基于邊緣計算技術的綜合管廊智能化電氣設計與應用研究

       文章采用物聯(lián)網(wǎng)技術云、邊、端全方面的應用，開發(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、市政管線和人員的安全。

 

       綜合管廊負責容納多種城市綜合管線，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。所以應在綜合管廊內(nèi)設置管廊智慧化系統(tǒng)，為管廊以及廊內(nèi)管線與人員提供基本的安全保護。當前這些系統(tǒng)依舊采用獨立的系統(tǒng)進行集成，而海量的多種類設備所產(chǎn)生的龐大信息數(shù)據(jù)，結合 對外通訊的復雜性、信息數(shù)據(jù)接入方式傳統(tǒng)等因素，為數(shù)據(jù)的采集、處理和信息的集成帶來困難。同時，設備缺乏自處理能力，其功能的實現(xiàn)對通訊依賴度高；各子系統(tǒng)自成一體，大量的自用纜線占據(jù)綜合管廊有限空間；信息孤島現(xiàn)象明顯，系統(tǒng)間不能實現(xiàn)跨系統(tǒng)設備聯(lián)動，系統(tǒng)反應遲緩，應急措施受限。

 

       從2018年開始，高校、科研院所、市政設計院陸續(xù)加大了物聯(lián)網(wǎng)技術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(tǒng)、方法和應用》；山西省信息產(chǎn)業(yè)技術研究院有限公司發(fā)表論文《物聯(lián)網(wǎng)架構的管廊綜合監(jiān)控管理平臺》；重慶市勘測院發(fā)表論文《物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術在地下綜合管廊建設運維中的應用研究》；京投公司開展基于物聯(lián)網(wǎng)技術的融合通訊設備研究，北京建工開發(fā)邊緣計算管廊區(qū)域控制單元；蘇交科開發(fā)BIM+物聯(lián)網(wǎng)結合建立基于云的城市管網(wǎng)智慧監(jiān)控平臺。這些公司通過探索和研究，嘗試找到物聯(lián)網(wǎng)技術，解決管廊智慧化的建設的某些問題。

       物聯(lián)網(wǎng)技術在設備連接、大數(shù)據(jù)量承載方面具 有獨/特的優(yōu)勢。通過對物聯(lián)網(wǎng)技術進行創(chuàng)新應用，優(yōu)化管廊管控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構，解決管廊設備數(shù)據(jù)量 大、通訊協(xié)議多樣、集成難度大、跨系統(tǒng)聯(lián)動響應遲 緩等問題，保障海量設備并發(fā)接入，提高數(shù)據(jù)安全性和響應速度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，降低統(tǒng)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(tǒng)安全高可用，并降低事故風險，同時減少建設中電纜、光纜的使用，預留出更多寶貴的廊內(nèi)空間。

 

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

2.1物聯(lián)網(wǎng)云平臺的研究與開發(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)實現(xiàn)平臺和設備的泛在連接、數(shù)據(jù)采集和設備控制等，資產(chǎn)管理實現(xiàn)設備資產(chǎn)采購、安裝、維護和報廢的全生命周期管理，應用使能實現(xiàn)對業(yè)務系統(tǒng)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)軟件平臺的開發(fā)采用微服務架構，微服務核心組件通過調(diào)用HTTP、MQTT、CoAP 三種通訊微服務實現(xiàn)和設備、網(wǎng)關的設備連接、遙感數(shù)據(jù)采集、控制指令發(fā)送等。引入規(guī)則鏈進行業(yè)務邏輯編制，數(shù)據(jù)通訊采用消息隊列。物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺作為業(yè)務系統(tǒng)（綜合管廊智慧管控平臺）的數(shù)據(jù)和應用支撐。引入Zookeeper 架構，實現(xiàn)平臺的集群部署和高可用（見圖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)云平臺開發(fā)

參考國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)平臺的功能實現(xiàn)，采用java語言開發(fā)適合智慧管廊應用場景的物聯(lián)網(wǎng)平臺（見圖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

       通過在管廊現(xiàn)場（防火分區(qū)設備間）設置管廊邊計算控制器，實現(xiàn)就地化數(shù)據(jù)采集、設備聯(lián)動、數(shù)據(jù)上傳，可以大大提高數(shù)據(jù)效率，并節(jié)省電纜。

       管廊邊緣計算控制器主要匯總環(huán)境和設備監(jiān)控、安防、通訊、結構監(jiān)測等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，常用協(xié)議為MQTT、OPC UA、Modbus、ODBC、視頻（碼流）等，實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的設備聯(lián)動。數(shù)據(jù)上傳江采集的數(shù)據(jù)上傳給物聯(lián)網(wǎng)平臺（見圖3）

圖3 綜合管廊邊緣計算網(wǎng)關

 

2.3物聯(lián)網(wǎng)終端的應用

       采用物聯(lián)網(wǎng)技術，對綜合管廊進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。針對環(huán)境與設備監(jiān)控、安全防范、通信、火災自動報警、可燃氣體報警、電子標簽、巡檢機器人、結構檢測、管線監(jiān)測、其他智能終端都采用物聯(lián)網(wǎng)終端設備進行采集。配置原則如表1 所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)終端配置

 

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、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。

 

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

 

3.6.1 Anet-**/4G系列導軌式智能網(wǎng)關

       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)通無線聯(lián)網(wǎng)功能的通用型智能 通信管理機，適用于國家公務機關、企事業(yè)單位、公共機構、住宅商業(yè)樓宇、酒店餐飲商場等領域， 可滿足水、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(shù)據(jù)采集的需求。 

該設備可用于以下應用場景： 

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

?建筑能耗系統(tǒng) ?遠程預付費系統(tǒng) ?消防防護系統(tǒng) ?智能建筑系統(tǒng)

技術特點

 

3.6.2  Anet-2E4SM/4G模塊化智能網(wǎng)關

        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(tǒng)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， 整個設備可通過串口、以太網(wǎng)、Lora無線、wifi無線等鏈路采集水表、氣表、電表、微機保護等設備 終端的數(shù)據(jù)，標配的8路無源干接點可實時采集門禁、水浸、煙感等開關量信息，可通過有線網(wǎng)絡、 WiFi網(wǎng)絡、4G網(wǎng)絡等鏈路上傳告警、實時數(shù)據(jù)等信息。主模塊搭配從模塊可靈活擴展，增加更豐富的 應用場景，同時還可提供邊緣計算等需求。 

該設備可用于以下應用場景： 

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

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

?運維系統(tǒng)平臺 ?能源綜合管理平臺 

技術特點

 

       通過物聯(lián)網(wǎng)技術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(shù)據(jù)采集的難度，避免了數(shù)據(jù)孤島，提高了系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)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、市政管線和人員的安全。