障碍传递、事件点资源融合、多媒体呈现、应急响应和处置过程流程化。在应急事件处置过程中,及时响应、有效联动、多渠道多方式的应急通知和事件的评估与追述,以及在城市各监测点应急事件监测、传递、处置的过程中,利用平台构建基于融合通信技术的应急指挥调度,并通过应急广播系统和移动互联网实现应急信息的多种终端覆盖。(5)基于智慧物联网的移动监控技术,可达到有害气体监测无人值守,管理者通过移动终端随时随地掌握城市各区域有害气体监测分布情况、预警情况,做到监测及预警无人值守。(6)资产管理数字化技术。对有害气体传感器、灯杆控制箱等资产、机电设备资产进行资产信息化管理,进行机电设备的竣工文件与GIS结构物对象绑定,在查看地图对象的同时,可快捷调出相应对象的竣工电子档案。

5测试案例

5.1案例架构

如图3所示,本案例框架中包含数据传感器(用于数据采集的传感器,如烟雾传感器、报警器等)、联网模块(将传感器的数据上传到服务器)、网络传输(使用MQTT作为无线物联网协议)、云平台(物联网服务器、应用服务器、存储器等)、用户终端(中控大屏、手机、工作站)几个主要部分。

5.2硬件设计案

例中以STM32F103作为主控制器,测试传感器为MQ-2烟雾传感器和MQ-4燃气传感器,联网模块为NB-IoT联网模块(WH-NB61),云服务器平台为阿里云。其中,STM32F103主控制器是整个系统的核心部分,负责各模块之间的数据通信,根据和各模块的通信情况,及时做出异常判断和处理;MQ-2烟雾传感器适用气体为可燃气体、烟雾,检测范围为100~10000ppm;MQ-4燃气传感器适用气体为甲烷、天然气,检测范围为300~10000ppm。

5.3协议与联网

使用NB-IoT作为无线传输的物理层协议,相对4G传输,有低功耗、传输小数据、传输速度低的优势。MQTT协议为应用层协议,是一个基于客户端—服务器的消息/订阅传输协议。本系统中,NB-IoT通信模块与阿里云平台通过MQTT协议进行通信连接,在STM32F103主控制器中的主要连接代码和步骤如图4所示。

5.4系统数据流转

传感器采集数据后,将其通过联网模块上传至云服务平台,然后物联网服务分析处理数据并存入数据库,智慧管理系统再从数据库中取出相关数据分析汇总并触发告警机制,通过大屏和用户终端进行呈现,用户便可以从终端获取相关信息,从而做出避险或者协助事故处理的举措。智慧管理系统也可以将告警数据再次汇报给物联网服务,然后物联网服务快速下发关闭指令给已经入网的燃气阀门控制器,使其关闭,从而达到快速阻止燃气继续泄漏的目的。本次测试中,气体阈值设定在250ppm进行预警。从19:00到24:00,其中共有三次(时间分别为21:02、22:58、23:02)唤醒报警器并关闭天然气阀门。经此测试证明,当气体浓度达到预设阈值时会触发预警机制,在一定程度上保证了燃气试验系统的自动化检测、自动化预警和自动化应急处理。

6结语

本文按照智慧城市信息化建设的发展趋势,打造先进的、高起点、高标准的基于智慧物联网的易燃有害气体智能监测系统及预警软件平台,解决了城市道路有害气体在线智能监测及运维一体化管理,体现了智能化安全监测、智能化运维以及智慧化、无人化的管理,增强了城市有害气体监测及预警管理的能力,提升了城市智能化安全管理水平。

作者:张长娟 单位:四川省广播电视科学技术研究所