基于iBeacon的地下綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)與分析

呂繼群

(浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

0 引 言

隨著國(guó)家城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，城市地下基礎(chǔ)設(shè)施落后的問題日益突出，從我國(guó)國(guó)情出發(fā)，借鑒國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，在城市建造用于集中敷設(shè)電力、通信、廣電、給排水、熱力、燃?xì)獾仁姓芫€的地下綜合管廊，是創(chuàng)新城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要舉措，不僅可以逐步消除“馬路拉鏈”、“空中蜘蛛網(wǎng)”等問題，用好地下空間資源，提高城市綜合承載能力，滿足民生之需，而且可以帶動(dòng)有效投資、增加公共產(chǎn)品供給，提升新型城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量，打造經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動(dòng)力。張俊在談到綜合管廊建設(shè)存在的問題研究。時(shí)麗萍通過對(duì)城市綜合管廊的運(yùn)行環(huán)境分析后認(rèn)為研究。王長(zhǎng)祥等綜合介紹了發(fā)達(dá)國(guó)家的管廊研究。無論是管廊建設(shè)速度還是建設(shè)規(guī)模，中國(guó)都已經(jīng)是世界上的第一的管廊大國(guó)，隨著管廊建設(shè)規(guī)模的發(fā)展，有關(guān)管廊工程的投資、規(guī)劃、建設(shè)階段，尤其是運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的研究還相當(dāng)薄弱，管廊工程是典型的跨多學(xué)科的綜合學(xué)科，在大規(guī)模的建設(shè)推進(jìn)下，適用于管廊的各種新技術(shù)層出不窮，同進(jìn)也伴隨著各種新問題，隨著問題的逐步解決，又有更多新的技術(shù)應(yīng)用，這種螺旋式上升，需要更多的探索與實(shí)踐，因此，從實(shí)際出發(fā)，探索管廊的技術(shù)應(yīng)用、多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)機(jī)制、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等的研究顯得尤其必要。

1 研究現(xiàn)狀及難點(diǎn)

綜上所述，由于起步較早，發(fā)達(dá)國(guó)家在管廊技的技術(shù)和制度均領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)管廊。我國(guó)無論是在投資規(guī)模、工程技術(shù)方面已經(jīng)大大領(lǐng)先于國(guó)外，但是在規(guī)劃建設(shè)、成本回收、運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理模式等方面與國(guó)際高水平相比還是存在一定的差距。應(yīng)該做好長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，而不是一哄而上，大干快上，只講速度，或者片面追求大求全，浪費(fèi)資金并無益處。由于管廊人才培訓(xùn)相關(guān)的探索幾乎是空白，如何利用現(xiàn)有資源對(duì)管廊急需人才進(jìn)行培訓(xùn)，以適應(yīng)當(dāng)前的管廊建設(shè)形勢(shì)，存在著很大的不確定性。張竹村等重點(diǎn)介紹了國(guó)外管廊建設(shè)的趨勢(shì)研究。龔凱在介紹了在管廊技術(shù)中比較先進(jìn)的非接觸式感溫電纜和圖像感煙技術(shù)在管廊中的應(yīng)用場(chǎng)景研究。張東杰對(duì)于BIM+GIS在管廊中的應(yīng)用提出了可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享研究。謝博全等研究了基于BIM+3DGIS的城市基礎(chǔ)設(shè)施物理信息融合研究。綜合管廊一般分為綜合管廊實(shí)訓(xùn)空間干線內(nèi)設(shè)置電艙、水艙和燃?xì)馀撊N艙室，支線內(nèi)設(shè)置電艙和水艙兩種艙室。廊內(nèi)巡更/人員定位研究存在以下問題。

(1)管廊是線狀結(jié)構(gòu)、空間狹長(zhǎng)，無線信號(hào)在垂直廊道走向方向傳播范圍受限。

(2)廊內(nèi)架設(shè)管線支架密集，無線信號(hào)視距傳播距離較短。

(3)管廊金屬材質(zhì)設(shè)施較多，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)一般較差。

(4)系統(tǒng)斷電的情況下，容易迷失方向。

2 概 述

2.1 綜合管廊發(fā)展背景

隨著國(guó)家城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，城市地下基礎(chǔ)設(shè)施落后的問題日益突出，從我國(guó)國(guó)情出發(fā)，借鑒國(guó)際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，在城市建造用于集中敷設(shè)電力、通信、廣電、給排水、熱力、燃?xì)獾仁姓芫€的地下綜合管廊，是創(chuàng)新城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要舉措，不僅可以逐步消除“馬路拉鏈”、“空中蜘蛛網(wǎng)”等問題，用好地下空間資源，提高城市綜合承載能力，滿足民生之需，而且可以帶動(dòng)有效投資、增加公共產(chǎn)品供給，提升新型城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量，打造經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動(dòng)力。2013年國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)7月28日主持召開國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，部署推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)，從那以后，國(guó)家在各個(gè)層面促進(jìn)管廊建設(shè)，最近幾年內(nèi)，密集出臺(tái)了一系列政策與法規(guī)，管廊建設(shè)成為一段時(shí)間的建設(shè)重點(diǎn)。幾年來，中國(guó)的管廊從少到多，一舉成為世界第一的管廊大國(guó)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到2020年，這個(gè)數(shù)字將達(dá)到12 000 km。因?yàn)楣芾冉ㄔO(shè)近幾年剛剛起步，各方面的人才均嚴(yán)重缺乏，加強(qiáng)管廊專業(yè)人才的培訓(xùn)已經(jīng)刻不容緩，管廊實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)在培養(yǎng)人才的實(shí)際操作方面作用突出，也要加快節(jié)奏，緊跟時(shí)代前進(jìn)的步伐。

2.2 項(xiàng)目概況

綜合管廊實(shí)訓(xùn)空間位于學(xué)院內(nèi)實(shí)訓(xùn)樓西側(cè)，長(zhǎng)50 m，按照功能劃分為入口段、管線引出段、管線交叉段(兼教學(xué)空間)、集水投料段及通風(fēng)出口段共5個(gè)區(qū)域。綜合管廊實(shí)訓(xùn)空間干線內(nèi)設(shè)置電艙、水艙和燃?xì)馀撊N艙室，支線內(nèi)設(shè)置電艙和水艙兩種艙室。電艙內(nèi)空為寬×高=2.0 m×3.0 m，水艙內(nèi)空為3.4 m×3.0 m，燃?xì)馀搩?nèi)空為1.5 m×3.0 m。為三倉(cāng)設(shè)計(jì)，分別是燃?xì)馀摗⒕C合艙(水信艙)和電力艙，中間部分作為教學(xué)空間，保留承力用的立柱，取消隔墻，以方便教學(xué)與參觀。管廊環(huán)境比較惡劣，大部分設(shè)備能適應(yīng)高溫、高濕度的工作環(huán)境，管廊監(jiān)控與管理系統(tǒng)工程包含、消防報(bào)警系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)、安放及視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備控制子系統(tǒng)，廣播子系統(tǒng)、無線巡更及定位子系統(tǒng)、管廊安全監(jiān)控檢測(cè)子系統(tǒng)、智能井蓋子系統(tǒng)以及作為核心的管廊管理綜合平臺(tái)。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)理念

通常情況下，管廊內(nèi)沒有手機(jī)信號(hào)，通過有關(guān)的通信公司，建設(shè)中轉(zhuǎn)基站將手機(jī)信號(hào)引入管廊是一個(gè)解決的辦法，但是如果在管廊內(nèi)發(fā)生系統(tǒng)斷電的情況下，管廊內(nèi)工作人員將無法通過手機(jī)及時(shí)知曉自己的準(zhǔn)確位置，這非常不利于管廊人員的工作與逃生。因此，管廊內(nèi)無需電源的導(dǎo)航系統(tǒng)顯得非常重要。同時(shí)，萬一在管廊內(nèi)發(fā)生火警、有害氣體超標(biāo)，現(xiàn)有大多數(shù)管廊平臺(tái)都可以通過廣播提示、燈光報(bào)警、手機(jī)提醒等多種方式提醒管廊內(nèi)人員，但是，僅僅提醒是不夠的，應(yīng)該快速準(zhǔn)確地引導(dǎo)管廊內(nèi)人員在最短最安全的路徑撤離，由于管廊是線狀結(jié)構(gòu)，如果指導(dǎo)不及時(shí)，導(dǎo)致人員撤向火場(chǎng)，反而可能導(dǎo)致人員傷亡，管廊內(nèi)集成導(dǎo)航系統(tǒng)將可以及時(shí)準(zhǔn)確地引導(dǎo)廊內(nèi)人員撤離，甚至可以根據(jù)管廊內(nèi)氧氣濃度計(jì)算逃生路線。

在管廊的日常巡更過程中，容易發(fā)生巡更過程無法核查，沒有實(shí)時(shí)狀態(tài)，尤其是巡更線路無法核查，存在著設(shè)備漏檢的可能性，采用通過集成巡更/人員定位系統(tǒng)可在GIS中再次展示巡更軌跡，為人力、OA等第三方管理平臺(tái)提供原始工作數(shù)據(jù)。由于運(yùn)維情況復(fù)雜，巡檢人員很難完全掌握地下管廊運(yùn)行工況，且容易迷失方向，且位于地下網(wǎng)絡(luò)信號(hào)一般較差，遠(yuǎn)程監(jiān)控人員很難實(shí)時(shí)對(duì)工作人員進(jìn)行指導(dǎo)、監(jiān)控，工作人員也存在一定的安全隱患。因此引入地下管廊3D定位導(dǎo)航系統(tǒng)，既可能對(duì)管廊內(nèi)的電力、水力、通訊管線設(shè)施進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢查與情況分析，又能對(duì)廊內(nèi)設(shè)施進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與分析診斷，用科技手段輔助管廊監(jiān)控，有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用意義。

3.2 系統(tǒng)組成

本藍(lán)牙導(dǎo)航系統(tǒng)功能包括實(shí)時(shí)定位、位置搜索、路線規(guī)劃、路線導(dǎo)航、巡更路線規(guī)劃等。地下管廊3D定位導(dǎo)航系統(tǒng)采用藍(lán)牙iBeacon室內(nèi)定位技術(shù)、無線傳輸技術(shù)等，利用微信、APP平臺(tái)，為用戶提供室內(nèi)實(shí)時(shí)定位、路徑規(guī)劃導(dǎo)航、位置搜索查詢、場(chǎng)景遠(yuǎn)程漫游、待巡檢位置標(biāo)記、巡檢數(shù)據(jù)上傳、人員反向定位等服務(wù)。快速定位設(shè)備隱患位置、巡檢人員位置，提高管廊管理和維護(hù)效率。

(1)定位原理

在藍(lán)牙iBeacon覆蓋的區(qū)域，iBeacon周期性地廣播信號(hào)，智能終端接收到信號(hào)后，通過本地算法根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱及其它傳感器收集到的信號(hào)，生成智能終端所在位置的傳感器的特征值，并根據(jù)特征值生成智能終端的位置信息。使用智能終端的用戶在不同位置接收到的藍(lán)牙信號(hào)的特征值不同，通過對(duì)比系統(tǒng)生成的特征值與接收到的特征值進(jìn)行比對(duì)，從而判斷用戶所在的位置。

(2)系統(tǒng)方案

如圖1所示，采用分層、分布式的部署結(jié)構(gòu)，明確地分離了表現(xiàn)層和業(yè)務(wù)邏輯，能夠保證應(yīng)用服務(wù)邏輯的一致性和穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的開放性、功能的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性、開發(fā)的可并行性。Web前端采用MVC框架Struts 2，Struts 2可以說是Struts穿上了WebWork的外衣，其內(nèi)核大部分都是采用WebWork的技術(shù)，并且基于AOP的設(shè)計(jì)思想，讓我們?cè)谲浖O(shè)計(jì)上的能夠更加多地體現(xiàn)“高內(nèi)聚，低耦合”的設(shè)計(jì)思想。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

移動(dòng)端采用J2EE框架Spring，作為一個(gè)開源的J2EE框架，雖然它沒有太多的新技術(shù)點(diǎn)，但它的整合性，拿得我們的開發(fā)更加簡(jiǎn)單，IOC、AOP、事務(wù)處理、開源框架的整合支持等等，使得作為一個(gè)J2EE框架的首選頁面框架，使用DIV技術(shù)、JSTL標(biāo)簽庫(kù)、Struts 2標(biāo)簽庫(kù)、DWR、AJAX、XML+XSLT等技術(shù)來讓頁面更容易維護(hù)，使用OSCache緩存技術(shù)來提高頁面的訪問速度。

(3)定位導(dǎo)航模塊

管廊內(nèi)正常情況下沒有手機(jī)信號(hào)，因此，管廊內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，如表1，巡更系統(tǒng)顯得非常有必要。平臺(tái)通過集成巡更/人員定位系統(tǒng)可在GIS中再次展示巡更軌跡，為人力、OA等第三方管理平臺(tái)提供原始工作數(shù)據(jù)。本產(chǎn)品用戶系統(tǒng)功能包括實(shí)時(shí)定位、位置搜索、路線規(guī)劃、路線導(dǎo)航、巡更路線規(guī)劃等。定位導(dǎo)航模塊包括實(shí)時(shí)定位、位置搜索、路徑規(guī)劃、路線導(dǎo)航等。

表1 管廊內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)表

系統(tǒng)設(shè)置模塊包括系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)維護(hù)、意見反饋等。

(4)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施規(guī)范要求和項(xiàng)目實(shí)際需要，收集相關(guān)資料，平面圖紙(紙質(zhì)、掃描件或CAD圖)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圖紙信息，制作布點(diǎn)圖，現(xiàn)場(chǎng)按照設(shè)計(jì)好的布點(diǎn)圖部署硬件，并記錄下每個(gè)部署的硬件的MAC地址(一般記下后兩個(gè)字節(jié)即可，如e65a，e66b等，貼一個(gè)硬件，就在圖紙上記錄一下)。

②收集區(qū)域內(nèi)標(biāo)志信息、提示信息、設(shè)備信息等。

③若設(shè)備名稱等信息有變更，需要及時(shí)收集并更新。

4 實(shí)際效果

4.1 定位功能

在管廊內(nèi)安裝部署好iBeacon后，開啟藍(lán)牙打開應(yīng)用程序，即可成功定位，并顯示用戶當(dāng)前實(shí)時(shí)位置，精度約2～3 m。該位置既可以顯示在用戶手機(jī)上，也可以同步在系統(tǒng)監(jiān)控中心平臺(tái)上顯示，有助于平臺(tái)人員實(shí)時(shí)指導(dǎo)廊內(nèi)工作人員，也有助于廊內(nèi)人員掌握自己所處的位置。

4.2 導(dǎo)航作用

為了用戶更方便地使用導(dǎo)航功能，開發(fā)了適用了本管廊的APP兩個(gè)(安卓與蘋果各一個(gè))。APP名字：建院巡更，在導(dǎo)航系統(tǒng)上，集成有當(dāng)成的地址，附近的設(shè)備。需要完成的任務(wù)。出現(xiàn)緊急情況下人員的撤離線路等。發(fā)出警告信號(hào)，指示系統(tǒng)能正確指引管廊內(nèi)人員撤離危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)。

4.3 規(guī)劃線路

用戶通過搜索或圖上點(diǎn)選目標(biāo)位置后，系統(tǒng)自動(dòng)規(guī)劃一條導(dǎo)航路線。另外，如果管廊存在立體交叉等復(fù)雜環(huán)境，3D系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)樓層切換、跨樓層導(dǎo)航等功能。

4.4 遠(yuǎn)程漫游瀏覽

系統(tǒng)可設(shè)定手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式操作，在手動(dòng)模式下，用戶即使不在硬件部署的現(xiàn)場(chǎng)，也可以瀏覽、查看，在場(chǎng)景中漫游，提前熟悉場(chǎng)地情況。

4.5 指導(dǎo)巡檢

安排巡更人員工作時(shí)，可以將待巡檢的位置提前進(jìn)行標(biāo)記，并將標(biāo)記的信息儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便隨時(shí)調(diào)用，檢修人員及結(jié)果信息可實(shí)時(shí)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，便于巡檢管理與資源調(diào)度。

4.6 緊急撤離

在管廊內(nèi)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，通過平臺(tái)可以對(duì)管廊內(nèi)工作人員提醒，通常可以有幾種方式：緊急廣播，燈光+警報(bào)，指示逃生線路。利用無源的手機(jī)藍(lán)牙導(dǎo)航可以避免在特殊情況下，由于斷電等其他原因，可以作為冗余的安全措施，確保廊內(nèi)工作人員在最短的時(shí)間人撤離。

4.7 實(shí)訓(xùn)效果對(duì)比

在管廊實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的研究過程中，從開始選題到最后完成，中間歷時(shí)3年，期間多次修改，在評(píng)價(jià)管廊實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)時(shí)，選取了兩個(gè)年級(jí)的學(xué)生各20名作為對(duì)照組。在管廊相關(guān)內(nèi)容課程講述過程中，一并讓學(xué)生填寫自己對(duì)其他系統(tǒng)的認(rèn)知能力打分。在實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究的最初，按照單一專業(yè)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如表2所示，比如人員撤離管廊而不考慮指示與管廊內(nèi)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)效果并不太好。

如圖2所示，于是，在設(shè)計(jì)其余演示與教學(xué)系統(tǒng)時(shí)，都考慮了涉及2～3個(gè)專業(yè)，讓參觀者們能親身感受到管廊是一個(gè)整體，不是一個(gè)一個(gè)的系統(tǒng)，在分析時(shí)可以逐一講解，但在管廊內(nèi)實(shí)際使用時(shí)，都是各系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。

表2 實(shí)訓(xùn)效果數(shù)據(jù)表

圖2 實(shí)訓(xùn)效果對(duì)比圖

5 研究結(jié)果與改進(jìn)建議

(1)管廊定位的方式除了藍(lán)牙，還可以使用基于WIFI的定位，兩者之間的優(yōu)劣未進(jìn)行對(duì)比。

(2)燃?xì)馀搩?nèi)藍(lán)牙對(duì)系統(tǒng)安全的影響沒有進(jìn)行基礎(chǔ)性研究。

(3)管廊的定位與導(dǎo)航目前只是用于人員的定位，導(dǎo)航與人員緊急撤離，還沒有與安防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，下一步應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的研究。

(4)藍(lán)牙導(dǎo)航與系統(tǒng)BIM模型之間的數(shù)據(jù)沒有打通，系統(tǒng)未直接顯示在Bim+GIS模型上，下一步的研究工作也應(yīng)及時(shí)展開，因此，藍(lán)牙系統(tǒng)的定位與導(dǎo)航系統(tǒng)的研究工作任重道遠(yuǎn)。