物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合管廊中的應(yīng)用

劉 新 秀

[上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司, 上海 200125]

0 引 言

綜合管廊工程是城市賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施,擔(dān)負(fù)著城市信息傳遞、能源輸送、排澇減災(zāi)、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(shè)發(fā)展的前沿陣地,綜合管廊建設(shè)在我國已進(jìn)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(yùn)行,是未來城市建設(shè)發(fā)展需要著重關(guān)注的問題。

全國25個(gè)綜合管廊試點(diǎn)城市已經(jīng)建設(shè)了6 000余公里,在運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)由于管廊凝露嚴(yán)重等原因,導(dǎo)致綜合管廊現(xiàn)場傳感器失效,觸發(fā)風(fēng)機(jī)頻繁起停,有毒有害氣體濃度監(jiān)測不準(zhǔn)確,環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)可靠性變差等問題。在火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中出現(xiàn)火災(zāi)誤報(bào)、漏報(bào)、錯(cuò)報(bào)等情況。現(xiàn)有的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)無法可靠地反映現(xiàn)場真實(shí)情況。

國家“十四五”規(guī)劃綱要中提出:圍繞強(qiáng)化數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新支撐,布局建設(shè)信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施、創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施等新型基礎(chǔ)設(shè)施。建設(shè)高速泛在、天地一體、集成互聯(lián)、安全高效的信息基礎(chǔ)設(shè)施,增強(qiáng)數(shù)據(jù)感知、傳輸、存儲(chǔ)和運(yùn)算能力。加快交通、能源、市政等傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造,加強(qiáng)泛在感知、終端聯(lián)網(wǎng)、智能調(diào)度體系建設(shè),并將云計(jì)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(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)劃定為7大數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)[1]。

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是指通過信息傳感設(shè)備、射頻識別技術(shù)、紅外感應(yīng)等各種裝置與技術(shù),采集需要監(jiān)控、連接和互動(dòng)的信息,通過約定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接,以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能[2]。

一方面,環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)控制的對象主要是風(fēng)機(jī)、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(gè)配置即可,不需要編程就能滿足控制要求,大大降低了對運(yùn)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(bào)、錯(cuò)報(bào)的現(xiàn)象很高,物聯(lián)網(wǎng)具有的邊緣計(jì)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(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況下,依靠現(xiàn)場的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算系統(tǒng)也能正常運(yùn)行;地下空間的安全隱患是不確定的,若需要增加監(jiān)測點(diǎn),只需配個(gè)邊緣接入設(shè)備就能接入系統(tǒng),非常靈活。因此將具有窄帶、低延時(shí)及低功耗等特征的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合管廊中應(yīng)用,可以有效地提高綜合管廊的智慧化功能,并降低建設(shè)和運(yùn)維成本。

1 項(xiàng)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2 465 m,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715 m;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1 730 m;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(luò)通道與綜合管廊進(jìn)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(shè)計(jì)方案

2.1 傳統(tǒng)方案

傳統(tǒng)的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要由工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、可編程控制器、遠(yuǎn)程I/O模塊及環(huán)境監(jiān)測相關(guān)檢測儀表等組成。傳統(tǒng)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示;傳統(tǒng)環(huán)境與設(shè)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(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

傳統(tǒng)的環(huán)境與設(shè)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(jī)、工作站、服務(wù)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(jìn)行集中存儲(chǔ)、處理及展示,并且實(shí)現(xiàn)對管廊的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

圖3 傳統(tǒng)環(huán)境與設(shè)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(yuǎn)程I/O、接入交換機(jī)及線纜等組成。管廊內(nèi)在每個(gè)分變電所設(shè)置可編程控制器,負(fù)責(zé)區(qū)域監(jiān)控區(qū)間聯(lián)動(dòng)控制及監(jiān)控信息上傳。在每個(gè)進(jìn)/排風(fēng)井設(shè)置一套遠(yuǎn)程I/O模塊,負(fù)責(zé)基本監(jiān)控區(qū)間內(nèi)所有防火分區(qū)內(nèi)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集、上傳及聯(lián)動(dòng)控制信號的發(fā)出?？删幊炭刂破魍ㄟ^遠(yuǎn)程I/O模塊反饋的管廊內(nèi)環(huán)境監(jiān)測信息、設(shè)備監(jiān)控信息及電力監(jiān)控信息,完成設(shè)備的控制(聯(lián)動(dòng)),并通過信息傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(fēng)機(jī)控制箱及水泵控制箱等現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備控制箱組成。通過現(xiàn)場設(shè)備對綜合管廊內(nèi)的溫濕度、氧含量等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測和采集,從現(xiàn)場設(shè)備控制箱內(nèi)獲得風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)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(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心中央級遠(yuǎn)程控制、可編程站就地自動(dòng)/手動(dòng)控制和現(xiàn)場控制箱自動(dòng)/手動(dòng)控制。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)方案

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備,部署在監(jiān)控中心,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用業(yè)務(wù)統(tǒng)一部署與定期更新、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)信息存儲(chǔ)與可視化展示等功能,并與綜合管廊統(tǒng)一管理平臺進(jìn)行信息共享。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設(shè)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(jī)及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等,通過構(gòu)建自愈型光纖干線環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中心層與接入層的信息上傳下達(dá)。

接入層主要包括物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設(shè)備、現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測儀表等,物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于構(gòu)建現(xiàn)場網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(Mesh),物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設(shè)備用于現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備及環(huán)境監(jiān)測儀表無線聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算與機(jī)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(gè)綜合管廊組成[3],具有狹長、艙室多、入廊管線種類復(fù)雜等特點(diǎn),為了保障良好的運(yùn)行環(huán)境,需要配置通風(fēng)、排水、照明等機(jī)電設(shè)備,并設(shè)置環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與機(jī)電設(shè)備監(jiān)控等功能。

傳統(tǒng)方案中,環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要采用可編程邏輯控制器,一般以通風(fēng)區(qū)間為基本監(jiān)控單元,每個(gè)基本監(jiān)控單元設(shè)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(jī)電設(shè)備及傳感儀表相連,實(shí)現(xiàn)對機(jī)電設(shè)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(shù),主要采用邊緣計(jì)算、終端無線聯(lián)網(wǎng)、機(jī)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(jī)電設(shè)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(dǎo)致系統(tǒng)失效,并且檢修費(fèi)時(shí)費(fèi)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?yàn)榫€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(fù)雜,入廊時(shí)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(shè),傳統(tǒng)方案在綜合管廊建設(shè)之初一般會(huì)為管線監(jiān)控接入預(yù)留接口[4],但實(shí)際往往難以準(zhǔn)確預(yù)留。預(yù)留的接口也對管線監(jiān)控的內(nèi)容和監(jiān)測點(diǎn)設(shè)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(shè)投資。

綜合管廊在建設(shè)之初會(huì)部署一定的監(jiān)控點(diǎn)位,但隨著管線的逐步入廊和運(yùn)維時(shí)間的增加,會(huì)產(chǎn)生新的動(dòng)態(tài)監(jiān)測需求,可能需要?jiǎng)討B(tài)增加新的監(jiān)控點(diǎn)位或?qū)υO(jiān)控點(diǎn)進(jìn)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(dòng)態(tài)調(diào)整需求。

此外,物聯(lián)網(wǎng)采用邊緣計(jì)算及機(jī)器通信(M2M)等技術(shù),在邊緣端部署相關(guān)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(yīng)用業(yè)務(wù)部署靈活、終端聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展容易、建設(shè)及維護(hù)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(fù)雜及建設(shè)時(shí)序不一等特征的綜合管廊。

2.4 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(Mesh)

網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(Mesh)即無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò),是一種多跳網(wǎng)絡(luò),是一個(gè)動(dòng)態(tài)的可以不斷擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是去中心化的,當(dāng)有中間節(jié)點(diǎn)設(shè)備離線時(shí),可以重新計(jì)算新路由,滿足業(yè)務(wù)交互,可以大大降低整體故障率。任意的兩個(gè)設(shè)備均可以保持無線互聯(lián),相比單跳網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)更強(qiáng)壯、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展更靈活及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。

網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)如圖6所示,以防火分隔為基本通信單元,每個(gè)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(gè)基本通信單元設(shè)置1套物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān),在每個(gè)基本通信單元的每個(gè)防火分區(qū)設(shè)置4套物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實(shí)現(xiàn)支持多種物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要用于網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)管理,包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾怼f(xié)議轉(zhuǎn)換、分組交換、路由選擇、差錯(cuò)校驗(yàn)、流量控制、擁塞控制等功能,并采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)架構(gòu),將網(wǎng)絡(luò)控制平面和數(shù)據(jù)平面分離、解耦[5]。

圖6 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)示意圖

3.5 功能實(shí)現(xiàn)

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要功能包括環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備監(jiān)控及電力監(jiān)控等,為綜合管廊穩(wěn)定運(yùn)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(shè)備監(jiān)控內(nèi)容主要包括綜合管廊內(nèi)排水設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備及照明設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制及運(yùn)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(shè)備就近部署在現(xiàn)場機(jī)電設(shè)備控制箱或環(huán)境監(jiān)測儀旁邊,通過I/O或通信口與機(jī)電設(shè)備控制箱或環(huán)境監(jiān)測儀相連,并通過網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備或環(huán)境監(jiān)測儀無線聯(lián)網(wǎng),同時(shí)實(shí)現(xiàn)如下功能:

(1) 接收物聯(lián)網(wǎng)管理平臺下發(fā)的應(yīng)用業(yè)務(wù)并進(jìn)行邊緣側(cè)部署;

(2) 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱、機(jī)器通信(M2M)與邊緣計(jì)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(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息。

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)作為十四五規(guī)劃倡導(dǎo)的新型技術(shù),是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)在綜合管廊中應(yīng)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(dòng)態(tài)調(diào)整,并實(shí)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(chǔ),后期結(jié)合大數(shù)據(jù)分析及AI輔助決策等技術(shù),可以提供綜合管廊的運(yùn)行監(jiān)控與運(yùn)維管理智慧化程度。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合管廊應(yīng)用的基礎(chǔ),一方面,可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與安全防范系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等進(jìn)行結(jié)合;另一方面可以進(jìn)一步將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地下空間中進(jìn)行推廣,解決類似的環(huán)境惡劣造成的一系列問題。