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(huán)境與設備監控系統物聯(lián)網(wǎng)計為例，對物聯(lián)網(wǎng)與傳統方案進(jìn)行了比較研究，物聯(lián)網(wǎng)相比傳統方案具有終端無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、應用業(yè)務(wù)部署靈活、終端聯(lián)網(wǎng)擴展容易、建設及維護成本低等優(yōu)勢，并能提升綜合管廊智慧化水平，促進(jìn)綜合管廊數字化轉型。

 

關(guān)鍵詞：綜合管廊；環(huán)境與設備監控；物聯(lián)網(wǎng)；數字化轉型

 

       綜合管廊工程是城市賴(lài)以生存和發(fā)展的基礎設施，擔負著(zhù)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(fā)展的前沿陣地，綜合管廊建設在我國已進(jìn)入規?；l(fā)展和創(chuàng )新階段，這條“城市生命線(xiàn)"安全、穩定運行，是未來(lái)城市建設發(fā)展需要著(zhù)重關(guān)注的問(wèn)題。

       全國25個(gè)綜合管廊試點(diǎn)城市已經(jīng)建設了6000余公里，在運營(yíng)過(guò)程中發(fā)現由于管廊凝露嚴重等原因，導致綜合管廊現場(chǎng)傳感器失效，觸發(fā)風(fēng)機頻繁起停，有毒有害氣體濃度監測不準確，環(huán)境與設備監控系統可靠性變差等問(wèn)題。在火災自動(dòng)報警系統中出現火災誤報、漏報、錯報等情況?，F有的環(huán)境與設備監控系統無(wú)法可靠地反映現場(chǎng)真實(shí)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(chuàng )新支撐，布局建設信息基礎設施、融合基礎設施、創(chuàng )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(lián)、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(lián)網(wǎng)、智能調度體系建設，并將云計算、大數據、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、區塊鏈、人工智能、虛擬現實(shí)和增強現實(shí)劃定為7大數字經(jīng)濟的重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)。

       物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是指通過(guò)信息傳感設備、射頻識別技術(shù)、紅外感應等各種裝置與技術(shù)，采集需要監控、連接和互動(dòng)的信息，通過(guò)約定的協(xié)議實(shí)現物與物、物與人的泛在連接，以實(shí)現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。

       —方面，環(huán)境與設備監控系統控制的對象主要是風(fēng)機、水泵等，以閾值控制為主，控制邏輯簡(jiǎn)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(mǎn)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(huán)境不好，而綜合管廊作為地下空間的“生命線(xiàn)"出現誤報、錯報的現象很高，物聯(lián)網(wǎng)具有的邊緣計算功能很好地解決了這一問(wèn)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(wǎng)絡(luò )癱瘓的情況下，依靠現場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)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(diǎn)，只需配個(gè)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(shí)及低功耗等特征的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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。

 

       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(lián)路綜合管廊及監控中心，全長(cháng)約2465ｍ，布局為“廠(chǎng)"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(lián)路、東至虹莘路，為綜合艙和電力艙雙艙，長(cháng)約715ｍ；智聯(lián)路綜合管廊位于智聯(lián)路西側人行道下，南起平延路，北至星北路，為綜合艙單艙，長(cháng)約1730ｍ；監控中心位于東蘭路、智聯(lián)路路口北側地塊地下一層空間，通過(guò)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

 

 

2.1傳統方案

       傳統的環(huán)境與設備監控系統主要由工業(yè)以太網(wǎng)交換機、可編程控制器、遠程I/O模塊及環(huán)境監測相關(guān)檢測儀表等組成。傳統環(huán)境與設備監控系統構架如圖2所示；傳統環(huán)境與設備監控系統布置圖如圖3所示。

圖2傳統環(huán)境與設備監控系統構架

       傳統的環(huán)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(wù)器等組成。后臺管理層通過(guò)中間傳輸層將前端感知層采集的信息進(jìn)行集中存儲、處理及展示，并且實(shí)現對管廊的遠程監控管理。

圖3傳統環(huán)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(xiàn)纜等組成。管廊內在每個(gè)分變電所設置可編程控制器，負責區域監控區間聯(lián)動(dòng)控制及監控信息上傳。在每個(gè)進(jìn)/排風(fēng)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(lián)動(dòng)控制信號的發(fā)出?？删幊炭刂破魍ㄟ^(guò)遠程I/O模塊反饋的管廊內環(huán)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(lián)動(dòng)），并通過(guò)信息傳輸網(wǎng)絡(luò )實(shí)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(fēng)機控制箱及水泵控制箱等現場(chǎng)設備和現場(chǎng)設備控制箱組成。通過(guò)現場(chǎng)設備對綜合管廊內的溫濕度、氧含量等環(huán)境參數進(jìn)行檢測和采集，從現場(chǎng)設備控制箱內獲得風(fēng)機、水泵等設備的狀態(tài)信息。

控制方式分為中央級、就地級和現場(chǎng)級，可實(shí)現監控中心中央級遠程控制、可編程站就地自動(dòng)/手動(dòng)控制和現場(chǎng)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)境與設備監控系統從上至下可分為中心層、傳輸層和接入層。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設備監控系統架構圖如圖4所示；物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設備監控系統布置圖如圖5所示。

圖4物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境與設備監控系統架構圖

       中心層主要包括物聯(lián)網(wǎng)管理平臺及其硬件支撐設備，部署在監控中心，實(shí)現應用業(yè)務(wù)統一部署與定期更新、環(huán)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(jìn)行信息共享。

圖5物聯(lián)網(wǎng)環(huán)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(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等，通過(guò)構建自愈型光纖干線(xiàn)環(huán)網(wǎng)實(shí)現中心層與接入層的信息上傳下達。

       接入層主要包括物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備、物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設備、現場(chǎng)機電設備及環(huán)境監測儀表等，物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備用于構建現場(chǎng)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )（Mesh），物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設備用于現場(chǎng)機電設備及環(huán)境監測儀表無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、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(gè)綜合管廊組成，具有狹長(cháng)、艙室多、入廊管線(xiàn)種類(lèi)復雜等特點(diǎn)，為了保障良好的運行環(huán)境，需要配置通風(fēng)、排水、照明等機電設備，并設置環(huán)境與設備監控系統實(shí)現環(huán)境監測與機電設備監控等功能。

傳統方案中，環(huán)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(fēng)區間為基本監控單元，每個(gè)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(guò)有線(xiàn)方式與基本監控單元內各現場(chǎng)機電設備及傳感儀表相連，實(shí)現對機電設備及傳感儀表的集中控制與統一管理。

物聯(lián)網(wǎng)作為一種新型技術(shù)，主要采用邊緣計算、終端無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、機器通信（M2M）等，物聯(lián)網(wǎng)方案與傳統方案的比較如下表1所示。

表１物聯(lián)網(wǎng)方案與傳統方案的比較

       綜合管廊機電設備眾多，環(huán)境比較潮濕，傳統方案容易出現接觸不良等線(xiàn)路故障，導致系統失效，并且檢修費時(shí)費力。物聯(lián)網(wǎng)提供的終端無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)可以使綜合布線(xiàn)大大減少，不僅降低管線(xiàn)管材及安裝調試成本，也降低因為線(xiàn)纜眾多造成的故障，提高系統穩定性。

       綜合管廊入廊管線(xiàn)種類(lèi)復雜，入廊時(shí)間不一，不同管線(xiàn)對管線(xiàn)監測內容有不同的要求，而管線(xiàn)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(huì )為管線(xiàn)監控接入預留接口[4]，但實(shí)際往往難以準確預留。預留的接口也對管線(xiàn)監控的內容和監測點(diǎn)設置等有一定的限制。物聯(lián)網(wǎng)的終端無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)相比傳統方案可以很好的兼容未來(lái)入廊管線(xiàn)監控的接入和并網(wǎng)，節約后期管線(xiàn)入廊建設投資。

       綜合管廊在建設之初會(huì )部署一定的監控點(diǎn)位，但隨著(zhù)管線(xiàn)的逐步入廊和運維時(shí)間的增加，會(huì )產(chǎn)生新的動(dòng)態(tài)監測需求，可能需要動(dòng)態(tài)增加新的監控點(diǎn)位或對原監控點(diǎn)進(jìn)行位置調整等，物聯(lián)網(wǎng)的終端無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)相比傳統方案可以很好的滿(mǎn)足監控動(dòng)態(tài)調整需求。

此外，物聯(lián)網(wǎng)采用邊緣計算及機器通信（Ｍ２Ｍ）等技術(shù)，在邊緣端部署相關(guān)算法可以提高系統智慧化程度。

       綜上，物聯(lián)網(wǎng)具有終端無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)、應用業(yè)務(wù)部署靈活、終端聯(lián)網(wǎng)擴展容易、建設及維護成本低、智慧化程度高等優(yōu)勢，相比傳統方案更適合具有環(huán)境差、廣連接、入廊管線(xiàn)種類(lèi)復雜及建設時(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(wú)線(xiàn)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )，是一種多跳網(wǎng)絡(luò )，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的可以不斷擴展的網(wǎng)絡(luò )架構。無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )是去中心化的，當有中間節點(diǎn)設備離線(xiàn)時(shí)，可以重新計算新路由，滿(mǎn)足業(yè)務(wù)交互，可以大大降低整體故障率。任意的兩個(gè)設備均可以保持無(wú)線(xiàn)互聯(lián)，相比單跳網(wǎng)絡(luò )具有網(wǎng)絡(luò )更強壯、網(wǎng)絡(luò )擴展更靈活及網(wǎng)絡(luò )架構動(dòng)態(tài)調整等優(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和綜合艙防火分區。在每個(gè)基本通信單元設置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)防火分區設置4套物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備實(shí)現支持多種物聯(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 )節點(diǎn)管理、網(wǎng)絡(luò )拓撲管理、協(xié)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(wǎng)絡(luò )（SDN）架構，將網(wǎng)絡(luò )控制平面和數據平面分離、解耦。

圖6網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )示意圖

2.5功能實(shí)現

       環(huán)境與設備監控系統主要功能包括環(huán)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(huán)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(fēng)設備及照明設備的聯(lián)動(dòng)控制及運行狀態(tài)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(tài)等。

       物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入設備就近部署在現場(chǎng)機電設備控制箱或環(huán)境監測儀旁邊，通過(guò)I/O或通信口與機電設備控制箱或環(huán)境監測儀相連，并通過(guò)網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )實(shí)現機電設備或環(huán)境監測儀無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)實(shí)現如下功能：

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

（2）實(shí)現數據發(fā)布/訂閱、機器通信（M2M）與邊緣計算等；

（3）向物聯(lián)網(wǎng)管理平臺反饋環(huán)境監測數據及機電設備運行狀態(tài)信息。

 

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(huán)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(wǎng)絡(luò )、系統架構、聯(lián)動(dòng)控制和綜合數據服務(wù)等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過(guò)程中存在內部干擾性強、使用單位多及協(xié)調復雜的根本問(wèn)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(huán)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(gè)深度集成的自動(dòng)化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所環(huán)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(mén)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(hù)可通過(guò)瀏覽器、手機APP獲取數據，通過(guò)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)行集中監控、統一管理、統一調度，同時(shí)滿(mǎn)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(jìn)行保護和監控，對0.4kV出線(xiàn)配置多功能計量?jì)x表，用于測控出線(xiàn)回路電氣參數和用能情況，可實(shí)時(shí)監控高低壓供配電系統開(kāi)關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)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(huán)境監測

       環(huán)境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門(mén)禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時(shí)也可接入管廊艙室內的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機等設備集成的第三方系統完成管廊環(huán)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(mén)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、內阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，發(fā)生異常時(shí)通過(guò)聲光、短信、APP及時(shí)預警。

3.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單

3.5.1電力監控及配電室環(huán)境監控系統

       物聯(lián)網(wǎng)作為十四五規劃倡導的新型技術(shù)，是數字化轉型的重要基礎。物聯(lián)網(wǎng)在綜合管廊中應用具有顯著(zhù)優(yōu)勢，可以很好滿(mǎn)足管線(xiàn)逐步入廊而伴隨對監控需求的動(dòng)態(tài)調整，并實(shí)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(shù)，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(lián)網(wǎng)技術(shù)在綜合管廊應用的基礎，一方面，可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與安全防范系統、火災自動(dòng)報警系統、通信系統等進(jìn)行結合；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(lèi)似的環(huán)境惡劣造成的一系列問(wèn)題。

 

【1】劉新秀.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05

 

作者簡(jiǎn)介：韓歡慶，女，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(fā)展。