基于无源光网络技术的地下综合管廊通信与控制系统设计

贾高飞，吴 楠

（中铁电气化（武汉）设计研究院有限公司，湖北 武汉 430074）

0 引 言

目前，城市地下综合管廊均设置有监控与报警系统，其子系统可分为通信系统、控制系统、统一管理平台3类，一般通过设置在控制中心的核心交换机、汇聚交换机与设置在综合管廊内的接入交换机组成通信千兆以太环网，通过设置于管廊内的安防和监控机柜实现对廊内安防与监控设备的接入[1]。典型环境与设备监控系统中，纳入监控系统的设备有风机、水泵、温湿度变送器、氧气浓度变送器、集水坑液位变送器、照明配电箱、动力配电箱（柜）、应急配电箱以及不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS），这些纳入监控范围的输出信号包括模拟量输入（Analog Input，AI）、数字量输入（Digital Input，DI）、数字量输出（Digital Output，DO）和总线信号，纳入安防系统的设备有视频监控、固定电话、无线通信、电子巡查、防入侵装置、电控井盖、沉降检测以及出入口控制，其设备的通信接口一般为以太网。

随着运营对于设备监控要求的提高，纳入监控与报警系统的业务越来越多，原有的监控千兆以太环网和安防千兆以太环网的接入业务通过调整通信协议整合，优化设备组网，可以降低布线和维护成本。

传统千兆交换机以太网所使用的局域网（Local Area Network，LAN）模式采用多级汇聚，层次复杂导致带宽利用率低，只能够提供 FE/GE 端口，在设计阶段对接入业务类型和端口规划要求较高，若遇到扩展用户，布线的成本较高。

因此，有必要对管廊内的监控与安防业务的通信、控制方案进行优化。

1 研究思路

1.1 接入业务接口优化

通过对典型的管廊监控与报警系统梳理，按照环境与设备监控、安全防范、通信以及统一管理平台，共分为20个子系统（平台），具体划分如下文所述。

环境与设备监控系统接入业务（9个）：氧气含量检测、温湿度检测、集水坑液位检测、通风系统、排水系统、供配电系统（风机、水泵动力配电，消防动力配电已纳入火灾报警监控系统）、照明系统、应急照明系统、沉降监测装置。

安全防范系统接入业务（6个）：视频监控系统、拾音及扬声器、防入侵装置、电控井盖、出入口控制、离线式电子巡查管理系统。

通信系统包括（4个）：固定通信系统（固定电话）、无线通信系统、工业以太网光传输网络、干线光缆。

统一管理信息平台（1个），对廊内环境与设备监控系统、安全防范系统、通信系统进行系统集成，具有数据通信、信息采集以及综合处理功能。

具体通信需求如表1所示。

表1 具体通信需求

通过在设计阶段优化设备接口选型，可以实现多种接入业务接口统一，尤其是采用总线RS485接口后，减少了线缆的布放，降低了投资造价和维护工作量。通过增加RS485接口的接入设备，减少了ACU监控机柜中区域控制器AI/DI/DO端口数量，利用RS485接口传输距离长的优势，可每两个防火分区设置1台ACU机柜，减少一半的ACU监控机柜。

1.2 监控与安防系统组网优化

传统设计中，监控与安防系统机柜采用并排或合规安装，各自设置有独立的千兆交换机以太环网，均接入同一核心交换机。因此，在接入业务接口优化基础上，可以合并其通信交换机环网。考虑到安防业务中设备布点较多，可在每个防火分区设置一套千兆交换机，以满足安防和监控业务通信需要。

2 通信网络比选

从既有现状看出，管廊通信主要有语音、数据业务两种主要形式，目前有以下3种解决方案。

2.1 基于千兆交换机以太环网的通信技术

传统设计规划中，在每个防火分区的设备间设置有安防和监控接入交换机各一套，分别管廊内解决安防与监控通信需求，通过至监控中心的主干光缆，分别接入安防和监控汇聚交换机，均接入同一核心交换机。

该方案结构简单，接口清晰，但未能彻底摆脱对铜缆限制，前期的设备和布线占据大量的人力物力，并且LAN接入前期的部署交换机要做到一次到位，若对用户数的预测存在误差，会造成端口长期闲置，也可能造成一些区域端口不足，扩容麻烦。

2.2 基于多业务接入平台的综合接入技术

在监控中心设置综合监控远端设备，利用主干光缆实现局端远端设备连接，可以提供包括E1、POTS、FE、RS485在内的多种业务接口。

该方案虽然可以同时实现数据、语音的同时接入，但其星型组网的要求造成其保护能力差，过多依赖光纤资源。

2.3 基于PON的管廊通信与控制技术

采用无源光网络（Passive Optical Network，PON）技术的通信方案，在管廊监控中心设置光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）设备，代替原交换机组网中的汇聚层交换机，在管廊防火分区各设备间设置光网络终端（Optical Network Unit，ONU）设备，OLT设备与ONU之间可采用环形结构、总线形结构或星型结构，提供 E1、POTS、FE、FXO、FXS 、RS485等接口。

该技术是点到多点的接入技术，结合不同分光比的分光器后，可实现灵活组网，支持树形、 星形、链型等形式组网，OLT布置在机房端，一套 OLT 可覆盖广阔的区域，中间的无源设备成本低廉，可以一次部署到位，ONU可以随着业务的发展而扩展，并且ONU在OLT上注册是自动完成的，因此当某区域需要增加ONU时直接加入网络即可[2]。PON产品完全继承了以太网技术的优点，ONU提供的以太网接口可直接为用户提供10 Mb/s或100 Mb/s的终端接入速率，站传输速率可达1.25 Gb/s，可以保障最远20 km的传输距离，完全克服了以太网及xDSL技术在距离和带宽上的局限性，使宽带接入方案的覆盖范围更为宽广[3]。

由此可见，采用PON的管廊通信与控制技术，相对千兆交换机以太环网和多业务接入平台（Multi-Service Access Platform，MSAP）综合业务接入技术具有技术先进、组网灵活、保护能力强、线路资源占用少、投资低等特点。

3 管廊通信与控制系统方案研究

3.1 通信组网方案

相比传统以太网千兆交换机组网，图1列举了4种PON替换方案，有树型拓扑、环型拓扑、总线型拓扑、树型干冗余拓扑[4]。

图1 PON 拓扑

管廊内接入的业务点多、分布广、呈链型分布，采用环形组网能够最少的敷设光缆，并满足安全性的要求，因此采用环形组网最为可靠。

如图2所示，采用环形组网的综合管廊PON通信方案，PON OLT原址替代汇聚交换机，廊内各接入工业交换机改为ONU，通过可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）实现对廊内环境及设备的监控与报警，即原ACU设备（交换机+PLC）升级为PON ACU（ONU+PLC），相较于传统以太网交换机组网，OLT 布置在机房端，PON组网接入数量成本降低明显，管廊项目中约6 km后PON优势明显。

图2 综合管廊无源光网络（PON）通信方案

3.2 控制系统优化方案

以某市综合管廊为例，7.5 km管廊共设置44个防火分区，有吊装口22个，排风井22个，人员出入口6个，支线交叉井3座，墙部井1座，倒虹段1处，吊装口和排风井处均设置有设备间。

3.2.1 总体建设方案

ACU监控机柜设置于排风口设备间，ONU设备柜设置于排风口、吊装口设备间，现场的安防业务接至ONU机柜，现场的监控业务接至ACU监控机柜，ACU机柜通过TCP/IP接口，接入就近ONU机柜内的PON设备。

该段管廊共分为44个监控与报警控制区段（防火分区B01～B44），起点位于K0+000，终点位于K7+524，每两个防火分区中间点设置有1个设备间，设备间均位于排风口、吊装口。图3为该段管廊通信与控制设备布置方案，左侧为道路及控制中心区位图，右侧ONU设备柜（PON设备）安装于B01～B44防火区段所有的设备间（包括排风口和吊装口），ACU设备柜安装于所有排风口设备间。

图3 综合管廊通信与控制设备布置方案

3.2.2 子系统接口优化

将红外探测、电控井盖、沉降监测、出入口控制纳入监控系统管理，采用RS485接口的氧气测量仪、温湿度测量仪、液位、供配电系统、照明、应急照明、红外探测器、电控井盖、沉降监测、出入口控制设备，各防火墙内RS485接口设备通过电缆串联，就近接入ACU控制机柜。

接口优化后的监控与安防设备，利用PON技术接入监控中心统一监控平台，实现监控系统与风机、防火阀、水泵及其他报警的联动，入侵报警系统与视频监控系统之间的联动，出入口控制系统与视频监控系统之间的联动，入侵报警系统与出入口控制系统之间的联动，入侵报警系统与智能照明控制之间的联动，出入口控制系统与智能照明控制之间的联动，视频监控与火灾自动报警系统的联动[5]。

3.2.3 成本分析

本项目中，优化后的核心交换机数量由两台降为1台，汇聚交换机改为OLT，44套ACU控制柜优化为22套，并根据监控需要，减少了AI/DI/DO/总线/FE的模块数量，单个ACU控制柜成本降低，原监控、安防的接入交换机改为PON设备实现，增加了PON设备POE供电功能，简化网络方案的同时，降低了组网成本和布线成本，实际工程应用中，通过工程量清单计价和指标价分析，基于PON技术的综合管廊通信与控制系统节省投资达28%以上。

4 结 论

基于PON技术的综合管廊通信与控制系统，是一套统一的管廊综合管理信息系统，即地理上分散的SCADA系统，通过监控系统骨干网把管廊与控制中心的各级监控系统连接到一起，从而形成一个有机的整体。基于PON光网络技术的地下综合管廊通信与控制系统，从带宽、网管、资源、扩容、可靠性、成本等方面可知，其技术和成本优势相比传统以太网交换机组网具有较大的优势，是精简网络、提高设备集成度、减少维护工作量、提高通信网络可靠性、降低造价的有效方案，同时在实施项目的过程中保证状态安全和快速进行，也是加快地下综合管廊开展5G、智慧城市、物联网等新技术推广应用的有效途径。