淺談邊緣計算架構的智慧城市管廊綜合監(jiān)控方案設計

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：視頻綜合系統(tǒng)在整個智慧管廊的建設系統(tǒng)中屬于非常關鍵性的分系統(tǒng)。文章分析智慧管廊目前的建造情況，挖掘智慧管廊目前的建造情況及其存在的問題。據(jù)此，基于邊緣計算架構展開管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)設計，闡述管理的需求，闡述系統(tǒng)的架構，分析存儲的數(shù)據(jù)，從多個方面分析具體施工的工藝及其執(zhí)行的要點，分析邊緣計算的運用效果，*后從規(guī)劃和管理體系、智能化監(jiān)控體系以及應急式處置體系等3個方面分析智能化管理平臺的設計。

關鍵詞：邊緣計算；智慧管廊；綜合監(jiān)控；系統(tǒng)

0引言

管廊領域的建設愈來愈備受重視，尤其在建設智慧城市的大環(huán)境背景下，智慧化管廊也應運而生。智慧管廊的建設越來越備受設計組織、建設機構以及硬件和軟件的開發(fā)商等的廣泛關注。我們所說的指揮管廊，其實就是把傳統(tǒng)形式的傳感器所涉及到的諸項技能有機地融入其中，包括智能化、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及物聯(lián)網(wǎng)，經(jīng)由管廊中設施互聯(lián)信息的共享之后，達到管廊運作的智慧化監(jiān)督控制、運作、運營及其應急式響應的目標。通過智慧管廊的作用，以往管廊可能存在的安全隱患可以盡可能地消除，無論是管理還是運維方面的服務情況都有了顯著的加強，運作效率得以提高?？梢姡腔酃芾仁谴髣菟?。在這其中，視頻監(jiān)控體系被視作關鍵性的分體系，除卻具備傳統(tǒng)視頻所具有的功能之外，它還具備智慧的du特性，尤其是在運用智能化的視頻研究計算方法之后，能夠替管廊實現(xiàn)一系列必要的功能，如實時探測并追蹤異常情況、完成圖像辨識等，智慧化的多功能視頻監(jiān)控系統(tǒng)是智慧管廊的關鍵表現(xiàn)，亦能夠高度地確保智慧管廊處于安全且高效的運作狀態(tài)之中。正因為它擁有異于通常型智慧管廊綜合體系的特征，從而界定了智慧管廊綜合監(jiān)控體系的設計異于普通型監(jiān)控體系。本論文正是基于邊緣計算架構設計智慧管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

1智慧管廊目前的建造情況及其存在的問題

1.1智慧管廊目前的建造情況

在*近幾年中，通過參與建造管廊的各個主體在經(jīng)歷了持續(xù)性的工程項目正式實施以后，在以智慧化地區(qū)建設、建筑自動化和工業(yè)智能化的實踐經(jīng)驗為基礎，逐步地建構起一整套結構較為完備的智慧管廊方案。在諸多不同的建設提議中，智慧化管廊的建設通常所采用的是分體系的方式，主要包括如下的幾類體系：監(jiān)督控制環(huán)境與設備、預防安全、消防預警體系以及管線監(jiān)督控制體系等。在基于分體系的基礎上，構建智慧管廊管理軟件平臺?，F(xiàn)有的方案在體系架構的基礎上，主要包括如下的幾類：

1）中心管理層。主要包括的設備有，工作站、視頻錄像機、數(shù)據(jù)服務器以及Web服務器等。服務器與工作站所運行的架構一般為服務器/客戶端（B/S）。另外，該層把監(jiān)督控制環(huán)境與設備、視頻和安全防范以及火災預警等均集中于服務器展開管理，從而達到分體系的聯(lián)動效應；

2）網(wǎng)絡層。經(jīng)由光纖環(huán)網(wǎng)建設冗余、具有較高可靠度的傳遞互聯(lián)網(wǎng)；

3）現(xiàn)場化的設備層。在綜合式管廊每一個監(jiān)督控制的分區(qū)處，安排一臺地區(qū)性的控制單元ACU（AreaControlUnit）設施，其內界所集成的是具有編程功能的邏輯控制器設備，主要包括以下的組件設備：工業(yè)級別以太網(wǎng)的交換機、PLC以UPS，ACU經(jīng)由PLC抵達管廊的內界環(huán)境，且主要集中于具備監(jiān)督和控制功能的設備，至于安全系數(shù)較高以及響應應急性的通訊體系等經(jīng)由ACU內界集成性的工業(yè)以太網(wǎng)交換機把數(shù)據(jù)傳遞至上層體系，管廊的各個分區(qū)之中的ACU經(jīng)由中心管理層與光纖環(huán)網(wǎng)介質各自的服務器相互連通。

1.2智慧管廊目前建造存在的問題

從目前的情況來講，智慧管廊的建造已成功地在多個地區(qū)的得以實施，且在當?shù)匾搏@得了不錯的反響。然而，就工程實踐過程中也逐漸地暴露出部分的問題，它們對于管廊智慧化建造的進一步發(fā)展產(chǎn)生了一定的障礙影響，因此，亟需尋求化解的方案，這些問題可以歸結如下：

1）管廊中的各個體系處于互相獨立運行的，這也使得設備層上沒有辦法做到數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。綜合管廊里面包括多種服務系統(tǒng)。通常情況下，它們應該是有不同制造商開發(fā)的，同時也是自成一派的。它們被安裝于設備層通過對應的主機進行控制，各自獨立運行。并且不能進行數(shù)據(jù)連接，也不能完成聯(lián)動控制。聯(lián)動控制和數(shù)據(jù)互聯(lián)互通僅可以通過軟件管理平臺來完成。這一過程都是通過軟件來完成的，因此可靠性較弱，響應速度也較慢，同時平臺的工作量也會隨之增多。如果將平臺設置在云端，那么這種現(xiàn)象就會更為復雜。全部交互式的信息與數(shù)據(jù)均要經(jīng)由云端中轉，如果云與實際設備的交互或許頻道，那么就勢必云資源與網(wǎng)絡帶寬會有一定的消耗。一旦通訊中斷，整體的聯(lián)動控制就無法實現(xiàn)。

2）智慧管廊軟件平臺要給所有的服務系統(tǒng)提供相應的驅動程序和連接器程序。在大型管理走廊的建設中，有許多廠商提供子系統(tǒng)。在大多數(shù)情況下，平臺的研究和開發(fā)需要為企業(yè)采用專有的協(xié)議和系統(tǒng)。在工程項目的實踐過程中，不同商家所采納的協(xié)議規(guī)范存在著差異性，技術規(guī)定存在著區(qū)別，研發(fā)的語言也并不相同，相應的接口模式亦迥然有別，這就要求軟件的研發(fā)者應有更高的技術性含量。再者，研發(fā)的周期也較長，工作量并不小，研發(fā)完畢之后還需經(jīng)過測試，軟件平臺須通過較長的一段時間的迭代才可以處于平穩(wěn)的狀態(tài)。這類開發(fā)模式還造成一個新的問題，即每項的軟件均為高度定制化的，難以達到標準化和產(chǎn)品化的目標。

2基于邊緣計算架構的管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)設計

2.1管理需求分析

管廊的內部有不少亟需管理的機電化設施，包含通風體系的風機、排水體系的水泵和電氣照明的燈具以及提供配電的設施等組成部分。環(huán)境和設施監(jiān)督控制主要涉及到如下的幾點：

1）風機控制和有害性氣體的測試：管廊屬于地下的密閉環(huán)境，會制造出部分的有毒和有害的氣體，另外，本項目天燃氣管道亦被納進管廊的統(tǒng)一化管理體系之中，亦也許會導致燃氣的泄漏后果，從而危及管廊環(huán)境中的管理工作者，因而，須設計并控制好風機的換氣和排氣等相關的舉措。

2）積水水位的測試及其水泵的掌控：在管廊內安置集水井，若集水井的水位超出警戒值之際，開啟水泵加以排水，規(guī)避由于水位的上漲而導致事故。

3）溫濕度的測試：確保管廊設施處于正常的運作狀態(tài)，工作人員有一個良好的工作環(huán)境。同時，管廊的溫度和濕度的監(jiān)督測試必*，科學正常化的溫度和濕度環(huán)境是確保管廊設施處于正常運作狀態(tài)的一個核心因素。

4）掌握好照明設備：把握好照明回路設備，達到管廊之中工作人員與檢修工作人員對于采光照明的所需。

5）提供電能設施的監(jiān)督控制功能：對于設備電能提供可以控制的參數(shù)，從而有助于明白設施的電能提供情況是否處于正常狀態(tài)，另外，還應區(qū)分好消防電源以及非消防電源的有效性掌控及其管理。

2.2系統(tǒng)架構

圖1基于邊緣計算架構的智慧管廊綜合監(jiān)控體系架構示意圖

在整體系統(tǒng)將邊緣設計的理論引入之后，對管廊視頻多功能監(jiān)控系統(tǒng)結構的設計如下：每一個邊緣計算的單元（ECU）匹配單臺小型化NVR（NetworkVideoRecorder），此標準所設置的防火式分區(qū)視頻圖像展開處置與儲存，僅僅通過報警與聯(lián)動所制造出的視頻流才可以往監(jiān)控中心加以上傳，ECU擁有智能化視頻的研究功能，能夠達到標準化的防火式分區(qū)中視頻的聯(lián)動作用，根據(jù)邊緣計算所構架的管廊視頻監(jiān)督控制系統(tǒng)的架構示意如圖1所示。

2.3存儲數(shù)據(jù)

在所有的邊緣計算單元即ECU上均各自配備一個小型的NVR，通過這一標準進一步完成與防火區(qū)域相應的攝像機進行展開視頻的儲存及其管理，根據(jù)1個月的時間來對所需的儲存空間進行計算：

0.62TB/臺×16臺=9.92TB

僅僅在報警與聯(lián)動出現(xiàn)視頻流之后，才往監(jiān)控中心根據(jù)所有視頻流的1/4加以儲存，依舊將10km與3艙式管廊當作例子展開分析，所需的儲存空間計算如下：

0.62TB/臺×25%×800臺=124TB

再者，控制中心顯示的是警報聯(lián)動的圖像與視頻的上墻，可以根據(jù)實際情況較少電視墻和解碼設施的數(shù)目。

2.4具體施工的工藝及其執(zhí)行的要點

綜合管廊的智慧體系根據(jù)結構自身的特征，主要通過3個層次加以執(zhí)行，依次為控制中心、網(wǎng)絡通訊層以及傳感層。傳感層的主要工作內容如下：配管、橋架施工、線纜鋪設、傳感器安置以及設備間的設施安置。

互聯(lián)網(wǎng)通訊層的核心工作項目有：線纜鋪設、通信設施安置以及聯(lián)網(wǎng)調控。其中，監(jiān)控中心設備的安置和調試。整體性施工的工藝程序如圖2所示。

1）管道的橋架方法。管廊的內界橋架的安置要求是橋架的支架內部間距通常所維持的范圍是0.5m~0.6m（比通常的建筑物的內間距較小些），橋架的邊緣和支架的橫擔須有固定的處理手段。若對橋架提出的要求是橫跨伸縮縫對應的橋架時，須根據(jù)要求設計好伸縮縫的相關要求，具體可如圖3所示。

2）接地式扁鐵制作方法。接地干線在廊道內兩側均應設置，和地表的距離是30cm，接地的干線須涂上警示的色澤，從而有助于辨識。另外，如果接地的干線超出伸縮縫之際，須預留出仲縮的余量空間，具體如圖4所示。

1. 傳感器的鋪設。氣體測試儀表傳感器所安置的高度須基于測試氣體的密度情況加以界定。若它的密度比空氣的密度小時，傳感器須安置于距離管廊的頂端不超出0.3m的方位，若它的密度不小于空氣的密度之際，測試傳感器須安置于間距管廊的地坪約0.2~0.3m的方位；氧氣測試傳感器須安置于距離管廊的地坪約1.6~1.8m的方位，具體如圖5所示。

4）光纖探測報警設備的安置。就電力電纜的監(jiān)督控制報警設備而言，主要采納的是光纖式測試溫和光纜來檢測溫度的手段展開監(jiān)督控制，就10kV與110kV規(guī)格電壓級別電纜的測控設備在安置時存在著差異，通常前者所采納的是感溫電纜，它順著橋架的內部變?yōu)檎ㄊ降匿伵?，如圖6（a）所示，后者采納的是感溫光纜，借助于固定于夾具牢固地安置于電纜的正上方處，如圖6（b）所示。

管廊的施工異于其它種類的建筑，就工藝的標準及其要求而言均不低，以上工藝僅僅為管廊整個施工中的一部分而已，其還涉及到防護級別、防水火、防震、防塵以及防爆等領域，均做出嚴格的標準。其余的施工項目均能夠借鑒常規(guī)型智能化體系進行施工。

2.5邊緣計算的運用效果

就管廊綜合監(jiān)控體系內引進邊緣運算架構之后，能夠達到如下的效果：

首先，由于體系本身凸顯出高度的同步性和可靠性的優(yōu)勢，所以，將邊緣計算相關的設備使用以后，全部報警式聯(lián)動與AI計算方法都處于邊緣計算的單元（ECU）之中所應達到的目標范圍之內，不單單可以確保其同步性，且能夠達到區(qū)域性獨立的效果。邊緣運算單元中的攝像機視頻流都于本地區(qū)范圍內達到一定的儲存效果，即便互聯(lián)網(wǎng)通訊處于斷掉的狀態(tài)，亦能夠單獨地展開儲存的工作。等到網(wǎng)絡功能恢復后，可以在網(wǎng)絡斷開時上傳到控制中心，進而將相關信息進行有效的儲存及監(jiān)視，從而在較大的程度上減少了互聯(lián)網(wǎng)的負載壓力，確保了體系的穩(wěn)定性，從而更加有助于視頻綜合體系的迅速辨識及其響應，進而更有助于實現(xiàn)移動式報警等一系列的大數(shù)據(jù)研究功能。

其次，就節(jié)省投資之際，加強了體系的穩(wěn)定性與科學性。根據(jù)相關的數(shù)據(jù)資料作為例子分析可知，假設控制中心處所匹配的DS-A71規(guī)格的儲存設備數(shù)量為1臺。采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)配置，根據(jù)管廊的邊緣計算結構，存儲設備一定要較一般視頻監(jiān)督控制體系方案的造價要低約30%，同時，儲存結構也會更加地科學合理。

2.6智能化管理平臺

2.6.1規(guī)劃和管理體系

主要涉及到：建構項目工程管理、檔案管理、規(guī)劃和管理以及年度規(guī)劃與周報管理等部分，達到智慧管廊的綜合式規(guī)劃目的，同時實現(xiàn)工程項目檔案管理、項目工程信息、審批以及竣工驗收等多項功能。

2.6.2智能化監(jiān)控體系

對于入廊之后的提供水源、燃氣、電力、中水以及通信等多種管線情況展開同步的監(jiān)督測試，包括溫度、壓力以及流量等多項運作的指標，同時涉及到閥室和閥井等一系列關鍵性設施的遠程化掌控。采納和SCADA體系相一致的集成化處理方式，基于BIM與GIS的三維工具進行模型的建構，從而監(jiān)督測試并控制管廊內的前端設施，包含管廊的內環(huán)境和設施的監(jiān)督控制、安/消防監(jiān)督控制、廊體構造的監(jiān)督控制與入廊的管線監(jiān)督控制等。通過把各個監(jiān)控分體系的集成化處理，能夠針對管廊的日常性運作、維護與管理展開可視化的呈現(xiàn)與聯(lián)動式掌控的流程。具體可參見下圖7所示。

2.6.3應急式處置體系

構建完備的應急式搶險指揮體系，對應急式隊伍、物資以及預案等方面展開有效性的管理，且提供有關報警的定位、現(xiàn)場監(jiān)督控制的抽取、附近檢索、應急性疏散及其會商以及綜合式研判以及報警的推動等多項功能，從而加強應急式案例的響應及其處置性能。如圖8所示。

3、AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺

3.1平臺概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監(jiān)控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監(jiān)測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數(shù)據(jù)支持，從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡、系統(tǒng)架構、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)服務等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內部干擾性強、使用單位多及協(xié)調復雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環(huán)境和設備的使用和恢復效率。

3.2平臺組成

安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統(tǒng)是一個深度集成的自動化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能馬達監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)、消防設備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

3.3平臺拓撲

3.4平臺子系統(tǒng)

3.4.1電力監(jiān)控

電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

3.4.2環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內的水泵和通風排煙風機等設備集成的第三方系統(tǒng)完成管廊環(huán)境綜合監(jiān)控。

3.4.3電氣安全

 AcrelEMS-UT能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

3.5相關平臺部署硬件選型清單

3.5.1電力監(jiān)控及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

3.5.2電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

3.5.3消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)

3.5.4防火門監(jiān)控系統(tǒng)

3.5.5消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)

4結語

本論文首先挖掘出智慧管廊目前的建造情況及其存在的問題，在此基礎上，基于邊緣計算架構的管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)展開設計。分析管理需求，闡述系統(tǒng)的構架，分析儲存的數(shù)據(jù)，分析具體施工的工藝及其執(zhí)行的要點，分析邊緣計算的運用效果，*后，系統(tǒng)化地分析智能化管理平臺的構建，從而可以替管廊的視頻監(jiān)督控制體系奠定全新的發(fā)展路向，進而使得智慧管廊的綜合監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展擁有更為廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻

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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05

作者簡介：任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智慧管廊監(jiān)控研究發(fā)展。