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                        城市綜合管廊的環境監控系統研發

                        添加時間:2020/08/13 來源:海南大學 作者:齊荑彭
                        本文分析了系統功能需求,設計了基于 STM32 的綜合管廊環境監控子系統。子 系統以 STM32F103C8T6 芯片為主控模塊,實現溫度、濕度、甲烷氣體濃度的采集。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          隨著社會不斷發展進步,城市建設不斷推進,國內掀起一股城市綜合管廊建設的 熱潮。城市綜合管廊實現了包括供水、排水、燃氣、熱力、電力、通信、廣播電視、 工業等多個城市重要管線的有序入廊,是保障城市運行的重要基礎設施和"生命線". 但城市綜合管廊是處于地下的密閉空間,且城市綜合管廊內部集結多種管線,所以城 市綜合管廊內部的環境安全問題至關重要。

                          本文分析了國內外城市綜合管廊的環境監控系統的發展現狀,完成了以下工作。

                          本文分析了系統功能需求,設計了基于 STM32 的綜合管廊環境監控子系統。子 系統以 STM32F103C8T6 芯片為主控模塊,實現溫度、濕度、甲烷氣體濃度的采集。 子系統軟件移植了 FreeRTOS 系統、FreeModbus 協議棧,實現數據的實時傳輸,將 采集數據通過 Modbus 通信傳輸到 PLC 控制器,PLC 控制器通過程序編寫判斷綜合 管廊內環境的溫度、濕度、甲烷氣體濃度是否在正常范圍內,以此控制綜合管廊內通 風機的啟停。 為用戶能方便地通過 PC 端的瀏覽器訪問該系統,本文采用 B/S 模式,采用 JavaBean+Struts+Jsp 搭建 Web 前端的基礎框架,利用 Struts MVC 設計模式分離事務 處理與頁面顯示,Tomcat 作為后臺服務器,部署整個系統的軟件設計,MySQL 作為 數據存儲服務器,實現系統的數據整個系統存儲、讀取。

                          本系統的人機交互界面采用 Web 前端頁面,設計了管廊分區管理頁面、參數管理頁面、設備管理頁面等,實現環 境參數的實時顯示和遠程控制。

                          本文所設計的系統要實現環境監控子系統能通過傳感器采集城市綜合管廊的環 境參數,并能將環境參數實時、動態在 Web 前端頁面展示給管廊巡檢人員,同時實 現對綜合管廊內設備的遠程控制。 完成了系統的軟硬件設計及系統測試。試驗結果表明,本系統各模塊正常工作, 實現了對綜合管廊內部環境的監控,達到了預期設計目標。

                          關鍵詞:城市綜合管廊;環境監控;Web

                        城市綜合管廊多維監控系統

                        Abstract

                          Nowadays,with the continuous development of society, the advancement of urban construction is also accelerating,there has set off a wave of urban utility tunnel construction in China.Uurban utility tunnel is joint-use underground facility that may contain multiple utilities such as water supply,sewerage,gas,central heating,electrical power,communications, and industry in various combinations or in some cases all together.It is an important infrastructure and "lifeline" for ensuring urban operation.However, urban utility tunnel is a closed space under the ground, which contains a variety of pipelines and other electrical equipment,it's essential for the environmental safety issues within the urban utility tunnel.

                          This paper analyzes the development and research status of the environmental monitoring system of urban utility tunnel in domestic and foreign and completes the following work.

                          This article analyzes the system functional requirements and designs an integrated utility tunnel environment monitoring subsystem based on STM32.The subsystem uses the STM32F103C8T6 chip as the main control module to realize the collection of temperature, humidity and methane gas concentration.The subsystem software transplants FreeRTOS system and FreeModbus protocol to complete the real-time transmission of collected data, then transmitted to the PLC controller through Modbus communication.The PLC controller determines whether utility tunnel ambient temperature, humidity, methane gas concentration is in the normal range or not,abnormal will turn on the fan

                          This paper applies the B/S design pattern so that users could easily access the system through the browser on the computer,using JavaBean+Struts+Jsp to build the basic framework of the Web front end,utilizing Struts MVC design pattern to separate transaction processing and display page,deploying the software design of the entire system on Tomcat server, storing and reading the entire system data in MySQL server.The human-computer interaction interface of this system adopts the web front-end page, and designs the utility tunnel partition management page, parameter management page, and equipment management page, so as to implement remote control and the real-time display of environmental parameters .

                          The system designed in this paper should accomplish that environmental monitoring subsystem collects environmental parameters of urban utility tunnels by sensors, then

                          display the environmental parameters in real-time and dynamic on the Web front-end page , at the same time,complete the remote control of equipment.

                          Finished the design and testing of the hardware and software of system. The test results show that the modules of the system work normally, achieve the monitoring of the internal environment of urban utility tunnel and the expected design goals.

                          Keywords:urban utility tunnel; environment monitoring; Web

                        目錄

                          1 緒論

                          1.1 研究背景及意義

                          時代在發展,人們的生活水平不斷提高,對生活各方面所需要的物質種類也在不 斷增多,這也導致在城市建設的過程中,需要鋪設的市政管線種類變得繁多。傳統的 解決方案是管線直埋,但一旦其中一根管線需要維護,即需要挖開道路,容易造成道 路反復開掘現象。同時路邊隨處可見高空架設強弱電線,這不但影響城市美觀,更有 可能在馬路坍塌時發生連鎖反應,加重事故損害后果。 城市綜合管廊建設由此應運而生,城市綜合管廊(Yang C et al.,2016)(Hunt D V L et al.,2015)是指在城市興建地下隧道空間,然后將各種市政管線集中入廊,統 一進行規劃、設計、施工和運營維護,其中的市政管線包括了供水、排水、供熱、通 信、電力、燃氣、有線電視等。如圖 1 所示。

                          城市綜合管廊建設高效的利用了城市地下空間,解決了以往多政府部門、多轄區、 多使用單位的管理混亂的難處,有利于市政管線的維護和檢修,也最大程度改善了城 市內澇、"馬路拉鏈"式工程、"高空蜘蛛網"現象等問題。 最近幾年,國內出臺了一系列政策加大城市綜合管廊建設的執行度,包括各種有 關城市綜合管廊建設的指導意見以及相應的財政支撐,并強調城市綜合管廊建設的目 標。2013 年,國務院發布的《關于加強城市基礎設施的意見》,指出要加大城市管 網建設和改造力度;2014,國務院發布的《關于加強城市地下管線建設管理的指導意 見》,指出要建立綜合管理信息系統;2015 年,國務院發布的《關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》,提出到 2020 年管線安全水平和防災抗災能力明顯提升 (余?,2016)。 城市綜合管廊建設最重要的是城市綜合管廊管線安全水平和防災抗災能力,城市 綜合管廊是鋪設在地下的隧道空間,密閉性較強,且內部集結了電力、供熱、通信、 給排水、燃氣等多種市政管線,受氣候、天氣影響,管廊內各種設備運行過程中可能 會產生各種有害或可燃氣體,管廊內部溫度、濕度、集水坑液位等發生變化,會極大 的影響城市綜合管廊的運營和后期維護以及巡檢安全(楊琨,2013)(楊超,2016), 因此對城市綜合管廊的內部環境進行實時、自動監控極為重要。

                          1.2 國內外研究現狀

                          1.2.1 城市綜合管廊國內外發展現狀

                          法國巴黎是世界上最早修建城市綜合管廊的城市,巴黎很早就開始修建排水系統 (王長祥等,2019),隨著城市發展,1832 年,巴黎市規劃了市區下水道系統網絡, 并在管道中收容了自來水、電信電纜、壓縮空氣管及交通信號電纜等五種管線(Wang et al.,2018)(Yanget al.,2016);日本是當今世界上城市綜合管廊建成規模最長、 技術最為完善的國家(白海龍,2015),日本的城市綜合管廊建設起步于 1923 年, 目前日本的城市綜合管廊內的管線包含了通信、電力、燃氣、上水管、工業用水、下 水管、供熱管、廢物輸送管等多種設施(施衛紅,2015);其他國家,如西班牙、美 國、加拿大、新加坡、瑞典、芬蘭等國家也紛紛開始投入大量資源開始建設城市管廊。 由于國內城市綜合管廊建設的起步較晚,目前國內城市的綜合管廊建設在整體上 來看還處于技術不夠成熟但發展規模直線上升的階段。國內城市管廊建設最早是 1958 年在天安門廣場下鋪設了 1000 多米的城市管廊(于晨龍,2015);1994 年上海 浦東新區建成國內第一條規模較大、距離較長的城市城市綜合管廊,城市綜合管廊內 包括給水、通信、電力、燃氣四條管道和相應附屬設施(賈志恒等,2016);2003 年廣州大學城城市城市綜合管廊開始動工興建,主要布置供電、供水、供冷、電訊、 有線電視 5 種管線(侯文俊等,2005),并為后續城市綜合管廊建設預留了部分管孔 空間。

                          2015 年,國務院發布《關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》,該意見 指出要全面貫徹落實黨的十八大和十八屆二中、三中、四中全會精神,按照《國務院 關于加強城市基礎設施建設的意見》(國發〔2013〕36 號)和《國務院辦公廳關于 加強城市地下管線建設管理的指導意見》(國辦發〔2014〕27 號)有關部署,適應 新型城鎮化和現代化城市建設的要求,把地下綜合管廊建設作為履行政府職能、完善 城市基礎設施的重要內容,在繼續做好試點工程的基礎上,總結國內外先進經驗和有效做法,逐步提高城市道路配建地下綜合管廊的比例,全面推動地下綜合管廊建設。

                          1.2.2 城市綜合管廊環境監控系統國內外發展現狀

                          早期的城市綜合管廊內管線種類少且缺乏相關監控設備,大多采用人工巡檢管理 模式,容易發生意外事故,大大限制了城市綜合管廊的發展規模。隨著科技的發展, 信息技術不斷進步,可運用于環境監控的科學技術不斷推陳出新,這也為智能化城市 綜合管廊監控技術提供了強有力的科技基礎。 法國巴黎從 1991 年開始計劃更新第一期下水道修復工程,并建設地下水道網絡 管理信息化系統對下水道網絡進行管理,該系統到 2006 年時已更新了 5 次,能夠對 地下水管網中水流量及降水狀況進行實時監控(劉華等,2011)。新加坡 CPG 集團 FM 團隊針對城市綜合管廊的運維管理設計開發了一套智慧運維平臺,保證綜合管廊 安全運行,其中對管廊內部環境監測分為環境監測、空氣質量監測、施工條件監測等, 對綜合管廊進行系統化、精細化管控(王曦等,2018)。

                          然而在國內,城市綜合管廊建設正在新興奮起發展階段,目前國內關于城市綜合 管廊的研究主要集中于管廊建筑建設及其附屬設施建設等方面,應用于城市綜合管廊 監控系統的研究不多,查閱文獻資料,城市綜合管廊監控系統主要包括以下相關的研 究。李雙鳳等人在淺談綜合管廊的內部環境特點及安全隱患一文中指出城市綜合管 廊安全良好的內部環境是各類專業管線及附屬設施設備安全運行的保障,由于目前入 廊管線多為全新管線、城市綜合管廊運營時間短,暫未發生管道泄漏等問題,但受各 地氣候及管廊內部密閉潮濕的影響,人們越來越多地著眼于城市綜合管廊內部環境的 監控(李雙鳳等,2018)。

                          朱雪明在世博園區綜合管廊監控系統的設計中介紹了上海世博園內的城市綜合 管廊監控系統,根據世博園區城市綜合管廊監控系統的運營管理需求、附屬設備監控 需求、安全防災需求分別設置各自監控子系統,以全面實現城市綜合管廊內環境監測、 附屬設備監控、災害報警和安全防范(朱雪明,2011)。 周亮在城市地下綜合管廊安全監測系統建設關鍵技術研究中設計了一種城市綜 合管廊安全監測與報警系統,該系統通過傳感器對管廊內的環境、管廊自身變形進行 實時化、自動化、智能化的監測(周亮,2016)。 季文獻等人在綜合管廊智能監控系統設計一文中為解決城市綜合管廊內干擾性 強、使用單位多以及協調管理難度大等問題,為提高系統的可靠性、維護性,主要從 以下四個方面對系統進行設計:(1)傳感器數據采集;(2)通訊網絡系統架構;(3) 智能聯動控制;(4)綜合數據服務(季文獻等,2014)。

                          羅家木等人在基于 5G 無線傳感網絡的智慧管廊綜合監控系統設計一文中將基于5G 的無線傳感網絡應用于智慧管廊綜合監控系統,該系統可實現對城市綜合管廊的 全面實時監控,有效降低管廊的安全隱患(羅家木等,2017)。 童麗閨等人在基于物聯網與 GIS 的地下綜合管廊環境監測系統中設計了一種基 于物聯網、地理信息系統技術的城市綜合管廊環境監測系統,通過在城市綜合管廊內 部部署多種環境監測傳感器,獲取海量溫度、濕度、水位、氧氣等數據,并與地理信 息數據關聯,實現管廊環境監測和預警(童麗閨等,2017)。

                          1.3 本文主要研究內容

                          1.3.1 本文研究目標

                          目前市面上使用的城市綜合管廊運維監控系統本質上是通過對傳統工業監控進 行升級改裝來實現其功能,即更新部分傳統的工業監控系統設備,再將其套入適用的 城市綜合管廊環境。因此本文的研究目標有:

                         。1)傳統的工業監控大多采用人工巡檢管理模式,這不僅會提高運營管理的成 本,同時也易發生意外事故,且不能有效保證高效的管理水平、管理質量,更不能追 溯事故發生原因及過程,因此更需要通過信息化技術手段,保障城市綜合管廊的信息 流透明化,便于管理人員進行監控,及時發現問題排除故障;

                         。2)監控數據類別多樣化,因此管廊運維監控系統的設計打破信息孤島,致力 于信息融通,為人工智能和大數據奠定信息基礎。

                          1.3.2 本文研究內容

                          第 1 章:緒論。本章節主要闡述城市綜合管廊的研究背景及意義,介紹了城市綜 合管廊在國內外的研究現狀以及城市綜合管廊的環境監控系統在國內外的研究現狀, 說明本文的章節安排及研究內容。

                          第 2 章:系統總體設計及關鍵技術介紹。本章節對系統需求和功能進行分析,然 后提出了系統的總體設計方案,包括系統的硬件設計、軟件開發,并介紹本系統設計 開發過程中涉及到的部分關鍵技術。

                          第 3 章:系統硬件設計及實現。本章節主要介紹本系統的硬件設計、選型及實現。

                          第 4 章:系統軟件設計及實現。本章節主要介紹系統的軟件設計,包括環境監控 子系統的軟件設計、PLC 程序設計、數據庫表設計、Web 端頁面設計。

                          第 5 章:系統測試。依據本系統的總體設計方案,分別對城市綜合管廊的環境參 數采集功能、遠程/自動控制功能進行測試。

                          第 6 章:總結與展望?偨Y了論文所開展的研究工作,并指出了本論文中的不足 之處,然后針對如何深入研究提出了一些建議。






                          2.系統總體設計與關鍵技術介紹
                          2.1系統需求及性能分析
                          2.2系統的總體設計方案

                          2.3遠程監控系統常用模式
                          2.3.1 c/s模式
                          2.3.2 BVS模式
                          2.4通信技
                          2.4.1 Modbus通訊協議
                          2.4.2 Modbus TCP通信協議

                          2.5遠程監控系統中WEB程序開發技術
                          2.5.1 Struts2 MVC.
                          2.52 JavaBean和JSP.
                          2.6 JDBC訪問數據庫技術
                          2.6.1 JDBC簡介
                          2.6.2 JDBC驅動
                          2.6.3 JDBC接
                          2.6.4 JDBC訪問MySql數據庫的步驟
                          2.7本章小結

                          3系統硬件設計及實現
                          3.1系統硬件整體設計
                          3.2環境監控子系統硬件設計
                          3.2.1主控模塊
                          3.2.2溫濕度檢測模塊
                          3.2.1主控模塊
                          3.2.2溫濕度檢測模
                          3.2.3甲烷檢測模塊
                          3.3 PLC控制器
                          3.4本章小結

                          4系統軟件設計及實現
                          4.1環境監控子系統的軟件設計
                          4.1.1 FrecRTOS簡…
                          4.12基于FreeModbus協議棧實現的Modbus RTU服務
                          4.13傳感器模塊
                          4.2 PLC程序設計
                          4.3數據庫表設計

                          4.4 Web瑞頁面設計
                          4.4.1登錄頁面設計
                          4.4.2管廊分區管理頁面設計
                          4.4.3設備管理頁面設計
                          4.4.4參數管理頁面設計…_.
                          4.5本章小結

                          5系統測試
                          5.1系統測試環境搭建
                          5.2環境監控子系統測試
                          5.3Web前端測試
                          5.3.1登錄功能測試
                          5.3.2參數管理功能測試
                          5.4本章小結

                        6 總結與展望

                          6.1 本文總結

                          城市綜合管廊作為現代化城市建設的基礎設施,解決了高空架線復雜、土地資源 利用率低、城市管線管理難等問題。城市綜合管廊內部管線繁多,空間密閉潮濕,因 此城市綜合管廊的環境安全問題尤為重要。本系統根據環境參數選擇合適的傳感器, 將監測數據傳送給 PLC 控制器,實現遠程信息展示、手動/自動控制。由于國內的城 市綜合管廊仍在新興發展階段,經過翻閱大量參考資料,本系統主要分為兩個模塊: 城市綜合管廊內部環境監控子系統、Web 前端展示,本文從軟件和硬件兩個方面分別 介紹該系統功能及實現。本文首先針對系統設計需求進行分析,確定了系統的總體設 計方案,接著介紹了硬件各個模塊的功能,針對硬件各模塊進行相應的軟件設計開發, 然后遠程在人機交互界面展示。 本文所做的工作主要有以下幾點。

                         。1)闡述了本文的研究背景及意義。通過翻閱大量參考文獻,簡要的說明國內 外環境監控的發展現狀,確定本文的研究內容及目標。

                         。2)對系統的功能需求進行分析,設計本系統的總體方案,對比遠程監控 C/S、 B/S 模式的優缺點,確定系統采用 B/S 模式進行設計,并介紹了該系統設計開發過中 涉及到一些關鍵技術。

                         。3)系統硬件設計及實現。根據系統實際需求實現系統硬件的各模塊的設計及 選型,系統硬件分為:主控模塊、溫濕度檢測模塊、甲烷氣體濃度檢測模塊;然后介 紹了 PLC 控制器,闡述 PLC 控制器實現的功能。

                         。4)系統軟件設計及實現。環境監控子系統的軟件部分使用 C 語言在 Keil uVision5 開發環境下完成各個子模塊的程序設計,實現數據采集并通過 Modbus RTU 通信傳輸到 PLC 控制器;PLC 程序設計使用西門子的 STEP 7 MicroWIN SMART 軟 件進行開發,實現城市綜合管廊內部運維設備的啟?刂;Web 前端使用 Java 語言 在 Eclipse 開發環境下完成各個子模塊的程序設計,實現溫度、濕度、甲烷氣體濃度 的接收、存儲、展示,實現城市綜合管廊的遠程管控。

                         。5)系統測試。分步搭建好系統硬件模塊和軟件平臺后進行總體調試,并對系 統功能進行測試。試驗結果表明,本系統各模塊正常工作,能夠實現預期設計的各項 功能指標。

                          6.2 展望

                          本系統的設計開發涉及到的知識面比較龐大,因此還存在著以下幾點需要完善改 進的地方。

                         。1)本系統是根據系統需求進行設計開發的,相對已有的大型項目而言,本系 統邏輯簡單,可能會存在并發訪問性能差的問題。

                         。2)本系統中對于風機的啟?刂品椒ㄟ^于簡單,后期研究時,可考慮多傳感 器數據融合來建立更為全面的城市綜合管廊的環境評估系統,更進一步,則可考慮通 過大數據對城市綜合管廊環境安全進行預估、預防。

                         。3)本系統的人機交互界面設計的不夠美觀,環境監控子系統設計還不全面, 后期應該考慮到集水坑液位監測、視頻監控等功能。

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                        致謝

                          光陰似箭,日月如梭,三年的研究生生涯即將走近尾聲,這段時光讓我收獲了成 長、自信,甚至給我今后的人生帶來更深遠的影響,在此,本人希望對所有給予我關 心和幫助的老師、同學、家人、朋友們表達我最真摯的感謝。 首先,由衷的感謝我的導師陳褒丹老師。

                          在我三年的研究生生涯中,陳褒丹老師 給予了我非常多的幫助與支持。陳褒丹老師給我提供良好的科研環境,還為我提供了 技術培訓的機會,拓寬了我的知識面。陳褒丹老師他知識面廣博、治學嚴謹、待人慈 祥和藹,非常榮幸能成為陳褒丹老師的學生,我從陳褒丹老師身上學到的對工作認真 嚴謹,對人溫和有禮,這些將成為我人生寶貴的財富。

                          衷心的感謝任佳老師,任佳老師給我提供了參與到項目課題的機會,給了我許多 建議指導,為我指明方向,讓我在科研的道路上更進一步。任佳老師以身作則,給我 們樹立了榜樣,引領著我們學習和進步。 更要感謝張育老師、易家傅老師的付出,張育老師以他豐富的技術經驗,認真嚴 謹的工作態度,帶領著我們攻克許多難關;易家傅老師在嵌入式開發方面有著非常豐 富的經驗,還非常有耐心的帶我入門,教我硬件電路、芯片手冊、調試代碼,為我解 疑答惑;感謝崔亞妮老師給我的耐心指導,希望老師們今后的科研路順暢,身體健康。

                          感謝戴晶幗師姐,感謝劉琨師兄,感謝黃智雯師姐、鄒嫣然師姐、賈倩雯師姐給 我輔導,引著我入手項目課題,感謝彭潛、錢帆、唐立、華黎明、王天龍、汪煉,正 是因為有了你們這群可愛的小伙伴,讓我的研究生生涯更加的充實,感謝你們這三年 以來的陪伴、支持、鼓勵、幫助。

                          這三年,我們一起奮斗,閑暇聚餐、游玩,一起挨 批,一起學習,共同進步,共同成長。感謝舍友們對我的包容、體諒,感謝你們為熬 夜的我留的燈。 最后由衷的感謝我的家人。感謝我的父母一直在我背后默默的付出和支持,希望 我能讓你們因為我而感到驕傲。同時,感謝金浩一直以來的陪伴,因為有你,生活更 加豐富多彩,更讓我意識到我是獨一無二的。

                          這三年的研究生生涯將是我人生中美好而珍貴的一段回憶,感謝每一位幫助過我 的老師、同學、家人,正因為有你們,才給了我這么美好的三年。祝福大家,希望大 家事業有成,身體健康。

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