物联网技术在综合管廊中的应用

刘 新 秀

[上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200125]

0 引 言

综合管廊工程是城市赖以生存和发展的基础设施,担负着城市信息传递、能源输送、排涝减灾、废物排弃等重要功能。作为“十三五”国家战略百大工程以及“十四五”韧性城市建设发展的前沿阵地,综合管廊建设在我国已进入规模化发展和创新阶段,这条“城市生命线”安全、稳定运行,是未来城市建设发展需要着重关注的问题。

全国25个综合管廊试点城市已经建设了6 000余公里,在运营过程中发现由于管廊凝露严重等原因,导致综合管廊现场传感器失效,触发风机频繁起停,有毒有害气体浓度监测不准确,环境与设备监控系统可靠性变差等问题。在火灾自动报警系统中出现火灾误报、漏报、错报等情况。现有的环境与设备监控系统无法可靠地反映现场真实情况。

国家“十四五”规划纲要中提出:围绕强化数字转型、智能升级、融合创新支撑,布局建设信息基础设施、融合基础设施、创新基础设施等新型基础设施。建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施,增强数据感知、传输、存储和运算能力。加快交通、能源、市政等传统基础设施数字化改造,加强泛在感知、终端联网、智能调度体系建设,并将云计算、大数据、物联网、工业互联网、区块链、人工智能、虚拟现实和增强现实划定为7大数字经济的重点产业[1]。

物联网(IoT)是指通过信息传感设备、射频识别技术、红外感应等各种装置与技术,采集需要监控、连接和互动的信息,通过约定的协议实现物与物、物与人的泛在连接,以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能[2]。

一方面,环境与设备监控系统控制的对象主要是风机、水泵等,以阈值控制为主,控制逻辑简单,用物联网方案只要做个配置即可,不需要编程就能满足控制要求,大大降低了对运维人员的要求;另一方面,由于地下空间的工况环境不好,而综合管廊作为地下空间的“生命线”出现误报、错报的现象很高,物联网具有的边缘计算功能很好地解决了这一问题,减轻了统一管理平台的压力。即使统一管理平台宕机、通讯网络瘫痪的情况下,依靠现场的物联网边缘计算系统也能正常运行;地下空间的安全隐患是不确定的,若需要增加监测点,只需配个边缘接入设备就能接入系统,非常灵活。因此将具有窄带、低延时及低功耗等特征的物联网技术在综合管廊中应用,可以有效地提高综合管廊的智慧化功能,并降低建设和运维成本。

1 项目背景

九星综合管廊位于上海市闵行区七宝九星地区,包括星北路综合管廊、智联路综合管廊及监控中心,全长约2 465 m,布局为“厂”字形,其中:星北路综合管廊位于星北路南侧人行道及绿化带下,西起智联路、东至虹莘路,为综合舱和电力舱双舱,长约715 m;智联路综合管廊位于智联路西侧人行道下,南起平延路,北至星北路,为综合舱单舱,长约1 730 m;监控中心位于东兰路、智联路路口北侧地块地下一层空间,通过联络通道与综合管廊进行衔接,九星综合管廊布局图如图1所示。

图1 九星综合管廊布局图

2 设计方案

2.1 传统方案

传统的环境与设备监控系统主要由工业以太网交换机、可编程控制器、远程I/O模块及环境监测相关检测仪表等组成。传统环境与设备监控系统构架如图2所示;传统环境与设备监控系统布置图如图3所示。

图2 传统环境与设备监控系统构架

传统的环境与设备监控系统从上至下可分为后台管理层、中间传输层及前端感知层。

后台管理层位于综合管廊控制中心,主要由汇聚交换机、工作站、服务器等组成。后台管理层通过中间传输层将前端感知层采集的信息进行集中存储、处理及展示,并且实现对管廊的远程监控管理。

图3 传统环境与设备监控系统布置图

中间传输层主要由可编程控制器、远程I/O、接入交换机及线缆等组成。管廊内在每个分变电所设置可编程控制器,负责区域监控区间联动控制及监控信息上传。在每个进/排风井设置一套远程I/O模块,负责基本监控区间内所有防火分区内的监控数据采集、上传及联动控制信号的发出。可编程控制器通过远程I/O模块反馈的管廊内环境监测信息、设备监控信息及电力监控信息,完成设备的控制(联动),并通过信息传输网络实现与监控中心后台管理系统的信息交互前端感知层位于综合管廊内,主要由温湿度检测仪、含氧量检测仪、风机控制箱及水泵控制箱等现场设备和现场设备控制箱组成。通过现场设备对综合管廊内的温湿度、氧含量等环境参数进行检测和采集,从现场设备控制箱内获得风机、水泵等设备的状态信息。

控制方式分为中央级、就地级和现场级,可实现监控中心中央级远程控制、可编程站就地自动/手动控制和现场控制箱自动/手动控制。

2.2 物联网方案

物联网环境与设备监控系统从上至下可分为中心层、传输层和接入层。物联网环境与设备监控系统架构图如图4所示;物联网环境与设备监控系统布置图如图5所示。

图4 物联网环境与设备监控系统架构图

中心层主要包括物联网管理平台及其硬件支撑设备,部署在监控中心,实现应用业务统一部署与定期更新、环境与设备监控系统信息存储与可视化展示等功能,并与综合管廊统一管理平台进行信息共享。

图5 物联网环境与设备监控系统布置图

传输层主要包括由主干光纤、交换机及物联网网关等,通过构建自愈型光纤干线环网实现中心层与接入层的信息上传下达。

接入层主要包括物联网无线网络设备、物联网边缘接入设备、现场机电设备及环境监测仪表等,物联网无线网络设备用于构建现场网格网络(Mesh),物联网边缘接入设备用于现场机电设备及环境监测仪表无线联网、边缘计算与机器通信(M2M)等。

2.3 方案比选

综合管廊一般呈“群状”分布,由同一规划片区内的若干个综合管廊组成[3],具有狭长、舱室多、入廊管线种类复杂等特点,为了保障良好的运行环境,需要配置通风、排水、照明等机电设备,并设置环境与设备监控系统实现环境监测与机电设备监控等功能。

传统方案中,环境与设备监控系统主要采用可编程逻辑控制器,一般以通风区间为基本监控单元,每个基本监控单元设置一套可编程逻辑控制器,可编程逻辑控制器通过有线方式与基本监控单元内各现场机电设备及传感仪表相连,实现对机电设备及传感仪表的集中控制与统一管理。

物联网作为一种新型技术,主要采用边缘计算、终端无线联网、机器通信(M2M)等,物联网方案与传统方案的比较如下表1所示。

表1 物联网方案与传统方案的比较

综合管廊机电设备众多,环境比较潮湿,传统方案容易出现接触不良等线路故障,导致系统失效,并且检修费时费力。物联网提供的终端无线联网可以使综合布线大大减少,不仅降低管线管材及安装调试成本,也降低因为线缆众多造成的故障,提高系统稳定性。

综合管廊入廊管线种类复杂,入廊时间不一,不同管线对管线监测内容有不同的要求,而管线入廊往往滞后综合管廊建设,传统方案在综合管廊建设之初一般会为管线监控接入预留接口[4],但实际往往难以准确预留。预留的接口也对管线监控的内容和监测点设置等有一定的限制。物联网的终端无线联网相比传统方案可以很好的兼容未来入廊管线监控的接入和并网,节约后期管线入廊建设投资。

综合管廊在建设之初会部署一定的监控点位,但随着管线的逐步入廊和运维时间的增加,会产生新的动态监测需求,可能需要动态增加新的监控点位或对原监控点进行位置调整等,物联网的终端无线联网相比传统方案可以很好的满足监控动态调整需求。

此外,物联网采用边缘计算及机器通信(M2M)等技术,在边缘端部署相关算法可以提高系统智慧化程度。

综上,物联网具有终端无线联网、应用业务部署灵活、终端联网扩展容易、建设及维护成本低、智慧化程度高等优势,相比传统方案更适合具有环境差、广连接、入廊管线种类复杂及建设时序不一等特征的综合管廊。

2.4 网格网络(Mesh)

网格网络(Mesh)即无线网格网络,是一种多跳网络,是一个动态的可以不断扩展的网络架构。无线Mesh网络是去中心化的,当有中间节点设备离线时,可以重新计算新路由,满足业务交互,可以大大降低整体故障率。任意的两个设备均可以保持无线互联,相比单跳网络具有网络更强壮、网络扩展更灵活及网络架构动态调整等优点。

网格网络如图6所示,以防火分隔为基本通信单元,每个基本通信单元包含电力舱防火分区和综合舱防火分区。在每个基本通信单元设置1套物联网网关,在每个基本通信单元的每个防火分区设置4套物联网无线网络设备实现支持多种物联网协议的网格网络组网。

物联网网关主要用于网格网络管理,包括网络节点管理、网络拓扑管理、协议转换、分组交换、路由选择、差错校验、流量控制、拥塞控制等功能,并采用软件定义网络(SDN)架构,将网络控制平面和数据平面分离、解耦[5]。

图6 网格网络示意图

3.5 功能实现

环境与设备监控系统主要功能包括环境监测、设备监控及电力监控等,为综合管廊稳定运行提供保障。环境监测内容主要包括综合管廊内的温湿度、氧含量及液位等;设备监控内容主要包括综合管廊内排水设备、通风设备及照明设备的联动控制及运行状态等;电力监控内容主要包括综合管廊内高低压配电柜、EPS装置及UPS装置的供电状态等。

物联网边缘接入设备就近部署在现场机电设备控制箱或环境监测仪旁边,通过I/O或通信口与机电设备控制箱或环境监测仪相连,并通过网格网络实现机电设备或环境监测仪无线联网,同时实现如下功能:

(1) 接收物联网管理平台下发的应用业务并进行边缘侧部署;

(2) 实现数据发布/订阅、机器通信(M2M)与边缘计算等;

(3) 向物联网管理平台反馈环境监测数据及机电设备运行状态信息。

4 结 语

物联网作为十四五规划倡导的新型技术,是数字化转型的重要基础。物联网在综合管廊中应用具有显著优势,可以很好满足管线逐步入廊而伴随对监控需求的动态调整,并实现综合管廊物与物、物与人的泛在连接,为综合管廊数字化转型、数字赋能提供数据基础,后期结合大数据分析及AI辅助决策等技术,可以提供综合管廊的运行监控与运维管理智慧化程度。根据物联网技术在综合管廊应用的基础,一方面,可以将物联网技术与安全防范系统、火灾自动报警系统、通信系统等进行结合;另一方面可以进一步将物联网技术在地下空间中进行推广,解决类似的环境恶劣造成的一系列问题。