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安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

 

摘要：以上海九星綜合管廊的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)計(jì)為例，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)方案進(jìn)行了比較研究，物聯(lián)網(wǎng)相比傳統(tǒng)方案具有終端無(wú)線聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用業(yè)務(wù)部署靈活、終端聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展容易、建設(shè)及維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)，并能提升綜合管廊智慧化水平，促進(jìn)綜合管廊數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

 

關(guān)鍵詞：綜合管廊；環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)字化轉(zhuǎn)型

 

       綜合管廊工程是城市賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負(fù)著城市信息傳遞、能源輸送、排澇減災(zāi)、廢物排棄等重要功能。作為“十三五"國(guó)家戰(zhàn)略百大工程以及“十四五"韌性城市建設(shè)發(fā)展的前沿陣地，綜合管廊建設(shè)在我國(guó)已進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展和創(chuàng)新階段，這條“城市生命線"安全、穩(wěn)定運(yùn)行，是未來(lái)城市建設(shè)發(fā)展需要著重關(guān)注的問(wèn)題。

       全國(guó)25個(gè)綜合管廊試點(diǎn)城市已經(jīng)建設(shè)了6000余公里，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于管廊凝露嚴(yán)重等原因，導(dǎo)致綜合管廊現(xiàn)場(chǎng)傳感器失效，觸發(fā)風(fēng)機(jī)頻繁起停，有毒有害氣體濃度監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確，環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可靠性變差等問(wèn)題。在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中出現(xiàn)火災(zāi)誤報(bào)、漏報(bào)、錯(cuò)報(bào)等情況。現(xiàn)有的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法可靠地反映現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)情況。

       國(guó)家“十四五"規(guī)劃綱要中提出：圍繞強(qiáng)化數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級(jí)、融合創(chuàng)新支撐，布局建設(shè)信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施、創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施等新型基礎(chǔ)設(shè)施。建設(shè)高速泛在、天地一體、集成互聯(lián)、安全高效的信息基礎(chǔ)設(shè)施，增強(qiáng)數(shù)據(jù)感知、傳輸、存儲(chǔ)和運(yùn)算能力。加快交通、能源、市政等傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造，加強(qiáng)泛在感知、終端聯(lián)網(wǎng)、智能調(diào)度體系建設(shè)，并將云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)劃定為7大數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)。

       物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是指通過(guò)信息傳感設(shè)備、射頻識(shí)別技術(shù)、紅外感應(yīng)等各種裝置與技術(shù)，采集需要監(jiān)控、連接和互動(dòng)的信息，通過(guò)約定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。

       —方面，環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)控制的對(duì)象主要是風(fēng)機(jī)、水泵等，以閾值控制為主，控制邏輯簡(jiǎn)單，用物聯(lián)網(wǎng)方案只要做個(gè)配置即可，不需要編程就能滿足控制要求，大大降低了對(duì)運(yùn)維人員的要求；另一方面，由于地下空間的工況環(huán)境不好，而綜合管廊作為地下空間的“生命線"出現(xiàn)誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)的現(xiàn)象很高，物聯(lián)網(wǎng)具有的邊緣計(jì)算功能很好地解決了這一問(wèn)題，減輕了統(tǒng)一管理平臺(tái)的壓力。即使統(tǒng)一管理平臺(tái)宕機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況下，依靠現(xiàn)場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算系統(tǒng)也能正常運(yùn)行；地下空間的安全隱患是不確定的，若需要增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)，只需配個(gè)邊緣接入設(shè)備就能接入系統(tǒng)，非常靈活。因此將具有窄帶、低延時(shí)及低功耗等特征的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合管廊中應(yīng)用，可以有效地提高綜合管廊的智慧化功能，并降低建設(shè)和運(yùn)維成本。

 

       九星綜合管廊位于上海市閔行區(qū)七寶九星地區(qū)，包括星北路綜合管廊、智聯(lián)路綜合管廊及監(jiān)控中心，全長(zhǎng)約2465ｍ，布局為“廠"字形，其中：星北路綜合管廊位于星北路南側(cè)人行道及綠化帶下，西起智聯(lián)路、東至虹莘路，為綜合艙和電力艙雙艙，長(zhǎng)約715ｍ；智聯(lián)路綜合管廊位于智聯(lián)路西側(cè)人行道下，南起平延路，北至星北路，為綜合艙單艙，長(zhǎng)約1730ｍ；監(jiān)控中心位于東蘭路、智聯(lián)路路口北側(cè)地塊地下一層空間，通過(guò)聯(lián)絡(luò)通道與綜合管廊進(jìn)行銜接，九星綜合管廊布局圖如圖１所示。

圖1九星綜合管廊布局圖

 

 

2.1傳統(tǒng)方案

       傳統(tǒng)的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要由工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、可編程控制器、遠(yuǎn)程I/O模塊及環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)檢測(cè)儀表等組成。傳統(tǒng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示；傳統(tǒng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)布置圖如圖3所示。

圖2傳統(tǒng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

       傳統(tǒng)的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)從上至下可分為后臺(tái)管理層、中間傳輸層及前端感知層。

       后臺(tái)管理層位于綜合管廊控制中心，主要由匯聚交換機(jī)、工作站、服務(wù)器等組成。后臺(tái)管理層通過(guò)中間傳輸層將前端感知層采集的信息進(jìn)行集中存儲(chǔ)、處理及展示，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

圖3傳統(tǒng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)布置圖

       中間傳輸層主要由可編程控制器、遠(yuǎn)程I/O、接入交換機(jī)及線纜等組成。管廊內(nèi)在每個(gè)分變電所設(shè)置可編程控制器，負(fù)責(zé)區(qū)域監(jiān)控區(qū)間聯(lián)動(dòng)控制及監(jiān)控信息上傳。在每個(gè)進(jìn)/排風(fēng)井設(shè)置一套遠(yuǎn)程I/O模塊，負(fù)責(zé)基本監(jiān)控區(qū)間內(nèi)所有防火分區(qū)內(nèi)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集、上傳及聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)的發(fā)出。可編程控制器通過(guò)遠(yuǎn)程I/O模塊反饋的管廊內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息、設(shè)備監(jiān)控信息及電力監(jiān)控信息，完成設(shè)備的控制（聯(lián)動(dòng)），并通過(guò)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心后臺(tái)管理系統(tǒng)的信息交互前端感知層位于綜合管廊內(nèi)，主要由溫濕度檢測(cè)儀、含氧量檢測(cè)儀、風(fēng)機(jī)控制箱及水泵控制箱等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制箱組成。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)綜合管廊內(nèi)的溫濕度、氧含量等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和采集，從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制箱內(nèi)獲得風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的狀態(tài)信息。

控制方式分為中央級(jí)、就地級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心中央級(jí)遠(yuǎn)程控制、可編程站就地自動(dòng)/手動(dòng)控制和現(xiàn)場(chǎng)控制箱自動(dòng)/手動(dòng)控制。

2.2物聯(lián)網(wǎng)方案

       物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)從上至下可分為中心層、傳輸層和接入層。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖4所示；物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)布置圖如圖5所示。

圖4物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

       中心層主要包括物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)及其硬件支撐設(shè)備，部署在監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用業(yè)務(wù)統(tǒng)一部署與定期更新、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)信息存儲(chǔ)與可視化展示等功能，并與綜合管廊統(tǒng)一管理平臺(tái)進(jìn)行信息共享。

圖5物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)布置圖

       傳輸層主要包括由主干光纖、交換機(jī)及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等，通過(guò)構(gòu)建自愈型光纖干線環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中心層與接入層的信息上傳下達(dá)。

       接入層主要包括物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測(cè)儀表等，物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)（Mesh），物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設(shè)備用于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測(cè)儀表無(wú)線聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算與機(jī)器通信（M2M）等。

2.3方案比選

       綜合管廊一般呈“群狀"分布，由同一規(guī)劃片區(qū)內(nèi)的若干個(gè)綜合管廊組成，具有狹長(zhǎng)、艙室多、入廊管線種類復(fù)雜等特點(diǎn)，為了保障良好的運(yùn)行環(huán)境，需要配置通風(fēng)、排水、照明等機(jī)電設(shè)備，并設(shè)置環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)與機(jī)電設(shè)備監(jiān)控等功能。

傳統(tǒng)方案中，環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要采用可編程邏輯控制器，一般以通風(fēng)區(qū)間為基本監(jiān)控單元，每個(gè)基本監(jiān)控單元設(shè)置一套可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器通過(guò)有線方式與基本監(jiān)控單元內(nèi)各現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備及傳感儀表相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備及傳感儀表的集中控制與統(tǒng)一管理。

物聯(lián)網(wǎng)作為一種新型技術(shù)，主要采用邊緣計(jì)算、終端無(wú)線聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器通信（M2M）等，物聯(lián)網(wǎng)方案與傳統(tǒng)方案的比較如下表1所示。

表１物聯(lián)網(wǎng)方案與傳統(tǒng)方案的比較

       綜合管廊機(jī)電設(shè)備眾多，環(huán)境比較潮濕，傳統(tǒng)方案容易出現(xiàn)接觸不良等線路故障，導(dǎo)致系統(tǒng)失效，并且檢修費(fèi)時(shí)費(fèi)力。物聯(lián)網(wǎng)提供的終端無(wú)線聯(lián)網(wǎng)可以使綜合布線大大減少，不僅降低管線管材及安裝調(diào)試成本，也降低因?yàn)榫€纜眾多造成的故障，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

       綜合管廊入廊管線種類復(fù)雜，入廊時(shí)間不一，不同管線對(duì)管線監(jiān)測(cè)內(nèi)容有不同的要求，而管線入廊往往滯后綜合管廊建設(shè)，傳統(tǒng)方案在綜合管廊建設(shè)之初一般會(huì)為管線監(jiān)控接入預(yù)留接口[4]，但實(shí)際往往難以準(zhǔn)確預(yù)留。預(yù)留的接口也對(duì)管線監(jiān)控的內(nèi)容和監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置等有一定的限制。物聯(lián)網(wǎng)的終端無(wú)線聯(lián)網(wǎng)相比傳統(tǒng)方案可以很好的兼容未來(lái)入廊管線監(jiān)控的接入和并網(wǎng)，節(jié)約后期管線入廊建設(shè)投資。

       綜合管廊在建設(shè)之初會(huì)部署一定的監(jiān)控點(diǎn)位，但隨著管線的逐步入廊和運(yùn)維時(shí)間的增加，會(huì)產(chǎn)生新的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)需求，可能需要?jiǎng)討B(tài)增加新的監(jiān)控點(diǎn)位或?qū)υO(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行位置調(diào)整等，物聯(lián)網(wǎng)的終端無(wú)線聯(lián)網(wǎng)相比傳統(tǒng)方案可以很好的滿足監(jiān)控動(dòng)態(tài)調(diào)整需求。

此外，物聯(lián)網(wǎng)采用邊緣計(jì)算及機(jī)器通信（Ｍ２Ｍ）等技術(shù)，在邊緣端部署相關(guān)算法可以提高系統(tǒng)智慧化程度。

       綜上，物聯(lián)網(wǎng)具有終端無(wú)線聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用業(yè)務(wù)部署靈活、終端聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展容易、建設(shè)及維護(hù)成本低、智慧化程度高等優(yōu)勢(shì)，相比傳統(tǒng)方案更適合具有環(huán)境差、廣連接、入廊管線種類復(fù)雜及建設(shè)時(shí)序不一等特征的綜合管廊。

2.4網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)（Mesh）

       網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)（Mesh）即無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，是一種多跳網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的可以不斷擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是去中心化的，當(dāng)有中間節(jié)點(diǎn)設(shè)備離線時(shí)，可以重新計(jì)算新路由，滿足業(yè)務(wù)交互，可以大大降低整體故障率。任意的兩個(gè)設(shè)備均可以保持無(wú)線互聯(lián)，相比單跳網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)更強(qiáng)壯、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展更靈活及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。

       網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)如圖6所示，以防火分隔為基本通信單元，每個(gè)基本通信單元包含電力艙防火分區(qū)和綜合艙防火分區(qū)。在每個(gè)基本通信單元設(shè)置１套物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，在每個(gè)基本通信單元的每個(gè)防火分區(qū)設(shè)置4套物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)支持多種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要用于網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)管理，包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?、協(xié)議轉(zhuǎn)換、分組交換、路由選擇、差錯(cuò)校驗(yàn)、流量控制、擁塞控制等功能，并采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)控制平面和數(shù)據(jù)平面分離、解耦。

圖6網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.5功能實(shí)現(xiàn)

       環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要功能包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)備監(jiān)控及電力監(jiān)控等，為綜合管廊穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。環(huán)境監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括綜合管廊內(nèi)的溫濕度、氧含量及液位等；設(shè)備監(jiān)控內(nèi)容主要包括綜合管廊內(nèi)排水設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備及照明設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制及運(yùn)行狀態(tài)等；電力監(jiān)控內(nèi)容主要包括綜合管廊內(nèi)高低壓配電柜、EPS裝置及UPS裝置的供電狀態(tài)等。

       物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設(shè)備就近部署在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備控制箱或環(huán)境監(jiān)測(cè)儀旁邊，通過(guò)I/O或通信口與機(jī)電設(shè)備控制箱或環(huán)境監(jiān)測(cè)儀相連，并通過(guò)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備或環(huán)境監(jiān)測(cè)儀無(wú)線聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）接收物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)下發(fā)的應(yīng)用業(yè)務(wù)并進(jìn)行邊緣側(cè)部署；

（2）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱、機(jī)器通信（M2M）與邊緣計(jì)算等；

（3）向物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)反饋環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息。

 

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>