新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助力城市綜合管廊信息和智能化系統(tǒng)建設(shè)

何東，馬曉輝，劉國(guó)印

（深圳市信諾興技術(shù)有限公司）

1 城市綜合管廊簡(jiǎn)介

城市綜合管廊指在城市地下建造一個(gè)隧道空間，將電力、通訊、燃?xì)?、供熱、給排水等各種工程管線集中布置，并設(shè)有專門的檢修口、吊裝口和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一施工和運(yùn)維，是現(xiàn)代城市地下市政基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成，對(duì)滿足民生基本需求、提高城市綜合承載力、節(jié)約土地資源、增強(qiáng)管線抗災(zāi)抗險(xiǎn)發(fā)揮著重要作用。

地下綜合管廊建設(shè)避免了敷設(shè)和維修地下管線頻繁挖掘道路對(duì)交通和居民出行造成的影響，保持路容完整和美觀；同時(shí)也降低了路面多次翻修的費(fèi)用和工程管線的維修費(fèi)用，保持了管線的耐久性。

近幾年，國(guó)家高度重視推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)，根據(jù)測(cè)算，未來(lái)地下綜合管廊需建8000km，若按1.2億元/km測(cè)算，投資規(guī)模將達(dá)1萬(wàn)億。

2015年5月22日，住建部和質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布了GB50838-2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》，于2015年6月1日正式實(shí)施。《規(guī)范》提出城市綜合管廊的設(shè)計(jì)、建設(shè)工作應(yīng)遵循“規(guī)范先行、適度超前、因地制宜、統(tǒng)籌兼顧”的建設(shè)原則。

城市綜合管廊采用干線綜合管廊、支線綜合管廊和纜線管廊三級(jí)結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)單艙、雙艙或多艙。

2 管廊信息和智能化系統(tǒng)組成和特點(diǎn)

按照《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》要求[1]，綜合管廊配置附屬設(shè)施子系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 綜合管廊附屬設(shè)施子系統(tǒng)示意圖

綜合管廊的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)具有如下特點(diǎn)：①管廊線路長(zhǎng)，覆蓋面積大，廊內(nèi)管線和設(shè)備數(shù)量多、復(fù)雜度高；②管廊屬于地下構(gòu)筑物，無(wú)法直接觀察其運(yùn)行狀況，日常維護(hù)主要靠自動(dòng)化和智能化的儀器設(shè)備，輔之以人工；③管廊所處環(huán)境自然條件復(fù)雜，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)附屬設(shè)施、設(shè)備及管線抗險(xiǎn)和抗損要求高；④管廊內(nèi)放置的各類管線是維系城市運(yùn)行的重要支撐，一旦出現(xiàn)故障，后果嚴(yán)重，對(duì)可靠性要求苛刻；⑤各輔助系統(tǒng)種類和廠家眾多，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)不一致，給平臺(tái)數(shù)據(jù)整合和統(tǒng)一控制造成難度。

城市綜合管廊的信息和智能化系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是將整個(gè)城市綜合管廊規(guī)劃、建設(shè)、監(jiān)控、管理、運(yùn)營(yíng)結(jié)合起來(lái)，利用智慧化手段了解管線的數(shù)量、位置、運(yùn)行狀態(tài)等，將看不見的管網(wǎng)變成可視化、數(shù)字化、虛擬化的系統(tǒng)，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)全生命周期的管控，從而為地下綜合管廊的安全運(yùn)行、應(yīng)急處置提供強(qiáng)有力的保障，也有助于提高綜合管廊的資產(chǎn)管理及運(yùn)營(yíng)效率，最大限度發(fā)揮綜合管廊的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。智慧管廊的開發(fā)建設(shè)也經(jīng)歷了第一代（傳統(tǒng)型管廊）、第二代（需求型管廊）、第三代（整合型管廊）和第四代（智慧型管廊）的發(fā)展階段。

如何實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，我們認(rèn)為在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不能僅局限于各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，只追求獨(dú)立子系統(tǒng)的功能和性能，整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)不科學(xué)、不合理，反而會(huì)造成子系統(tǒng)之間相互掣肘和相互影響，造成整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率不高、可靠性下降。

3 新一代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

綜合管廊內(nèi)部署了大量的需要自動(dòng)運(yùn)行的前端監(jiān)測(cè)設(shè)備和控制設(shè)備，是典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境。僅以綜合管廊系統(tǒng)涉及的傳感器為例，包括用于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的沉降傳感器、傾斜傳感器、裂縫傳感器、斷面收斂傳感器、應(yīng)變傳感器、加速度傳感器，用于環(huán)境和火災(zāi)、監(jiān)測(cè)的氧氣傳感器、CO傳感器、可燃及有毒氣體傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、液位儀、流量傳感器等，更不要說(shuō)星羅密布的監(jiān)控?cái)z像頭、煙霧探測(cè)器等設(shè)備。后端平臺(tái)上的應(yīng)用更呈現(xiàn)出多元化和不斷更新的特點(diǎn)，所以在規(guī)劃設(shè)計(jì)之初確定一個(gè)好的架構(gòu)顯得尤為必要。

原來(lái)以BMS為主流的系統(tǒng)集成模式已經(jīng)無(wú)法滿足綜合管廊智能化建設(shè)的需求，必須采用新一代物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，才可以最大限度發(fā)揮前端數(shù)據(jù)和后端大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)的無(wú)縫鏈接和整合協(xié)同功能，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、魯棒性、可擴(kuò)展性。

傳統(tǒng)的BMS或者IBMS是采用“本地服務(wù)器—軟件API—末端系統(tǒng)”（第一代）或者“協(xié)議網(wǎng)關(guān)—固件接口—末端系統(tǒng)”（第二代）的架構(gòu)體系，這種架構(gòu)存在比較突出的弊端。

①每個(gè)末端產(chǎn)品都需要開發(fā)接口，無(wú)法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，固件版本繁多，接入難度大，周期長(zhǎng)，成本高。

②穩(wěn)定性差，受開發(fā)人員的個(gè)人能力影響大，尤其后期的維護(hù)和升級(jí)難度增大。

③無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)專業(yè)分工，需構(gòu)建開發(fā)集成生態(tài)鏈。一家公司無(wú)法高質(zhì)量完成從底層接入末端顯示的所有任務(wù)，導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)于封閉，無(wú)法滿足客戶需求，更無(wú)法高效打通與云計(jì)算、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)支付、大數(shù)據(jù)、3D顯示、云存儲(chǔ)、區(qū)塊鏈等新技術(shù)的應(yīng)用。

本文以施德朗公司的XEndue為例，介紹新一代物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系。體系采用“邊緣中控主機(jī)—可編程配置操作系統(tǒng)—末端系統(tǒng)”的架構(gòu)，由四個(gè)部分組成，分別是：Marswindow、IOT DMS、交付APP、邊緣中控主機(jī)。XEndue框架從根本上改變了控制設(shè)備和系統(tǒng)連接的傳統(tǒng)模式，讓設(shè)備和設(shè)備之間、平臺(tái)與平臺(tái)之間、平臺(tái)與設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了完美互聯(lián)。XEndue的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 XEndue的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

相較于傳統(tǒng)的BMS或IBMS模式，新一代物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)具備一些突出特點(diǎn)。

①開放的架構(gòu)提供了強(qiáng)有力的平臺(tái)接入能力。

②圖像化可編程平臺(tái)可適配幾乎所有的主流通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化操作完成簡(jiǎn)單快捷的接入效率，大幅降低系統(tǒng)集成的開發(fā)難度。

③采用類似訂閱的方式（MQTT協(xié)議）處理信息交互，大大提高數(shù)據(jù)的及時(shí)性和穩(wěn)定性。

④高效的交付能力。采用APP交付軟件測(cè)試點(diǎn)位，縮短交付時(shí)間，提高點(diǎn)位精準(zhǔn)度。

⑤迭代能力突出。

⑥改造升級(jí)效率高，兼容性強(qiáng)。

感知層的應(yīng)用系統(tǒng)（如監(jiān)控或者門禁系統(tǒng)）、硬件設(shè)備（如冷機(jī)群控/燈光照明/環(huán)控傳感器等）通過(guò)SDK或者邊緣控制主機(jī)接入邊緣層（XEndue框架），然后邊緣層和云服務(wù)通過(guò)MQTT協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，MQTT協(xié)議是IBM公司于1999年提出的，目前最新版本是3.1.1。一個(gè)基于客戶端—服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，MQTT協(xié)議具有輕量、簡(jiǎn)單、開發(fā)和易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)狀況不佳的環(huán)境，比如遍布城市角落的綜合管廊設(shè)備。在云端采用了騰訊云的微瓴Linkbase操作系統(tǒng)，在這個(gè)層面，可以充分利用騰訊的各類云端資源，從基礎(chǔ)服務(wù)（如權(quán)限管理/安全管理等）到物模型（如地圖定位）、數(shù)據(jù)分析（如視頻分析/活力預(yù)測(cè)），通過(guò)這些云資源可以開發(fā)出各類最終客戶應(yīng)用，如信息發(fā)布、3D顯示、大數(shù)據(jù)分析、辦公自動(dòng)化、微信小程序、在線支付等。

概括而言，新一代物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)采用“端—邊—管—云”的模式搭建整個(gè)系統(tǒng)和生態(tài)鏈。作為現(xiàn)場(chǎng)層采用邊緣計(jì)算方式，可以將許多需要現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和聯(lián)動(dòng)的功能進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算、判斷和操作，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)反饋的要求；在后端，通過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)MQTT協(xié)議完成信息的上傳下達(dá)，確?，F(xiàn)場(chǎng)和后端通信的無(wú)縫連接，最后利用云端強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、顯示功能，也包括在云端平臺(tái)快速實(shí)現(xiàn)支付、識(shí)別等復(fù)雜或第三方眾多應(yīng)用功能。這些都是傳統(tǒng)BMS模式無(wú)法實(shí)現(xiàn)或者實(shí)現(xiàn)能力受限的。

新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將邊緣計(jì)算系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)結(jié)合。邊緣計(jì)算是指在靠近物或者數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，具有一定的算力和存儲(chǔ)能力，采用集網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力于一體的開放平臺(tái)，就近提供靠端服務(wù)，可以讓物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)生更迅速的響應(yīng)，滿足諸多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景在實(shí)時(shí)反應(yīng)、應(yīng)用智能、安全隱私等方面的特性要求，可以說(shuō)是以往分布式處理的升級(jí)換代。云端平臺(tái)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)（有線或無(wú)線）訪問(wèn)邊緣網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)的各種數(shù)據(jù)，并對(duì)邊緣計(jì)算群進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)配，負(fù)責(zé)全網(wǎng)算力和數(shù)據(jù)的管控。目前的邊緣系統(tǒng)更注重多種協(xié)議的接入能力、統(tǒng)一的接入接口，以消除私有協(xié)議和數(shù)據(jù)模型的差異。

在應(yīng)用層面上，也要采用分層式架構(gòu)思想進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、分步建設(shè)。一般而言，整個(gè)智慧管廊平臺(tái)由4層架構(gòu)組成，即設(shè)備感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、監(jiān)控調(diào)度層、運(yùn)維管理層。智慧管廊分成兩大平臺(tái)：監(jiān)控報(bào)警平臺(tái)和運(yùn)維管理平臺(tái)。

1）監(jiān)控報(bào)警平臺(tái)

監(jiān)控報(bào)警管理平臺(tái)以管廊防火分區(qū)為單位進(jìn)行部署，包括環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（包括智能供配電子系統(tǒng)/設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)/環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)等）、通信系統(tǒng)（包括有線電話子系統(tǒng)/無(wú)線對(duì)講子系統(tǒng)等）、安全防范系統(tǒng)（包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)/入侵報(bào)警子系統(tǒng)/電子巡更子系統(tǒng)/出入控制子系統(tǒng)等）、可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)、預(yù)警控制系統(tǒng)（包括防火門控制子系統(tǒng)/火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警子系統(tǒng)/風(fēng)機(jī)控制子系統(tǒng)/水泵閥門控制子系統(tǒng)等）。

2）運(yùn)維管理平臺(tái)

運(yùn)維管理平臺(tái)應(yīng)設(shè)置如下基本功能模塊：管廊基本信息（包括管廊建設(shè)信息/管廊防火分區(qū)基本數(shù)據(jù)/管廊圖示數(shù)據(jù)等）、設(shè)備資產(chǎn)匯總和維護(hù)（包括設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)/維修流程及申請(qǐng)/定期巡檢/故障處理等）、管線日常維護(hù)（包括管線維護(hù)單位信息/定期巡檢計(jì)劃和報(bào)告/管線維護(hù)工作規(guī)范流程）、空間出租管理（包括管廊空間租用申請(qǐng)辦理/租賃空間費(fèi)用核算）。底層物理層的設(shè)備感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層完成信息的采集和傳輸功能，當(dāng)大量數(shù)據(jù)提交到云端時(shí)，我們可將其劃分為基礎(chǔ)服務(wù)層（也有的稱為中間件）和應(yīng)用層，基礎(chǔ)服務(wù)層包括數(shù)據(jù)解析服務(wù)、信息整合、信息目錄、信息交換、空間信息等基礎(chǔ)性應(yīng)用模組，然后在此基礎(chǔ)上構(gòu)建包括管廊管理、管廊附屬設(shè)施管理、綜合統(tǒng)計(jì)和顯示、大數(shù)據(jù)分析等系列綜合應(yīng)用服務(wù)。

值得一提的是，隨著新技術(shù)的推廣使用，越來(lái)越多的管廊信息化和智能化系統(tǒng)采用了BIM+GIS技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)就是在控制中心的綜合平臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)如下功能：GIS+BIM查詢（包括設(shè)備定位信息顯示/設(shè)備屬性查詢/模型鏈接等）、3D導(dǎo)覽（包括3D漫游/3D模型展示/AV互動(dòng)等）、空間管理、BIM數(shù)據(jù)庫(kù)、APP應(yīng)用（手機(jī)端的數(shù)據(jù)查詢/OA流程辦理/音視頻對(duì)講通信/人員定位/隱患排查等）。