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基于邊緣計算技術的綜合管廊智能化電氣設計與應用研究

更新時間：2022-12-29

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吳柯霓

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：文章采用物聯(lián)網(wǎng)技術云、邊、端全方面的應用，開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算控制器和物聯(lián)網(wǎng)平臺，提高管廊感知能力，降低集成難度，從而間接提高了綜合管廊的智能化管控水平與運行效率，降低了運維管理成本，保障了綜合管廊、市政管線和人員的安全。

關鍵詞：綜合管廊；智慧管廊；物聯(lián)網(wǎng) ；邊緣計算

0 引言

綜合管廊負責容納多種城市綜合管線，一旦失控將對城市生產(chǎn)、生活造重大經(jīng)濟損失，嚴重影響城市運營。所以應在綜合管廊內設置管廊智慧化系統(tǒng)，為管廊以及廊內管線與人員提供基本的安全保護。當前這些系統(tǒng)依舊采用獨立的系統(tǒng)進行集成，而海量的多種類設備所產(chǎn)生的龐大信息數(shù)據(jù)，結合對外通訊的復雜性、信息數(shù)據(jù)接入方式傳統(tǒng)等因素，為數(shù)據(jù)的采集、處理和信息的集成帶來困難。同時，設備缺乏自處理能力，其功能的實現(xiàn)對通訊依賴度高；各子系統(tǒng)自成一體，大量的自用纜線占據(jù)綜合管廊有限空間；信息孤島現(xiàn)象明顯，系統(tǒng)間不能實現(xiàn)跨系統(tǒng)設備聯(lián)動，系統(tǒng)反應遲緩，應急措施受限。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術應用分析

從2018年開始，高校、科研院所、市政設計院陸續(xù)加大了物聯(lián)網(wǎng)技術在管廊智慧化中的應用研究。例如上海市政院發(fā)表論文《基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM 的管道滲漏預警系統(tǒng)、方法和應用》；山西省信息產(chǎn)業(yè)技術研究院有限公司發(fā)表論文《物聯(lián)網(wǎng)架構的管廊綜合監(jiān)控管理平臺》；重慶市勘測院發(fā)表論文《物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術在地下綜合管廊建設運維中的應用研究》；京投公司開展基于物聯(lián)網(wǎng)技術的融合通訊設備研究，北京建工開發(fā)邊緣計算管廊區(qū)域控制單元；蘇交科開發(fā)BIM+物聯(lián)網(wǎng)結合建立基于云的城市管網(wǎng)智慧監(jiān)控平臺。這些公司通過探索和研究，嘗試找到物聯(lián)網(wǎng)技術，解決管廊智慧化的建設的某些問題。

物聯(lián)網(wǎng)技術在設備連接、大數(shù)據(jù)量承載方面具優(yōu)勢。通過對物聯(lián)網(wǎng)技術進行創(chuàng)新應用，優(yōu)化管廊管控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構，解決管廊設備數(shù)據(jù)量大、通訊協(xié)議多樣、集成難度大、跨系統(tǒng)聯(lián)動響應遲緩等問題，保障海量設備并發(fā)接入，提高數(shù)據(jù)安全性和響應速度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，降低統(tǒng)一管理平臺信息集成難度，提高設備自處理能力，確保智慧管控系統(tǒng)安全高可用，并降低事故風險，同時減少建設中電纜、光纜的使用，預留出更多寶貴的廊內空間。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術應用

本文中的綜合管廊智慧化系統(tǒng)將從云、邊、端對物聯(lián)網(wǎng)技術進行研究和應用。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)云平臺的研究與開發(fā)

2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)云平臺功能設計

物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺主要功能包括設備物聯(lián)、資產(chǎn)管理和應用使能。設備物聯(lián)實現(xiàn)平臺和設備的泛在連接、數(shù)據(jù)采集和設備控制等，資產(chǎn)管理實現(xiàn)設備資產(chǎn)采購、安裝、維護和報廢的全生命周期管理，應用使能實現(xiàn)對業(yè)務系統(tǒng)的應用支撐。

2.1.2 物聯(lián)網(wǎng)云平臺架構設計

物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺的開發(fā)采用微服務架構，微服務核心組件通過調用HTTP、MQTT、CoAP 三種通訊微服務實現(xiàn)和設備、網(wǎng)關的設備連接、遙感數(shù)據(jù)采集、控制指令發(fā)送等。引入規(guī)則鏈進行業(yè)務邏輯編制，數(shù)據(jù)通訊采用消息隊列。物聯(lián)網(wǎng)軟件平臺作為業(yè)務系統(tǒng)（綜合管廊智慧管控平臺）的數(shù)據(jù)和應用支撐。引入Zookeeper 架構，實現(xiàn)平臺的集群部署和高可用（見圖1）。

圖1 智慧管廊物聯(lián)網(wǎng)平臺架構示意

2.1.3 物聯(lián)網(wǎng)云平臺開發(fā)

參考國內外物聯(lián)網(wǎng)平臺的功能實現(xiàn)，采用java語言開發(fā)適合智慧管廊應用場景的物聯(lián)網(wǎng)平臺（見圖2）

圖2 智慧管廊物聯(lián)網(wǎng)平臺界面

2.2 物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的研究和應用

通過在管廊現(xiàn)場（防火分區(qū)設備間）設置管廊邊計算控制器，實現(xiàn)就地化數(shù)據(jù)采集、設備聯(lián)動、數(shù)據(jù)上傳，可以大大提高數(shù)據(jù)效率，并節(jié)省電纜。

管廊邊緣計算控制器主要匯總環(huán)境和設備監(jiān)控、安防、通訊、結構監(jiān)測等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，常用協(xié)議為MQTT、OPC UA、Modbus、ODBC、視頻（碼流）等，實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的設備聯(lián)動。數(shù)據(jù)上傳江采集的數(shù)據(jù)上傳給物聯(lián)網(wǎng)平臺（見圖3）

圖3 綜合管廊邊緣計算網(wǎng)關

2.3 物聯(lián)網(wǎng)終端的應用

采用物聯(lián)網(wǎng)技術，對綜合管廊進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。針對環(huán)境與設備監(jiān)控、安全防范、通信、火災自動報警、可燃氣體報警、電子標簽、巡檢機器人、結構檢測、管線監(jiān)測、其他智能終端都采用物聯(lián)網(wǎng)終端設備進行采集。配置原則如表1 所示。

表1 物聯(lián)網(wǎng)終端配置

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(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、高效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、系統(tǒng)架構、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)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(xié)調復雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)、變電所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能馬達監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)、消防設備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，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(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

3.3 平臺拓撲

3.4 平臺子系統(tǒng)

3.4.1 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保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)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(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關柜、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(jiān)測

環(huán)境監(jiān)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(shù)據(jù)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(tǒng)完成管廊環(huán)境綜合監(jiān)控。

3.4.3 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(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監(jiān)視，發(fā)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(jiān)控及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

3.6 安科瑞智能網(wǎng)關產(chǎn)品介紹

3.6.1 Anet-**/4G系列導軌式智能網(wǎng)關

ANet-**/4G是安科瑞電氣股份有限公司自主研發(fā)的一款帶全網(wǎng)通無線聯(lián)網(wǎng)功能的通用型智能通信管理機，適用于國家公務機關、、公共機構、住宅商業(yè)樓宇、酒店餐飲商場等領域，可滿足水、電、氣、油、冷量、熱量等各種形式的用量及能源能耗分項計量數(shù)據(jù)采集的需求。

該設備可用于以下應用場景：

?電力監(jiān)控系統(tǒng) ?電能質量系統(tǒng) ?物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) ?電力需求側系統(tǒng)

?建筑能耗系統(tǒng) ?遠程預付費系統(tǒng) ?消防防護系統(tǒng) ?智能建筑系統(tǒng)

技術特點

3.6.2 Anet-2E4SM/4G模塊化智能網(wǎng)關

ANet-2E4SM模塊化通信管理機是安科瑞電氣股份有限公司自主研發(fā)的一款通用型智能通信管理機，將傳統(tǒng)管理機的接口拆分成可拼裝搭配的模塊，其中主模塊可作為標準智能通信管理機獨立工作，整個設備可通過串口、以太網(wǎng)、Lora無線、wifi無線等鏈路采集水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數(shù)據(jù)，標配的8路無源干接點可實時采集門禁、水浸、煙感等開關量信息，可通過有線網(wǎng)絡、 WiFi網(wǎng)絡、4G網(wǎng)絡等鏈路上傳告警、實時數(shù)據(jù)等信息。主模塊搭配從模塊可靈活擴展，增加更豐富的應用場景，同時還可提供邊緣計算等需求。

該設備可用于以下應用場景：

?電力監(jiān)控系統(tǒng) ?電能質量系統(tǒng) ?物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) ?電力需求側系統(tǒng)

?建筑能耗系統(tǒng) ?遠程預付費系統(tǒng) ?第三方云平臺 ?泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

?運維系統(tǒng)平臺 ?能源綜合管理平臺

技術特點

4 結語

通過物聯(lián)網(wǎng)技術在綜合管廊智慧化中云、邊、端的應用，大大提高了綜合管廊的信息感知能力，降低了綜合管廊數(shù)據(jù)采集的難度，避免了數(shù)據(jù)孤島，提高了系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)的承載能力，從而間接提高了綜合管廊的智能化管控水平與運行效率，降低了運維管理成本，保障了綜合管廊、市政管線和人員的安全。

參考文獻

【1】梁仕賢，羊保品.物聯(lián)網(wǎng)技術在綜合管廊智慧化中的應用研究

【2】凌琪. 滇中新區(qū)智慧管廊環(huán)境和設備監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 智能建筑與智慧城市，2019

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05

作者簡介：吳柯霓，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智慧管廊能耗監(jiān)控。

上一條淺談消防應急疏散指示系統(tǒng)在綜合管廊中的應用
下一條淺談智能照明系統(tǒng)在地下水廠的應用