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淺談物聯網技術在上海某綜合管廊中的應用
更新時間：2023-03-28點擊次數：968次
淺談物聯網技術在上海某綜合管廊中的應用
任運業
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：以上海九星綜合管廊的環境與設備監控系統物聯網計為例，對物聯網與傳統方案進行了比較研究，物聯網相比傳統方案具有終端無線聯網、應用業務部署靈活、終端聯網擴展容易、建設及維護成本低等優勢，并能提升綜合管廊智慧化水平，促進綜合管廊數字化轉型。
關鍵詞：綜合管廊；環境與設備監控；物聯網；數字化轉型
0引言
綜合管廊工程是城市賴以生存和發展的基礎設施，擔負著城市信息傳遞、能源輸送、排澇減災、廢物排棄等重要功能。作為“十三五"國家戰略百大工程以及“十四五"韌性城市建設發展的前沿陣地，綜合管廊建設在我國已進入規模化發展和創新階段，這條“城市生命線"安全、穩定運行，是未來城市建設發展需要著重關注的問題。
全國25個綜合管廊試點城市已經建設了6000余公里，在運營過程中發現由于管廊凝露嚴重等原因，導致綜合管廊現場傳感器失效，觸發風機頻繁起停，有毒有害氣體濃度監測不準確，環境與設備監控系統可靠性變差等問題。在火災自動報警系統中出現火災誤報、漏報、錯報等情況。現有的環境與設備監控系統無法可靠地反映現場真實情況。
國家“十四五"規劃綱要中提出：圍繞強化數字轉型、智能升級、融合創新支撐，布局建設信息基礎設施、融合基礎設施、創新基礎設施等新型基礎設施。建設高速泛在、天地一體、集成互聯、安全高效的信息基礎設施，增強數據感知、傳輸、存儲和運算能力。加快交通、能源、市政等傳統基礎設施數字化改造，加強泛在感知、終端聯網、智能調度體系建設，并將云計算、大數據、物聯網、工業互聯網、區塊鏈、人工智能、虛擬現實和增強現實劃定為7大數字經濟的重點產業。
物聯網（IoT）是指通過信息傳感設備、射頻識別技術、紅外感應等各種裝置與技術，采集需要監控、連接和互動的信息，通過約定的協議實現物與物、物與人的泛在連接，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。
—方面，環境與設備監控系統控制的對象主要是風機、水泵等，以閾值控制為主，控制邏輯簡單，用物聯網方案只要做個配置即可，不需要編程就能滿足控制要求，大大降低了對運維人員的要求；另一方面，由于地下空間的工況環境不好，而綜合管廊作為地下空間的“生命線"出現誤報、錯報的現象很高，物聯網具有的邊緣計算功能很好地解決了這一問題，減輕了統一管理平臺的壓力。即使統一管理平臺宕機、通訊網絡癱瘓的情況下，依靠現場的物聯網邊緣計算系統也能正常運行；地下空間的安全隱患是不確定的，若需要增加監測點，只需配個邊緣接入設備就能接入系統，非常靈活。因此將具有窄帶、低延時及低功耗等特征的物聯網技術在綜合管廊中應用，可以有效地提高綜合管廊的智慧化功能，并降低建設和運維成本。
１項目背景
九星綜合管廊位于上海市閔行區七寶九星地區，包括星北路綜合管廊、智聯路綜合管廊及監控中心，全長約2465ｍ，布局為“廠"字形，其中：星北路綜合管廊位于星北路南側人行道及綠化帶下，西起智聯路、東至虹莘路，為綜合艙和電力艙雙艙，長約715ｍ；智聯路綜合管廊位于智聯路西側人行道下，南起平延路，北至星北路，為綜合艙單艙，長約1730ｍ；監控中心位于東蘭路、智聯路路口北側地塊地下一層空間，通過聯絡通道與綜合管廊進行銜接，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設計方案
2.1傳統方案
傳統的環境與設備監控系統主要由工業以太網交換機、可編程控制器、遠程I/O模塊及環境監測相關檢測儀表等組成。傳統環境與設備監控系統構架如圖2所示；傳統環境與設備監控系統布置圖如圖3所示。
圖2傳統環境與設備監控系統構架
傳統的環境與設備監控系統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、工作站、服務器等組成。后臺管理層通過中間傳輸層將前端感知層采集的信息進行集中存儲、處理及展示，并且實現對管廊的遠程監控管理。
圖3傳統環境與設備監控系統布置圖
中間傳輸層主要由可編程控制器、遠程I/O、接入交換機及線纜等組成。管廊內在每個分變電所設置可編程控制器，負責區域監控區間聯動控制及監控信息上傳。在每個進/排風井設置一套遠程I/O模塊，負責基本監控區間內所有防火分區內的監控數據采集、上傳及聯動控制信號的發出。可編程控制器通過遠程I/O模塊反饋的管廊內環境監測信息、設備監控信息及電力監控信息，完成設備的控制（聯動），并通過信息傳輸網絡實現與監控中心后臺管理系統的信息交互前端感知層位于綜合管廊內，主要由溫濕度檢測儀、含氧量檢測儀、風機控制箱及水泵控制箱等現場設備和現場設備控制箱組成。通過現場設備對綜合管廊內的溫濕度、氧含量等環境參數進行檢測和采集，從現場設備控制箱內獲得風機、水泵等設備的狀態信息。
控制方式分為中央級、就地級和現場級，可實現監控中心中央級遠程控制、可編程站就地自動/手動控制和現場控制箱自動/手動控制。
2.2物聯網方案
物聯網環境與設備監控系統從上至下可分為中心層、傳輸層和接入層。物聯網環境與設備監控系統架構圖如圖4所示；物聯網環境與設備監控系統布置圖如圖5所示。
圖4物聯網環境與設備監控系統架構圖
中心層主要包括物聯網管理平臺及其硬件支撐設備，部署在監控中心，實現應用業務統一部署與定期更新、環境與設備監控系統信息存儲與可視化展示等功能，并與綜合管廊統一管理平臺進行信息共享。
圖5物聯網環境與設備監控系統布置圖
傳輸層主要包括由主干光纖、交換機及物聯網網關等，通過構建自愈型光纖干線環網實現中心層與接入層的信息上傳下達。
接入層主要包括物聯網無線網絡設備、物聯網邊緣接入設備、現場機電設備及環境監測儀表等，物聯網無線網絡設備用于構建現場網格網絡（Mesh），物聯網邊緣接入設備用于現場機電設備及環境監測儀表無線聯網、邊緣計算與機器通信（M2M）等。
2.3方案比選
綜合管廊一般呈“群狀"分布，由同一規劃片區內的若干個綜合管廊組成，具有狹長、艙室多、入廊管線種類復雜等特點，為了保障良好的運行環境，需要配置通風、排水、照明等機電設備，并設置環境與設備監控系統實現環境監測與機電設備監控等功能。
傳統方案中，環境與設備監控系統主要采用可編程邏輯控制器，一般以通風區間為基本監控單元，每個基本監控單元設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控單元內各現場機電設備及傳感儀表相連，實現對機電設備及傳感儀表的集中控制與統一管理。
物聯網作為一種新型技術，主要采用邊緣計算、終端無線聯網、機器通信（M2M）等，物聯網方案與傳統方案的比較如下表1所示。
表１物聯網方案與傳統方案的比較
綜合管廊機電設備眾多，環境比較潮濕，傳統方案容易出現接觸不良等線路故障，導致系統失效，并且檢修費時費力。物聯網提供的終端無線聯網可以使綜合布線大大減少，不僅降低管線管材及安裝調試成本，也降低因為線纜眾多造成的故障，提高系統穩定性。
綜合管廊入廊管線種類復雜，入廊時間不一，不同管線對管線監測內容有不同的要求，而管線入廊往往滯后綜合管廊建設，傳統方案在綜合管廊建設之初一般會為管線監控接入預留接口[4]，但實際往往難以準確預留。預留的接口也對管線監控的內容和監測點設置等有一定的限制。物聯網的終端無線聯網相比傳統方案可以很好的兼容未來入廊管線監控的接入和并網，節約后期管線入廊建設投資。
綜合管廊在建設之初會部署一定的監控點位，但隨著管線的逐步入廊和運維時間的增加，會產生新的動態監測需求，可能需要動態增加新的監控點位或對原監控點進行位置調整等，物聯網的終端無線聯網相比傳統方案可以很好的滿足監控動態調整需求。
此外，物聯網采用邊緣計算及機器通信（Ｍ２Ｍ）等技術，在邊緣端部署相關算法可以提高系統智慧化程度。
綜上，物聯網具有終端無線聯網、應用業務部署靈活、終端聯網擴展容易、建設及維護成本低、智慧化程度高等優勢，相比傳統方案更適合具有環境差、廣連接、入廊管線種類復雜及建設時序不一等特征的綜合管廊。
2.4網格網絡（Mesh）
網格網絡（Mesh）即無線網格網絡，是一種多跳網絡，是一個動態的可以不斷擴展的網絡架構。無線Mesh網絡是去中心化的，當有中間節點設備離線時，可以重新計算新路由，滿足業務交互，可以大大降低整體故障率。任意的兩個設備均可以保持無線互聯，相比單跳網絡具有網絡更強壯、網絡擴展更靈活及網絡架構動態調整等優點。
網格網絡如圖6所示，以防火分隔為基本通信單元，每個基本通信單元包含電力艙防火分區和綜合艙防火分區。在每個基本通信單元設置１套物聯網網關，在每個基本通信單元的每個防火分區設置4套物聯網無線網絡設備實現支持多種物聯網協議的網格網絡組網。
物聯網網關主要用于網格網絡管理，包括網絡節點管理、網絡拓撲管理、協議轉換、分組交換、路由選擇、差錯校驗、流量控制、擁塞控制等功能，并采用軟件定義網絡（SDN）架構，將網絡控制平面和數據平面分離、解耦。
圖6網格網絡示意圖
2.5功能實現
環境與設備監控系統主要功能包括環境監測、設備監控及電力監控等，為綜合管廊穩定運行提供保障。環境監測內容主要包括綜合管廊內的溫濕度、氧含量及液位等；設備監控內容主要包括綜合管廊內排水設備、通風設備及照明設備的聯動控制及運行狀態等；電力監控內容主要包括綜合管廊內高低壓配電柜、EPS裝置及UPS裝置的供電狀態等。
物聯網邊緣接入設備就近部署在現場機電設備控制箱或環境監測儀旁邊，通過I/O或通信口與機電設備控制箱或環境監測儀相連，并通過網格網絡實現機電設備或環境監測儀無線聯網，同時實現如下功能：
（1）接收物聯網管理平臺下發的應用業務并進行邊緣側部署；
（2）實現數據發布/訂閱、機器通信（M2M）與邊緣計算等；
（3）向物聯網管理平臺反饋環境監測數據及機電設備運行狀態信息。
3 AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺
3.1平臺概述
AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控制、環境監測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網絡、系統架構、聯動控制和綜合數據服務等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內部干擾性強、使用單位多及協調復雜的根本問題，大大提高了系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變電站電力監控系統、變電所環境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，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控、統一管理、統一調度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。
3.3平臺拓撲
3.4平臺子系統
3.4.1電力監控
電力監控主要針對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和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。
3.4.2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的水泵和通風排煙風機等設備集成的第三方系統完成管廊環境綜合監控。
3.4.3電氣安全
AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統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、防火門狀態傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。
3.5相關平臺部署硬件選型清單
3.5.1電力監控及配電室環境監控系統
3.5.2電氣火災監控系統
3.5.3消防設備電源監控系統
3.5.4防火門監控系統
3.5.5消防應急照明和疏散指示系統
4結語
物聯網作為十四五規劃倡導的新型技術，是數字化轉型的重要基礎。物聯網在綜合管廊中應用具有顯著優勢，可以很好滿足管線逐步入廊而伴隨對監控需求的動態調整，并實現綜合管廊物與物、物與人的泛在連接，為綜合管廊數字化轉型、數字賦能提供數據基礎，后期結合大數據分析及AI輔助決策等技術，可以提供綜合管廊的運行監控與運維管理智慧化程度。根據物聯網技術在綜合管廊應用的基礎，一方面，可以將物聯網技術與安全防范系統、火災自動報警系統、通信系統等進行結合；另一方面可以進一步將物聯網技術在地下空間中進行推廣，解決類似的環境惡劣造成的一系列問題。
參考文獻
【1】劉新秀.物聯網技術在綜合管廊中的應用.
【2】謝軍.“綜合管廊群"監控系統研究與設計［Ｊ］．中國市政工程，2017.
【3】安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05
作者簡介：任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智慧管廊監控研究發展。
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