淺談邊緣計算在綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)應用

安科瑞 陳聰

摘要：本文介紹了基于邊緣計算技術及其特點,根據(jù)綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)需求分析了NiagaraFramework的JACE8000系統(tǒng)控制的功能,并應用綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件,實現(xiàn)上位機對現(xiàn)場智能節(jié)點的遠程通信與控制,合理地實施控制技術,以達到邊緣計算應用的目標。

關鍵詞：邊緣計算；綜合管廊；監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)

0引言

綜合管廊就是在道路地下將電力、通訊，燃氣、供熱、給排水等多種管線設置同一個隧道空間，設有專門的監(jiān)測系統(tǒng)，一種城市的基礎設施。2015年8月，**辦公廳下發(fā)《**辦公廳關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》大力發(fā)展地下綜合管廊建設，要建設具有技術的地下綜合管廊。隨著數(shù)字化浪潮的興起，2020年住房和城鄉(xiāng)**和**13部門聯(lián)合發(fā)布《關于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見》，推進建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化升級。2020年浙江省推出《浙江省新型基礎設施建設三年行動計劃(2020—2022年)》中提出了統(tǒng)籌推進城市地下綜合管廊數(shù)字化建設。

綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)運用傳感器網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)、自動控制等理論和技術，借助GIS+BIM+物聯(lián)網(wǎng)，防火災、防盜、人員巡檢定位；以統(tǒng)一的平臺集成聯(lián)動，通過大數(shù)據(jù)技術，分析綜合管廊日常和應急狀態(tài)運行參數(shù)，建立起綜合管廊公共安全風險防控與應急技術。根據(jù)綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)各子系統(tǒng)物理層、協(xié)議層和傳輸層的共性與特性，并進行建立其綜合模型；并在基礎上對子系統(tǒng)所產(chǎn)生的大批量實時數(shù)據(jù)進行存儲、檢索與分析，預警分析、事故處理。義烏市03省道（宗澤路—環(huán)城北路）管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)工程位于義烏稠城街道和福田街道，起于宗澤路-雪峰東路交叉口西北角，沿宗澤路至03省道交叉口東南角接220KV宗澤變后，沿03省道至環(huán)城北路交叉口東南角，管廊全長約9586.351米；包括管廊監(jiān)控**設備、管廊監(jiān)控系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、無線對講系統(tǒng)、機器人巡檢系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)（含監(jiān)控**消防報警）、移動通信信號覆蓋系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、離線式巡檢管理系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、消防工程、軟件、綜合管路、標示標牌等工程內(nèi)容。項目在具體建設過程中，由于綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，相互**，接口協(xié)議不規(guī)范，開發(fā)驅(qū)動多工作量大，無法實現(xiàn)標準化；沒有很好互融互通。運用云計算技術，數(shù)據(jù)需要中轉(zhuǎn)，大量占據(jù)傳輸帶寬，響應不及時2020年邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）發(fā)布《邊緣計算參考架構(gòu)3.0》，邊緣計算享有響應速度快，利用率高，通信量小，數(shù)據(jù)安全等優(yōu)勢，具有異構(gòu)性、分布性、連續(xù)性、靠近數(shù)據(jù)等的特點，下面我們分析邊緣計算在管廊監(jiān)控系統(tǒng)應用。

1理論基礎：系統(tǒng)架構(gòu)設計

邊緣計算就是在靠近數(shù)據(jù)源頭或物的網(wǎng)絡側(cè)，融合計算、網(wǎng)絡、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數(shù)字化在實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能等方面的關鍵需求。隨著邊緣計算落地實踐應用，以云邊協(xié)同和邊緣智能為主要發(fā)展方向。為了克服當前云計算集中化、數(shù)據(jù)延時長、安全性差，將云計算“下沉”，設計了一種基于邊緣計算的綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)。通過本地匯聚網(wǎng)絡、計算、存儲、應用、智能等提高服務性能，減少時延和帶寬需求，提升控制能力。JACE8000控制器發(fā)揮NiagaraFramework技術的特點，運用網(wǎng)絡通信技術，完成綜合管廊監(jiān)控數(shù)據(jù)采集、管理和應用，構(gòu)建“邊云”協(xié)同的分布式部署架構(gòu)，在綜合管廊監(jiān)控**實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存、調(diào)用。JACE網(wǎng)絡控制器作為邊緣控制平臺，可以實現(xiàn)對各子系統(tǒng)互聯(lián)及管理、集成、監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、報警、時間表和網(wǎng)絡管理的功能，運用MQTT協(xié)議與華為云對接，并與云平臺進行協(xié)同工作。系統(tǒng)內(nèi)核采用分層設計，開發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)通訊標準，模塊化驅(qū)動，便于整個平臺在橫向和縱向靈活擴展，設計規(guī)范的軟件，達到設施設備運行安全?；赟OA平臺化架構(gòu)理念，監(jiān)控系統(tǒng)支持C/S、B/S或C/S、B/S混用等不同“架構(gòu)”配置Wi-Fi,RFID,Zigbee等眾多的工業(yè)標準。統(tǒng)一的接口調(diào)用方式，減少切換思維導致編碼速度下降，系統(tǒng)接口以動詞+名詞的形式命名，保證其簡單易懂。外部接口返回結(jié)果統(tǒng)一使用標準的JSON格式，所有的接口**要有日志，方便維護。綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)面向服務的架構(gòu)（SOA），在同一集成平臺上，實現(xiàn)多個系統(tǒng)業(yè)務信息流程的重組和擴展，大大提升監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性，降低監(jiān)控系統(tǒng)的使用及維護成本?；谶吘売嬎憔C合管廊監(jiān)控系統(tǒng)一般分成前端數(shù)據(jù)感知層、邊緣計算層、云計算層3層。

1.1前端數(shù)據(jù)感知層

綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)感知層一般由CH4、O2、CO、CO2等氣體傳感器、照度傳感器、溫濕度傳感器、光纖溫度傳感器、煙感、手動報警模塊、網(wǎng)絡攝像機、紅外被動探測器、電量計量儀表、液位傳感器、I/O模塊組成，它們感知綜合管廊物理變化變換成弱電信號，一般分為兩類，模擬量和數(shù)字量。前端數(shù)據(jù)感知層采用ZigBee網(wǎng)絡，選用樹型+星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。ZigBee節(jié)點采用CC2530芯片，嵌入式網(wǎng)關使用STM32F103芯片。STM32F103芯片具有512kb的閃存以及64kb的RAM，**工作頻率可達72MH，較好的技術參數(shù)大大優(yōu)化了系統(tǒng)硬件，系統(tǒng)功耗*大降低了。WiFi模塊選用ESP-07芯片組，將ZigBee網(wǎng)絡和WiFi相結(jié)合，大大增加了前端數(shù)據(jù)互通與連接。

1.2邊緣計算層

JACE網(wǎng)絡控制器8000具有如下特點：升級的Niagara4平臺，模塊化結(jié)構(gòu)與設計，免工具安裝，支持WiFi功能，內(nèi)置標準開放的驅(qū)動程序，靈活的授權(quán)許可，具有RS485端口、以太網(wǎng)接口、WiFi連接，通過MQTT協(xié)議與云計算層通信對接。邊緣計算層能夠完成本地數(shù)據(jù)的快速采集、分析，實時性高，由具備一定計算、儲存能力的網(wǎng)絡邊緣節(jié)點組成，響應業(yè)務實時增值決策。

1.3云計算層

云計算層具有運算能力強大，存儲空間大等特點，對上傳的數(shù)據(jù)接收、存儲、發(fā)布、控制，完成數(shù)據(jù)計算算法處理分析。國內(nèi)比較可靠的就是華為云和阿里云，本系統(tǒng)就是基于華為云部署的。連接華為云物聯(lián)網(wǎng)云平臺的方式有兩種：**種裝有Niagara的連接以太網(wǎng)的本地電腦或者部署Niagara項目的本地服務器直接連接；*二種部署有分布式的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算網(wǎng)關JACE8000系列直接連接。將綜合管廊各種信息按照MQTT協(xié)議封裝成MQTT控制報文，進行存儲分析，并且發(fā)布?？梢酝ㄟ^PC、PAD、手機各種終端調(diào)用查詢。

2應用模塊：預警和報警模塊功能

預警和報警模塊主要為管廊整體的安全運維服務，對每一報警提供報警詳情**展示報警的關聯(lián)信息，支持狀態(tài)合并，重復報警合并，限值合并等不同的報警顯示方式；支持多種報警統(tǒng)計查詢方式，如洪水統(tǒng)計、數(shù)量統(tǒng)計、時序統(tǒng)計、高頻統(tǒng)計、反復報警統(tǒng)計、頑固報警統(tǒng)計、報警KPI分析統(tǒng)計；提供各類統(tǒng)計功能，用于報警數(shù)量和分布的統(tǒng)計，可作為報警改進優(yōu)化的依據(jù)，過濾無效或低效報警，也可將統(tǒng)計功能作為預警模型的一部分，參與預警運算和觸發(fā)等功能。主要包括：綜合監(jiān)控管理功能、實時告警一覽功能、設備告警聯(lián)動配置功能、報警方案管理功能、歷史告警查詢功能、歷史趨勢查詢功能等?？蛻舳送ㄟ^Web瀏覽器，Niagara4Supervisor提供數(shù)據(jù)日志記錄/趨勢分析、數(shù)據(jù)庫管理、存檔并輸出到外部數(shù)據(jù)庫、報警、系統(tǒng)導航、時間表、儀表盤報告；通過XML接口(OBIX標準協(xié)議)與其它應用軟件程序集成，實時顯現(xiàn)圖形化信息^［6-7］。以管廊分區(qū)為劃分，打破各子系統(tǒng)的邊界，弱化底層各子系統(tǒng)功能，對設備層子系統(tǒng)進行扁平化，構(gòu)建邊緣計算設備在邊緣節(jié)點之間局域通信網(wǎng)絡^[8]，實現(xiàn)邊緣層信息互聯(lián)、互通、聯(lián)動。配置管廊內(nèi)各個設備間設備聯(lián)動的預案，當故障發(fā)生時，系統(tǒng)自動調(diào)用相應預案進行處理。通過系統(tǒng)提供圖形化工具進行聯(lián)動方案的定義。設備聯(lián)動的內(nèi)容應包括：視頻、消防、安防、照明等，提供聯(lián)動方案的添加、刪除、修改?？筛鶕?jù)自定義條件查詢已配置的聯(lián)動方案。當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有故障、報警信息時，可按照相關設定預案，自動對相關監(jiān)控設備（例如：攝像機）進行業(yè)務聯(lián)動操作，例如：視頻錄像、燈光開關、空調(diào)開關、風機開關等。聯(lián)動方案可由時間觸發(fā)，如每隔一段時間開啟風機進行排風，也可由故障、報警觸發(fā)。聯(lián)動方案可由多個條件觸發(fā)。聯(lián)動方案可順序或同時聯(lián)動多個設備。聯(lián)動可自動執(zhí)行，也可手動執(zhí)行。聯(lián)動方案的執(zhí)行邏輯可包含界面交互步驟，在執(zhí)行過程中，根據(jù)用戶的選擇，執(zhí)行不同的操作。與傳統(tǒng)構(gòu)架監(jiān)控系統(tǒng)比較，邊緣計算構(gòu)架監(jiān)控系統(tǒng)傳輸流量有所降低，降低了傳輸成本，

緩解云計算層運算、存儲壓力。

3拓展應用：應急指揮功能模塊

充分發(fā)揮將各個智能子系統(tǒng)在統(tǒng)一管理平臺優(yōu)勢，應急調(diào)度指揮系統(tǒng)中增設應急指揮處置功能，協(xié)助管廊公司管理人員或相關處突部門面對緊急事件，能夠及時處理，降低人員傷亡與財產(chǎn)損失。實現(xiàn)管廊內(nèi)應急數(shù)據(jù)的收集、分析，應急指揮的輔助決策、應急資源的組織、協(xié)調(diào)和管理控制等指揮功能，通過前端監(jiān)測設備數(shù)據(jù)接口對風險源進行重點監(jiān)視，通過與管線托管單位的信息化系統(tǒng)進行對接，建立應急物資庫，對應急物資建立詳細的資料信息庫，建立應急專家?guī)?，對應急專家建立詳細的資料信息庫，滿足根據(jù)分級機制問題發(fā)生后，各搶險指揮部指揮調(diào)度搶險等。

4AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺

4.1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、**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。

4.2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、**、有序的要求。

4.3平臺拓撲

4.4平臺子系統(tǒng)

4.4.1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。

4.4.2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*三方系統(tǒng)完成管廊環(huán)境綜合監(jiān)控。

4.4.3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。

4.5相關平臺部署硬件選型清單

4.5.1電力監(jiān)控及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

4.5.2電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

4.5.3消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)

4.5.4防火門監(jiān)控系統(tǒng)

4.5.5消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)

5結(jié)語

綜上所述，城市綜合管廊基礎設施建設對城市發(fā)展起到非常積*的促進作用。相關部門及工程建設單位，應該在認識到科技產(chǎn)品應用對綜合管廊建設重要性的基礎上，積*采取有效措施，以改善綜合管廊建設環(huán)境，提高其應用效率。在充分了解物聯(lián)網(wǎng)融合通信系統(tǒng)后，繼續(xù)尋找創(chuàng)新突破之法，將該系統(tǒng)技術更加有效地應用于城市建設工程中，使其發(fā)揮*大效用，對民眾的生產(chǎn)生活起到更大的促進作用。相關技術研發(fā)人員，也應該加大技術研發(fā)力度，進一步推陳出新，應用相關技術推動城市發(fā)展。

參考文獻

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