智慧校園條件下的弱電工程研究

陶槊++陳濱

摘要：隨高校全面開(kāi)展的智慧校園建設(shè)，新的產(chǎn)品與技術(shù)的應(yīng)用，必將對(duì)弱電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工產(chǎn)生新的要求與標(biāo)準(zhǔn)。在即將到來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的移動(dòng)智能化高校環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)各弱電子系統(tǒng)集成一體化，需對(duì)弱電系統(tǒng)予以新的認(rèn)識(shí)。在建設(shè)高效可靠地校園信息系統(tǒng)中，依靠實(shí)踐與總結(jié)，來(lái)探討新技術(shù)與規(guī)范，對(duì)弱電工程方法進(jìn)行改進(jìn)，即通過(guò)對(duì)需求分析、設(shè)計(jì)施工、項(xiàng)目管理、檢查驗(yàn)收、維護(hù)使用各方面的研究與提煉，尋找在智慧校園弱電系統(tǒng)建設(shè)改造、維護(hù)使用的策略、思路及注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：智慧校園；弱電工程；設(shè)計(jì)施工；維護(hù)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）30-0263-03

The Electronic Engineering Search at Smart Campus

TAO Shuo1， CHEN Bin2

（1.Network Center， Hefei Science and Technology of College， Hefei 231201， China； 2. Electronic Dept.， Hefei Science and Technology of College， Hefei 231201， China）

Abstract： With the rapid implementation of construction of smart campus， as well as the application of new technologies and products， it is evitable to appear new challenges for electronic projects in demands and standards. In the approaching of 5-Generation Network times at intelligent campuses， especially， in order to realize the electronic system integration， it is taken for granted that the subject has been updated by new recognitions. In the development of efficient and reliable campus information system， with the discuss and search， it has been practiced and concluded some progressive methods in several respects of demanding analysis， design， building， project management， verification， and maintenance as well， so as to scrutinize the constructing， maintaining policies， ideas and cautions for electronic engineering at smart campus.

Keywords： smart campus； electronic engineering； design； construction； maintenance

1 概述

目前我國(guó)高校弱電系統(tǒng)已經(jīng)由“全數(shù)字化”向“智能化”推進(jìn)，并且各校也在摸索和研究建設(shè)一套可靠的智慧化校園的技術(shù)與方案。隨著校園智能設(shè)備的接入，對(duì)弱電系統(tǒng)的要求更加嚴(yán)苛，并也極大的充實(shí)了對(duì)弱電系統(tǒng)應(yīng)用范圍。它由原先的綜合布線系統(tǒng)、有/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、安防監(jiān)控，衛(wèi)星電視、廣播、固話、會(huì)議系統(tǒng)，樓宇智控、一卡通系統(tǒng)，現(xiàn)在加入智慧課堂/圖書(shū)館/社群、云計(jì)算虛擬化、物聯(lián)網(wǎng)（IoT： Internet of Things）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，所有系統(tǒng)又可以根據(jù)不同的客戶需求加以組合與互聯(lián)。這就不僅要在校園內(nèi)完善各類信息系統(tǒng)建設(shè)，還要根據(jù)各子系統(tǒng)的任務(wù)需要通過(guò)中繼中轉(zhuǎn)鏈接，從而造成弱電系統(tǒng)技術(shù)、協(xié)議、設(shè)備的多樣化、復(fù)雜化，迫使我們對(duì)弱電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、施工、工藝、標(biāo)準(zhǔn)上都要有所更新。

2 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)我國(guó)高校應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)弱電系統(tǒng)要求以集中化管理、模塊化設(shè)計(jì)、智能化應(yīng)用有機(jī)組合，各類信息系統(tǒng)為學(xué)校的教、學(xué)、研、管理、財(cái)務(wù)、后勤、生活提供服務(wù)（《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50314-2006）），實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一出口、綜合認(rèn)證，安全高速的信息互聯(lián)與處理。所以建設(shè)改造原則成為設(shè)計(jì)指標(biāo)的矛盾統(tǒng)一：即高效性/穩(wěn)定性、先進(jìn)性/成熟性、經(jīng)濟(jì)性/前瞻性、安全性/易維性等。

3 需求分析

通過(guò)本校技術(shù)力量或?qū)I(yè)集成商對(duì)各院校弱電工程建設(shè)/升級(jí)進(jìn)行項(xiàng)目分解，明晰使用需求，搞清高校具體背景、應(yīng)用、資金等，這些決定了網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)、規(guī)模和選型，直至影響后續(xù)的弱電服務(wù)項(xiàng)目、施工進(jìn)程、質(zhì)量，最終決定了用戶體驗(yàn)QoE和系統(tǒng)水平。

做需求分析時(shí)，有必要幫助使用者提供案例對(duì)比，給出參照性意見(jiàn)，而不是一味對(duì)用戶需要做疊加，特別對(duì)于新系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)未明確確切用途場(chǎng)合情況下，務(wù)必耐心幫助用戶做好功能點(diǎn)定位工作。

4 方案設(shè)計(jì)

隨著技術(shù)不斷升級(jí)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日趨多樣，高校內(nèi)使用群體復(fù)雜，信息來(lái)源豐富，要滿足院校所提出的技術(shù)要求，特別是對(duì)高?？蒲薪虒W(xué)的先導(dǎo)性特點(diǎn)，需在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前對(duì)技術(shù)層次進(jìn)行充分評(píng)估。除滿足系統(tǒng)的先進(jìn)性、健壯性，應(yīng)盡量避免對(duì)體系內(nèi)容、系統(tǒng)應(yīng)用層或用戶使用習(xí)慣的顛覆性改變，這不僅是出于經(jīng)濟(jì)性的考慮，更是信息無(wú)縫化演進(jìn)的要求。

但在另一方面，根據(jù)高校網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，特別在施工中遇到的問(wèn)題又告訴我們，要擬定高效可靠的弱電系統(tǒng)方案，減少潛在問(wèn)題，應(yīng)盡可能采用業(yè)界成熟系統(tǒng)架構(gòu)。這就要求設(shè)計(jì)者在具備足夠技術(shù)積累的前提下，能夠?qū)λ许?xiàng)目條件做合理取舍。endprint

4.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

在目前水平下，任何弱電系統(tǒng)的建設(shè)與改造，“全數(shù)字”方案以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)，接入其他介質(zhì)（同軸、光纖、rs485總線、電波等），對(duì)智能控制、IoT的智能設(shè)備控制最終也都是經(jīng)過(guò)有/無(wú)線設(shè)備對(duì)接，為體現(xiàn)智慧化校園理念，SDN[1]要求采用高配置的交換機(jī)、高容量服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備，以保證性能和降低設(shè)備部署成本，因此要對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)做以下規(guī)劃：

（1） 為配合智慧校園需要，核心設(shè)計(jì)普遍采用扁平化大2層扁平化（Flat 2-layer network[2]）架構(gòu)的10G/40G/100G網(wǎng)絡(luò)，這樣以匯聚接入層千兆全光纖接入，終端接入正由百兆向千兆普及，對(duì)云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心（HCI：Hyper-converged Infrastructure）nas、san，在綜合布線設(shè)計(jì)上需要注意對(duì)光纖系統(tǒng)容量做充分預(yù)留。

（2） 無(wú)線覆蓋是未來(lái)智慧校園建設(shè)重點(diǎn)，鑒于現(xiàn)代校園移動(dòng)產(chǎn)品換代速度，可以采用最新的802.1x全局統(tǒng)一認(rèn)證模式，這樣可以在對(duì)SSID、信道劃分、頻段選取，帶寬上保持優(yōu)勢(shì)。為體現(xiàn)一體化管理，采用中央AC（Access Control），這樣接入端則采用PoE交換機(jī)+Fit AP（瘦AP）模式，以簡(jiǎn)化施工、維護(hù)工作。

（3） 無(wú)論是云監(jiān)控系統(tǒng)，還是無(wú)線AP（Access Pointer）都要做好現(xiàn)場(chǎng)勘查工作，必要時(shí)借助無(wú)線接入器（如TL-WAL7210N）連接終端測(cè)試，依靠射頻資源管理（Radio Resource Management）技術(shù)[3]做好現(xiàn)場(chǎng)勘查工作，合理分配信道、切換、區(qū)間干擾、QoS，才能做好方案設(shè)計(jì)。

（4） 通過(guò)對(duì)2011-2017年安徽13所高校維護(hù)記錄統(tǒng)計(jì)，只要是品牌產(chǎn)品，核心因系統(tǒng)故障癱瘓的可能性很小，非冗余單核心癱瘓的平均概率<0.5小時(shí)/年，而目前向周圍市郊、縣遷址的各大高校，受地域限制，許多還在使用農(nóng)用電，經(jīng)常性的斷電造成的接入層斷網(wǎng)概率遠(yuǎn)大于核心層斷網(wǎng)概率，因此對(duì)這類校區(qū)全面的UPS保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)予以充分考慮。但如果未來(lái)5G愿景計(jì)劃實(shí)現(xiàn)，利用UND[4]節(jié)能技術(shù)，將有望解決這一難題。

4.2 基礎(chǔ)線路

出于成本與擴(kuò)展考慮，需要對(duì)信息點(diǎn)預(yù)留數(shù)量和位置做充分論證，隨時(shí)掌握房間功能和陳設(shè)的變化，這樣才能保證未來(lái)應(yīng)用的便利。另一個(gè)被長(zhǎng)期忽略的問(wèn)題，就是對(duì)橋架的尺寸、路徑的設(shè)計(jì)，必須先行規(guī)劃，因?yàn)樗c裝修、水電工程等相互影響，這樣對(duì)接下來(lái)的施工、驗(yàn)收、美觀、檢修、保養(yǎng)產(chǎn)生一系列問(wèn)題，舉一案例，弱電橋架一般是弱電線纜公用，通常設(shè)計(jì)時(shí)橋架橫截面=槽內(nèi)線纜面積之和×3～5倍，但當(dāng)有4G wLAN不規(guī)則外形分頻器/合路器出現(xiàn)時(shí)，就會(huì)造成橋架蓋板無(wú)法蓋上情況，所以在橋架設(shè)計(jì)前還要對(duì)產(chǎn)品做充分考察。

根據(jù)我國(guó)高校應(yīng)用成果來(lái)看，目前光纖到桌面還無(wú)法全面取代傳統(tǒng)以太網(wǎng)，在7類線（CAT7）還未成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，使用大眾化UTP cat5E-cat6A網(wǎng)線基本要求外，對(duì)接頭（RJ45）內(nèi)部線序要求、做工更為講究，否則不僅對(duì)影響網(wǎng)速，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成端口數(shù)據(jù)包不停的重發(fā)，不利于使用壽命；在數(shù)據(jù)中心，對(duì)高密度綜合布線則須考慮屏蔽問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)光纖（SFP：1310nm/10km）接口，因?yàn)樵O(shè)備的開(kāi)通年代、選型的差異，造成接口（FC/SC/ST-MPO/MTP）[5]的跳纖匹配上盡可能做到前后統(tǒng)一，或及時(shí)更新。

其他，如IoT、智能一卡通完成感應(yīng)和定位后，信息向 “物”的本地控制部分傳輸，如有涉及應(yīng)用廣泛的RS485 +USB，為避免系統(tǒng)響應(yīng)水平急速下降，在設(shè)計(jì)前要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)線路（實(shí)際≤300m）/支線（≤5m）距離、接入點(diǎn)數(shù)量（實(shí)際<200）、干擾源等做考察了解，合理安排接入點(diǎn)。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來(lái)，移動(dòng)、高速、實(shí)時(shí)智能技術(shù)在高校應(yīng)用，其超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的組建[4] 將有利于弱電系統(tǒng)的一體化集成、物聯(lián)網(wǎng)傳輸鏈路接入，但對(duì)無(wú)線小區(qū)密度會(huì)有一個(gè)數(shù)量級(jí)的增加，這對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)和施工的要求也將增加。

在大型數(shù)據(jù)中心，利用智能配線架，主副掃描儀（rj45&15），實(shí)時(shí)跳線（第9根導(dǎo)線，監(jiān)視），保安控制器，實(shí)現(xiàn)端口技術(shù)+芯片技術(shù)+鏈路技術(shù)融合。它有2種模式[5]：

（1） EOR模式：智能布線系統(tǒng)硬件系統(tǒng)布在跳線連接集中管理設(shè)備和MDA等連接區(qū)域；

（2） TOR模式：在跳線連接集中管理EDA和MDA等連接區(qū)域。

在區(qū)域化構(gòu)架和混合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心，智能布線硬件系統(tǒng)置于任何需要對(duì)跳線集中管理的連接區(qū)域。智能布線系統(tǒng)雖然價(jià)格偏貴，但與傳統(tǒng)的布線系統(tǒng)相比，支持高密度設(shè)備與用戶的運(yùn)行，綠色節(jié)能，易于結(jié)構(gòu)化管理、擴(kuò)展，新智能設(shè)備融合，做到維護(hù)顯示直觀圖形化，智能導(dǎo)航；信息數(shù)據(jù)的集成自動(dòng)化處理，遠(yuǎn)程操控。

以后設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)包含物聯(lián)網(wǎng)RFID（射頻識(shí)別）電子配線架的設(shè)計(jì)，包括了RFID電子識(shí)別器分組模塊集合（含跳線）+控制器+后臺(tái)管理。

4.3 設(shè)備選型

作為院校網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)責(zé)人須根據(jù)院校最大需求，慎重接受集成商的意見(jiàn)，這不是可以簡(jiǎn)單通過(guò)設(shè)備參數(shù)下單的問(wèn)題，因?yàn)樯婕皬V大的設(shè)備供應(yīng)商和無(wú)數(shù)的功能產(chǎn)品，當(dāng)多設(shè)備混合時(shí)，因?yàn)槠ヅ鋯?wèn)題，許多不可預(yù)料的情況就會(huì)發(fā)生，尤其存在突發(fā)性暴增數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)流時(shí)，許多不能用簡(jiǎn)單的產(chǎn)品手冊(cè)就可解釋，它不僅需要方案設(shè)計(jì)人員嫻熟的理論功底，還需要有長(zhǎng)期一線的工作經(jīng)驗(yàn)。目前，為保證選型的安全，絕大多數(shù)情況都采取穩(wěn)妥的絕對(duì)高配的辦法來(lái)避免風(fēng)險(xiǎn)。

5 工程實(shí)施

任何一個(gè)優(yōu)質(zhì)的弱電工程的實(shí)現(xiàn)都是依靠專業(yè)隊(duì)伍、嚴(yán)格管理來(lái)執(zhí)行方案、工藝與規(guī)范的結(jié)果。在工程開(kāi)工時(shí)，各施工單位就必須向甲方提交的進(jìn)場(chǎng)施工方案書(shū)，提供真實(shí)可信的組織人事、施工綱要、進(jìn)度計(jì)劃、質(zhì)量管控等說(shuō)明，由甲乙雙方項(xiàng)目負(fù)責(zé)人共同監(jiān)督執(zhí)行[6]。根據(jù)工程實(shí)踐，要滿足國(guó)標(biāo)的各項(xiàng)要求，最好對(duì)每一步工序進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量規(guī)范，如在光纜工程質(zhì)量管控上，抽檢時(shí)，最好運(yùn)用的最終產(chǎn)品做一下實(shí)測(cè)工作，避免造成工程反復(fù)。根據(jù)國(guó)標(biāo)，遠(yuǎn)距光纜（1km<長(zhǎng)度<10km）竣工測(cè)試，其光端收發(fā)器兩端光衰減<40dB認(rèn)為合格（《本地通信光纜線路工程施工規(guī)范》YD/T5138（2014年修訂版）），但對(duì)有些設(shè)備就不一定能建立互聯(lián)，如用電腦ping時(shí)，當(dāng)光端收發(fā)器兩端光衰減>18dB，便無(wú)法鏈接，提示“destination host unreachable”。在維護(hù)階段，一般單位不會(huì)裝備光纖探測(cè)器或光故障定位儀之類專業(yè)工具，出現(xiàn)光鏈路故障后，使用紅光筆測(cè)試，即使肉眼可看清紅光信號(hào)，也未必代表其光鏈路絕對(duì)可用。endprint

通過(guò)各類線路敷設(shè)對(duì)接、設(shè)備調(diào)試實(shí)踐獲得的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，對(duì)線路最好建立4級(jí)標(biāo)記體系，在維護(hù)時(shí)，可直接通過(guò)標(biāo)記即可了解對(duì)端情況，無(wú)需再跑到對(duì)端校驗(yàn)或核對(duì)備案材料，減輕工作強(qiáng)度，規(guī)避誤判。

另外，中國(guó)目前各監(jiān)理公司對(duì)設(shè)備材料的管控習(xí)慣是讓乙方提供《產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告》，這給承建者提供運(yùn)作空間，從而存在漏洞，甲方難以真正把關(guān)材料質(zhì)量。所以我們認(rèn)為監(jiān)理公司要有效履行職責(zé)，必須自行完成從抽檢-送檢-取證各環(huán)節(jié)的工作，不應(yīng)依賴他人。

6 竣工驗(yàn)收

在驗(yàn)收階段，如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)全部信息點(diǎn)和設(shè)備性能、功能的測(cè)試，目前簡(jiǎn)單的作法是10%-20%抽樣測(cè)試（《綜合布線工程驗(yàn)收規(guī)范》GB/T50312-2016）與長(zhǎng)時(shí)間試運(yùn)行相結(jié)合。但對(duì)某些區(qū)段的測(cè)試卻不能簡(jiǎn)化，如地線的測(cè)試，嚴(yán)格遵循國(guó)家地線測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)搖表測(cè)試<1Ω，在電井內(nèi)漏電保護(hù)，杜絕與強(qiáng)電共用接地排，橋架外殼保證接地。

如果能在前階段對(duì)工程質(zhì)量保留了完整的管控記錄，通過(guò)核對(duì)施工方移交的成冊(cè)的竣工資料，能極大地減輕用戶方對(duì)驗(yàn)收的核查工作量。

7 檢修維護(hù)

使用隔離法、逐點(diǎn)測(cè)試法、排除法、替換法、抽樣法等等手段，終端使用命令（OS通用命令ping /tracert/netstat/ipconfig/等）、軟件（sniffer/fluxay等等）、設(shè)備維護(hù)指令集組合，硬件使用巡線儀器，可以定位目前以太網(wǎng)設(shè)備的大部分故障。通常的做法有幾種：

（1） 系統(tǒng)法：根據(jù)現(xiàn)象，判斷物理/軟件/系統(tǒng)故障，這包括對(duì)各單元的增刪、配置參數(shù)、設(shè)置協(xié)議進(jìn)行修正與測(cè)試；

（2） 功能法：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)功能的運(yùn)行狀況，對(duì)線路/單機(jī)/交換機(jī)/路由器/防火墻故障點(diǎn)分別排查；

（3） 層次法：利用IEEE OSI7層法-TCP/IP[7]4層法，根據(jù)習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)，由易到難對(duì)故障現(xiàn)象從上到下/從下到上逐級(jí)判斷，直到對(duì)定位故障點(diǎn)，典型的案例即是網(wǎng)卡-ping-telnet問(wèn)題判斷。

對(duì)數(shù)字程控電話（PABX、ISDN）使用測(cè)試話機(jī)+插線器即可定位線路故障。在光纜測(cè)試中，受測(cè)試工具的限制，一般單位裝備的紅光筆只能確定鏈路的通斷。設(shè)備問(wèn)題一般只能依靠維護(hù)指令集。

隨著未來(lái)各種智能弱電系統(tǒng)設(shè)備的接入，故障判斷手段會(huì)進(jìn)一步拓展，但相應(yīng)的故障檢測(cè)手法也將面臨多樣化趨勢(shì)。

8 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)建設(shè)改造需求分析、設(shè)計(jì)、實(shí)施與維護(hù)等全階段的工作進(jìn)行了全面探討，特別對(duì)以往各種弱電施工中遇到的各類問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)也加以總結(jié)，并借鑒吸收他人的成功做法，希望能找出一套完整的建設(shè)與維護(hù)可靠高效的校園弱電系統(tǒng)的方法與策略，為未來(lái)智慧校園建設(shè)提供指導(dǎo)與幫助。

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