意图物联网在地下综合管廊中的应用

邱　岩,　姬卫东,　陈向伟,　王剑宇,　刘忠磊

[1.赫里奥(苏州)科技有限公司, 江苏 苏州　215128;2.上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海　200063;3.青岛华高控股集团, 山东 青岛　266033;4.青岛华高物联网科技有限公司, 山东 青岛　266033]

0　引　言

地下综合管廊是通过将电力、通信、给水、供热、制冷、中水、燃气、垃圾真空管等两种以上的管线集中设置到道路以下同一地下空间而形成的一种现代化、科学化、集约化的城市基础设施。近年来,随着国家政策性引导,我国管廊建设形成爆发式增长,与之相关的信息化建设的需求也越来越旺盛。2018年1月30日,钱七虎院士在中国城市地下综合管廊产业联盟专家委员会成立大会的讲话中指出,要用先进的信息化技术例如人工智能技术等提高管廊的安全维护能力[1-3]。

1　综合管廊信息化建设中存在的问题

城市综合管廊信息化建设主要包括有环境与设备监控、安全防范、通信、预警与报警、智能巡检等子系统及管控一体化信息平台等。这些系统的建立为综合管廊的正常运行起到极大的保障。但由于综合管廊的监控与报警系统对象是综合管廊的公共环境,不包括入廊专业管线。极有可能出现的管线事故并未纳入综合管廊的监控与报警系统对象,究其原因:一是各管线所有单位各自为政(各自建立监控系统),缺乏统一的标准实现有效整合;其二是现有的监控解决方案不能满足管线入廊后对危险源的有效监控。除此之外,管廊投入运营后还存在许多严重的问题亟待解决,主要表现在如下方面:

(1) 夏季管廊内长期空气湿度高,雨季相对湿度为100%,极易造成管廊内大量电气设备损坏,也极易造成管线外护层腐烂而危害管线安全。而现有的环境监控系统没有建立科学的防止结露出现的策略,大多依靠人的经验开启通风系统,除湿效果不佳。

(2) 管廊的监控系统是在管线入廊前已经建设完成,而管线入廊后才能真正确定危险源位置,现行的监控解决方案不能根据管线实际情况灵活布控监控点,真正的危险源难以得到有效监控。

(3) 没有有效建立大数据系统。在建立有效的监控系统后,可以利用监控系统收集的数据进行大数据分析,从而给出有效的模型,对管廊体和管线的健康状况进行有效的分析(如结露的控制策略,传感器的状态分析,及时给出有问题的传感器)。

2　物联网与意图物联网

2.1　物联网

物联网是互联网的应用拓展。物联网技术主要集中于设备感知层、网络传输层、控制管理层以及业务应用层。物联网完整解决方案如图1所示,从物联网的技术要求层面、解决方案及物联网产品形态三个方面反映彼此之间的关系,其中物联网的组网模式采用先进的软件定义网络(Software-Defined Networks,SDN)技术,使得整体解决方案更具有适应任意场景的一般性及灵活性[4-6]。

图1　物联网完整解决方案

2.2　意图物联网

意图物联网的概念是赫里奥(苏州)科技有限公司硅谷研发中心的科学家在业界首先提出的,是一种基于用户对物联网业务的需求意图进行网络的部署,管理及应用的新型物联网技术。利用意图物联网技术,用户可以以一种或多种直觉化的表达形式描述业务需求(不需编程),而不需要关心在物联网内如何去实现这种业务需求,从而极大提高用户对物联网的应用体验;同时,意图物联网技术支持用户定义物联网的操作模式,用户可以自主定义物联网的组网及控制方式,以及多种形式的物与物控制逻辑(M2M);并支持多协议互通,在网络传输层上解决信息孤岛问题,提供统一的网络管理平台,大大提升用户建网、管网及用网的体验。意图物联网管理应用模式如图2所示,说明意图物联网的应用层次。

图2　意图物联网管理应用模式

结合地下综合管廊的具体应用,可以通过意图物联网技术对管线的危险源进行各类传感器的灵活布置,同时各传感器与控制设备连接成一个有机的整体网络,由于意图物联网可以在网络传输层上支持多协议互通,可以实现不同厂商传感器及设备之间的信息交换、各个子系统的信息交换(当有烟雾报警出现时视频监控可以自动出现现场报警画面)。同时意图物联网允许用户自主定义物与物之间的控制逻辑(M2M),即当需要调整或增加物控制物的逻辑时不用修改程序,只需要通过用户图形界面设置(如为了解决管廊内结露问题,可能需要在通风口外布设温/湿度传感器,通过对管廊内外的温/湿度计算,根据定义的策略驱动排风系统,而实现该功能只需放置传感器后在用户界面上设置即可)。并且一旦用户定义完M2M控制逻辑,就可下发到网络层去执行,保证业务逻辑执行的及时性和可靠性。这是目前绝大部分的物联网平台都无法实现的。

意图物联网优势集中表现在如下方面:

(1) 在感知层和传输层实现M2M,而不是通过应用层开发业务逻辑来迂回控制,大大提高预警和高应急级别的要求,最大程度保护客户的投资价值。

(2) 每一个物点部署都将在物联网中被自动标识,这是系统投运后智慧运维的关键性保障,让运维人员快速定位故障发生点,以便采取及时的补救措施。

(3) 最大程度地支持用户的业务需求及应用体验,凸显客户的个性化价值体现,真正让客户根据意愿和业务需求任意调整部署方案,并通过仿真部署验证,最大降低客户方案升级成本。

(4) SDN技术在物联网的应用,将使客户对系统内所有感知物体自由组网,以应对任何既有和未来的业务模型和需求实现,最大程度地简化工作、降低成本、缩短时间、提高效率。

(5) 赫里奥物联网方案独有的协议无关性特征,将解决众多品牌相互兼容、各系统集成与融合、协议与接口标准不统一的难题,成为综合管廊管理监控系统未来的发展方向和换代产品。

3　意图物联网在地下综合管廊中的应用

3.1　场景业务模型描述

地下综合管廊的运营管理特征决定其是最适合物联网技术发挥的典型应用场景,通过意图物联网的使用,可以根据入廊管线的实际情况布设传感器,将现场的各类属性信息收集、汇聚,并结合业务驱动模型和管理流程制度等,按需实时定义控制逻辑,随时调整配置适配不同场景要求,并在应用层通过各类指标和仿真界面的直观展示,实现地下管廊的可视化管理[7]。

场景业务模型如图3所示,通过在管廊内部署带有各类具有感知和传输功能的物联网终端模块,采集现场环境数据和管线危险源监控数据并传输到数据中心,并通过意图物联网定义的控制逻辑,在网络传输层实现设备联动,最后在监控中心将现场结果展现在用户界面,系统同时支持控制中心的控制命令及其他业务需求下发,以应对临时要求的现场设备的辅助控制。

图3　场景业务模型

现场要采集的数据主要包括环境数据、设备状态数据、管线危险源监控数据、巡检和告警数据、网络本身的状态数据等。

3.2　系统实现

地下综合管廊监控的物联网解决方案涉及多系统深度集成,除了现场环境与设备监控、安全防范系统、通讯系统、预警和报警等子系统外,还包括入廊管线危险源监控系统的业务数据接口以及和智慧城市预留的相关接口。通过物联网技术集成和互联管廊内的自动化系统,形成由各类元数据汇集的综合管廊数据中心,为应用开发商和用户的个性化展示提供数据支撑。系统实现如图4所示。

图4　系统实现

综合管廊的意图物联网解决方案的三层模型中,应用层主要是管廊及管线监控数据仓库,即由各类廊内感知物体通过网络汇集的状态数据、位置数据、环境监测参数、业务逻辑角色、物物相对路由和路径信息、历史运行和操作日志等,为应用开发商提供全方位的业务数据支撑。网络传输层主要是基于SDN的组网方案,通过软件定义逻辑子网,实现业务可配置,并和冗余的光纤主干网连接,分别把数据和控制意图送达数据中心和受控设备。感知控制层主要由带有各类传感器的智能终端模块和智能终端控制器组成,通过智能终端模块感知环境数据形成控制条件,再通过智能终端控制器连接风机、水泵、照明、消防等现场控制单元的启停。综合管廊的意图物联网解决方案如图5所示。

图5　综合管廊的意图物联网解决方案

各类传感器负责采集管廊内环境及管线危险源的监控信号,通过SDN定义的业务网络和赫里奥物联网算法运算分析,并根据监控数据对管廊内设备进行自动控制,实现M2M,应对各类廊内可能的状况。M2M也兼容各种廊内设备的现场手动控制,这也是赫里奥产品和方案不同于传统物联网解决方案的核心优势之一。

为应对廊内复杂的应用环境,在产品的设计上赫里奥公司还在防水、防爆、抗干扰、低功耗、易安装、易扩充、易维护等方面做了针对性定制开发,通过在不同的场景选用最适用的模块和设备,在保证安全性和可靠性的前提下降低系统整体投入的成本。

4　意图物联网技术的特点

利用意图物联网的系统化解决方案,设备模块变成可配置,无需编程,从而可以智能化地应对及适应物联网网络及设备变化,同时也使得用户设备模块更加灵活,实时性地应对用户物理环境的变化,同时还具有其他一些传统物联网技术所不具备或难以实现的技术特点:

(1) 自适应管理技术。如自动调整运行负载(包括降低数据采集周期,采用自适应SDN算法避免转载其他模块数据等),以及根据用户规划的物理环境变化自动调整数据采集频率(如光线、关键温度区域变化等)。

(2) 内部采用与通道无关的特性数据透传技术。

(3) 物联网不再局限于某种或某些协议的约束,而是根据用户设备对数据传输及设备控制的要求部署设备模块,使得用户更专注于其自身的业务需求。

(4) 边缘兼容其他物联网协议。

(5) 传统的协议仅作为SDN物联网与用户设备交互的“最后100 m”的技术辅助手段之一,仅作为和用户物理设备交互的接口。

(6) 依用户现场需求,可采用同时组网、逐级组网、区域组网等不同网络部署方式。

(7) SDN物联网支持大规模物联网的部署和管理,用户可以根据实际情况及需求选择不同形式的部署方式。

(8) 用户可定义数据传输的不同优先等级QoS,并且可以对物联网中的大数据流量进行实时控制。

(9) 用户可定义不同区域的同一类设备、同一区域的不同类设备数据传输的优先级,增加用户重要设备数据的传输实时性及可靠性。

(10) 支持多种形式(一对一,一对多,多对一,多对多等)以及多种设备反应级别的物与物互联互动,实现真正意义上的的M2M特性。

5　结　语

介绍了意图物联网在综合管廊中的应用,通过在感知层和网络层实现物与物的透传,而不是迂回到应用层进行控制和驱动,同时也能够在不同协议间实现物与物的驱动。对于像综合管廊这样规模大、安全级别要求高、可靠性要求高的工业场景下表现的尤为突出。