基本信息
- 项目名称：
- 基于新型通信总线的城市地井环境监测系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 目前城市地井环境的监测及管理主要依靠人工巡检，效率低、耗费大量人力资源，而且当遇到水管爆裂、燃气泄漏、井盖丢失等事故时不能及时报警；而目前尚没有一种通讯总线或应用系统能完全满足城市地井环境监测的实际要求。本作品设计了一种适合该系统要求的总线供电、长距离、多点、全双工通讯的新型通信总线，设计由管理（PC）机、通讯总线、现场机组成的地下管道监控系统，可以监测地井环境的水位、可燃气泄漏、有无人员进入等状态和报警等，也可以推广应用在长距离、多采集点、易燃、易爆、总线供电等场合，具有广泛的应用前景和使用价值。为数字化城市的实现和地下管道的信息化管理奠定了基础。
- 详细介绍：
- 目前城市地井环境的监测及管理主要依靠人工巡检，效率低、耗费大量人力资源，而且当遇到水管爆裂、燃气泄漏、井盖丢失等事故时不能及时报警；而目前尚没有一种通讯总线或应用系统能完全满足城市地井环境监测的实际要求。针对以上现状，本作品主要设计由管理（PC）机、通讯总线、现场机组成的地下管道监控系统： 1）设计管理机监控软件及监控信息数据库； 2）设计现场环境监测和燃气泄漏、水位、人员进入检测、井盖是否丢失等功能的现场机软硬件系统； 3）设计能通过总线供电的新型通信总线，使其适合长距离、多点、全双工通讯； 本作品设计了一种适合该系统要求的总线供电、长距离、多点、全双工通讯的新型通信总线，设计由管理（PC）机、通讯总线、现场机组成的地下管道监控系统，可以监测地井环境的水位、可燃气泄漏、有无人员进入等状态和报警等，也可以推广应用在长距离、多采集点、易燃、易爆、总线供电等场合，具有广泛的应用前景和使用价值。为数字化城市的实现和地下管道的信息化管理奠定了基础。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：设计基于新型通信总线的地井环境监测系统方案；设计通信总线的链路层通信协议；完成系统现场机软硬件设计、系统管理机（PC）监控软件设计；最终实现由管理机、通讯总线、现场机组成的地井环境监测系统，对地井环境的水位、可燃气是否泄漏、有无人员进入、井盖是否丢失等状态进行在线监测和报警，并可以利用监测数据库查询历史数据，为数字化城市的实现和地下管道的信息化管理奠定了基础。 思路： 1）功能设计、系统设计采用模块化设计方法，增强系统的可扩展性； 2）基于M-BUS协议通信，重新设计总线链路层，使其满足本系统长距离、总线供电、不能加中继的要求； 3）使用阻、容、感性负载模拟现场通信介质做通信实验，逐步增加现场机的数量来测试新型通信总线的可靠性； 4）连接系统，进行测试。 创新点： 1）提出一种在线监测城市地井环境的思路及其基本的实现方法； 2）采用改进的M-BUS总线，将系统改造为多主系统，实现远程供电，实时报警。 3）建立地井环境监测信息的数据库，为实现数字化城市及信息化管理奠定坚实的基础。 技术关键：现有的通信规范的通信距离限制和供电方式限制等使现有的总线通信规范不适合本系统，基于M-BUS总线通信规范，可以实现总线供电，通信距离可以到4公里左右，但通信方式为单主系统，本系统中现场机需要主动发送报警信息，需要对其链路层进行重新设计。 指标： 1）总线可挂接64个现场机； 2）新型通信总线实现总线供电、多主系统。 3) 可接入温度、水位、人员监测传感器。
科学性、先进性
- 地下管线的长度往往有可能超过10公里。即使实行分区规划其半径也大约在5公里左右。经典的通信方式如RS-232、RS-485、20mA电流环和现场总线：Profibus、FF、Lonworks、CAN等通信距离较短及以太网等结构复杂均不能满足现代化城市地下管线系统的监测需求。地井环境监测系统中，监测距离长、监测点数多、结构复杂，不能加中继，另外还需要总线供电，这使得许多总线都不能满足要求。 本作品提出一种新型通信总线，基于M-BUS总线重新设计了满足地井环境监测要求总线供电、不能加中继设备、长距离等特性的链路层通讯协议，采用主机到从机电压调制、从机到主机电流调制的通信方式，将通信信号叠加至下位机的供电电源中实现总线供电。实现了通信信号和电源叠加在一起的三线制系统连接方式，从而使这种在线监测具有其他方案无法实现的远距离无中继实时在线监测以及三电缆方式不需要其他设备的低成本问题。而借助地理信息系统监测城市管网是断续的，需要移动采集或工作人员携带PDA巡检，投资大，耗费人力物力多。
获奖情况及鉴定结果
- 在2008年某大学第十二届学生科技节上被评为学生科技制作类二等奖; 在2009年第十届“挑战杯”某市大学生课外学术科技作品竞赛终审决赛中获科技制作类一等奖;
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 合作开发
作品可展示的形式
- 实物、可现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 目前，城市地下管线体系庞大，结构错综复杂，给日常管理和维护带来了极大的不便。本作品针对地井环境特殊要求，如管线长，结构复杂，不能加中继设备、其他现场总线都不合适的特性，提出了适合于地井环境监测的新型总线通信方式，并在实验室中加以实现。所有现场设备总线供电，实现地井环境的远距离无中继实时监测与报警，并具有地井环境的自动监测及管理、历史数据存储与管理等功能。 本设计开发研究的基于新型通信总线的地井环境监测系统，配合各种传感器可以监测地井环境的温度、水位、可燃气是否泄漏、有无人员进入、井盖是否丢失等状态和报警信息等，具有重大的实际意义；也可以推广应用在长距离、多采集点、易燃、易爆、总线供电等场合，由于采用新型总线通信模式，设备采用总线供电，便于管理、适合现场条件恶劣无法供电的环境，系统采用电缆连接，可靠性较高，不需要其他设备，所以成本较低，具有广泛的应用前景和使用价值。为数字化城市的实现和地下管道的信息化管理奠定了基础。
同类课题研究水平概述
- 在国家倡导“数字市政”项目启动下，我国的城市地下管线监控工作也有了进展，主要体现在以下几种： 1、借助地理信息系统（GIS）将地下管线网络纳入到管理系统中来，然后采用移动巡查员携带的便携监测仪器监测地下管线工作情况，由现场监测仪器将监测数据无线发送到巡查员PDA上送到信息管理系统。如广州市用地理信息系统（GIS）把地下管线的分布情况“透视”清楚，有效减小了挖断地下管线的概率。精确提供了地下管线资料，实现了“零投诉”开挖。对于紧急事故，开辟了全天候咨询、投诉、建议和反馈的交流渠道，24小时接受市民电话投诉和巡查员PDA无线问题上报，及时处理事故。长春市启动GIS系统后，长春市的一切燃气管网将实施在电脑画面上，工作人员将根据地理位置查清一切地下管道发生的情况。同时，对于新开发的用户，只要点击用户地理位置，就能看清新开发用户家是否能安装燃气管道等服务。遇到交叉施工的设施，有了GIS系统，只要查询，就能一目了然。 2、采用单一监测系统，如自来水管网监测或燃气管网监测等。如北京市自来水公司增添了3181台自来水管网漏失监测仪，这3181台自来水管网漏失监测记录中，固定记录仪2737台，流动记录仪444台，以加强对供水管网的监控和管理。在市自来水集团的监控大厅里，工作人员24小时严密监控着城区自来水管网的运行情况。这套监测系统的记录器像探头一样具有高灵敏度传感器，它能自动采集管线的声波信号并将数据存储下来。它可以自动识别是否存在漏点，并每隔5秒向外发射信号。当工作人员携带主接收机到达记录器附近位置时，主接收机就能自动接收到记录器发出的信息，从而使工作人员能在第一时间内判定供水管线是否存在漏水现象。该套系统与以往检漏设备相比，最大特点是可以实行区域化监控，并且在无人值守的情况下，能够自动收集供水管网的漏水信息。 合以上两种系统，借助地理信息系统（GIS）监测地井环境可以对地下管线的分布情况“透视”清楚，给地下管线的管理带来了方便，但是地理信息系统投资巨大，而且对于紧急事故还需要依靠市民电话投诉和巡查员PDA无线问题上报，需要询查人员巡检，实时性差；采用单一监测系统可以实现在线监测，目前只能实现自来水管网监测，而地下管线种类繁多，各部门分别监测势必给管理、协调、维修带来不便。
