王蘭
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)、應用業(yè)務部署靈活、終端聯(lián)網(wǎng)擴展容易、建設及維護成本低等優(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。
關鍵詞：綜合管廊；環(huán)境與設備監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)字化轉(zhuǎn)型
0引言
綜合管廊工程是城市賴以生存和發(fā)展的基礎設施，擔負著城市信息傳遞、能源輸送、排澇減災、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"韌性城市建設發(fā)展的前沿陣地，綜合管廊建設在我國已進入規(guī)?；l(fā)展和創(chuàng)新階段，這條“城市生命線"安全、穩(wěn)定運行，是未來城市建設發(fā)展需要著重關注的問題。
全國25個綜合管廊試點城市已經(jīng)建設了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，導致綜合管廊現(xiàn)場傳感器失效，觸發(fā)風機頻繁起停，有毒有害氣體濃度監(jiān)測不準確，環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)可靠性變差等問題。在火災自動報警系統(tǒng)中出現(xiàn)火災誤報、漏報、錯報等情況。現(xiàn)有的環(huán)境與設備監(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，布局建設信息基礎設施、融合基礎設施、創(chuàng)新基礎設施等新型基礎設施。建設高速泛在、天地一體、集成互聯(lián)、安全高效的信息基礎設施，增強數(shù)據(jù)感知、傳輸、存儲和運算能力。加快交通、能源、市政等傳統(tǒng)基礎設施數(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，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備、射頻識別技術、紅外感應等各種裝置與技術，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)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)控制的對象主要是風機、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)技術在綜合管廊中應用，可以有效地提高綜合管廊的智慧化功能，并降低建設和運維成本。
１項目背景
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設計方案
2.1傳統(tǒng)方案
傳統(tǒng)的環(huán)境與設備監(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)測相關檢測儀表等組成。傳統(tǒng)環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示；傳統(tǒng)環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)布置圖如圖3所示。
圖2傳統(tǒng)環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架
傳統(tǒng)的環(huán)境與設備監(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)在每個分變電所設置可編程控制器，負責區(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/排風井設置一套遠程I/O模塊，負責基本監(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。可編程控制器通過遠程I/O模塊反饋的管廊內(nèi)環(huán)境監(jiān)測信息、設備監(jiān)控信息及電力監(jiān)控信息，完成設備的控制（聯(lián)動），并通過信息傳輸網(wǎng)絡實現(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、風機控制箱及水泵控制箱等現(xiàn)場設備和現(xiàn)場設備控制箱組成。通過現(xiàn)場設備對綜合管廊內(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)場設備控制箱內(nèi)獲得風機、水泵等設備的狀態(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備，部署在監(jiān)控中心，實現(xiàn)應用業(yè)務統(tǒng)一部署與定期更新、環(huán)境與設備監(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)絡設備、物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設備、現(xiàn)場機電設備及環(huán)境監(jiān)測儀表等，物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡設備用于構(gòu)建現(xiàn)場網(wǎng)格網(wǎng)絡（Mesh），物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設備用于現(xiàn)場機電設備及環(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、入廊管線種類復雜等特點，為了保障良好的運行環(huán)境，需要配置通風、排水、照明等機電設備，并設置環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與機電設備監(jiān)控等功能。
傳統(tǒng)方案中，環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)主要采用可編程邏輯控制器，一般以通風區(qū)間為基本監(jiān)控單元，每個基本監(jiān)控單元設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)場機電設備及傳感儀表相連，實現(xiàn)對機電設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，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，傳統(tǒng)方案在綜合管廊建設之初一般會為管線監(jiān)控接入預留接口[4]，但實際往往難以準確預留。預留的接口也對管線監(jiān)控的內(nèi)容和監(jiān)測點設置等有一定的限制。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投資。
綜合管廊在建設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)υO(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，在邊緣端部署相關算法可以提高系統(tǒng)智慧化程度。
綜上，物聯(lián)網(wǎng)具有終端無線聯(lián)網(wǎng)、應用業(yè)務部署靈活、終端聯(lián)網(wǎng)擴展容易、建設及維護成本低、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、入廊管線種類復雜及建設時序不一等特征的綜合管廊。
2.4網(wǎng)格網(wǎng)絡（Mesh）
網(wǎng)格網(wǎng)絡（Mesh）即無線網(wǎng)格網(wǎng)絡，是一種多跳網(wǎng)絡，是一個動態(tài)的可以不斷擴展的網(wǎng)絡架構(gòu)。無線Mesh網(wǎng)絡是去中心化的，當有中間節(jié)點設備離線時，可以重新計算新路由，滿足業(yè)務交互，可以大大降低整體故障率。任意的兩個設備均可以保持無線互聯(lián)，相比單跳網(wǎng)絡具有網(wǎng)絡更強壯、網(wǎng)絡擴展更靈活及網(wǎng)絡架構(gòu)動態(tài)調(diào)整等優(yōu)點。
網(wǎng)格網(wǎng)絡如圖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置１套物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，在每個基本通信單元的每個防火分區(qū)設置4套物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡設備實現(xiàn)支持多種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)格網(wǎng)絡組網(wǎng)。
物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關主要用于網(wǎng)格網(wǎng)絡管理，包括網(wǎng)絡節(jié)點管理、網(wǎng)絡拓撲管理、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（SDN）架構(gòu)，將網(wǎng)絡控制平面和數(shù)據(jù)平面分離、解耦。
圖6網(wǎng)格網(wǎng)絡示意圖
2.5功能實現(xiàn)
環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)主要功能包括環(huán)境監(jiān)測、設備監(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；設備監(jiān)控內(nèi)容主要包括綜合管廊內(nèi)排水設備、通風設備及照明設備的聯(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)邊緣接入設備就近部署在現(xiàn)場機電設備控制箱或環(huán)境監(jiān)測儀旁邊，通過I/O或通信口與機電設備控制箱或環(huán)境監(jiān)測儀相連，并通過網(wǎng)格網(wǎng)絡實現(xiàn)機電設備或環(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)的應用業(yè)務并進行邊緣側(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)及機電設備運行狀態(tài)信息。
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(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、系統(tǒng)架構(gòu)、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)服務等方面的設計，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(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)、電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)、消防設備電源系統(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、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內(nèi)的水泵和通風排煙風機等設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及時預警。
3.5相關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)
3.5.2電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)
3.5.3消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)
3.5.4防火門監(jiān)控系統(tǒng)
3.5.5消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)
4結(jié)語
物聯(lián)網(wǎng)作為十四五規(guī)劃倡導的新型技術，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要基礎。物聯(lián)網(wǎng)在綜合管廊中應用具有顯著優(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，后期結(jié)合大數(shù)據(jù)分析及AI輔助決策等技術，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)技術在綜合管廊應用的基礎，一方面，可以將物聯(lián)網(wǎng)技術與安全防范系統(tǒng)、火災自動報警系統(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。
參考文獻
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