淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在上海某綜合管廊中的應(yīng)用

 

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)計為例，對物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)方案進行了比較研究，物聯(lián)網(wǎng)相比傳統(tǒng)方案具有終端無線聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用業(yè)務(wù)部署靈活、終端聯(lián)網(wǎng)擴展容易、建設(shè)及維護成本低等優(yōu)勢，并能提升綜合管廊智慧化水平，促進綜合管廊數(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)在我國已進入規(guī)模化發(fā)展和創(chuàng)新階段，這條“城市生命線"安全、穩(wěn)定運行，是未來城市建設(shè)發(fā)展需要著重關(guān)注的問題。

       全國25個綜合管廊試點城市已經(jīng)建設(shè)了6000余公里，在運營過程中發(fā)現(xiàn)由于管廊凝露嚴重等原因，導(dǎo)致綜合管廊現(xiàn)場傳感器失效，觸發(fā)風(fēng)機頻繁起停，有毒有害氣體濃度監(jiān)測不準確，環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可靠性變差等問題。在火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中出現(xiàn)火災(zāi)誤報、漏報、錯報等情況?，F(xiàn)有的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)無法可靠地反映現(xiàn)場真實情況。

       國家“十四五"規(guī)劃綱要中提出：圍繞強化數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、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，增強數(shù)據(jù)感知、傳輸、存儲和運算能力。加快交通、能源、等傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造，加強泛在感知、終端聯(lián)網(wǎng)、智能調(diào)度體系建設(shè)，并將云計算、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)實和增強現(xiàn)實劃定為7大數(shù)字經(jīng)濟的重點產(chǎn)業(yè)。

       物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是指通過信息傳感設(shè)備、射頻識別技術(shù)、紅外感應(yīng)等各種裝置與技術(shù)，采集需要監(jiān)控、連接和互動的信息，通過約定的協(xié)議實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，以實現(xiàn)智能化識別、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)控制的對象主要是風(fēng)機、水泵等，以閾值控制為主，控制邏輯簡單，用物聯(lián)網(wǎng)方案只要做個配置即可，不需要編程就能滿足控制要求，大大降低了對運維人員的要求；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、錯報的現(xiàn)象很高，物聯(lián)網(wǎng)具有的邊緣計算功能很好地解決了這一問題，減輕了統(tǒng)一管理平臺的壓力。即使統(tǒng)一管理平臺宕機、通訊網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況下，依靠現(xiàn)場的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算系統(tǒng)也能正常運行；地下空間的安全隱患是不確定的，若需要增加監(jiān)測點，只需配個邊緣接入設(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，通過聯(lián)絡(luò)通道與綜合管廊進行銜接，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、可編程控制器、遠程I/O模塊及環(huán)境監(jiān)測相關(guān)檢測儀表等組成。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管理層、中間傳輸層及前端感知層。

       后臺管理層位于綜合管廊控制中心，主要由匯聚交換機、工作站、服務(wù)器等組成。后臺管理層通過中間傳輸層將前端感知層采集的信息進行集中存儲、處理及展示，并且實現(xiàn)對管廊的遠程監(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、遠程I/O、接入交換機及線纜等組成。管廊內(nèi)在每個分變電所設(shè)置可編程控制器，負責(zé)區(qū)域監(jiān)控區(qū)間聯(lián)動控制及監(jiān)控信息上傳。在每個進/排風(fēng)井設(shè)置一套遠程I/O模塊，負責(zé)基本監(jiān)控區(qū)間內(nèi)所有防火分區(qū)內(nèi)的監(jiān)控數(shù)據(jù)采集、上傳及聯(lián)動控制信號的發(fā)出?？删幊炭刂破魍ㄟ^遠程I/O模塊反饋的管廊內(nèi)環(huán)境監(jiān)測信息、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），并通過信息傳輸網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與監(jiān)控中心后臺管理系統(tǒng)的信息交互前端感知層位于綜合管廊內(nèi)，主要由溫濕度檢測儀、含氧量檢測儀、風(fēng)機控制箱及水泵控制箱等現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備控制箱組成。通過現(xiàn)場設(shè)備對綜合管廊內(nèi)的溫濕度、氧含量等環(huán)境參數(shù)進行檢測和采集，從現(xiàn)場設(shè)備控制箱內(nèi)獲得風(fēng)機、水泵等設(shè)備的狀態(tài)信息。

控制方式分為中央級、就地級和現(xiàn)場級，可實現(xiàn)監(jiān)控中心中央級遠程控制、可編程站就地自動/手動控制和現(xiàn)場控制箱自動/手動控制。

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)管理平臺及其硬件支撐設(shè)備，部署在監(jiān)控中心，實現(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)信息存儲與可視化展示等功能，并與綜合管廊統(tǒng)一管理平臺進行信息共享。

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、交換機及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等，通過構(gòu)建自愈型光纖干線環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)中心層與接入層的信息上傳下達。

       接入層主要包括物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設(shè)備、現(xiàn)場機電設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測儀表等，物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于構(gòu)建現(xiàn)場網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)（Mesh），物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設(shè)備用于現(xiàn)場機電設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測儀表無線聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算與機器通信（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)的若干個綜合管廊組成，具有狹長、艙室多、入廊管線種類復(fù)雜等特點，為了保障良好的運行環(huán)境，需要配置通風(fēng)、排水、照明等機電設(shè)備，并設(shè)置環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與機電設(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有線方式與基本監(jiān)控單元內(nèi)各現(xiàn)場機電設(shè)備及傳感儀表相連，實現(xiàn)對機電設(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)，主要采用邊緣計算、終端無線聯(lián)網(wǎng)、機器通信（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，并且檢修費時費力。物聯(lián)網(wǎng)提供的終端無線聯(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，也降低因為線纜眾多造成的故障，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

       綜合管廊入廊管線種類復(fù)雜，入廊時間不一，不同管線對管線監(jiān)測內(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)之初一般會為管線監(jiān)控接入預(yù)留接口[4]，但實際往往難以準確預(yù)留。預(yù)留的接口也對管線監(jiān)控的內(nèi)容和監(jiān)測點設(shè)置等有一定的限制。物聯(lián)網(wǎng)的終端無線聯(lián)網(wǎng)相比傳統(tǒng)方案可以很好的兼容未來入廊管線監(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)之初會部署一定的監(jiān)控點位，但隨著管線的逐步入廊和運維時間的增加，會產(chǎn)生新的動態(tài)監(jiān)測需求，可能需要動態(tài)增加新的監(jiān)控點位或?qū)υO(jiān)控點進行位置調(diào)整等，物聯(lián)網(wǎng)的終端無線聯(lián)網(wǎng)相比傳統(tǒng)方案可以很好的滿足監(jiān)控動態(tài)調(diào)整需求。

此外，物聯(lián)網(wǎng)采用邊緣計算及機器通信（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)具有終端無線聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)用業(yè)務(wù)部署靈活、終端聯(lián)網(wǎng)擴展容易、建設(shè)及維護成本低、智慧化程度高等優(yōu)勢，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）即無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，是一種多跳網(wǎng)絡(luò)，是一個動態(tài)的可以不斷擴展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是去中心化的，當(dāng)有中間節(jié)點設(shè)備離線時，可以重新計算新路由，滿足業(yè)務(wù)交互，可以大大降低整體故障率。任意的兩個設(shè)備均可以保持無線互聯(lián)，相比單跳網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)更強壯、網(wǎng)絡(luò)擴展更靈活及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)動態(tài)調(diào)整等優(yōu)點。

       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)。在每個基本通信單元設(shè)置１套物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，在每個基本通信單元的每個防火分區(qū)設(shè)置4套物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(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)點管理、網(wǎng)絡(luò)拓撲管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、分組交換、路由選擇、差錯校驗、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、設(shè)備監(jiān)控及電力監(jiān)控等，為綜合管廊穩(wěn)定運行提供保障。環(huán)境監(jiān)測內(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)動控制及運行狀態(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)場機電設(shè)備控制箱或環(huán)境監(jiān)測儀旁邊，通過I/O或通信口與機電設(shè)備控制箱或環(huán)境監(jiān)測儀相連，并通過網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)機電設(shè)備或環(huán)境監(jiān)測儀無線聯(lián)網(wǎng)，同時實現(xiàn)如下功能：

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

（2）實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱、機器通信（M2M）與邊緣計算等；

（3）向物聯(lián)網(wǎng)管理平臺反饋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)及機電設(shè)備運行狀態(tài)信息。

 

3.1平臺概述

       AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監(jiān)控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監(jiān)測于一體，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)動控制和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的設(shè)計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內(nèi)部干擾性強、使用單位多及協(xié)調(diào)復(fù)雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)運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平臺組成

       安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統(tǒng)是一個深度集成的自動化平臺，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)。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

3.3平臺拓撲

3.4平臺子系統(tǒng)

3.4.1電力監(jiān)控

       電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報警及記錄等。

3.4.2環(huán)境監(jiān)測

       環(huán)境監(jiān)測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調(diào)、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預(yù)警，同時也可接入管廊艙室內(nèi)的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機等設(shè)備集成的第三方系統(tǒng)完成管廊環(huán)境綜合監(jiān)控。

3.4.3電氣安全

       AcrelEMS-UT能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應(yīng)的電氣火災(zāi)傳感器、溫度傳感器，消防設(shè)備電源傳感器、防火門狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預(yù)警。

3.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單

3.5.1電力監(jiān)控及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

       物聯(lián)網(wǎng)作為十四五規(guī)劃倡導(dǎo)的新型技術(shù)，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)在綜合管廊中應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢，可以很好滿足管線逐步入廊而伴隨對監(jiān)控需求的動態(tài)調(diào)整，并實現(xiàn)綜合管廊物與物、物與人的泛在連接，為綜合管廊數(shù)字化轉(zhuǎn)型、數(shù)字賦能提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，后期結(jié)合大數(shù)據(jù)分析及AI輔助決策等技術(shù)，可以提供綜合管廊的運行監(jiān)控與運維管理智慧化程度。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合管廊應(yīng)用的基礎(chǔ)，一方面，可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與安全防范系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等進行結(jié)合；另一方面可以進一步將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地下空間中進行推廣，解決類似的環(huán)境惡劣造成的一系列問題。

 

【1】劉新秀.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合管廊中的應(yīng)用.

【2】謝軍.“綜合管廊群"監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計［Ｊ］．中國工程，2017.

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05

 

作者簡介：劉細鳳，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智慧管廊監(jiān)控研究發(fā)展。