摘要：本文介紹了基于邊緣計算技術(shù)及其特點(diǎn),根據綜合管廊監控系統需求分析了NiagaraFramework的JACE8000系統控制的功能,并應用綜合管廊監控系統的硬件和軟件,實(shí)現上位機對現場(chǎng)智能節點(diǎn)的遠程通信與控制,合理地實(shí)施控制技術(shù),以達到邊緣計算應用的目標。

關(guān)鍵詞：邊緣計算；綜合管廊；監控系統；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(xiàn)設置同一個(gè)隧道空間，設有專(zhuān)門(mén)的監測系統，一種城市的基礎設施。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的指導意見(jiàn)》大力發(fā)展地下綜合管廊建設，要建設具有技術(shù)的地下綜合管廊。隨著(zhù)數字化浪潮的興起，2020年住房和城鄉**和**13部門(mén)聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見(jiàn)》，推進(jìn)建筑工業(yè)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(dòng)計劃(2020—2022年)》中提出了統籌推進(jìn)城市地下綜合管廊數字化建設。

綜合管廊監控系統運用傳感器網(wǎng)絡(luò )、物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)控制等理論和技術(shù)，借助GIS+BIM+物聯(lián)網(wǎng)，防火災、防盜、人員巡檢定位；以統一的平臺集成聯(lián)動(dòng)，通過(guò)大數據技術(shù)，分析綜合管廊日常和應急狀態(tài)運行參數，建立起綜合管廊公共安全風(fēng)險防控與應急技術(shù)。根據綜合管廊監控系統各子系統物理層、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；并在基礎上對子系統所產(chǎn)生的大批量實(shí)時(shí)數據進(jìn)行存儲、檢索與分析，預警分析、事故處理。義烏市03省道（宗澤路—環(huán)城北路）管廊綜合監控系統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(cháng)約9586.351米；包括管廊監控**設備、管廊監控系統、電話(huà)系統、無(wú)線(xiàn)對講系統、機器人巡檢系統、消防報警系統（含監控**消防報警）、移動(dòng)通信信號覆蓋系統、電力監控系統、離線(xiàn)式巡檢管理系統、門(mén)禁系統、消防工程、軟件、綜合管路、標示標牌等工程內容。項目在具體建設過(guò)程中，由于綜合管廊監控系統由多個(gè)子系統組成，相互**，接口協(xié)議不規范，開(kāi)發(fā)驅動(dòng)多工作量大，無(wú)法實(shí)現標準化；沒(méi)有很好互融互通。運用云計算技術(shù)，數據需要中轉，大量占據傳輸帶寬，響應不及時(shí)2020年邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）發(fā)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(yōu)勢，具有異構性、分布性、連續性、靠近數據等的特點(diǎn)，下面我們分析邊緣計算在管廊監控系統應用。

1理論基礎：系統架構設計

邊緣計算就是在靠近數據源頭或物的網(wǎng)絡(luò )側，融合計算、網(wǎng)絡(luò )、存儲、應用核心能力的開(kāi)放平臺，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿(mǎn)足行業(yè)數字化在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數據優(yōu)化、應用智能等方面的關(guān)鍵需求。隨著(zhù)邊緣計算落地實(shí)踐應用，以云邊協(xié)同和邊緣智能為主要發(fā)展方向。為了克服當前云計算集中化、數據延時(shí)長(cháng)、安全性差，將云計算“下沉"，設計了一種基于邊緣計算的綜合管廊監控系統。通過(guò)本地匯聚網(wǎng)絡(luò )、計算、存儲、應用、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)，運用網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，完成綜合管廊監控數據采集、管理和應用，構建“邊云"協(xié)同的分布式部署架構，在綜合管廊監控**實(shí)現數據保存、調用。JACE網(wǎng)絡(luò )控制器作為邊緣控制平臺，可以實(shí)現對各子系統互聯(lián)及管理、集成、監控、數據記錄、報警、時(shí)間表和網(wǎng)絡(luò )管理的功能，運用MQTT協(xié)議與華為云對接，并與云平臺進(jìn)行協(xié)同工作。系統內核采用分層設計，開(kāi)發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)通訊標準，模塊化驅動(dòng)，便于整個(gè)平臺在橫向和縱向靈活擴展，設計規范的軟件，達到設施設備運行安全?；赟OA平臺化架構理念，監控系統支持C/S、B/S或C/S、B/S混用等不同“架構"配置Wi-Fi,RFID,Zigbee等眾多的工業(yè)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，系統接口以動(dòng)詞+名詞的形式命名，保證其簡(jiǎn)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**要有日志，方便維護。綜合管廊監控系統面向服務(wù)的架構（SOA），在同一集成平臺上，實(shí)現多個(gè)系統業(yè)務(wù)信息流程的重組和擴展，大大提升監控系統的靈活性，降低監控系統的使用及維護成本?；谶吘売嬎憔C合管廊監控系統一般分成前端數據感知層、邊緣計算層、云計算層3層。

1.1前端數據感知層

綜合管廊監控系統前端數據感知層一般由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(dòng)報警模塊、網(wǎng)絡(luò )攝像機、紅外被動(dòng)探測器、電量計量?jì)x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(lèi)，模擬量和數字量。前端數據感知層采用ZigBee網(wǎng)絡(luò )，選用樹(shù)型+星型結構組網(wǎng)。ZigBee節點(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72MH，較好的技術(shù)參數大大優(yōu)化了系統硬件，系統功耗*大降低了。WiFi模塊選用ESP-07芯片組，將ZigBee網(wǎng)絡(luò )和WiFi相結合，大大增加了前端數據互通與連接。

1.2邊緣計算層

JACE網(wǎng)絡(luò )控制器8000具有如下特點(diǎn)：升級的Niagara4平臺，模塊化結構與設計，免工具安裝，支持WiFi功能，內置標準開(kāi)放的驅動(dòng)程序，靈活的授權許可，具有RS485端口、以太網(wǎng)接口、WiFi連接，通過(guò)MQTT協(xié)議與云計算層通信對接。邊緣計算層能夠完成本地數據的快速采集、分析，實(shí)時(shí)性高，由具備一定計算、儲存能力的網(wǎng)絡(luò )邊緣節點(diǎn)組成，響應業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)增值決策。

1.3云計算層

云計算層具有運算能力強大，存儲空間大等特點(diǎn)，對上傳的數據接收、存儲、發(fā)布、控制，完成數據計算算法處理分析。國內比較可靠的就是華為云和阿里云，本系統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控制報文，進(jìn)行存儲分析，并且發(fā)布?？梢酝ㄟ^(guò)PC、PAD、手機各種終端調用查詢(xún)。

2應用模塊：預警和報警模塊功能

預警和報警模塊主要為管廊整體的安全運維服務(wù)，對每一報警提供報警詳情**展示報警的關(guān)聯(lián)信息，支持狀態(tài)合并，重復報警合并，限值合并等不同的報警顯示方式；支持多種報警統計查詢(xún)方式，如洪水統計、數量統計、時(shí)序統計、高頻統計、反復報警統計、頑固報警統計、報警KPI分析統計；提供各類(lèi)統計功能，用于報警數量和分布的統計，可作為報警改進(jìn)優(yōu)化的依據，過(guò)濾無(wú)效或低效報警，也可將統計功能作為預警模型的一部分，參與預警運算和觸發(fā)等功能。主要包括：綜合監控管理功能、實(shí)時(shí)告警一覽功能、設備告警聯(lián)動(dòng)配置功能、報警方案管理功能、歷史告警查詢(xún)功能、歷史趨勢查詢(xún)功能等?？蛻?hù)端通過(guò)Web瀏覽器，Niagara4Supervisor提供數據日志記錄/趨勢分析、數據庫管理、存檔并輸出到外部數據庫、報警、系統導航、時(shí)間表、儀表盤(pán)報告；通過(guò)XML接口(OBIX標準協(xié)議)與其它應用軟件程序集成，實(shí)時(shí)顯現圖形化信息^［6-7］。以管廊分區為劃分，打破各子系統的邊界，弱化底層各子系統功能，對設備層子系統進(jìn)行扁平化，構建邊緣計算設備在邊緣節點(diǎn)之間局域通信網(wǎng)絡(luò )^[8]，實(shí)現邊緣層信息互聯(lián)、互通、聯(lián)動(dòng)。配置管廊內各個(gè)設備間設備聯(lián)動(dòng)的預案，當故障發(fā)生時(shí)，系統自動(dòng)調用相應預案進(jìn)行處理。通過(guò)系統提供圖形化工具進(jìn)行聯(lián)動(dòng)方案的定義。設備聯(lián)動(dòng)的內容應包括：視頻、消防、安防、照明等，提供聯(lián)動(dòng)方案的添加、刪除、修改?？筛鶕远x條件查詢(xún)已配置的聯(lián)動(dòng)方案。當系統發(fā)現有故障、報警信息時(shí)，可按照相關(guān)設定預案，自動(dòng)對相關(guān)監控設備（例如：攝像機）進(jìn)行業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)操作，例如：視頻錄像、燈光開(kāi)關(guān)、空調開(kāi)關(guān)、風(fēng)機開(kāi)關(guān)等。聯(lián)動(dòng)方案可由時(shí)間觸發(fā)，如每隔一段時(shí)間開(kāi)啟風(fēng)機進(jìn)行排風(fēng)，也可由故障、報警觸發(fā)。聯(lián)動(dòng)方案可由多個(gè)條件觸發(fā)。聯(lián)動(dòng)方案可順序或同時(shí)聯(lián)動(dòng)多個(gè)設備。聯(lián)動(dòng)可自動(dòng)執行，也可手動(dòng)執行。聯(lián)動(dòng)方案的執行邏輯可包含界面交互步驟，在執行過(guò)程中，根據用戶(hù)的選擇，執行不同的操作。與傳統構架監控系統比較，邊緣計算構架監控系統傳輸流量有所降低，降低了傳輸成本，

緩解云計算層運算、存儲壓力。

3拓展應用：應急指揮功能模塊

充分發(fā)揮將各個(gè)智能子系統在統一管理平臺優(yōu)勢，應急調度指揮系統中增設應急指揮處置功能，協(xié)助管廊公司管理人員或相關(guān)處突部門(mén)面對緊急事件，能夠及時(shí)處理，降低人員傷亡與財產(chǎn)損失。實(shí)現管廊內應急數據的收集、分析，應急指揮的輔助決策、應急資源的組織、協(xié)調和管理控制等指揮功能，通過(guò)前端監測設備數據接口對風(fēng)險源進(jìn)行重點(diǎn)監視，通過(guò)與管線(xiàn)托管單位的信息化系統進(jìn)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(zhuān)家庫，對應急專(zhuān)家建立詳細的資料信息庫，滿(mǎn)足根據分級機制問(wèn)題發(fā)生后，各搶險指揮部指揮調度搶險等。

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、**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。

4.2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、**、有序的要求。

4.3平臺拓撲

4.4平臺子系統

4.4.1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。

4.4.2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*三方系統完成管廊環(huán)境綜合監控。

4.4.3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。

5結語(yǔ)

綜上所述，城市綜合管廊基礎設施建設對城市發(fā)展起到非常積*的促進(jìn)作用。相關(guān)部門(mén)及工程建設單位，應該在認識到科技產(chǎn)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(huán)境，提高其應用效率。在充分了解物聯(lián)網(wǎng)融合通信系統后，繼續尋找創(chuàng )新突破之法，將該系統技術(shù)更加有效地應用于城市建設工程中，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，也應該加大技術(shù)研發(fā)力度，進(jìn)一步推陳出新，應用相關(guān)技術(shù)推動(dòng)城市發(fā)展。

參考文獻

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