淺談邊緣計算在綜合管廊監控係統應用

hth下载地址 陳聰

摘要：本文介紹了基於(yu) 邊緣計算技術及其特點,根據綜合管廊監控係統需求分析了NiagaraFramework的JACE8000係統控製的功能,並應用綜合管廊監控係統的硬件和軟件,實現上位機對現場智能節點的遠程通信與(yu) 控製,合理地實施控製技術,以達到邊緣計算應用的目標。

關(guan) 鍵詞：邊緣計算；綜合管廊；監控係統；數據

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(ge) 隧道空間，設有專(zhuan) 門的監測係統，一種城市的基礎設施。2015年8月，**辦公廳下發《**辦公廳關(guan) 於(yu) 推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》大力發展地下綜合管廊建設，要建設具有技術的地下綜合管廊。隨著數字化浪潮的興(xing) 起，2020年住房和城鄉(xiang) **和**13部門聯合發布《關(guan) 於(yu) 推動智能建造與(yu) 建築工業(ye) 化協同發展的指導意見》，推進建築工業(ye) 化、數字化、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)》中提出了統籌推進城市地下綜合管廊數字化建設。

綜合管廊監控係統運用傳(chuan) 感器網絡、物聯網、自動控製等理論和技術，借助GIS+BIM+物聯網，防火災、防盜、人員巡檢定位；以統一的平台集成聯動，通過大數據技術，分析綜合管廊日常和應急狀態運行參數，建立起綜合管廊公共安全風險防控與(yu) 應急技術。根據綜合管廊監控係統各子係統物理層、協議層和傳(chuan) 輸層的共性與(yu) 特性，並進行建立其綜合模型；並在基礎上對子係統所產(chan) 生的大批量實時數據進行存儲(chu) 、檢索與(yu) 分析，預警分析、事故處理。義(yi) 烏(wu) 市03省道（宗澤路—環城北路）管廊綜合監控係統工程位於(yu) 義(yi) 烏(wu) 稠城街道和福田街道，起於(yu) 宗澤路-雪峰東(dong) 路交叉口西北角，沿宗澤路至03省道交叉口東(dong) 南角接220KV宗澤變後，沿03省道至環城北路交叉口東(dong) 南角，管廊全長約9586.351米；包括管廊監控**設備、管廊監控係統、電話係統、無線對講係統、機器人巡檢係統、消防報警係統（含監控**消防報警）、移動通信信號覆蓋係統、電力監控係統、離線式巡檢管理係統、門禁係統、消防工程、軟件、綜合管路、標示標牌等工程內(nei) 容。項目在具體(ti) 建設過程中，由於(yu) 綜合管廊監控係統由多個(ge) 子係統組成，相互**，接口協議不規範，開發驅動多工作量大，無法實現標準化；沒有很好互融互通。運用雲(yun) 計算技術，數據需要中轉，大量占據傳(chuan) 輸帶寬，響應不及時2020年邊緣計算產(chan) 業(ye) 聯盟（ECC）發布《邊緣計算參考架構3.0》，邊緣計算享有響應速度快，利用率高，通信量小，數據安全等優(you) 勢，具有異構性、分布性、連續性、靠近數據等的特點，下麵我們(men) 分析邊緣計算在管廊監控係統應用。

1理論基礎：係統架構設計

邊緣計算就是在靠近數據源頭或物的網絡側(ce) ，融合計算、網絡、存儲(chu) 、應用核心能力的開放平台，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(ye) 數字化在實時業(ye) 務、數據優(you) 化、應用智能等方麵的關(guan) 鍵需求。隨著邊緣計算落地實踐應用，以雲(yun) 邊協同和邊緣智能為(wei) 主要發展方向。為(wei) 了克服當前雲(yun) 計算集中化、數據延時長、安全性差，將雲(yun) 計算“下沉”，設計了一種基於(yu) 邊緣計算的綜合管廊監控係統。通過本地匯聚網絡、計算、存儲(chu) 、應用、智能等提高服務性能，減少時延和帶寬需求，提升控製能力。JACE8000控製器發揮NiagaraFramework技術的特點，運用網絡通信技術，完成綜合管廊監控數據采集、管理和應用，構建“邊雲(yun) ”協同的分布式部署架構，在綜合管廊監控**實現數據保存、調用。JACE網絡控製器作為(wei) 邊緣控製平台，可以實現對各子係統互聯及管理、集成、監控、數據記錄、報警、時間表和網絡管理的功能，運用MQTT協議與(yu) 華為(wei) 雲(yun) 對接，並與(yu) 雲(yun) 平台進行協同工作。係統內(nei) 核采用分層設計，開發了物聯網通訊標準，模塊化驅動，便於(yu) 整個(ge) 平台在橫向和縱向靈活擴展，設計規範的軟件，達到設施設備運行安全。基於(yu) SOA平台化架構理念，監控係統支持C/S、B/S或C/S、B/S混用等不同“架構”配置Wi-Fi,RFID,Zigbee等眾(zhong) 多的工業(ye) 標準。統一的接口調用方式，減少切換思維導致編碼速度下降，係統接口以動詞+名詞的形式命名，保證其簡單易懂。外部接口返回結果統一使用標準的JSON格式，所有的接口**要有日誌，方便維護。綜合管廊監控係統麵向服務的架構（SOA），在同一集成平台上，實現多個(ge) 係統業(ye) 務信息流程的重組和擴展，大大提升監控係統的靈活性，降低監控係統的使用及維護成本。基於(yu) 邊緣計算綜合管廊監控係統一般分成前端數據感知層、邊緣計算層、雲(yun) 計算層3層。

1.1前端數據感知層

綜合管廊監控係統前端數據感知層一般由CH4、O2、CO、CO2等氣體(ti) 傳(chuan) 感器、照度傳(chuan) 感器、溫濕度傳(chuan) 感器、光纖溫度傳(chuan) 感器、煙感、手動報警模塊、網絡攝像機、紅外被動探測器、電量計量儀(yi) 表、液位傳(chuan) 感器、I/O模塊組成，它們(men) 感知綜合管廊物理變化變換成弱電信號，一般分為(wei) 兩(liang) 類，模擬量和數字量。前端數據感知層采用ZigBee網絡，選用樹型+星型結構組網。ZigBee節點采用CC2530芯片，嵌入式網關(guan) 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，較好的技術參數大大優(you) 化了係統硬件，係統功耗*大降低了。WiFi模塊選用ESP-07芯片組，將ZigBee網絡和WiFi相結合，大大增加了前端數據互通與(yu) 連接。

1.2邊緣計算層

JACE網絡控製器8000具有如下特點：升級的Niagara4平台，模塊化結構與(yu) 設計，免工具安裝，支持WiFi功能，內(nei) 置標準開放的驅動程序，靈活的授權許可，具有RS485端口、以太網接口、WiFi連接，通過MQTT協議與(yu) 雲(yun) 計算層通信對接。邊緣計算層能夠完成本地數據的快速采集、分析，實時性高，由具備一定計算、儲(chu) 存能力的網絡邊緣節點組成，響應業(ye) 務實時增值決(jue) 策。

1.3雲(yun) 計算層

雲(yun) 計算層具有運算能力強大，存儲(chu) 空間大等特點，對上傳(chuan) 的數據接收、存儲(chu) 、發布、控製，完成數據計算算法處理分析。國內(nei) 比較可靠的就是華為(wei) 雲(yun) 和阿裏雲(yun) ，本係統就是基於(yu) 華為(wei) 雲(yun) 部署的。連接華為(wei) 雲(yun) 物聯網雲(yun) 平台的方式有兩(liang) 種：**種裝有Niagara的連接以太網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網邊緣計算網關(guan) JACE8000係列直接連接。將綜合管廊各種信息按照MQTT協議封裝成MQTT控製報文，進行存儲(chu) 分析，並且發布。可以通過PC、PAD、手機各種終端調用查詢。

2應用模塊：預警和報警模塊功能

預警和報警模塊主要為(wei) 管廊整體(ti) 的安全運維服務，對每一報警提供報警詳情**展示報警的關(guan) 聯信息，支持狀態合並，重複報警合並，限值合並等不同的報警顯示方式；支持多種報警統計查詢方式，如洪水統計、數量統計、時序統計、高頻統計、反複報警統計、頑固報警統計、報警KPI分析統計；提供各類統計功能，用於(yu) 報警數量和分布的統計，可作為(wei) 報警改進優(you) 化的依據，過濾無效或低效報警，也可將統計功能作為(wei) 預警模型的一部分，參與(yu) 預警運算和觸發等功能。主要包括：綜合監控管理功能、實時告警一覽功能、設備告警聯動配置功能、報警方案管理功能、曆史告警查詢功能、曆史趨勢查詢功能等。客戶端通過Web瀏覽器，Niagara4Supervisor提供數據日誌記錄/趨勢分析、數據庫管理、存檔並輸出到外部數據庫、報警、係統導航、時間表、儀(yi) 表盤報告；通過XML接口(OBIX標準協議)與(yu) 其它應用軟件程序集成，實時顯現圖形化信息^［6-7］。以管廊分區為(wei) 劃分，打破各子係統的邊界，弱化底層各子係統功能，對設備層子係統進行扁平化，構建邊緣計算設備在邊緣節點之間局域通信網絡^[8]，實現邊緣層信息互聯、互通、聯動。配置管廊內(nei) 各個(ge) 設備間設備聯動的預案，當故障發生時，係統自動調用相應預案進行處理。通過係統提供圖形化工具進行聯動方案的定義(yi) 。設備聯動的內(nei) 容應包括：視頻、消防、安防、照明等，提供聯動方案的添加、刪除、修改。可根據自定義(yi) 條件查詢已配置的聯動方案。當係統發現有故障、報警信息時，可按照相關(guan) 設定預案，自動對相關(guan) 監控設備（例如：攝像機）進行業(ye) 務聯動操作，例如：視頻錄像、燈光開關(guan) 、空調開關(guan) 、風機開關(guan) 等。聯動方案可由時間觸發，如每隔一段時間開啟風機進行排風，也可由故障、報警觸發。聯動方案可由多個(ge) 條件觸發。聯動方案可順序或同時聯動多個(ge) 設備。聯動可自動執行，也可手動執行。聯動方案的執行邏輯可包含界麵交互步驟，在執行過程中，根據用戶的選擇，執行不同的操作。與(yu) 傳(chuan) 統構架監控係統比較，邊緣計算構架監控係統傳(chuan) 輸流量有所降低，降低了傳(chuan) 輸成本，

緩解雲(yun) 計算層運算、存儲(chu) 壓力。

3拓展應用：應急指揮功能模塊

充分發揮將各個(ge) 智能子係統在統一管理平台優(you) 勢，應急調度指揮係統中增設應急指揮處置功能，協助管廊公司管理人員或相關(guan) 處突部門麵對緊急事件，能夠及時處理，降低人員傷(shang) 亡與(yu) 財產(chan) 損失。實現管廊內(nei) 應急數據的收集、分析，應急指揮的輔助決(jue) 策、應急資源的組織、協調和管理控製等指揮功能，通過前端監測設備數據接口對風險源進行重點監視，通過與(yu) 管線托管單位的信息化係統進行對接，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(zhuan) 家庫，對應急專(zhuan) 家建立詳細的資料信息庫，滿足根據分級機製問題發生後，各搶險指揮部指揮調度搶險等。

4AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平台

4.1平台概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平台集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控製、環境監測於(yu) 一體(ti) ，為(wei) 建立可靠、安全、**的綜合管廊管理體(ti) 係提供數據支持，從(cong) 數據采集、通信網絡、係統架構、聯動控製和綜合數據服務等方麵的設計，解決(jue) 了綜合管廊在管理過程中存在內(nei) 部幹擾性強、使用單位多及協調複雜的根本問題，大大提高了係統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環境和設備的使用和恢複效率。

4.2平台組成

hth下载地址城市地下綜合管廊能效管理係統是一個(ge) 深度集成的自動化平台，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控係統、變電所環境監控係統、智能馬達監控係統、電氣火災監控係統、消防設備電源係統、防火門監控係統、智能照明係統、消防應急照明和疏散指示係統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個(ge) 平台即可全局、整體(ti) 的對管廊用電和用電安全進行進行集中監控、統一管理、統一調度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩定、**、有序的要求。

4.3平台拓撲

4.4平台子係統

4.4.1電力監控

電力監控主要針對10/0.4kV地麵或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀(yi) 表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀(yi) 表，用於(yu) 測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電係統開關(guan) 櫃、變壓器微機保護測控裝置、發電機控製櫃、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

4.4.2環境監測

環境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體(ti) 濃度、門禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內(nei) 的水泵和通風排煙風機等設備集成的*三方係統完成管廊環境綜合監控。

4.4.3電氣安全

 AcrelEMS-UT能效管理係統針對配電係統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳(chuan) 感器、溫度傳(chuan) 感器，消防設備電源傳(chuan) 感器、防火門狀態傳(chuan) 感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，並且對UPS的蓄電池溫度、內(nei) 阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

4.5相關(guan) 平台部署硬件選型清單

4.5.1電力監控及配電室環境監控係統

4.5.2電氣火災監控係統

4.5.3消防設備電源監控係統

4.5.4防火門監控係統

4.5.5消防應急照明和疏散指示係統

5結語

綜上所述，城市綜合管廊基礎設施建設對城市發展起到非常積*的促進作用。相關(guan) 部門及工程建設單位，應該在認識到科技產(chan) 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境，提高其應用效率。在充分了解物聯網融合通信係統後，繼續尋找創新突破之法，將該係統技術更加有效地應用於(yu) 城市建設工程中，使其發揮*大效用，對民眾(zhong) 的生產(chan) 生活起到更大的促進作用。相關(guan) 技術研發人員，也應該加大技術研發力度，進一步推陳出新，應用相關(guan) 技術推動城市發展。

參考文獻

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【3】hth下载地址企業(ye) 微電網設計與(yu) 應用手冊(ce) .2022.05

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