梁伯釗

前言

城市地下綜合管廊（以下簡稱管廊）是將電力、通信、燃氣、供熱、給排水等各種工程管線集于一體，統(tǒng)一在城市地下建立一個隧道空間管理，是保障城市運行的重要基礎設施。管廊以環(huán)網(wǎng)的形式存在于城市地下，總長度可達上百公里，面對如此龐大的管廊網(wǎng)絡，采用先進的信息化技術(shù)對管廊進行檢測和監(jiān)控是十分有必要的。地下綜合管廊的監(jiān)控包括對運行中的管線安全狀況的監(jiān)測，以及對地下綜合管廊內(nèi)部環(huán)境的檢測，避免內(nèi)部環(huán)境因素對設備管線的影響及對工作人員的傷害，從已建的地下綜合管廊運營狀況來看，國內(nèi)在研究信息化監(jiān)控方面與國際水平較接近，但也有差距。如何提升工作效率、提高管理安全、提前預警、降低運維管理成本，走出一條可持續(xù)發(fā)展的道路，是擺在綜合管廊建設運營各級部門面前的重要課題。

目前各地在管廊建設過程中，已經(jīng)顯現(xiàn)出諸多問題。首先，傳統(tǒng)的運維管理方式導致管理水平落后，即運營成本投入高、管廊安全保障差、應急響應速度慢，致使事故發(fā)生概率增加，責任不清以及事后扯皮等現(xiàn)象頻頻發(fā)生。其次，數(shù)據(jù)不統(tǒng)一，形成信息孤島，即參與單位多，數(shù)據(jù)種類多，眾多子系統(tǒng)形成數(shù)據(jù)分割，數(shù)據(jù)無法整合利用；最后，運維管理智能化水平低下，巡檢手段落后，工作效率低下，應急處置能力薄弱，監(jiān)控維護漏洞百出。

需求分析

1.安全性需求

（1）管廊環(huán)境安全

需要對管廊內(nèi)部環(huán)境進行檢測，包括氧氣、甲烷等氣體濃度是否正常，廊體內(nèi)部是否有積水，水位是否在安全線上；是否有出現(xiàn)火情等異常情況[1]。

（2）管廊設備安全

對內(nèi)部安裝的設備（包括傳感器、監(jiān)控攝像機等數(shù)據(jù)感知設備）是否正常運行，還有線路管道是否正常，有沒有出現(xiàn)破損泄露等損壞情況，設備有沒有被人為破壞的情況所進行的一系列安全監(jiān)控。

（3）管廊人員安全

由于廊體的通信信號較差，通信延時率較高，部分地段甚至無信號，所以通過廊體內(nèi)部的監(jiān)控攝像機對進入管廊內(nèi)部進行日常維護和檢修、巡邏的人員實時監(jiān)控，確認人員是否安全[2]。

2.融合性需求

由于系統(tǒng)體系不一，系統(tǒng)線纜眾多，拓撲復雜，需要一個匯聚系統(tǒng)，對廊體內(nèi)部進行數(shù)據(jù)和設備進行統(tǒng)一匯聚管理。

3.便利性需求

（1）監(jiān)測控制便利性

可通過綜合管廊區(qū)域控制單元（以下簡稱ACU柜），實現(xiàn)本地和遠程自動切換監(jiān)測廊體。

（2）巡查維護便利性

ACU柜自帶屏幕，方便運維巡查人員直接查看廊體內(nèi)部各個前端感知設備的運行狀態(tài)以及采集的數(shù)據(jù)。

（3）管線入廊便利性

為了后續(xù)管線方便快捷接入以及有效監(jiān)管，需要對已安裝的管線進行規(guī)范統(tǒng)一管理，并預留相應的接口空間。

4.智能化需求

（1）體現(xiàn)技術(shù)先進性

采用工業(yè)級ARM平臺架構(gòu)進行設計。

（2）體現(xiàn)決策科學性

預先設置的邏輯控制功能和處理流程以及對前端設備采集到數(shù)據(jù)進行匯聚處理，為管理人員決策提供可靠性的信息依據(jù)。

（3）體現(xiàn)管廊規(guī)范性

根據(jù)國家制定各種管廊技術(shù)標準和行業(yè)相關(guān)標準來設計ACU柜以及定義對外接口。

現(xiàn)有技術(shù)路線分析

目前市場上的ACU柜主要采用PLC，少部分采用分布式無線RTU，本項目創(chuàng)新性提出采用集中式有線RTU的技術(shù)路線，針對管廊應用場景的具體需求，繼承優(yōu)點，改善缺點。以下針對現(xiàn)有廊體采用的不同技術(shù)路線進行分析。

1.PLC技術(shù)路線

采用傳統(tǒng)的可編程控制器作為樞紐，通過帶光模塊的網(wǎng)絡交換機與控制中心連接，如圖1所示。

圖1 PLC基本架構(gòu)

（1）優(yōu)點

①可現(xiàn)場編程設計，適用于工業(yè)控制場景；

②在管廊場景應用多年，穩(wěn)定性和可靠性已經(jīng)過檢驗。

（2）缺點

①不支持音視頻應用，可視化設計環(huán)境差，且二次開發(fā)難度大，不符合未來智能化技術(shù)發(fā)展方向，主要市場被國外品牌占據(jù)；

②培訓和部署周期長。需要電氣化或自動化專業(yè)人員培訓30天左右才能掌握，現(xiàn)場編程部署調(diào)試至少2個月或以上，運維效率不高；

③設備形態(tài)美觀度不夠，內(nèi)部走線雜亂。

2.分布式無線RTU

根據(jù)前端設備的類別，在前端部署單元控制箱（整合數(shù)據(jù)采集、本地手動控制及無線AP傳輸功能），經(jīng)組網(wǎng)后通過帶光模塊的網(wǎng)絡交換機與控制中心連接，基本架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 分布式無線RTU基本架構(gòu)

（1）優(yōu)點

①可支持包括音頻視應用在內(nèi)的可視化人機交互設計，使用簡單易學，畫面美觀，交互體驗佳；

②設備形態(tài)小型化、美觀，方便前端部署，整合了原手動控制箱。

（2）缺點

①目前可維護、可配置性設計無法滿足要求，后期維護信賴原廠，給運維單位造成負擔，可能增加運維成本；

②擴展性不佳；

③無線AP受廊內(nèi)環(huán)境影響大，工程階段部署調(diào)試時間長,若廊內(nèi)后續(xù)有工程變更，可能對無線AP的信號穩(wěn)定性造成不可預期的影響；

④硬件成本較高；

3.集中式有線RTU

這是本論文采用的技術(shù)方式。前端設備統(tǒng)一接入到樞紐設備，完成數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸，可拓展邊緣計算單元、顯示終端（從設備間引出部署廊體兩側(cè)）和無線通信模塊（AP/4G）等，如圖3所示。

圖3 集中式有線RTU基本架構(gòu)圖

（1）優(yōu)點

①最經(jīng)濟的硬件配置，模塊化設計，可維修性好；經(jīng)測試驗證后，可以保證穩(wěn)定性和可靠性；

②支持包括音視頻應用在內(nèi)的可視化人機交互設計，使用簡單易學，畫面美觀，交互體驗佳[3]；

③后臺軟件配套開發(fā)傻瓜式的調(diào)試配置功能界面，可遠程在線升級；

④培訓和運維成本低。普遍運維人員可快速學習掌握（1～2天）；

⑤可擴展性強。可根據(jù)需要擴展可跑AI智能算法的邊緣計算單元、支持廊內(nèi)通信的無線通信模塊和提升廊內(nèi)可視化環(huán)境的顯示終端等。

（2）缺點

管廊的應用場景對設備的穩(wěn)定性和可靠性要求比較高，集中式有線RTU產(chǎn)品為新研發(fā)的產(chǎn)品，需要經(jīng)過嚴格的穩(wěn)定性和可靠性試驗。

總體設計

1.設計目標

根據(jù)管廊日常管理運維需求，設計一款廊內(nèi)核心樞紐設備ACU柜，融合嵌入式主控、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡交換、電源管理和顯示等模塊，結(jié)合定制軟件，實現(xiàn)廊內(nèi)環(huán)境檢測、液位監(jiān)測、入侵監(jiān)測、異常告警、數(shù)據(jù)匯聚與傳輸功能，有效滿足管廊安全管理和智能運維需求[4]。

2.設備原理框圖

ACU柜主控制板基于ARM9系列的NUC972芯片，進行硬件設計開發(fā)和嵌入式軟件開發(fā)。新唐NUC972是一款主頻300MHz的可運行l(wèi)inux操作系統(tǒng)的工業(yè)級芯片，具有較好的穩(wěn)定性和功能拓展性，非常適用于類似管廊的工業(yè)應用場景。

根據(jù)廊體內(nèi)安裝的不同檢測和管理設備，在ACU柜內(nèi)部設計不同的功能模塊和接口，負責對廊內(nèi)包括氣體、溫濕度、液位開關(guān)、紅外防入侵等傳感器[3]以及監(jiān)控攝像機的信息采集和檢測；在ACU柜上還設計有觸摸顯示屏，可以顯示ACU柜采集到的區(qū)域的各項檢測數(shù)據(jù)；ACU柜內(nèi)置數(shù)據(jù)傳輸設備，統(tǒng)一將采集到的信息回傳后端軟件平臺處理，同時，后端平臺可通過ACU柜，來對廊體內(nèi)部的工業(yè)設備進行遠程控制[5]。

ACU柜的原理框圖如圖4所示。

圖4 原理框圖

3.ACU柜工作原理

在主板上預留多個不同定義的接口，便于根據(jù)實際項目和應用場景的使用需求，外接不同的功能模塊，比如客戶原先使用的傳感器是采用RS-485的接口，那么就可以直接與主板上的485接口進行連接，進行數(shù)據(jù)回傳。同時具備設備供電電源電壓轉(zhuǎn)換功能，接入市電AC220V，轉(zhuǎn)換成DC24V給到傳感器供電。具體接口和定義如圖5所示。

圖5 ACU柜接口定義圖

4.設備場景組網(wǎng)圖

在管廊每間隔200m左右（可以根據(jù)實際使用需求，縮小部署距離）部署一個ACU柜，將該距離范圍的包括傳感器等所有工業(yè)設備，接入到該ACU設備上，統(tǒng)一監(jiān)管和數(shù)據(jù)回傳后端管理中心，如圖6所示。

圖6 場景組網(wǎng)圖

RTU在管廊具體應用設計

1.接口設計

（1）RS-485與AI

由于我國國土面積較大，每個地方的實情不同，根據(jù)實際使用需求，管廊內(nèi)部配備的傳感器也會存在一定差異，接下來本文就以福建沿海地區(qū)某城市試點管廊為例，列舉已經(jīng)投入使用的傳感器類型進行說明，具體如圖7所示[6]。

圖7 外接傳感器類型圖

設備內(nèi)置模擬量（AI）輸入接口和RS-485接口，可以滿足市面上大部分廠家的傳感器接入。傳感器通過連接線接入到ACU柜的這兩個接口上，將當前傳感器采集到的數(shù)據(jù)，比如壓力P、溫度T、液位L等通過RTU設備編碼以及轉(zhuǎn)換回傳后端管理平臺上展示。

（2）DI/DO

設備內(nèi)置DI（數(shù)字量輸入）和DO（數(shù)字量輸出）口，通過DI口獲取當前設備的通斷狀態(tài)，通過DO口，遠程控制工業(yè)設備開啟和關(guān)閉工作。廊體內(nèi)有外接風機和水泵等設備，由于廊體位于地下，當降雨量較大時，廊體內(nèi)部會有積水，當積水超過一定程度的時候，會影響廊體設備運行，所以，當廊體內(nèi)部的水位傳感器采集到的水位信息超限時，會產(chǎn)生報警信號傳到后端管理中心，管理中心通過ACU柜的DO接口，遠程控制水泵通電進行排水工作[7]。

（3）RJ-45接口

除了環(huán)境狀態(tài)信息的實時感知，也需要采用監(jiān)控攝像機對廊體內(nèi)部進行實時畫面監(jiān)控，查看是否有人非法闖入，監(jiān)測巡邏人員的軌跡，并與傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合，形成多維度數(shù)據(jù)研判，確認廊體內(nèi)部是否有異常情況，包括水位是否正常，是否有火情等等[8]。目前，市面上攝像機與管理中心的通訊方式，基本都是通過網(wǎng)絡信號傳輸，基于這種情況，ACU柜內(nèi)置工業(yè)級交換機，帶有8個支持1000M的WAN口（支持poe供電），可供多路監(jiān)控攝像機接入，用于傳輸視頻圖像信息到后端管理中心。

（4）電源接口

ACU柜電源管理模塊采用的是AC220V輸入[9]，輸出的電壓有3種規(guī)格，分別是DC48V、DC24V以及DC12V。交換機采用DC48V供電;ACU柜中的DI和DO模塊的供電方式是采用DC24V，部分高清球型攝像機也可以使用該規(guī)格的電壓進行供電；DC12V則主要是給監(jiān)控攝像機供電運行的[10]。

（5）其他接口

考慮到部分管廊與管理中心距離較遠，普通的有線網(wǎng)絡無法滿足傳輸需求，所以在ACU柜中預留光纖通道（單模雙纖/單模單纖可選），可以實現(xiàn)光纖傳輸?shù)墓δ堋?/p>

為了實現(xiàn)可拓展性，每種接口類型都會預留接口數(shù)量，方便后續(xù)其他新的設備接入。

2.功能設計

（1）數(shù)據(jù)顯示功能

ACU柜設計帶有10英寸以上的顯示屏，運維人員和維修人員可以直接在顯示屏上查看傳感器采集到的環(huán)境信息，輔助管理人員對廊體的監(jiān)管。

（2）廊內(nèi)信息感知匯聚

實現(xiàn)對廊內(nèi)氣體、溫濕度、液位開關(guān)、紅外防入侵等傳感器的信息采集；規(guī)范化、統(tǒng)一化、標準化前端感知層設備接口，實現(xiàn)感知層設備的快速部署。

（3）廊內(nèi)設備智能控制

實現(xiàn)對廊內(nèi)風機、照明、水泵、配電等設備運行狀態(tài)、故障信息采集，以及本地或遠程控制設備的啟動和關(guān)停。

3.非功能設計

（1）工作溫度

針對管廊位于地下，環(huán)境相對密閉，通風條件比較差等情況，RTU設備內(nèi)部采用的模塊都能在環(huán)境溫度-20°C～70°C,濕度0～90%(無凝結(jié))下正常工作，與常用的可編程控制器PLC相比，更適用于更惡劣的溫度和濕度環(huán)境，提供更多的計算功能。

（2）防護等級設計

箱體的防護按照IP65等級進行設計，滿足廊體內(nèi)部的防水防塵使用要求，殼體噴涂防護漆在美化外觀的同時具備一定防腐蝕性能[11]。

（3）調(diào)試與配置設計

通過在設備嵌入式軟件中預留相關(guān)配置調(diào)試接口，在后臺軟件中對應開發(fā)相關(guān)配置界面，運維人員在簡單培訓后即可實現(xiàn)自定義配置和遠程升級，無論是增減前端設備數(shù)量，或者變更前端設備型號，都可以自主靈活操作完成，無須依賴原廠技術(shù)人員。

4.安裝設計

設備采用壁掛式安裝，最大限度減少安裝占用面積。由于廊體處于地下，環(huán)境比較復雜，無線信號易受到干擾，所以前端設備采用有線連接，通過在廊體內(nèi)部每隔200m左右范圍部署一臺ACU柜，將百米范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集設備通過有線方式統(tǒng)一匯總接入到ACU柜中，后期可以以ACU柜為節(jié)點，當出現(xiàn)問題時，運維人員可以快速定位故障地點，提高維修效率。

結(jié)語

本文針對城市地下管廊應用場景，基于集中式有線RTU設計的ACU柜，將廊體數(shù)據(jù)采集設備統(tǒng)一通過有線接入，實現(xiàn)對廊體的線路規(guī)范化管理。通過ACU柜將數(shù)據(jù)匯總上傳后端進行管理，提升廊體智能化管理水平，方便對管廊進行實時全天候監(jiān)管，方便運維人員對廊體的維護以及快速定位故障區(qū)域和問題，提高運維效率。ACU柜只是當今社會智能化應用的一個細小場景，隨著5G時代的來臨，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也逐步加快，這些技術(shù)推動國家信息化、智能化建設速度，人工智能終將到來。