淺談物聯網技術在上海某綜合管廊中的應用

摘要：以上海九星公用隧道環境與設備監控系統物聯網計為例，對物聯網與傳統方案進行了對比研究。與傳統方案相比，物聯網具有終端無線聯網、應用業務部署靈活、終端聯網易于擴展、施工維護成本低等優點，可提高公用隧道的智能化水平，促進公用隧道的數字化轉型。

關鍵字：公用隧道；環境和設備監控；物聯網；數字化轉型

引言

 公用隧道工程是城市生存和發展的基礎設施，承擔著城市信息傳遞、能源運輸、排水減災、廢物排棄等重要功能。公用隧道建設作為“十三五"國家戰略bai強工程和“十四五"韌性城市建設發展的前沿陣地，已進入我國規模化發展和創新階段。這條“城市生命線"的安全穩定運行是未來城市建設發展中需要關注的問題。

１項目背景

 九星公用隧道位于上海市閔行區七寶九星區，全長約2465，包括星北路公用隧道、智聯路公用隧道和監控中心。ｍ，布局為“工廠"字形，其中:星北路公用隧道位于星北路南側人行道和綠化帶下，西起智聯路、東至虹莘路為公用艙和電力艙雙艙，長約715。ｍ；位于智聯路西側人行道下的智聯路綜合管廊，南起平延路，北至星北路，為綜合艙單艙，長約1730。ｍ；監控中心位于東蘭路、智聯路路口北側地塊的地下空間，通過連接通道與公用隧道連接。九星公用隧道布局圖如圖1所示。

圖1九星公用隧道布局圖

2設計方案

（1）傳統方案

 傳統的環境和設備監控系統主要由工業以太網交換機、可編程控制器、遠程I/O模塊和環境監控相關檢測儀器組成。如圖2所示，傳統環境和設備監控系統的框架；如圖3所示，傳統環境和設備監控系統的布局。

圖2傳統環境和設備監控系統架構

 從上到下，傳統的環境和設備監控系統可以分為后臺管理層、中間傳輸層和前端感知層。

后臺管理層位于公用隧道控制中心，主要由交換機、工作站、服務器等組成。后臺管理層通過中間傳輸層集中存儲、處理和展示前端感知層收集的信息，實現對管廊的遠程監控和管理。

圖3傳統環境和設備監控系統布局圖

 中間傳輸層主要由可編程控制器、遠程I/O、連接交換機和電纜。可編程控制器設置在管廊內各分變電站，負責區域監控區間的聯動控制和監控信息上傳。在每個進氣口/排氣井設置一套遠程I/O模塊，負責收集、上傳和發出基本監控區間內所有防火區域的聯動控制信號。編程控制器可以通過管廊內的環境監控信息、設備監控信息和電力監控信息進行遠程I/O模塊反饋，完成設備的控制(聯動)，通過信息傳輸網絡實現與監控中心后臺管理系統的信息交互。主要監控箱內的溫度感知層位于綜合管廊。

 控制方法分為中央級、地方級和現場級，可實現監控中心中央級遠程控制、編程站自動/手動控制和現場控制箱自動/手動控制。

（2）物聯網計劃

 物聯網環境和設備監控系統可以從上到下分為中心層、傳輸層和接入層。圖4顯示了物聯網環境和設備監控系統的結構圖；圖5顯示了物聯網環境和設備監控系統的布局。

圖4物聯網環境及設備監控系統架構

 中心層主要包括物聯網管理平臺及其硬件支持設備，部署在監控中心，實現統一部署和定期更新應用業務、環境和設備監控系統信息存儲和可視化展示等功能，并與公用隧道統一管理平臺共享信息。

圖5物聯網環境及設備監控系統

 傳輸層主要包括主干光纖、交換機和物聯網網關，通過構建自愈光纖干線環網，上傳和發布中心層和接入層的信息。

 接入層主要包括物聯網無線網絡設備、物聯網邊緣接入設備、現場機電設備和環境監測儀器等。物聯網無線網絡設備用于構建現場網格網絡。（Mesh），現場機電設備及環境監測儀表無線連接物聯網邊緣接入設備，邊緣計算與機器通信(M2)M）等。

（3）方案比較選擇

 公用隧道一般呈“群狀"分布，由同一規劃區域的幾個公用隧道組成，具有狹長、艙室多、入口隧道管道類型復雜等特點。為了保證良好的運行環境，需要配備通風、排水、照明等機電設備，并設置環境監控系統，實現環境監控和機電設備監控。

 在傳統方案中，可編程邏輯控制器主要用于環境和設備監控系統，通風范圍一般用于基本監控單元。每個基本監控單元設置一套可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器通過有線方式連接基本監控單元內的機電設備和傳感儀表，實現對機電設備和傳感儀表的集中控制和統一管理。

 作為一種新技術，物聯網主要采用邊緣計算、終端無線網絡、機器通信(M2)M）等等，物聯網方案與傳統方案的比較如下表1所示。

表1物聯網方案與傳統方案的比較

 公用隧道機電設備多，環境潮濕。傳統方案容易出現接觸不良等線路故障，導致系統故障，維護費時費力。物聯網提供的終端無線聯網可以大大降低綜合布線，不僅可以降低管道和安裝調試的成本，還可以降低許多電纜造成的故障，提高系統穩定性。

 公用隧道入口管道類型復雜，入口時間不同。不同的管道對管道監控內容有不同的要求。然而，公用隧道的建設往往落后于公用隧道的建設。在公用隧道建設之初，傳統方案一般會為管道監控接入預留一個接口[4]，但實際上往往很難準確預留。預留的接口也限制了管道監控的內容和監控點的設置。與傳統方案相比，物聯網終端無線聯網可以兼容未來入口管道監控的訪問和并網，節省后期管道入口建設的投資。

（4）網格網絡（Mesh）

 網格網絡（Mesh）也就是說，無線網格網絡是一種多跳網絡，是一種可以不斷擴展的動態網絡架構。無線Mesh網絡是分散的。當中間節點設備離線時，可以重新計算新的路由，滿足業務互動，大大降低整體故障率。任何兩種設備都可以保持無線互聯。與單跳網絡相比，它具有網絡更強、網絡擴展更靈活、網絡架構動態調整等優點。

 網格網絡如圖6所示，以防火分隔為基本通信單元，每個基本通信單元包括電力艙防火分區和綜合艙防火分區。每個基本通信單元設置一套物聯網網關，每個基本通信單元設置4套物聯網無線網絡設備，支持各種物聯網協議的網格網絡組網。

物聯網網關主要用于網格網絡管理，包括網絡節點管理、網絡拓撲管理、協議轉換、分組交換、路由選擇、錯誤檢查、流量控制、擁堵控制等功能。，并使用軟件定義網絡（SDN）結構，將網絡控制平面與數據平面分離，解耦。

圖6網格網絡示意圖

（5）實現功能

 環境和設備監控系統的主要功能包括環境監控、設備監控和電力監控，為公用隧道的穩定運行提供保障。環境監控主要包括公用隧道內的溫度、濕度、氧氣含量和液位；設備監控主要包括公用隧道內排水設備、通風設備和照明設備的聯動控制和運行狀態；電力監控主要包括公用隧道內的高低壓配電柜、EPS設備和UPS設備的供電狀態。

 物聯網邊緣接入設備部署在現場機電設備控制箱或環境監測器旁邊，通過I/O或通信口與機電設備控制箱或環境監測器連接，通過網格網絡實現機電設備或環境監測器的無線連接，同時實現以下功能:

 接受物聯網管理平臺發布的應用業務并進行邊緣部署；

 實現數據發布/訂閱、機器通信(M2)M）邊緣計算等；

 將環境監測數據和機電設備運行狀態信息反饋給物聯網管理平臺。

3AcrelEMS-UT公用隧道能效管理平臺

（1）平臺概述

 AcrelEMS-UT公用隧道能效管理平臺集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控制、環境監控于一體，從數據采集、通信網絡、系統架構、聯動控制、綜合數據服務等方面提供數據支持。為建立可靠、安全、高效的公用隧道管理系統，解決了公用隧道管理過程中內部干擾性強、用戶多、協調復雜的根本問題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性。

（2）平臺構成

 安科瑞城市地下公用隧道能效管理系統是一個深度集成的自動化平臺，集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電站環境監控系統、智能電機監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶可以通過瀏覽器和手機APP獲取數據，集中監控、統一管理和統一調度管廊用電和用電安全，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。

（3）平臺拓撲

4有關平臺部署硬件選擇清單

電力監控和配電室環境監控系統

電火監測系統

消防設備電源監控系統

防火門監控系統

火災應急照明及疏散指示系統

5結語

 物聯網作為“十四五"規劃倡導的新技術，是數字化轉型的重要基礎。物聯網在公用隧道中的應用具有明顯的優勢，可以很好地滿足管道逐漸進入隧道并伴隨著監控需求的動態調整，實現公用隧道物與物、物與人之間的普遍連接，為公用隧道的數字化轉型和數字化賦能提供數據基礎。后期結合大數據分析和AI輔助決策，可提供公用隧道運行監控和運行管理的智能化程度。根據物聯網技術在公用隧道中的應用，一方面可以推動物聯網技術與安全報警系統、火災解決系統

參考文獻

【1】劉新秀.物聯網技術在綜合管廊中的應用.

【2】謝軍.“綜合管廊群"監控系統研究與設計［Ｊ］．中國工程，2017.

【3】安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05