基于物聯(lián)網(wǎng)的弱電管網(wǎng)集約化建設綜合管理系統(tǒng)設計

江蘇金卓能技術有限公司 曹 鵬

隨著信息技術的快速發(fā)展，弱電通訊管網(wǎng)扮演著越來越重要的角色，管網(wǎng)總量與內容物的復雜度逐漸升高，弱電管網(wǎng)管理通常采用人工方式進行巡查，這種管理方式無法及時獲取井內狀態(tài)、準確獲取光纜數(shù)量，同時井內纖芯路由復雜，在進行管理查詢時統(tǒng)計較為困難，這種弱電管網(wǎng)集約化管理方式已無法滿足時代建設的需求，需要優(yōu)化傳統(tǒng)的弱電管網(wǎng)集約化管理方式，采用信息化手段實現(xiàn)弱電管網(wǎng)集約化的綜合管理[1]。近年來，物聯(lián)網(wǎng)與GIS 技術在弱電管網(wǎng)集約化管理方面表現(xiàn)出較多優(yōu)勢，采用物聯(lián)網(wǎng)與GIS技術使通訊資源模型化、管網(wǎng)器件聯(lián)網(wǎng)化，提高地理空間的信息化水平，以此提升管理水平，完成及時報警、狀態(tài)自知、路由可監(jiān)測的弱電管網(wǎng)管理目標，本文為解決傳統(tǒng)弱電管網(wǎng)管理方式出現(xiàn)的問題，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的弱電管網(wǎng)集約化建設綜合管理系統(tǒng)。

1 弱電管網(wǎng)集約化建設綜合管理系統(tǒng)管理需求分析

分析空間要素。弱電管網(wǎng)分布在整個城市中，其與城市中各大建筑物、道路、地下設備、水電氣暖管網(wǎng)等空間要素的分布位置具有密切的聯(lián)系，在對弱電管網(wǎng)進行集約化的管理與建設過程中，地下設施、出入口等空間要素會發(fā)生變化，這種不確定的變化會對弱電管網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響，如城市基礎設施的維護、基建的施工等，對這些地上及地下的城市空間要素進行全面的了解才會掌握弱電管網(wǎng)對其受到的影響，從而有針對性的設計弱電通訊管道資源，發(fā)揮弱電管網(wǎng)應該發(fā)揮的管理效果[2]。

圖1 弱電管網(wǎng)集約系統(tǒng)架構

確定弱電管網(wǎng)井口運行模式。弱電管網(wǎng)井口在弱電管網(wǎng)建設與管理過程中發(fā)揮著重要的作用，是弱電管網(wǎng)系統(tǒng)的入口、決定著弱電管網(wǎng)系統(tǒng)的安全。一旦發(fā)生井蓋丟失、損壞或水位超限等情況，不但使通信網(wǎng)絡無法正常運行，還會對弱電管網(wǎng)的安全產(chǎn)生較大的影響，井蓋丟失或者移動后會給道路上的車輛及行人帶來安全風險，因此要充分、全面、及時的掌握弱電管網(wǎng)井口的運行狀態(tài)，確定其運行模式，對弱電管網(wǎng)井口的運行狀態(tài)進行全程跟蹤、監(jiān)測，當弱電管網(wǎng)井口處于危險模式時，需及時對危險情況進行感知并推送告警，提請及時處理，保證弱電管網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。

研究弱電管網(wǎng)集約化建設綜合管理路由運行狀態(tài)。弱電管網(wǎng)在進行集約化建設與管理過程中，需研究路由的運行狀態(tài)，路由的運行狀態(tài)與弱電管網(wǎng)中的路由資源具有密切的聯(lián)系，路由資源包括光纜資源與弱電通信管網(wǎng)資源，這兩大路由資源數(shù)量龐大，可建立三維模型、采用可視化手段對路由資源中的路由節(jié)點數(shù)量、路由分布情況進行充分了解，以此實現(xiàn)對路由運行狀態(tài)的掌握，從而全面管理弱電管網(wǎng)路由通達性與光纜資源的可用性，這對弱電管網(wǎng)集約化建設與綜合管理具有重要的意義[3]。

探索弱電管網(wǎng)管道光纜分布情況。弱電管網(wǎng)管道、光纜是城市信息化的關鍵基礎資源，是實現(xiàn)弱電管網(wǎng)集約化建設與綜合管理的重要部分，為實現(xiàn)弱電管網(wǎng)集約化建設與管理，需全面掌握需電管網(wǎng)管道、光纜的分布情況，確保在發(fā)生突發(fā)故障時可對其進行快速、有效的應急處置。在分析弱電管網(wǎng)管道光纜分布情況時，利用物聯(lián)網(wǎng)技術在線查詢弱電管網(wǎng)管道光纜的具體情況，找到已使用的弱電管網(wǎng)管道光纜的使用位置，通過人工進行一一核實、如果出現(xiàn)不匹配情況，需將實時弱電管網(wǎng)管道光纜使用的實際位置及數(shù)量更新到資源管理數(shù)據(jù)庫，以確保使用資源的實時性、準確性，為弱電管網(wǎng)管道光纜的建設、規(guī)劃提供科學依據(jù)。

實現(xiàn)資源管理一體化。傳統(tǒng)弱電管網(wǎng)資源綜合管理通常分為室外管網(wǎng)主干管理與室內布線接入管理，為實現(xiàn)這兩大弱電管網(wǎng)資源的一體化，傳統(tǒng)上在進行室外管網(wǎng)主干管理時通常將室外管網(wǎng)埋于地下，室內布線接入管理是將弱電管網(wǎng)路由的光纜線布設在室內，室外與室內屬于分開管理，這種傳統(tǒng)的路由管理方式使網(wǎng)絡業(yè)務無法持續(xù)進行，室外管網(wǎng)主干與室內布線無法形成一個持續(xù)的、完整的弱電管網(wǎng)路由網(wǎng)絡，無法實現(xiàn)弱電管網(wǎng)的綜合管理，為此本文提出了一個端到端的路由管理方式，即室外管網(wǎng)主干與室內布線同時接入到一個路由管網(wǎng)中、同時進行管理，以此實現(xiàn)資源管理的一體化[4]。

建立有效的資源數(shù)據(jù)庫。以往在進行城市信息化資源管理時，通常采用CAD 文件對弱電管網(wǎng)管道路由、光纜等基礎資源進行保存，這樣的保存方式可能會出現(xiàn)介質丟失或損壞的情況，并且在對弱電管網(wǎng)管道路由數(shù)據(jù)、光纜使用數(shù)據(jù)進行檢索時，檢索過程較為復雜，因此需要建立一個有效的、標準的資源數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)資源據(jù)的共享與更新，簡化檢索的環(huán)節(jié)與步驟，自動對各類弱電管網(wǎng)數(shù)據(jù)進行定時備份，從而實現(xiàn)弱電管網(wǎng)集約化建設與綜合管理。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的弱電管網(wǎng)集約化建設綜合管理系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計目標

本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)的弱電管網(wǎng)集約化建設與綜合管理系統(tǒng)的設計目標如下：建立具有標準結構的地理空間要素數(shù)據(jù)庫、弱電管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫與弱電管網(wǎng)井口運行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，制定弱電管網(wǎng)數(shù)據(jù)標準，加快弱電管網(wǎng)信息化建設；將城市空間要素與弱電管網(wǎng)資源信息進行結合，使弱電管網(wǎng)各類資源間存在密切聯(lián)系，實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)技術的弱電管網(wǎng)綜合管理；將物聯(lián)網(wǎng)技術與GIS 技術相結合，對弱電管網(wǎng)井口、管道、光纜、分布線、分光等弱電資源進行全面的監(jiān)測與管理；建立科學合理、標準合規(guī)的城市弱電管網(wǎng)集約化建設與綜合管理流程，以此提高城市弱電綜合管理的水平。

2.2 支撐技術

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術

弱電管網(wǎng)井口通常位于城市室外，在分布上集中性較差，為了對弱電管網(wǎng)井口的運行狀態(tài)進行綜合管理與監(jiān)測，需采用物聯(lián)網(wǎng)技術在弱電管網(wǎng)井蓋上安裝物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設備，通過物聯(lián)網(wǎng)技術傳輸各類通信資源數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)技術在弱電管網(wǎng)集約化建設與綜合管理方面具有較多的優(yōu)勢。物聯(lián)網(wǎng)采用3GPP國際標準，在中國運營商中處于主導地位，通過物聯(lián)網(wǎng)技術組成的弱電管網(wǎng)終端網(wǎng)絡包括智能井蓋、基站、弱電核心網(wǎng)、資源存儲平臺、數(shù)據(jù)傳輸服務器與弱電管網(wǎng)管理平臺。其中弱電核心網(wǎng)由廠商進行建設，弱電管網(wǎng)管理平臺與數(shù)據(jù)傳輸服務器由運營商建設運維，通過這種建設運維方式可加強弱電管網(wǎng)井口數(shù)據(jù)的監(jiān)測力度，集中精力建設資源數(shù)據(jù)庫，通過物聯(lián)網(wǎng)技術可實現(xiàn)弱電管網(wǎng)資源數(shù)據(jù)的安全、穩(wěn)定傳輸。本文系統(tǒng)可全程監(jiān)測弱電管網(wǎng)井口的運行狀態(tài)及井內水位的變化，同時通過物聯(lián)網(wǎng)技術還可遠程監(jiān)測弱電管網(wǎng)管道、光纜，在弱電管網(wǎng)的綜合管理中發(fā)揮看重要作用。

NB-IoT 網(wǎng)絡利用弱電管網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)實現(xiàn)信息管理，基于現(xiàn)場實際情況即時推送各類通知。圖2中相關設備如下。終端：UE（User Equipment），通過空口連接到基站（eNodeB（evolved Node B,E-UTRAN 基站））；無線網(wǎng)側：包括兩種組網(wǎng)方式，一種是整體式無線接入網(wǎng)（Singel RAN），其中包括2G/3G/4G 以及NBIoT 無線網(wǎng)，另一種是NB-IoT 新建。主要承擔空口接入處理，小區(qū)管理等相關功能，并通過S1-lite 接口與IoT 核心網(wǎng)進行連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉發(fā)給高層網(wǎng)元處理；核心網(wǎng)：EPC（Evolved Packet Core），承擔與終端非接入層交互的功能，并將IoT 業(yè)務相關數(shù)據(jù)轉發(fā)到IoT 平臺進行處理；平臺：弱電管網(wǎng)監(jiān)控管理平臺；應用服務器：以電信平臺為例，應用server 通過http/https 協(xié)議和平臺通訊，通過調用平臺的開放API 來控制設備，平臺把設備上報的數(shù)據(jù)推送給應用服務器。平臺支持對設備數(shù)據(jù)進行協(xié)議解析，轉換成標準的json 格式數(shù)據(jù)。

圖2 NB-IoT 網(wǎng)絡流程圖

2.2.2 GIS 技術

GIS 技術通過分析地理模型可提供多種空間要素信息與動態(tài)數(shù)據(jù)，是一種基于位置服務的計算機圖形技術，在弱電管網(wǎng)集約化建設與管理過程中可將地下管網(wǎng)與位置進行結合。本系統(tǒng)通過GIS 技術可視化特點建立了覆蓋整個城市的電子地圖，將城市弱電管網(wǎng)資源數(shù)據(jù)與空間地理位置信息聯(lián)系起來并與物聯(lián)網(wǎng)技木進行結合，使弱電管網(wǎng)中的資源信息可以在電子地圖中顯示出來，以便對弱電管網(wǎng)管道、井口、智能井蓋進行定位與統(tǒng)計。GIS 技術除了可提高弱電管網(wǎng)管道走向、實現(xiàn)弱電管網(wǎng)的綜合管理外，還可分析路由運行狀態(tài)、查詢管道使用程度，提高常規(guī)操作的精確性，此外還可結合物聯(lián)網(wǎng)水位感知分析井下水位的變化、掌握道路開挖進度，從而了解整個城市弱電管網(wǎng)的建設與管理情況，非常高效的對道路施工及弱電管網(wǎng)的建設進行預估，極大提高了弱電管網(wǎng)的建設與管理水平。

2.3 系統(tǒng)相關內容

系統(tǒng)結構分析。基于物聯(lián)網(wǎng)的弱電管網(wǎng)集約化建設與綜合管理系統(tǒng)除包括以部分外，還需建設系統(tǒng)預警模塊、決策模塊，并在資源數(shù)據(jù)的基礎上對弱電管網(wǎng)管道進行調度，監(jiān)控智能井下水位變化，統(tǒng)計某一段時間的水位變化量，通過物聯(lián)網(wǎng)技術，按照多種傳輸途徑傳輸獲取的信息數(shù)據(jù)，確保服務器與監(jiān)測終端都能準確接收資源數(shù)據(jù)；系統(tǒng)功能設計。本文系統(tǒng)的功能主要包括弱電管網(wǎng)基礎設備信息管理與操作電子地圖。根據(jù)弱電管網(wǎng)的業(yè)務需求，建立相應的管理平臺，制定合理的弱電管網(wǎng)集約化建設計劃，完成各類弱電管網(wǎng)資源數(shù)據(jù)的管理與建設工作。第二完成系統(tǒng)地圖參考圖層的增加，按照制定好的工作流程，完成弱電管網(wǎng)資源數(shù)據(jù)信息的導入與維護。

系統(tǒng)預警模塊。當弱電管井井口周界管理弱電管網(wǎng)井下水位超過標準水位后，本文系統(tǒng)的預警設備會發(fā)出預警信號，根據(jù)井下水位的數(shù)據(jù)信息獲取發(fā)生超限水位的井蓋位置，通過電子地圖進行定位，并統(tǒng)計出現(xiàn)異常水位的井蓋數(shù)量，及時對其進行處理，并通過視頻進行監(jiān)督；系統(tǒng)決策模塊。為把預警與調度體現(xiàn)在同一張地圖上，需建立系統(tǒng)決策模塊，利用計算機實現(xiàn)預警與調度的整合流程，利用物聯(lián)網(wǎng)與GIS 技術傳輸調度數(shù)據(jù)與預警數(shù)據(jù)。

3 應用效果分析

狀態(tài)分析。通過物聯(lián)網(wǎng)與GIS 技術對管井的狀態(tài)進行監(jiān)測與分析，監(jiān)測井下水位變化、周圍環(huán)境、井蓋開啟等狀態(tài)信息；資源查詢。對弱電管網(wǎng)管道的連接狀態(tài)，管孔使用率與光纜的使用情況進行在線查詢，管理交接箱熔接狀態(tài)，以及各類終端數(shù)據(jù)的傳輸情況；數(shù)據(jù)管理。對弱電管網(wǎng)井口運行數(shù)據(jù)、管道、管孔、井下水位變化數(shù)據(jù)、光纜使用量等數(shù)據(jù)進行管理，按照管孔密度、光纜的使用量進行道路的開挖模擬，對周邊的施工環(huán)境進行預估；三維一體化管理。從室內到室外實現(xiàn)三維一體化管理，全方位的觀察弱電管網(wǎng)的綜合管理情況。