基于邊緣計(jì)算技術(shù)的綜合管廊智能化電氣設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

摘要：文章采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)云、邊、端全方面的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算控制器和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，提高管廊感知能力，降低集成難度，從而間接提高了綜合管廊的智能化管控水平與運(yùn)行效率，降低了運(yùn)維管理成本，保障了綜合管廊、市政管線和人員的安全。

關(guān)鍵詞：綜合管廊 ；智慧管廊 ；物聯(lián)網(wǎng) ；邊緣計(jì)算

 

       綜合管廊負(fù)責(zé)容納多種城市綜合管線，一旦失控將對(duì)城市生產(chǎn)、生活造重大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響城市運(yùn)營(yíng)。所以應(yīng)在綜合管廊內(nèi)設(shè)置管廊智慧化系統(tǒng)，為管廊以及廊內(nèi)管線與人員提供基本的安全保護(hù)。當(dāng)前這些系統(tǒng)依舊采用獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行集成，而海量的多種類設(shè)備所產(chǎn)生的龐大信息數(shù)據(jù)，結(jié)合 對(duì)外通訊的復(fù)雜性、信息數(shù)據(jù)接入方式傳統(tǒng)等因素，為數(shù)據(jù)的采集、處理和信息的集成帶來(lái)困難。同時(shí)，設(shè)備缺乏自處理能力，其功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)通訊依賴度高；各子系統(tǒng)自成一體，大量的自用纜線占據(jù)綜合管廊有限空間；信息孤島現(xiàn)象明顯，系統(tǒng)間不能實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)設(shè)備聯(lián)動(dòng)，系統(tǒng)反應(yīng)遲緩，應(yīng)急措施受限。

 

       從2018年開(kāi)始，高校、科研院所、市政設(shè)計(jì)院陸續(xù)加大了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在管廊智慧化中的應(yīng)用研究。例如上海市政院發(fā)表論文《基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM 的管道滲漏預(yù)警系統(tǒng)、方法和應(yīng)用》；山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司發(fā)表論文《物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的管廊綜合監(jiān)控管理平臺(tái)》；重慶市勘測(cè)院發(fā)表論文《物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術(shù)在地下綜合管廊建設(shè)運(yùn)維中的應(yīng)用研究》；京投公司開(kāi)展基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合通訊設(shè)備研究，北京建工開(kāi)發(fā)邊緣計(jì)算管廊區(qū)域控制單元；蘇交科開(kāi)發(fā)BIM+物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合建立基于云的城市管網(wǎng)智慧監(jiān)控平臺(tái)。這些公司通過(guò)探索和研究，嘗試找到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，解決管廊智慧化的建設(shè)的某些問(wèn)題。

       物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)備連接、大數(shù)據(jù)量承載方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用，優(yōu)化管廊管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，解決管廊設(shè)備數(shù)據(jù)量 大、通訊協(xié)議多樣、集成難度大、跨系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)響應(yīng)遲 緩等問(wèn)題，保障海量設(shè)備并發(fā)接入，提高數(shù)據(jù)安全性和響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，降低統(tǒng)一管理平臺(tái)信息集成難度，提高設(shè)備自處理能力，確保智慧管控系統(tǒng)安全高可用，并降低事故風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少建設(shè)中電纜、光纜的使用，預(yù)留出更多寶貴的廊內(nèi)空間。

 

       本文中的綜合管廊智慧化系統(tǒng)將從云、邊、端對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用。

2.1物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的研究與開(kāi)發(fā)

2.1.1物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

       物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺(tái)主要功能包括設(shè)備物聯(lián)、資產(chǎn)管理和應(yīng)用使能。設(shè)備物聯(lián)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和設(shè)備的泛在連接、數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制等，資產(chǎn)管理實(shí)現(xiàn)設(shè)備資產(chǎn)采購(gòu)、安裝、維護(hù)和報(bào)廢的全生命周期管理，應(yīng)用使能實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用支撐。

2.1.2物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

       物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)采用微服務(wù)架構(gòu)，微服務(wù)核心組件通過(guò)調(diào)用HTTP、MQTT、CoAP 三種通訊微服務(wù)實(shí)現(xiàn)和設(shè)備、網(wǎng)關(guān)的設(shè)備連接、遙感數(shù)據(jù)采集、控制指令發(fā)送等。引入規(guī)則鏈進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯編制，數(shù)據(jù)通訊采用消息隊(duì)列。物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺(tái)作為業(yè)務(wù)系統(tǒng)（綜合管廊智慧管控平臺(tái)）的數(shù)據(jù)和應(yīng)用支撐。引入Zookeeper 架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的集群部署和高可用（見(jiàn)圖1）。

圖1 智慧管廊物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)示意

 

2.1.3物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)開(kāi)發(fā)

參考國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)，采用java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)適合智慧管廊應(yīng)用場(chǎng)景的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（見(jiàn)圖2）

圖2 智慧管廊物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)界面

2.2物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的研究和應(yīng)用

       通過(guò)在管廊現(xiàn)場(chǎng)（防火分區(qū)設(shè)備間）設(shè)置管廊邊計(jì)算控制器，實(shí)現(xiàn)就地化數(shù)據(jù)采集、設(shè)備聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)上傳，可以大大提高數(shù)據(jù)效率，并節(jié)省電纜。

       管廊邊緣計(jì)算控制器主要匯總環(huán)境和設(shè)備監(jiān)控、安防、通訊、結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，常用協(xié)議為MQTT、OPC UA、Modbus、ODBC、視頻（碼流）等，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的設(shè)備聯(lián)動(dòng)。數(shù)據(jù)上傳江采集的數(shù)據(jù)上傳給物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（見(jiàn)圖3）

圖3 綜合管廊邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)

 

2.3物聯(lián)網(wǎng)終端的應(yīng)用

       采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)綜合管廊進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。針對(duì)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、安全防范、通信、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、可燃?xì)怏w報(bào)警、電子標(biāo)簽、巡檢機(jī)器人、結(jié)構(gòu)檢測(cè)、管線監(jiān)測(cè)、其他智能終端都采用物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備進(jìn)行采集。配置原則如表1 所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)終端配置

 

3.1平臺(tái)概述

       AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺(tái)集電力監(jiān)控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數(shù)據(jù)支持，從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)架構(gòu)、聯(lián)動(dòng)控制和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的設(shè)計(jì)，解決了綜合管廊在管理過(guò)程中存在內(nèi)部干擾性強(qiáng)、使用單位多及協(xié)調(diào)復(fù)雜的根本問(wèn)題，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境和設(shè)備的使用和恢復(fù)效率。

3.2平臺(tái)組成

       安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統(tǒng)是一個(gè)深度集成的自動(dòng)化平臺(tái)，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能馬達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)備電源系統(tǒng)、防火門(mén)監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過(guò)瀏覽器、手機(jī)APP獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)一個(gè)平臺(tái)即可全局、整體的對(duì)管廊用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時(shí)滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

3.3平臺(tái)拓?fù)?/div>