CN111021420A - 一种智能、高效的城市地下管廊井盖监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能、高效的城市地下管廊井盖监控系统，用于对管廊使用的口部井盖进行监控，其特征在于，包括：用于对现场的N个口部井盖进行开、闭控制的N个井盖控制器；上层IT监控系统，用于对全管廊所有的井盖进行统一远程监控，提供井盖监控、GIS、数据库的API接口或基于OPCUA的各种服务，并向外网提供数据服务，包括数据服务器、GIS服务器、数据库和监控工作站。

Description

一种智能、高效的城市地下管廊井盖监控系统

技术领域

本发明涉及一种井盖监控系统。

背景技术

城市地下市政管线是城市运行重要的基础设施，影响着城市的健康运行。近年来，我国城市地下综合管廊的建设有较大规模的增长，提高综合管廊设施设备的技术水平，增强综合管廊运营管理能力，成为管廊建设、运营过程中亟待解决的问题。

由于综合管廊建在地下，按不同的使用功能，管廊在地面上开有各种口部，如出入口、逃生口、分支口、吊装口等等。各种口部分散在管廊沿线，在地面上有相应的遮盖物(即井盖)，根据功能需要、应急响应、安全要求等各种因素，由系统或人工执行打开或关闭的操作。

传统的井盖控制方式是由管廊中的区域控制器(ACU)进行控制的，ACU发出开或关的简单信号，驱动井盖动作，开和关的状态也是由ACU集中上传系统，供系统进行集中监控。稍微复杂点的井盖控制器加装了类似汽车门锁的控制模块，通过遥控器进行近距离的遥控。

采用上述传统的解决方案具有实现技术成熟、易于实现的优点，但也存在一些不足。

首先是安全方面的：

井盖是管廊的一种重要安全设施，在正常运营情况下，一般是处于关闭状态，以防止路人的不慎进入或不法之徒的非法入侵。但有时会由于远程误操作、误按遥控开关或者控制器的不可靠，导致井盖非正常打开，如果集控系统的监控人员未注意到并及时关闭井盖，很可能造成外人入侵或路人不慎从井口跌落，容易产生严重后果。另一方面，当工作人员在管廊中时，如果发生火灾或水管爆管，必须提供多种手段，方便廊内人员就近通过口部，迅速打开井盖撤离。而现有的井盖监控系统往往依赖于中心集控系统，操控井盖手段比较单一，安全风险较大。

其次是可靠性方面：

传统监控系统是通过井盖控制器-区域控制器-中心集控系统软件三级构成，控制手段是就地手动或控制箱按钮操作，或者遥控器操作；远程在运营软件平台上操作开关，以及定时采集井盖的开关状态。而中心监控软件比较庞大，使集中监控信息刷新反应较慢；遥控器操作无法自动记录操作来源，不易堵塞管理漏洞。另外，信息的上传下达经过多级转手，对系统可靠性也有一定的影响。

最后是先进性方面：

传统井盖监控系统采用的主要技术已有几十年的历史，主要是基于简单的开关控制和状态信息上传，与现代最新的IT软硬件技术结合不够，智能化程度较低，融入大型的平台软件手段不多，容易造成信息融合、集成的脱节。

发明内容

本发明的目的是提供一种可靠、安全的井盖监控系统。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种智能、高效的城市地下管廊井盖监控系统，用于对管廊使用的口部井盖进行监控，其特征在于，包括：

用于对现场的N个口部井盖进行开、闭控制的N个井盖控制器，N个井盖控制器一方面经由有线网络和无线网络与上层IT监控系统进行数据交互，另外一方面与管廊内的移动智能终端进行数据交互；

上层IT监控系统，用于对全管廊所有的井盖进行统一远程监控，提供井盖监控、GIS、数据库的API接口或基于OPCUA的各种服务，并向外网提供数据服务，包括数据服务器、GIS服务器、数据库和监控工作站，其中：

数据库的原始数据通过API组件模型化，其它组件通过API接口访问数据库，以保证数据库的稳定和安全；同时，通过API组件对访问命令的审计，确保数据库只对有效的认证用户命令作出响应，并记录访问的来源；在用户数据库的密码数据保存时，采用了单向密码加密技术，当注册一个新用户时，注册组件将输入用户密码与一个随机生成的数值进行加密运算，得到一个单向的Hash值，数据库保存用户的Hash值和随机数，在用户下次登录时进行运算比较，认证合法用户；

数据服务器和GIS服务器为服务端，服务端的应用软件作为后端的核心，通过API组件与监控工作站进行交互，提高服务器的安全等级，防止用户的非法访问；

监控工作站为用户端，用户端作为显示部分在经过用户认证后，对服务端和数据的访问，经API组件过滤，只能收到与用户权限相对应的页面及数据，保证了整个系统的安全；

在合法用户正确登录后，在用户端的浏览器中维护某种会话状态，由服务端的应用程序决定向当前用户显示的内容，因此在客户端保存一些必须保密的控制数据，通过在浏览器中使用加密的JSON Web令牌JWT，保证客户端不能非法获取服务端数据，包括以下内容：服务端应用程序的某些部分仅限于经过身份验证的用户访问，当用户正确登录后，服务端返回一个加密的JWT，用户端将此JWT保存在电脑内存中，在该发起访问服务端数据时，同时送出JWT，服务端通过身份验证，对符合认证用户及其权限的，则操作数据库相关数据，并返回调用的数据，对未通过认证或权限的访问会拒绝；当用户端的浏览器发出更新数据指令时，浏览器将JWT与数据一起发送，经过API端点身份认证后，服务器解码令牌并请求数据库执行。

优选地，所述上层IT监控系统作为整个管廊管理运营平台的子系统，嵌入到大平台之中。

优选地，所述上层IT监控系统采用推送技术发送井盖状态信息，用户端的浏览器需要的信息数据向服务端发出“订阅”要求，服务端收到后，在信息发生变化时，主动向浏览器“推送”。

优选地，运行于所述上层IT监控系统的软件包括：

现场层，用于处理现场井盖硬件接口，以及为上层提供相关的控制服务；

数据库层，用于保存本系统主要的用户信息、井盖元信息、井盖运行信息和相关地理信息；

数据管理层，为数据库层的操作模块，任何数据库层的读写、管理和组织、数据访问接口服务由数据管理层提供；

功能层，用于监控系统中各种功能的实现，由功能层的各功能模块实现系统功能，可以通过插入新的功能模块实现系统功能的扩展；

展示层，用于提供与监控人员、访客的交互窗口，通过展示层，用户可在联网的、运行各种主流的浏览器上对系统方便地进行访问，同时，由于显示页面采用了网格化的设计技术，使在线的手持智能终端显示也毫无阻碍。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

安全性：控制操作必须由具有合法权限的工作人员执行，工作人员进入系统必须经过审计；用户数据库的密码经过随机值的hash运算，即使数据被窃取，也无法得到原始密码；授权操作记录在数据库，发现问题可及时回溯。

易融合性：具备有线和无线网络接口，可灵活接入信息网络；提供井盖监控、GIS、数据库的API接口或基于OPCUA的各种服务，使系统能顺利地融入管廊平台软件，并可通过管廊监控中心的管理平台软件，向外网提供数据服务。

灵活性：井盖智能监控系统采用B/S架构，可以根据被控设施的规模、分布情况，进行集中或分布式的灵活方式部署；软件开发使用JavaScript语言，生成的服务端软件可在windows、linux等不同的平台上跨平台运作。

易用性：操作界面具有地理信息，定位方便；用户可在联网的、运行各种主流的浏览器上对系统方便地进行访问；显示页面采用了网格化的设计技术，在线手持智能终端显示会根据屏的大小自动调整。

附图说明

图1为井盖智能监控系统架构；

图2为井盖智能监控系统软件架构图；

图3为井盖智能监控系统软件MVC结构；

图4为更新数据库数据信息流。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明提供的一种井盖监控系统是一个完整的系统，主要对管廊使用的所有口部井盖进行监控。井盖监控系统包括现场的井盖控制器、传输网络以及监控中心的IT信息系统集成和现场的移动监控终端。

井盖控制器作为底层控制设备，主要完成对现场井盖的开、闭控制和与上层IT监控系统的交互。井盖控制器配备无线收发及以太网口，能方便地连接管廊的有线网络和无线网络，与上层IT监控系统进行通信。同时，管廊内的移动智能终端也可与井盖控制器进行通信。另外，井盖控制器具备现场就地控制电路，在紧急情况下，可在现场操作开、闭井盖。

上层IT监控系统主要由数据服务器、GIS服务器、数据库和监控工作站等组成。数据服务器、GIS服务器为服务端，监控工作站为用户端。上层IT监控系统通过管廊内所建的通信系统，对全廊所有的井盖进行统一远程监控。监控工作站的操作界面具有GIS信息展示、井盖操作面板、井盖实时信息、故障报警等功能，方便监控人员易于操作。GIS服务器提供管廊井盖的地理位置分布信息服务和地图服务。数据服务器提供对井盖执行控制和状态监视服务，并对数据库进行读写。数据库保存整个管廊井盖系统的运行数据和操作人员信息，提供运营所需的数据统计、报表制作、问题排查等原始数据。

另外，上层IT监控系统还可以作为整个管廊管理运营平台的子系统，嵌入到大平台之中。上层IT监控系统可提供井盖监控、GIS、数据库的API接口或基于OPCUA的各种服务，使系统能顺利地融入管廊平台软件，并可通过管廊监控中心的管理平台软件，向外网提供数据服务。

井盖智能监控系统采用B/S架构，可以根据被控设施的规模、分布情况，进行集中或分布式的灵活方式部署。软件开发使用JavaScript语言，生成的服务端软件可在windows、linux等不同的平台上跨平台运作。客户端在当前主流的支持ES6规范的浏览器IE(Edge)、火狐(Firefox)、谷歌(Chrome)、Safari等均能正常运行，对访问客户的数量没有限制。

本实施例中，井盖智能监控系统上所运行的软件系统架构如图2所示。软件系统架构中各层的功能模块既具有相对的独立性，又通过模块之间的数据交互，使整个监控系统的稳定性、可扩展性、易用性得到了极大的发挥。其中，现场层主要是处理现场井盖硬件接口，以及为上层其它模块提供相关的控制服务。数据库层保存本系统主要的用户信息、井盖元信息、井盖运行信息和相关地理信息等原始数据。数据管理层是数据库的主要操作模块，任何数据库的读写、管理和组织、数据访问接口服务由该层提供。功能层的模块提供监控系统中各种功能的实现，是整个监控系统的中枢模块。由功能层的各功能模块实现系统功能，还可以通过插入新的功能模块实现系统功能的扩展。展示层是与监控人员、访客的交互窗口。通过展示层的软件，用户可在联网的、运行各种主流的浏览器上对系统方便地进行访问。同时，由于显示页面采用了网格化的设计技术，使在线的手持智能终端显示也毫无阻碍。

井盖智能监控系统软件的整体结构采用了MVC架构，即通过将应用软件的数据模型、显示、控制逻辑进行抽象分离，对代码模块进行组织，使软件代码更具可读性，方便今后的修改和维护。软件的MVC结构如下图3所示。

系统数据库的原始数据通过API组件模型化，其它组件通过API接口访问数据库，以保证数据库的稳定和安全。同时，通过API组件对访问命令的审计，能确保数据库只对有效的认证用户命令作出响应，并记录访问的来源。服务器应用软件作为后端的核心，也通过API组件与网络前端进行交互，有效地提高服务器的安全等级，防止用户的非法访问。浏览器前端或移动APP作为显示部分在经过用户认证后，对服务端和数据的访问，经API组件过滤，只能收到与用户权限相对应的页面及数据，保证了整个系统的安全。

在用户数据库的密码数据保存时，采用了单向密码加密技术，当注册一个新用户时，注册组件会将输入用户密码与一个随机生成的数值进行加密运算，得到一个单向的Hash值(即无法通过逆运算获得密码)，数据库保存用户的Hash值和随机数，在用户下次登录时进行运算比较，认证合法用户。这样，就无法通过破解数据库来获取用户密码，增强了用户数据的安全。

由于API是无状态的，并且井盖监控系统的服务端控制器没有会话的概念。在合法用户正确登录后，需要在用户端的浏览器中维护某种会话状态，由服务端的应用程序决定它可以向当前用户显示什么，不能向当前用户显示什么。这样，就必须在客户端保存一些必须保密的控制数据。为安全起见，监控系统通过在浏览器中使用加密的JSON Web令牌(JWT)，保证客户端不能非法获取服务端数据。

服务端应用程序的某些部分仅限于经过身份验证的用户访问，当用户正确登录后，服务端会返回一个加密的JWT，客户端电脑将此JWT保存在电脑内存中。在该发起访问服务端数据时，同时送出JWT。服务端通过身份验证，对符合认证用户及其权限的，则操作数据库相关数据，并返回调用的数据。对未通过认证或权限的访问会拒绝。

客户端更新数据库数据例的信息流图如图3所示。

更新数据库数据信息流如图4所示，当浏览器发出更新数据指令时，浏览器将JWT与数据一起发送，经过API端点身份认证后，服务器解码令牌并请求数据库执行。

井盖智能监控系统软件中，井盖状态信息服务采用推送技术。一般情况下，浏览器页面显示的动态数据通过人工刷新或定时刷新两种方法。人工刷新使信息发布的及时性不够，而定时刷新又会造成浏览器侧和服务端侧加重运算负荷。对于信息推送技术，浏览器需要的信息数据向服务端发出“订阅”要求，服务端收到后，在信息发生变化时，主动向浏览器“推送”，既使动态数据显示的实时性得以提高，也不会造成系统负担加重。

Claims (4)

1.一种智能、高效的城市地下管廊井盖监控系统，用于对管廊使用的口部井盖进行监控，其特征在于，包括：

用于对现场的N个口部井盖进行开、闭控制的N个井盖控制器，N个井盖控制器一方面经由有线网络和无线网络与上层IT监控系统进行数据交互，另外一方面与管廊内的移动智能终端进行数据交互；

上层IT监控系统，用于对全管廊所有的井盖进行统一远程监控，提供井盖监控、GIS、数据库的API接口或基于OPCUA的各种服务，并向外网提供数据服务，包括数据服务器、GIS服务器、数据库和监控工作站，其中：

数据库的原始数据通过API组件模型化，其它组件通过API接口访问数据库，以保证数据库的稳定和安全；同时，通过API组件对访问命令的审计，确保数据库只对有效的认证用户命令作出响应，并记录访问的来源；在用户数据库的密码数据保存时，采用了单向密码加密技术，当注册一个新用户时，注册组件将输入用户密码与一个随机生成的数值进行加密运算，得到一个单向的Hash值，数据库保存用户的Hash值和随机数，在用户下次登录时进行运算比较，认证合法用户；

数据服务器和GIS服务器为服务端，服务端的应用软件作为后端的核心，通过API组件与监控工作站进行交互，提高服务器的安全等级，防止用户的非法访问；

监控工作站为用户端，用户端作为显示部分在经过用户认证后，对服务端和数据的访问，经API组件过滤，只能收到与用户权限相对应的页面及数据，保证了整个系统的安全；

在合法用户正确登录后，在用户端的浏览器中维护某种会话状态，由服务端的应用程序决定向当前用户显示的内容，因此在客户端保存一些必须保密的控制数据，通过在浏览器中使用加密的JSON Web令牌JWT，保证客户端不能非法获取服务端数据，包括以下内容：服务端应用程序的某些部分仅限于经过身份验证的用户访问，当用户正确登录后，服务端返回一个加密的JWT，用户端将此JWT保存在电脑内存中，在该发起访问服务端数据时，同时送出JWT，服务端通过身份验证，对符合认证用户及其权限的，则操作数据库相关数据，并返回调用的数据，对未通过认证或权限的访问会拒绝；当用户端的浏览器发出更新数据指令时，浏览器将JWT与数据一起发送，经过API端点身份认证后，服务器解码令牌并请求数据库执行。

2.如权利要求1所述的一种智能、高效的城市地下管廊井盖监控系统，其特征在于，所述上层IT监控系统作为整个管廊管理运营平台的子系统，嵌入到大平台之中。

3.如权利要求1所述的一种智能、高效的城市地下管廊井盖监控系统，其特征在于，所述上层IT监控系统采用推送技术发送井盖状态信息，用户端的浏览器需要的信息数据向服务端发出“订阅”要求，服务端收到后，在信息发生变化时，主动向浏览器“推送”。

4.如权利要求1所述的一种智能、高效的城市地下管廊井盖监控系统，其特征在于，运行于所述上层IT监控系统的软件包括：

现场层，用于处理现场井盖硬件接口，以及为上层提供相关的控制服务；

数据库层，用于保存本系统主要的用户信息、井盖元信息、井盖运行信息和相关地理信息；

数据管理层，为数据库层的操作模块，任何数据库层的读写、管理和组织、数据访问接口服务由数据管理层提供；

功能层，用于监控系统中各种功能的实现，由功能层的各功能模块实现系统功能，可以通过插入新的功能模块实现系统功能的扩展；

展示层，用于提供与监控人员、访客的交互窗口，通过展示层，用户可在联网的、运行各种主流的浏览器上对系统方便地进行访问，同时，由于显示页面采用了网格化的设计技术，使在线的手持智能终端显示也毫无阻碍。

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