邊緣計算技術(shù)的綜合管廊智能化電氣 設計與應用研究

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：文章采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)云、邊、端全方面的應用，開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算控制器和物聯(lián)網(wǎng)平臺，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行效率，降低了運維管理成本，保障了綜合管廊、市政管線(xiàn)和人員的安全。

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

0引言

綜合管廊負責容納多種城市綜合管線(xiàn)，一旦失控將對城市生產(chǎn)、生活造重大經(jīng)濟損失，嚴重影響城市運營(yíng)。所以應在綜合管廊內設置管廊智慧化系統，為管廊以及廊內管線(xiàn)與人員提供基本的安全保護。當前這些系統依舊采用獨立的系統進(jìn)行集成，而海量的多種類(lèi)設備所產(chǎn)生的龐大信息數據，結合 對外通訊的復雜性、信息數據接入方式傳統等因素，為數據的采集、處理和信息的集成帶來(lái)困難。同時(shí)，設備缺乏自處理能力，其功能的實(shí)現對通訊依賴(lài)度高；各子系統自成一體，大量的自用纜線(xiàn)占據綜合管廊有限空間；信息孤島現象明顯，系統間不能實(shí)現跨系統設備聯(lián)動(dòng)，系統反應遲緩，應急措施受限。

1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用分析

從2018年開(kāi)始，高校、科研院所、市政設計院陸續加大了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在管廊智慧化中的應用研究。例如上海市政院發(fā)表論文《基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM 的管道滲漏預警系統、方法和應用》；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)架構的管廊綜合監控管理平臺》；重慶市勘測院發(fā)表論文《物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術(shù)在地下綜合管廊建設運維中的應用研究》；京投公司開(kāi)展基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合通訊設備研究，北京建工開(kāi)發(fā)邊緣計算管廊區域控制單元；蘇交科開(kāi)發(fā)BIM+物聯(lián)網(wǎng)結合建立基于云的城市管網(wǎng)智慧監控平臺。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的某些問(wèn)題。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設備連接、大數據量承載方面具 有優(yōu)勢。通過(guò)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng )新應用，優(yōu)化管廊管控系統網(wǎng)絡(luò )架構，解決管廊設備數據量 大、通訊協(xié)議多樣、集成難度大、跨系統聯(lián)動(dòng)響應遲 緩等問(wèn)題，保障海量設備并發(fā)接入，提高數據安全性和響應速度，實(shí)現數據互聯(lián)互通，降低統一管理平臺信息集成難度，提高設備自處理能力，確保智慧管控系統安全高可用，并降低事故風(fēng)險，同時(shí)減少建設中電纜、光纜的使用，預留出更多寶貴的廊內空間。

2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用

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

2.1物聯(lián)網(wǎng)云平臺的研究與開(kāi)發(fā)

2.1.1物聯(lián)網(wǎng)云平臺功能設計

物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺主要功能包括設備物聯(lián)、資產(chǎn)管理和應用使能。設備物聯(lián)實(shí)現平臺和設備的泛在連接、數據采集和設備控制等，資產(chǎn)管理實(shí)現設備資產(chǎn)采購、安裝、維護和報廢的全生命周期管理，應用使能實(shí)現對業(yè)務(wù)系統的應用支撐。

2.1.2物聯(lián)網(wǎng)云平臺架構設計

物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺的開(kāi)發(fā)采用微服務(wù)架構，微服務(wù)核心組件通過(guò)調用HTTP、MQTT、CoAP 三種通訊微服務(wù)實(shí)現和設備、網(wǎng)關(guān)的設備連接、遙感數據采集、控制指令發(fā)送等。引入規則鏈進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯編制，數據通訊采用消息隊列。物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺作為業(yè)務(wù)系統（綜合管廊智慧管控平臺）的數據和應用支撐。引入Zookeeper 架構，實(shí)現平臺的集群部署和高可用（見(jiàn)圖1）。

圖1 智慧管廊物聯(lián)網(wǎng)平臺架構示意

2.1.3物聯(lián)網(wǎng)云平臺開(kāi)發(fā)

參考國內外物聯(lián)網(wǎng)平臺的功能實(shí)現，采用java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)適合智慧管廊應用場(chǎng)景的物聯(lián)網(wǎng)平臺（見(jiàn)圖2）

圖2 智慧管廊物聯(lián)網(wǎng)平臺界面

2.2物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的研究和應用

通過(guò)在管廊現場(chǎng)（防火分區設備間）設置管廊邊計算控制器，實(shí)現就地化數據采集、設備聯(lián)動(dòng)、數據上傳，可以大大提高數據效率，并節省電纜。

管廊邊緣計算控制器主要匯總環(huán)境和設備監控、安防、通訊、結構監測等系統的數據，常用協(xié)議為MQTT、OPC UA、Modbus、ODBC、視頻（碼流）等，實(shí)現不同系統之間的設備聯(lián)動(dòng)。數據上傳江采集的數據上傳給物聯(lián)網(wǎng)平臺（見(jiàn)圖3）

圖3 綜合管廊邊緣計算網(wǎng)關(guān)

2.3物聯(lián)網(wǎng)終端的應用

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對綜合管廊進(jìn)行監控和數據采集。針對環(huán)境與設備監控、安全防范、通信、火災自動(dòng)報警、可燃氣體報警、電子標簽、巡檢機器人、結構檢測、管線(xiàn)監測、其他智能終端都采用物聯(lián)網(wǎng)終端設備進(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  AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺

3.1平臺概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網(wǎng)絡(luò )、系統架構、聯(lián)動(dòng)控制和綜合數據服務(wù)等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過(guò)程中存在內部干擾性強、使用單位多及協(xié)調復雜的根本問(wèn)題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環(huán)境和設備的使用和恢復效率。

3.2平臺組成

安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統是一個(gè)深度集成的自動(dòng)化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所環(huán)境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門(mén)監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器、手機APP獲取數據，通過(guò)一個(gè)平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監控、統一管理、統一調度，同時(shí)滿(mǎn)足管廊用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。

3.3平臺拓撲

3.4平臺子系統

3.4.1電力監控

電力監控主要針對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(jìn)行保護和監控，對0.4kV出線(xiàn)配置多功能計量?jì)x表，用于測控出線(xiàn)回路電氣參數和用能情況，可實(shí)時(shí)監控高低壓供配電系統開(kāi)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、事故報警及記錄等。

3.4.2環(huán)境監測

環(huán)境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門(mén)禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時(shí)也可接入管廊艙室內的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機等設備集成的第三方系統完成管廊環(huán)境綜合監控。

3.4.3電氣安全

AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門(mén)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(shí)時(shí)顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，發(fā)生異常時(shí)通過(guò)聲光、短信、APP及時(shí)預警。

3.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單

3.5.1電力監控及配電室環(huán)境監控系統

3.6安科瑞智能網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品介紹

3.6.1 Anet-**/4G系列導軌式智能網(wǎng)關(guān)

ANet-**/4G是安科瑞電氣股份有限公司自主研發(fā)的一款帶全網(wǎng)通無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能的通用型智能 通信管理機，適用于國家公務(wù)機關(guān)、企事業(yè)單位、公共機構、住宅商業(yè)樓宇、酒店餐飲商場(chǎng)等領(lǐng)域， 可滿(mǎn)足水、電、氣、油、冷量、熱量等各種形式的用量及能源能耗分項計量數據采集的需求。 

該設備可用于以下應用場(chǎng)景： 

?電力監控系統 ?電能質(zhì)量系統 ?物聯(lián)網(wǎng)系統 ?電力需求側系統 

?建筑能耗系統 ?遠程預付費系統 ?消防防護系統 ?智能建筑系統

技術(shù)特點(diǎn)

3.6.2  Anet-2E4SM/4G模塊化智能網(wǎng)關(guān)

   ANet-2E4SM模塊化通信管理機是安科瑞電氣股份有限公司自主研發(fā)的一款通用型智能通信管理機，將傳統管理機的接口拆分成可拼裝搭配的模塊，其中主模塊可作為標準智能通信管理機獨立工作， 整個(gè)設備可通過(guò)串口、以太網(wǎng)、Lora無(wú)線(xiàn)、wifi無(wú)線(xiàn)等鏈路采集水表、氣表、電表、微機保護等設備 終端的數據，標配的8路無(wú)源干接點(diǎn)可實(shí)時(shí)采集門(mén)禁、水浸、煙感等開(kāi)關(guān)量信息，可通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、 WiFi網(wǎng)絡(luò )、4G網(wǎng)絡(luò )等鏈路上傳告警、實(shí)時(shí)數據等信息。主模塊搭配從模塊可靈活擴展，增加更豐富的 應用場(chǎng)景，同時(shí)還可提供邊緣計算等需求。 

該設備可用于以下應用場(chǎng)景： 

?電力監控系統 ?電能質(zhì)量系統 ?物聯(lián)網(wǎng)系統 ?電力需求側系統 

?建筑能耗系統 ?遠程預付費系統 ?第三方云平臺 ?泛在電力物聯(lián)網(wǎng) 

?運維系統平臺 ?能源綜合管理平臺 

技術(shù)特點(diǎn)

4結語(yǔ)

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合管廊智慧化中云、邊、端的應用，大大提高了綜合管廊的信息感知能

力，降低了綜合管廊數據采集的難度，避免了數據孤島，提高了系統平臺數據的承載能力，從而間接提高

了綜合管廊的智能化管控水平與運行效率，降低了運維管理成本，保障了綜合管廊、市政管線(xiàn)和人員的安全。

參考文獻

【1】梁仕賢，羊保品.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合管廊智慧化中的應用研究

【2】凌琪. 滇中新區智慧管廊環(huán)境和設備監控系統設計[J]. 智能建筑與智慧城市，2019

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05