浅析远程终端单元在城市管廊的应用设计

梁伯钊

前言

城市地下综合管廊（以下简称管廊）是将电力、通信、燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，统一在城市地下建立一个隧道空间管理，是保障城市运行的重要基础设施。管廊以环网的形式存在于城市地下，总长度可达上百公里，面对如此庞大的管廊网络，采用先进的信息化技术对管廊进行检测和监控是十分有必要的。地下综合管廊的监控包括对运行中的管线安全状况的监测，以及对地下综合管廊内部环境的检测，避免内部环境因素对设备管线的影响及对工作人员的伤害，从已建的地下综合管廊运营状况来看，国内在研究信息化监控方面与国际水平较接近，但也有差距。如何提升工作效率、提高管理安全、提前预警、降低运维管理成本，走出一条可持续发展的道路，是摆在综合管廊建设运营各级部门面前的重要课题。

目前各地在管廊建设过程中，已经显现出诸多问题。首先，传统的运维管理方式导致管理水平落后，即运营成本投入高、管廊安全保障差、应急响应速度慢，致使事故发生概率增加，责任不清以及事后扯皮等现象频频发生。其次，数据不统一，形成信息孤岛，即参与单位多，数据种类多，众多子系统形成数据分割，数据无法整合利用；最后，运维管理智能化水平低下，巡检手段落后，工作效率低下，应急处置能力薄弱，监控维护漏洞百出。

需求分析

1.安全性需求

（1）管廊环境安全

需要对管廊内部环境进行检测，包括氧气、甲烷等气体浓度是否正常，廊体内部是否有积水，水位是否在安全线上；是否有出现火情等异常情况[1]。

（2）管廊设备安全

对内部安装的设备（包括传感器、监控摄像机等数据感知设备）是否正常运行，还有线路管道是否正常，有没有出现破损泄露等损坏情况，设备有没有被人为破坏的情况所进行的一系列安全监控。

（3）管廊人员安全

由于廊体的通信信号较差，通信延时率较高，部分地段甚至无信号，所以通过廊体内部的监控摄像机对进入管廊内部进行日常维护和检修、巡逻的人员实时监控，确认人员是否安全[2]。

2.融合性需求

由于系统体系不一，系统线缆众多，拓扑复杂，需要一个汇聚系统，对廊体内部进行数据和设备进行统一汇聚管理。

3.便利性需求

（1）监测控制便利性

可通过综合管廊区域控制单元（以下简称ACU柜），实现本地和远程自动切换监测廊体。

（2）巡查维护便利性

ACU柜自带屏幕，方便运维巡查人员直接查看廊体内部各个前端感知设备的运行状态以及采集的数据。

（3）管线入廊便利性

为了后续管线方便快捷接入以及有效监管，需要对已安装的管线进行规范统一管理，并预留相应的接口空间。

4.智能化需求

（1）体现技术先进性

采用工业级ARM平台架构进行设计。

（2）体现决策科学性

预先设置的逻辑控制功能和处理流程以及对前端设备采集到数据进行汇聚处理，为管理人员决策提供可靠性的信息依据。

（3）体现管廊规范性

根据国家制定各种管廊技术标准和行业相关标准来设计ACU柜以及定义对外接口。

现有技术路线分析

目前市场上的ACU柜主要采用PLC，少部分采用分布式无线RTU，本项目创新性提出采用集中式有线RTU的技术路线，针对管廊应用场景的具体需求，继承优点，改善缺点。以下针对现有廊体采用的不同技术路线进行分析。

1.PLC技术路线

采用传统的可编程控制器作为枢纽，通过带光模块的网络交换机与控制中心连接，如图1所示。

图1 PLC基本架构

（1）优点

①可现场编程设计，适用于工业控制场景；

②在管廊场景应用多年，稳定性和可靠性已经过检验。

（2）缺点

①不支持音视频应用，可视化设计环境差，且二次开发难度大，不符合未来智能化技术发展方向，主要市场被国外品牌占据；

②培训和部署周期长。需要电气化或自动化专业人员培训30天左右才能掌握，现场编程部署调试至少2个月或以上，运维效率不高；

③设备形态美观度不够，内部走线杂乱。

2.分布式无线RTU

根据前端设备的类别，在前端部署单元控制箱（整合数据采集、本地手动控制及无线AP传输功能），经组网后通过带光模块的网络交换机与控制中心连接，基本架构图如图2所示。

图2 分布式无线RTU基本架构

（1）优点

①可支持包括音频视应用在内的可视化人机交互设计，使用简单易学，画面美观，交互体验佳；

②设备形态小型化、美观，方便前端部署，整合了原手动控制箱。

（2）缺点

①目前可维护、可配置性设计无法满足要求，后期维护信赖原厂，给运维单位造成负担，可能增加运维成本；

②扩展性不佳；

③无线AP受廊内环境影响大，工程阶段部署调试时间长,若廊内后续有工程变更，可能对无线AP的信号稳定性造成不可预期的影响；

④硬件成本较高；

3.集中式有线RTU

这是本论文采用的技术方式。前端设备统一接入到枢纽设备，完成数据采集、处理与传输，可拓展边缘计算单元、显示终端（从设备间引出部署廊体两侧）和无线通信模块（AP/4G）等，如图3所示。

图3 集中式有线RTU基本架构图

（1）优点

①最经济的硬件配置，模块化设计，可维修性好；经测试验证后，可以保证稳定性和可靠性；

②支持包括音视频应用在内的可视化人机交互设计，使用简单易学，画面美观，交互体验佳[3]；

③后台软件配套开发傻瓜式的调试配置功能界面，可远程在线升级；

④培训和运维成本低。普遍运维人员可快速学习掌握（1～2天）；

⑤可扩展性强。可根据需要扩展可跑AI智能算法的边缘计算单元、支持廊内通信的无线通信模块和提升廊内可视化环境的显示终端等。

（2）缺点

管廊的应用场景对设备的稳定性和可靠性要求比较高，集中式有线RTU产品为新研发的产品，需要经过严格的稳定性和可靠性试验。

总体设计

1.设计目标

根据管廊日常管理运维需求，设计一款廊内核心枢纽设备ACU柜，融合嵌入式主控、数据采集、网络交换、电源管理和显示等模块，结合定制软件，实现廊内环境检测、液位监测、入侵监测、异常告警、数据汇聚与传输功能，有效满足管廊安全管理和智能运维需求[4]。

2.设备原理框图

ACU柜主控制板基于ARM9系列的NUC972芯片，进行硬件设计开发和嵌入式软件开发。新唐NUC972是一款主频300MHz的可运行linux操作系统的工业级芯片，具有较好的稳定性和功能拓展性，非常适用于类似管廊的工业应用场景。

根据廊体内安装的不同检测和管理设备，在ACU柜内部设计不同的功能模块和接口，负责对廊内包括气体、温湿度、液位开关、红外防入侵等传感器[3]以及监控摄像机的信息采集和检测；在ACU柜上还设计有触摸显示屏，可以显示ACU柜采集到的区域的各项检测数据；ACU柜内置数据传输设备，统一将采集到的信息回传后端软件平台处理，同时，后端平台可通过ACU柜，来对廊体内部的工业设备进行远程控制[5]。

ACU柜的原理框图如图4所示。

图4 原理框图

3.ACU柜工作原理

在主板上预留多个不同定义的接口，便于根据实际项目和应用场景的使用需求，外接不同的功能模块，比如客户原先使用的传感器是采用RS-485的接口，那么就可以直接与主板上的485接口进行连接，进行数据回传。同时具备设备供电电源电压转换功能，接入市电AC220V，转换成DC24V给到传感器供电。具体接口和定义如图5所示。

图5 ACU柜接口定义图

4.设备场景组网图

在管廊每间隔200m左右（可以根据实际使用需求，缩小部署距离）部署一个ACU柜，将该距离范围的包括传感器等所有工业设备，接入到该ACU设备上，统一监管和数据回传后端管理中心，如图6所示。

图6 场景组网图

RTU在管廊具体应用设计

1.接口设计

（1）RS-485与AI

由于我国国土面积较大，每个地方的实情不同，根据实际使用需求，管廊内部配备的传感器也会存在一定差异，接下来本文就以福建沿海地区某城市试点管廊为例，列举已经投入使用的传感器类型进行说明，具体如图7所示[6]。

图7 外接传感器类型图

设备内置模拟量（AI）输入接口和RS-485接口，可以满足市面上大部分厂家的传感器接入。传感器通过连接线接入到ACU柜的这两个接口上，将当前传感器采集到的数据，比如压力P、温度T、液位L等通过RTU设备编码以及转换回传后端管理平台上展示。

（2）DI/DO

设备内置DI（数字量输入）和DO（数字量输出）口，通过DI口获取当前设备的通断状态，通过DO口，远程控制工业设备开启和关闭工作。廊体内有外接风机和水泵等设备，由于廊体位于地下，当降雨量较大时，廊体内部会有积水，当积水超过一定程度的时候，会影响廊体设备运行，所以，当廊体内部的水位传感器采集到的水位信息超限时，会产生报警信号传到后端管理中心，管理中心通过ACU柜的DO接口，远程控制水泵通电进行排水工作[7]。

（3）RJ-45接口

除了环境状态信息的实时感知，也需要采用监控摄像机对廊体内部进行实时画面监控，查看是否有人非法闯入，监测巡逻人员的轨迹，并与传感器数据结合，形成多维度数据研判，确认廊体内部是否有异常情况，包括水位是否正常，是否有火情等等[8]。目前，市面上摄像机与管理中心的通讯方式，基本都是通过网络信号传输，基于这种情况，ACU柜内置工业级交换机，带有8个支持1000M的WAN口（支持poe供电），可供多路监控摄像机接入，用于传输视频图像信息到后端管理中心。

（4）电源接口

ACU柜电源管理模块采用的是AC220V输入[9]，输出的电压有3种规格，分别是DC48V、DC24V以及DC12V。交换机采用DC48V供电;ACU柜中的DI和DO模块的供电方式是采用DC24V，部分高清球型摄像机也可以使用该规格的电压进行供电；DC12V则主要是给监控摄像机供电运行的[10]。

（5）其他接口

考虑到部分管廊与管理中心距离较远，普通的有线网络无法满足传输需求，所以在ACU柜中预留光纤通道（单模双纤/单模单纤可选），可以实现光纤传输的功能。

为了实现可拓展性，每种接口类型都会预留接口数量，方便后续其他新的设备接入。

2.功能设计

（1）数据显示功能

ACU柜设计带有10英寸以上的显示屏，运维人员和维修人员可以直接在显示屏上查看传感器采集到的环境信息，辅助管理人员对廊体的监管。

（2）廊内信息感知汇聚

实现对廊内气体、温湿度、液位开关、红外防入侵等传感器的信息采集；规范化、统一化、标准化前端感知层设备接口，实现感知层设备的快速部署。

（3）廊内设备智能控制

实现对廊内风机、照明、水泵、配电等设备运行状态、故障信息采集，以及本地或远程控制设备的启动和关停。

3.非功能设计

（1）工作温度

针对管廊位于地下，环境相对密闭，通风条件比较差等情况，RTU设备内部采用的模块都能在环境温度-20°C～70°C,湿度0～90%(无凝结)下正常工作，与常用的可编程控制器PLC相比，更适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。

（2）防护等级设计

箱体的防护按照IP65等级进行设计，满足廊体内部的防水防尘使用要求，壳体喷涂防护漆在美化外观的同时具备一定防腐蚀性能[11]。

（3）调试与配置设计

通过在设备嵌入式软件中预留相关配置调试接口，在后台软件中对应开发相关配置界面，运维人员在简单培训后即可实现自定义配置和远程升级，无论是增减前端设备数量，或者变更前端设备型号，都可以自主灵活操作完成，无须依赖原厂技术人员。

4.安装设计

设备采用壁挂式安装，最大限度减少安装占用面积。由于廊体处于地下，环境比较复杂，无线信号易受到干扰，所以前端设备采用有线连接，通过在廊体内部每隔200m左右范围部署一台ACU柜，将百米范围内的数据采集设备通过有线方式统一汇总接入到ACU柜中，后期可以以ACU柜为节点，当出现问题时，运维人员可以快速定位故障地点，提高维修效率。

结语

本文针对城市地下管廊应用场景，基于集中式有线RTU设计的ACU柜，将廊体数据采集设备统一通过有线接入，实现对廊体的线路规范化管理。通过ACU柜将数据汇总上传后端进行管理，提升廊体智能化管理水平，方便对管廊进行实时全天候监管，方便运维人员对廊体的维护以及快速定位故障区域和问题，提高运维效率。ACU柜只是当今社会智能化应用的一个细小场景，随着5G时代的来临，大数据、物联网的发展也逐步加快，这些技术推动国家信息化、智能化建设速度，人工智能终将到来。