城市供水管网物联网传感器网络拓扑优化与安全防护.pdfVIP

城市供水管网物联网传感器网络拓扑优化与安全防护1

城市供水管网物联网传感器网络拓扑优化与安全防护

摘要

随着城市化进程的加速和智慧城市建设的深入推进，城市供水管网作为城市基础

设施的重要组成部分，其安全稳定运行直接关系到民生保障和城市可持续发展。本文针

对城市供水管网物联网传感器网络的拓扑优化与安全防护问题，提出了系统化的解决

方案。报告首先分析了当前供水管网物联网系统的现状与挑战，然后基于网络科学理

论、物联网安全协议和智能优化算法，构建了多层次、多维度的技术框架。研究内容包

括传感器网络拓扑结构优化设计、数据传输协议优化、多层次安全防护体系构建等关键

问题。通过案例分析和仿真实验，验证了所提方案在提升网络可靠性、降低能耗、增强

安全性方面的有效性。报告还详细规划了实施方案、预期成果和风险应对策略，为智慧

水务建设提供了理论依据和实践指导。

引言与背景

1.1研究背景与意义

城市供水系统是维系城市运转的”生命线”，随着我国城镇化率突破65%（2022年

国家统计局数据），供水管网规模持续扩大，传统管理模式已难以满足现代化城市的需

求。物联网技术的引入为供水管网智能化管理提供了新的技术路径，通过部署各类传感

器实现管网状态的实时监测与智能调控。然而，大规模传感器网络的部署面临着拓扑结

构不合理、数据传输效率低下、安全防护薄弱等问题。据《中国智慧水务行业发展报告

（2023）》显示，现有供水管网物联网系统平均故障响应时间超过4小时，数据泄露事件

年增长率达15%。因此，开展供水管网物联网传感器网络拓扑优化与安全防护研究，对

提升城市供水安全保障能力、推进智慧城市建设具有重要现实意义。

1.2国内外研究现状

国际上，美国EPA的”SmartWaterGrid”计划、欧盟的”Water4Cities”项目等均在

供水管网智能化方面取得显著进展。在拓扑优化方面，Kleinberg等人提出的小世界网

络理论为传感器网络布局提供了理论依据；在安全防护方面，IEEE802.15.4标准规定

了低功耗无线网络的安全机制。国内方面，清华大学、同济大学等高校在供水管网建模

方面积累了丰富经验，华为、中兴等企业在物联网通信协议研发上取得突破。但现有研

究多聚焦单一技术环节，缺乏系统化的解决方案。据文献计量分析年相关领

域论文发表量年均增长23%，但跨学科整合研究不足10%，表明本领域仍有较大探索

空间。

城市供水管网物联网传感器网络拓扑优化与安全防护2

1.3研究目标与内容

本研究旨在构建城市供水管网物联网传感器网络的优化与防护体系，具体目标包

括：1）建立基于复杂网络理论的拓扑优化模型；2）设计低功耗高可靠的数据传输协议；

3）构建多层次安全防护架构；4）开发验证平台进行实证分析。研究内容涵盖传感器节

点部署优化、网络路由算法改进、安全加密机制设计等关键技术。通过本研究，预期将

管网监测覆盖率提升至95%以上，数据传输延迟降低30%，安全事件发生率下降50%，

为智慧水务建设提供技术支撑。

研究概述

2.1问题界定

城市供水管网物联网系统面临的核心问题可归纳为三个层面：物理层、网络层和应

用层。物理层问题包括传感器部署密度不均、节点能量受限等；网络层问题涉及路由协

议效率低、数据传输冲突频繁等；应用层问题则表现为数据融合处理能力不足、安全防

护机制薄弱等。据实地调研，某省会城市供水管网物联网系统存在约30%的监测盲区，

数据丢包率高达12%，安全漏洞平均修复周期超过72小时。这些问题严重制约了系统

的整体效能，亟需系统化的解决方案。

2.2研究范围与边界

本研究聚焦于城市供水管网物联网系统的传感器网络层，以拓扑优化和安全防护

为核心研究内容。研究范围包括：1）管网地理信息系统数据采集与处理；2）传感器节

点部署策略优化；3）网络通信协议改进；4）安全防护机制设计。研究边界设定为：不

涉及管网水力模型构建、不研究传感器硬件设计、不考虑商业运营模式。时间范围以年为研究周期，空间范围选取典型中型城市（人口100500万）供水管网作为

研究对象。

2.3技术路线图

本研究采用”理论建模算法设计仿真验证实证分析”的技术