基于边缘计算技术的综合管廊智能化电气设计与应用研究

摘要：文章采用物联网技术云、边、端全方面的应用，开发物联网边缘计算控制器和物联网平台，提高管廊感知能力，降低集成难度，从而间接提高了综合管廊的智能化管控水平与运行效率，降低了运维管理成本，保障了综合管廊、市政管线和人员的安全。

关键词：综合管廊 ；智慧管廊 ；物联网 ；边缘计算

 

       综合管廊负责容纳多种城市综合管线，一旦失控将对城市生产、生活造重大经济损失，严重影响城市运营。所以应在综合管廊内设置管廊智慧化系统，为管廊以及廊内管线与人员提供基本的安全保护。当前这些系统依旧采用独立的系统进行集成，而海量的多种类设备所产生的庞大信息数据，结合 对外通讯的复杂性、信息数据接入方式传统等因素，为数据的采集、处理和信息的集成带来困难。同时，设备缺乏自处理能力，其功能的实现对通讯依赖度高；各子系统自成一体，大量的自用缆线占据综合管廊有限空间；信息孤岛现象明显，系统间不能实现跨系统设备联动，系统反应迟缓，应急措施受限。

 

       从2018年开始，高校、科研院所、市政设计院陆续加大了物联网技术在管廊智慧化中的应用研究。例如上海市政院发表论文《基于物联网和BIM 的管道渗漏预警系统、方法和应用》；山西省信息产业技术研究院有限公司发表论文《物联网架构的管廊综合监控管理平台》；重庆市勘测院发表论文《物联网和BIM技术在地下综合管廊建设运维中的应用研究》；京投公司开展基于物联网技术的融合通讯设备研究，北京建工开发边缘计算管廊区域控制单元；苏交科开发BIM+物联网结合建立基于云的城市管网智慧监控平台。这些公司通过探索和研究，尝试找到物联网技术，解决管廊智慧化的建设的某些问题。

       物联网技术在设备连接、大数据量承载方面的优势。通过对物联网技术进行创新应用，优化管廊管控系统网络架构，解决管廊设备数据量 大、通讯协议多样、集成难度大、跨系统联动响应迟 缓等问题，保障海量设备并发接入，提高数据安全性和响应速度，实现数据互联互通，降低统一管理平台信息集成难度，提高设备自处理能力，确保智慧管控系统安全高可用，并降低事故风险，同时减少建设中电缆、光缆的使用，预留出更多宝贵的廊内空间。

 

       本文中的综合管廊智慧化系统将从云、边、端对物联网技术进行研究和应用。

2.1物联网云平台的研究与开发

2.1.1物联网云平台功能设计

       物联网软件平台主要功能包括设备物联、资产管理和应用使能。设备物联实现平台和设备的泛在连接、数据采集和设备控制等，资产管理实现设备资产采购、安装、维护和报废的全生命周期管理，应用使能实现对业务系统的应用支撑。

2.1.2物联网云平台架构设计

       物联网软件平台的开发采用微服务架构，微服务核心组件通过调用HTTP、MQTT、CoAP 三种通讯微服务实现和设备、网关的设备连接、遥感数据采集、控制指令发送等。引入规则链进行业务逻辑编制，数据通讯采用消息队列。物联网软件平台作为业务系统（综合管廊智慧管控平台）的数据和应用支撑。引入Zookeeper 架构，实现平台的集群部署和高可用（见图1）。

图1 智慧管廊物联网平台架构示意

 

2.1.3物联网云平台开发

参考国内外物联网平台的功能实现，采用java语言开发适合智慧管廊应用场景的物联网平台（见图2）

图2 智慧管廊物联网平台界面

2.2物联网边缘计算的研究和应用

       通过在管廊现场（防火分区设备间）设置管廊边计算控制器，实现就地化数据采集、设备联动、数据上传，可以大大提高数据效率，并节省电缆。

       管廊边缘计算控制器主要汇总环境和设备监控、安防、通讯、结构监测等系统的数据，常用协议为MQTT、OPC UA、Modbus、ODBC、视频（码流）等，实现不同系统之间的设备联动。数据上传江采集的数据上传给物联网平台（见图3）

图3 综合管廊边缘计算网关

 

2.3物联网终端的应用

       采用物联网技术，对综合管廊进行监控和数据采集。针对环境与设备监控、安全防范、通信、火灾自动报警、可燃气体报警、电子标签、巡检机器人、结构检测、管线监测、其他智能终端都采用物联网终端设备进行采集。配置原则如表1 所示。

表1 物联网终端配置

 

3.1平台概述

       AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台集电力监控、能源管理、电气安全、照明控制、环境监测于一体，为建立可靠、安全、高效的综合管廊管理体系提供数据支持，从数据采集、通信网络、系统架构、联动控制和综合数据服务等方面的设计，解决了综合管廊在管理过程中存在内部干扰性强、使用单位多及协调复杂的根本问题，大大提高了系统运行的可靠性和可管理性，提升了管廊基础设施、环境和设备的使用和恢复效率。

3.2平台组成

       安科瑞城市地下综合管廊能效管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所环境监控系统、智能马达监控系统、电气火灾监控系统、消防设备电源系统、防火门监控系统、智能照明系统、消防应急照明和疏散指示系统。用户可通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对管廊用电和用电安全进行进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足管廊用电可靠、安全、稳定、高效、有序的要求。

3.3平台拓扑

 

3.4平台子系统

3.4.1电力监控

       电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。

3.4.2环境监测

       环境监测包括温湿度、烟感温感、积水浸水、可燃气体浓度、门禁、视频、空调、消防数据的采集、展示和预警，同时也可接入管廊舱室内的水泵和通风排烟风机等设备集成的第三方系统完成管廊环境综合监控。

 

3.4.3电气安全

       AcrelEMS-UT能效管理系统针对配电系统的电气安全隐患配置相应的电气火灾传感器、温度传感器，消防设备电源传感器、防火门状态传感器，接入消防疏散照明以及指示灯具的状态实时显示，并且对UPS的蓄电池温度、内阻进行实时监视，发生异常时通过声光、短信、APP及时预警。

 

3.5.1电力监控及配电室环境监控系统

 

3.6.1 Anet-**/4G系列导轨式智能网关

       ANet-**/4G是安科瑞电气股份有限公司自主研发的一款带全网通无线联网功能的通用型智能 通信管理机，适用于公务、企事业单位、公共机构、住宅商业楼宇、酒店餐饮商场等领域， 可满足水、电、气、油、冷量、热量等各种形式的用量及能源能耗分项计量数据采集的需求。 

该设备可用于以下应用场景： 

☀电力监控系统 ☀电能质量系统 ☀物联网系统 ☀电力需求侧系统 

☀建筑能耗系统 ☀远程预付费系统 ☀消防防护系统 ☀智能建筑系统

技术特点

 

3.6.2  Anet-2E4SM/4G模块化智能网关

        ANet-2E4SM模块化通信管理机是安科瑞电气股份有限公司自主研发的一款通用型智能通信管理机，将传统管理机的接口拆分成可拼装搭配的模块，其中主模块可作为标准智能通信管理机独立工作， 整个设备可通过串口、以太网、Lora无线、wifi无线等链路采集水表、气表、电表、微机保护等设备 终端的数据，标配的8路无源干接点可实时采集门禁、水浸、烟感等开关量信息，可通过有线网络、 WiFi网络、4G网络等链路上传告警、实时数据等信息。主模块搭配从模块可灵活扩展，增加更丰富的 应用场景，同时还可提供边缘计算等需求。 

该设备可用于以下应用场景： 

☀电力监控系统 ☀电能质量系统 ☀物联网系统 ☀电力需求侧系统 

☀建筑能耗系统 ☀远程预付费系统 ☀第三方云平台 ☀泛在电力物联网 

☀运维系统平台 ☀能源综合管理平台 

技术特点

 

       通过物联网技术在综合管廊智慧化中云、边、端的应用，大大提高了综合管廊的信息感知能

力，降低了综合管廊数据采集的难度，避免了数据孤岛，提高了系统平台数据的承载能力，从而间接提高

了综合管廊的智能化管控水平与运行效率，降低了运维管理成本，保障了综合管廊、市政管线和人员的安全。

 

【1】梁仕贤，羊保品.物联网技术在综合管廊智慧化中的应用研究

【2】凌琪. 滇中新区智慧管廊环境和设备监控系统设计[J]. 智能建筑与智慧城市，2019

【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05