文｜浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 胡力勤；杭州市地下管道開發(fā)有限公司 萬亞 朱祖港

綜合管廊就是在道路地下將電力、通訊，燃?xì)狻⒐?、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，國務(wù)院辦公廳下發(fā)《國務(wù)院辦公廳關(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)具有先進(jìn)技術(shù)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)建設(shè)部和發(fā)改委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)控中心設(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)控中心消防報(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，相互獨(dú)立，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。JACE 8000 控制器發(fā)揮Niagara Framework 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)控中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存、調(diào)用［1］。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，所有的接口必須要有日志，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［2］。基于邊緣計(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 512 kb 的閃存以及 64 kb 的SRAM，最高工作頻率可達(dá)72 MH，較好的技術(shù)參數(shù)大大優(yōu)化了系統(tǒng)硬件，系統(tǒng)功耗極大降低了［3-4］。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［5］。

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：第一種裝有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；第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

圖1 邊緣計(jì)算綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)

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)警詳情全面展示報(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?？蛻舳送ㄟ^Web 瀏覽器，Niagara 4 Supervisor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。

4 結(jié)語

綜合管廊代表了城市基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的最新模式和必要方向，是解決城市地下空間與管網(wǎng)問題的有效方式［9］，在針對邊緣計(jì)算綜合管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，JACE 網(wǎng)絡(luò)控制器是目前最成熟的邊緣控制平臺，應(yīng)用Niagara Framework 邊緣計(jì)算新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究，與云平臺協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的互聯(lián)及管理、可靠的在線數(shù)據(jù)流、能源分析、大數(shù)據(jù)預(yù)測和診斷，將異構(gòu)數(shù)據(jù)、多種協(xié)議集成于一體，運(yùn)用圖形化編程工具編寫分布式自動化應(yīng)用程序?；谶吘売?jì)算的綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)，綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)融合網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)運(yùn)算、設(shè)備管理等開放平臺，提供本地實(shí)時(shí)性高，智能服務(wù)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)［10］，研究與設(shè)計(jì)的過程中彌補(bǔ)云計(jì)算服務(wù)的不足，揚(yáng)長避短產(chǎn)生特定的優(yōu)勢。針對邊緣計(jì)算的實(shí)施場景，設(shè)計(jì)綜合監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)的功能、數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)了組件平臺化，接入開放化，集成標(biāo)準(zhǔn)化，分布式彈性化，具有一定推廣與應(yīng)用價(jià)值。