淺談邊緣計(jì)算在綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

安科瑞 陳聰

摘要：本文介紹了基于邊緣計(jì)算技術(shù)及其特點(diǎn),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(yīng)用綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對現(xiàn)場智能節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程通信與控制,合理地實(shí)施控制技術(shù),以達(dá)到邊緣計(jì)算應(yīng)用的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：邊緣計(jì)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?xì)?、供熱、給排水等多種管線設(shè)置同一個(gè)隧道空間，設(shè)有專門的監(jiān)測系統(tǒng)，一種城市的基礎(chǔ)設(shè)施。2015年8月，**辦公廳下發(fā)《**辦公廳關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》大力發(fā)展地下綜合管廊建設(shè)，要建設(shè)具有技術(shù)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(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》，推進(jìn)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年行動計(jì)劃(2020—2022年)》中提出了統(tǒng)籌推進(jìn)城市地下綜合管廊數(shù)字化建設(shè)。

綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、自動控制等理論和技術(shù)，借助GIS+BIM+物聯(lián)網(wǎng)，防火災(zāi)、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(shù)，分析綜合管廊日常和應(yīng)急狀態(tài)運(yùn)行參數(shù)，建立起綜合管廊公共安全風(fēng)險(xiǎn)防控與應(yīng)急技術(shù)。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(jìn)行建立其綜合模型；并在基礎(chǔ)上對子系統(tǒng)所產(chǎn)生的大批量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、檢索與分析，預(yù)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(shè)備、管廊監(jiān)控系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、無線對講系統(tǒng)、機(jī)器人巡檢系統(tǒng)、消防報(bào)警系統(tǒng)（含監(jiān)控**消防報(bào)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(biāo)示標(biāo)牌等工程內(nèi)容。項(xiàng)目在具體建設(shè)過程中，由于綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)由多個(gè)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化；沒有很好互融互通。運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)，數(shù)據(jù)需要中轉(zhuǎn)，大量占據(jù)傳輸帶寬，響應(yīng)不及時(shí)2020年邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）發(fā)布《邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0》，邊緣計(jì)算享有響應(yīng)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(diǎn)，下面我們分析邊緣計(jì)算在管廊監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用。

1理論基礎(chǔ)：系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

邊緣計(jì)算就是在靠近數(shù)據(jù)源頭或物的網(wǎng)絡(luò)側(cè)，融合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲、應(yīng)用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能等方面的關(guān)鍵需求。隨著邊緣計(jì)算落地實(shí)踐應(yīng)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(dāng)前云計(jì)算集中化、數(shù)據(jù)延時(shí)長、安全性差，將云計(jì)算“下沉”，設(shè)計(jì)了一種基于邊緣計(jì)算的綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)。通過本地匯聚網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲、應(yīng)用、智能等提高服務(wù)性能，減少時(shí)延和帶寬需求，提升控制能力。JACE8000控制器發(fā)揮NiagaraFramework技術(shù)的特點(diǎn)，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，完成綜合管廊監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集、管理和應(yīng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存、調(diào)用。JACE網(wǎng)絡(luò)控制器作為邊緣控制平臺，可以實(shí)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(bào)警、時(shí)間表和網(wǎng)絡(luò)管理的功能，運(yùn)用MQTT協(xié)議與華為云對接，并與云平臺進(jìn)行協(xié)同工作。系統(tǒng)內(nèi)核采用分層設(shè)計(jì)，開發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)通訊標(biāo)準(zhǔn)，模塊化驅(qū)動，便于整個(gè)平臺在橫向和縱向靈活擴(kuò)展，設(shè)計(jì)規(guī)范的軟件，達(dá)到設(shè)施設(shè)備運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)一的接口調(diào)用方式，減少切換思維導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的JSON格式，所有的接口**要有日志，方便維護(hù)。綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA），在同一集成平臺上，實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)信息流程的重組和擴(kuò)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(hù)成本?；谶吘売?jì)算綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)一般分成前端數(shù)據(jù)感知層、邊緣計(jì)算層、云計(jì)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(bào)警模塊、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、紅外被動探測器、電量計(jì)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(luò)，選用樹型+星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)。ZigBee節(jié)點(diǎn)采用CC2530芯片，嵌入式網(wǎng)關(guān)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(dá)72MH，較好的技術(shù)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(luò)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(jì)算層

JACE網(wǎng)絡(luò)控制器8000具有如下特點(diǎn)：升級的Niagara4平臺，模塊化結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，免工具安裝，支持WiFi功能，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算層通信對接。邊緣計(jì)算層能夠完成本地?cái)?shù)據(jù)的快速采集、分析，實(shí)時(shí)性高，由具備一定計(jì)算、儲存能力的網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)組成，響應(yīng)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)增值決策。

1.3云計(jì)算層

云計(jì)算層具有運(yùn)算能力強(qiáng)大，存儲空間大等特點(diǎn)，對上傳的數(shù)據(jù)接收、存儲、發(fā)布、控制，完成數(shù)據(jù)計(jì)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(xiàng)目的本地服務(wù)器直接連接；*二種部署有分布式的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)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(bào)文，進(jìn)行存儲分析，并且發(fā)布。可以通過PC、PAD、手機(jī)各種終端調(diào)用查詢。

2應(yīng)用模塊：預(yù)警和報(bào)警模塊功能

預(yù)警和報(bào)警模塊主要為管廊整體的安全運(yùn)維服務(wù)，對每一報(bào)警提供報(bào)警詳情**展示報(bào)警的關(guān)聯(lián)信息，支持狀態(tài)合并，重復(fù)報(bào)警合并，限值合并等不同的報(bào)警顯示方式；支持多種報(bào)警統(tǒng)計(jì)查詢方式，如洪水統(tǒng)計(jì)、數(shù)量統(tǒng)計(jì)、時(shí)序統(tǒng)計(jì)、高頻統(tǒng)計(jì)、反復(fù)報(bào)警統(tǒng)計(jì)、頑固報(bào)警統(tǒng)計(jì)、報(bào)警KPI分析統(tǒng)計(jì)；提供各類統(tǒng)計(jì)功能，用于報(bào)警數(shù)量和分布的統(tǒng)計(jì)，可作為報(bào)警改進(jìn)優(yōu)化的依據(jù)，過濾無效或低效報(bào)警，也可將統(tǒng)計(jì)功能作為預(yù)警模型的一部分，參與預(yù)警運(yùn)算和觸發(fā)等功能。主要包括：綜合監(jiān)控管理功能、實(shí)時(shí)告警一覽功能、設(shè)備告警聯(lián)動配置功能、報(bào)警方案管理功能、歷史告警查詢功能、歷史趨勢查詢功能等。客戶端通過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(bào)警、系統(tǒng)導(dǎo)航、時(shí)間表、儀表盤報(bào)告；通過XML接口(OBIX標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議)與其它應(yīng)用軟件程序集成，實(shí)時(shí)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(shè)備層子系統(tǒng)進(jìn)行扁平化，構(gòu)建邊緣計(jì)算設(shè)備在邊緣節(jié)點(diǎn)之間局域通信網(wǎng)絡(luò)^[8]，實(shí)現(xiàn)邊緣層信息互聯(lián)、互通、聯(lián)動。配置管廊內(nèi)各個(gè)設(shè)備間設(shè)備聯(lián)動的預(yù)案，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)自動調(diào)用相應(yīng)預(yù)案進(jìn)行處理。通過系統(tǒng)提供圖形化工具進(jìn)行聯(lián)動方案的定義。設(shè)備聯(lián)動的內(nèi)容應(yīng)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(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有故障、報(bào)警信息時(shí)，可按照相關(guān)設(shè)定預(yù)案，自動對相關(guān)監(jiān)控設(shè)備（例如：攝像機(jī)）進(jìn)行業(yè)務(wù)聯(lián)動操作，例如：視頻錄像、燈光開關(guān)、空調(diào)開關(guān)、風(fēng)機(jī)開關(guān)等。聯(lián)動方案可由時(shí)間觸發(fā)，如每隔一段時(shí)間開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行排風(fēng)，也可由故障、報(bào)警觸發(fā)。聯(lián)動方案可由多個(gè)條件觸發(fā)。聯(lián)動方案可順序或同時(shí)聯(lián)動多個(gè)設(shè)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(jì)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(jì)算層運(yùn)算、存儲壓力。

3拓展應(yīng)用：應(yīng)急指揮功能模塊

充分發(fā)揮將各個(gè)智能子系統(tǒng)在統(tǒng)一管理平臺優(yōu)勢，應(yīng)急調(diào)度指揮系統(tǒng)中增設(shè)應(yīng)急指揮處置功能，協(xié)助管廊公司管理人員或相關(guān)處突部門面對緊急事件，能夠及時(shí)處理，降低人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。實(shí)現(xiàn)管廊內(nèi)應(yīng)急數(shù)據(jù)的收集、分析，應(yīng)急指揮的輔助決策、應(yīng)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(shè)備數(shù)據(jù)接口對風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)視，通過與管線托管單位的信息化系統(tǒng)進(jìn)行對接，建立應(yīng)急物資庫，對應(yīng)急物資建立詳細(xì)的資料信息庫，建立應(yīng)急專家?guī)?，對?yīng)急專家建立詳細(xì)的資料信息庫，滿足根據(jù)分級機(jī)制問題發(fā)生后，各搶險(xiǎn)指揮部指揮調(diào)度搶險(xiǎn)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(luò)、系統(tǒng)架構(gòu)、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的設(shè)計(jì)，解決了綜合管廊在管理過程中存在內(nèi)部干擾性強(qiáng)、使用單位多及協(xié)調(diào)復(fù)雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境和設(shè)備的使用和恢復(fù)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(gè)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(dá)監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)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(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機(jī)APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個(gè)平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時(shí)滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、**、有序的要求。

4.3平臺拓?fù)?/span>

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(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計(jì)量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實(shí)時(shí)監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機(jī)保護(hù)測控裝置、發(fā)電機(jī)控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報(bào)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?xì)怏w濃度、門禁、視頻、空調(diào)、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預(yù)警，同時(shí)也可接入管廊艙室內(nèi)的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機(jī)等設(shè)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(yīng)的電氣火災(zāi)傳感器、溫度傳感器，消防設(shè)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(shí)時(shí)顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，發(fā)生異常時(shí)通過聲光、短信、APP及時(shí)預(yù)警。

4.5相關(guān)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(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

4.5.3消防設(shè)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(yīng)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)對城市發(fā)展起到非常積*的促進(jìn)作用。相關(guān)部門及工程建設(shè)單位，應(yīng)該在認(rèn)識到科技產(chǎn)品應(yīng)用對綜合管廊建設(shè)重要性的基礎(chǔ)上，積*采取有效措施，以改善綜合管廊建設(shè)環(huán)境，提高其應(yīng)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(shù)更加有效地應(yīng)用于城市建設(shè)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(jìn)作用。相關(guān)技術(shù)研發(fā)人員，也應(yīng)該加大技術(shù)研發(fā)力度，進(jìn)一步推陳出新，應(yīng)用相關(guān)技術(shù)推動城市發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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