边缘计算在综合管廊监控系统应用

文｜浙江建设职业技术学院 胡力勤；杭州市地下管道开发有限公司 万亚 朱祖港

综合管廊就是在道路地下将电力、通讯，燃气、供热、给排水等多种管线设置同一个隧道空间，设有专门的监测系统，一种城市的基础设施。2015年8月，国务院办公厅下发《国务院办公厅关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》大力发展地下综合管廊建设，要建设具有先进技术地下综合管廊。随着数字化浪潮的兴起，2020年住房和城乡建设部和发改委13 部门联合发布《关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》，推进建筑工业化、数字化、智能化升级。2020年浙江省推出《浙江省新型基础设施建设三年行动计划(2020—2022年)》中提出了统筹推进城市地下综合管廊数字化建设。

综合管廊监控系统运用传感器网络、物联网、自动控制等理论和技术，借助GIS+BIM+物联网，防火灾、防盗、人员巡检定位；以统一的平台集成联动，通过大数据技术，分析综合管廊日常和应急状态运行参数，建立起综合管廊公共安全风险防控与应急技术。根据综合管廊监控系统各子系统物理层、协议层和传输层的共性与特性，并进行建立其综合模型；并在基础上对子系统所产生的大批量实时数据进行存储、检索与分析，预警分析、事故处理。义乌市03 省道（宗泽路—环城北路）管廊综合监控系统工程位于义乌稠城街道和福田街道，起于宗泽路-雪峰东路交叉口西北角，沿宗泽路至03 省道交叉口东南角接220KV 宗泽变后，沿03 省道至环城北路交叉口东南角，管廊全长约9586.351 米；包括管廊监控中心设备、管廊监控系统、电话系统、无线对讲系统、机器人巡检系统、消防报警系统（含监控中心消防报警）、移动通信信号覆盖系统、电力监控系统、离线式巡检管理系统、门禁系统、消防工程、软件、综合管路、标示标牌等工程内容。项目在具体建设过程中，由于综合管廊监控系统由多个子系统组成，相互独立，接口协议不规范，开发驱动多工作量大，无法实现标准化；没有很好互融互通。运用云计算技术，数据需要中转，大量占据传输带宽，响应不及时2020年边缘计算产业联盟（ECC）发布《边缘计算参考架构 3.0》，边缘计算享有响应速度快，利用率高，通信量小，数据安全等优势，具有异构性、分布性、连续性、靠近数据等的特点，下面我们分析边缘计算在管廊监控系统应用。

1 理论基础：系统架构设计

边缘计算就是在靠近数据源头或物的网络侧，融合计算、网络、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在实时业务、数据优化、应用智能等方面的关键需求。随着边缘计算落地实践应用，以云边协同和边缘智能为主要发展方向。为了克服当前云计算集中化、数据延时长、安全性差，将云计算“下沉”，设计了一种基于边缘计算的综合管廊监控系统。通过本地汇聚网络、计算、存储、应用、智能等提高服务性能，减少时延和带宽需求，提升控制能力。JACE 8000 控制器发挥Niagara Framework 技术的特点，运用网络通信技术，完成综合管廊监控数据采集、管理和应用，构建“边云”协同的分布式部署架构，在综合管廊监控中心实现数据保存、调用［1］。JACE 网络控制器作为边缘控制平台，可以实现对各子系统互联及管理、集成、监控、数据记录、报警、时间表和网络管理的功能，运用MQTT 协议与华为云对接，并与云平台进行协同工作。系统内核采用分层设计，开发了物联网通讯标准，模块化驱动，便于整个平台在横向和纵向灵活扩展，设计规范的软件，达到设施设备运行安全。基于SOA 平台化架构理念，监控系统支持C/S、B/S 或C/S、B/S 混用等不同“架构”，配置Wi-Fi,RFID,Zigbee 等众多的工业标准。统一的接口调用方式，减少切换思维导致编码速度下降，系统接口以动词+名词的形式命名，保证其简单易懂。外部接口返回结果统一使用标准的JSON 格式，所有的接口必须要有日志，方便维护。综合管廊监控系统面向服务的架构（SOA），在同一集成平台上，实现多个系统业务信息流程的重组和扩展，大大提升监控系统的灵活性，降低监控系统的使用及维护成本［2］。基于边缘计算综合管廊监控系统一般分成前端数据感知层、边缘计算层、云计算层3 层。

1.1 前端数据感知层

综合管廊监控系统前端数据感知层一般由CH4、O2、CO、CO2等气体传感器、照度传感器、温湿度传感器、光纤温度传感器、烟感、手动报警模块、网络摄像机、红外被动探测器、电量计量仪表、液位传感器、I/O 模块组成，它们感知综合管廊物理变化变换成弱电信号，一般分为两类，模拟量和数字量。前端数据感知层采用ZigBee 网络，选用树型+星型结构组网。ZigBee 节点采用CC2530 芯片，嵌入式网关使用 STM32F103 芯片。STM32F103 芯片具有 512 kb 的闪存以及 64 kb 的SRAM，最高工作频率可达72 MH，较好的技术参数大大优化了系统硬件，系统功耗极大降低了［3-4］。WiFi 模块选用ESP-07 芯片组，将ZigBee 网络和WiFi 相结合，大大增加了前端数据互通与连接。

1.2 边缘计算层

JACE 网络控制器8000 具有如下特点：升级的Niagara4 平台，模块化结构与设计，免工具安装，支持WiFi 功能，内置标准开放的驱动程序，灵活的授权许可，具有RS485 端口、以太网接口、WiFi 连接，通过MQTT 协议与云计算层通信对接。边缘计算层能够完成本地数据的快速采集、分析，实时性高，由具备一定计算、储存能力的网络边缘节点组成，响应业务实时增值决策［5］。

1.3 云计算层

云计算层具有运算能力强大，存储空间大等特点，对上传的数据接收、存储、发布、控制，完成数据计算算法处理分析。国内比较可靠的就是华为云和阿里云，本系统就是基于华为云部署的。连接华为云物联网云平台的方式有两种：第一种装有Niagara 的连接以太网的本地电脑或者部署Niagara 项目的本地服务器直接连接；第二种部署有分布式的物联网边缘计算网关JACE8000 系列直接连接。将综合管廊各种信息按照MQTT 协议封装成MQTT 控制报文，进行存储分析，并且发布。可以通过PC、PAD、手机各种终端调用查询。

2 应用模块：预警和报警模块功能

图1 边缘计算综合管廊监控系统

预警和报警模块主要为管廊整体的安全运维服务，对每一报警提供报警详情全面展示报警的关联信息，支持状态合并，重复报警合并，限值合并等不同的报警显示方式；支持多种报警统计查询方式，如洪水统计、数量统计、时序统计、高频统计、反复报警统计、顽固报警统计、报警KPI分析统计；提供各类统计功能，用于报警数量和分布的统计，可作为报警改进优化的依据，过滤无效或低效报警，也可将统计功能作为预警模型的一部分，参与预警运算和触发等功能。主要包括：综合监控管理功能、实时告警一览功能、设备告警联动配置功能、报警方案管理功能、历史告警查询功能、历史趋势查询功能等。客户端通过Web 浏览器，Niagara 4 Supervisor提供数据日志记录/趋势分析、数据库管理、存档并输出到外部数据库、报警、系统导航、时间表、仪表盘报告；通过XML接口(OBIX 标准协议)与其它应用软件程序集成，实时显现图形化信息［6-7］。以管廊分区为划分，打破各子系统的边界，弱化底层各子系统功能，对设备层子系统进行扁平化，构建边缘计算设备在边缘节点之间局域通信网络[8]，实现边缘层信息互联、互通、联动。配置管廊内各个设备间设备联动的预案，当故障发生时，系统自动调用相应预案进行处理。通过系统提供图形化工具进行联动方案的定义。设备联动的内容应包括：视频、消防、安防、照明等，提供联动方案的添加、删除、修改。可根据自定义条件查询已配置的联动方案。当系统发现有故障、报警信息时，可按照相关设定预案，自动对相关监控设备（例如：摄像机）进行业务联动操作，例如：视频录像、灯光开关、空调开关、风机开关等。联动方案可由时间触发，如每隔一段时间开启风机进行排风，也可由故障、报警触发。联动方案可由多个条件触发。联动方案可顺序或同时联动多个设备。联动可自动执行，也可手动执行。联动方案的执行逻辑可包含界面交互步骤，在执行过程中，根据用户的选择，执行不同的操作。与传统构架监控系统比较，边缘计算构架监控系统传输流量有所降低，降低了传输成本，缓解云计算层运算、存储压力。

3 拓展应用：应急指挥功能模块

充分发挥将各个智能子系统在统一管理平台优势，应急调度指挥系统中增设应急指挥处置功能，协助管廊公司管理人员或相关处突部门面对紧急事件，能够及时处理，降低人员伤亡与财产损失。实现管廊内应急数据的收集、分析，应急指挥的辅助决策、应急资源的组织、协调和管理控制等指挥功能，通过前端监测设备数据接口对风险源进行重点监视，通过与管线托管单位的信息化系统进行对接，建立应急物资库，对应急物资建立详细的资料信息库，建立应急专家库，对应急专家建立详细的资料信息库，满足根据分级机制问题发生后，各抢险指挥部指挥调度抢险等。

4 结语

综合管廊代表了城市基础设施发展的最新模式和必要方向，是解决城市地下空间与管网问题的有效方式［9］，在针对边缘计算综合管廊综合监控系统中，JACE 网络控制器是目前最成熟的边缘控制平台，应用Niagara Framework 边缘计算新兴的物联网技术进行研究，与云平台协同工作，实现对设备的互联及管理、可靠的在线数据流、能源分析、大数据预测和诊断，将异构数据、多种协议集成于一体，运用图形化编程工具编写分布式自动化应用程序。基于边缘计算的综合管廊监控系统总体架构，综合管廊监控系统融合网络通信、数据运算、设备管理等开放平台，提供本地实时性高，智能服务的数据处理技术［10］，研究与设计的过程中弥补云计算服务的不足，扬长避短产生特定的优势。针对边缘计算的实施场景，设计综合监控系统各个子系统的功能、数据融合，实现了组件平台化，接入开放化，集成标准化，分布式弹性化，具有一定推广与应用价值。