新一代物联网技术助力城市综合管廊信息和智能化系统建设

何东，马晓辉，刘国印

（深圳市信诺兴技术有限公司）

1 城市综合管廊简介

城市综合管廊指在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通讯、燃气、供热、给排水等各种工程管线集中布置，并设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、统一设计、统一施工和运维，是现代城市地下市政基础设施的重要组成，对满足民生基本需求、提高城市综合承载力、节约土地资源、增强管线抗灾抗险发挥着重要作用。

地下综合管廊建设避免了敷设和维修地下管线频繁挖掘道路对交通和居民出行造成的影响，保持路容完整和美观；同时也降低了路面多次翻修的费用和工程管线的维修费用，保持了管线的耐久性。

近几年，国家高度重视推进城市地下综合管廊建设，根据测算，未来地下综合管廊需建8000km，若按1.2亿元/km测算，投资规模将达1万亿。

2015年5月22日，住建部和质检总局联合发布了GB50838-2015《城市综合管廊工程技术规范》，于2015年6月1日正式实施。《规范》提出城市综合管廊的设计、建设工作应遵循“规范先行、适度超前、因地制宜、统筹兼顾”的建设原则。

城市综合管廊采用干线综合管廊、支线综合管廊和缆线管廊三级结构组成，根据具体情况设计单舱、双舱或多舱。

2 管廊信息和智能化系统组成和特点

按照《城市综合管廊工程技术规范》要求[1]，综合管廊配置附属设施子系统如图1所示。

图1 综合管廊附属设施子系统示意图

综合管廊的建设和运营具有如下特点：①管廊线路长，覆盖面积大，廊内管线和设备数量多、复杂度高；②管廊属于地下构筑物，无法直接观察其运行状况，日常维护主要靠自动化和智能化的仪器设备，辅之以人工；③管廊所处环境自然条件复杂，灾害风险高，对附属设施、设备及管线抗险和抗损要求高；④管廊内放置的各类管线是维系城市运行的重要支撑，一旦出现故障，后果严重，对可靠性要求苛刻；⑤各辅助系统种类和厂家众多，技术标准和指标不一致，给平台数据整合和统一控制造成难度。

城市综合管廊的信息和智能化系统建设目标是将整个城市综合管廊规划、建设、监控、管理、运营结合起来，利用智慧化手段了解管线的数量、位置、运行状态等，将看不见的管网变成可视化、数字化、虚拟化的系统，并对其实现全生命周期的管控，从而为地下综合管廊的安全运行、应急处置提供强有力的保障，也有助于提高综合管廊的资产管理及运营效率，最大限度发挥综合管廊的经济和社会效益。智慧管廊的开发建设也经历了第一代（传统型管廊）、第二代（需求型管廊）、第三代（整合型管廊）和第四代（智慧型管廊）的发展阶段。

如何实现上述目标，我们认为在系统设计时不能仅局限于各个独立的子系统，只追求独立子系统的功能和性能，整个系统的架构设计不科学、不合理，反而会造成子系统之间相互掣肘和相互影响，造成整个系统运行效率不高、可靠性下降。

3 新一代物联网系统架构

综合管廊内部署了大量的需要自动运行的前端监测设备和控制设备，是典型的物联网应用环境。仅以综合管廊系统涉及的传感器为例，包括用于结构安全监测的沉降传感器、倾斜传感器、裂缝传感器、断面收敛传感器、应变传感器、加速度传感器，用于环境和火灾、监测的氧气传感器、CO传感器、可燃及有毒气体传感器、温湿度传感器、气压传感器、液位仪、流量传感器等，更不要说星罗密布的监控摄像头、烟雾探测器等设备。后端平台上的应用更呈现出多元化和不断更新的特点，所以在规划设计之初确定一个好的架构显得尤为必要。

原来以BMS为主流的系统集成模式已经无法满足综合管廊智能化建设的需求，必须采用新一代物联网架构，才可以最大限度发挥前端数据和后端大数据、云平台的无缝链接和整合协同功能，从而提高整个系统的可靠性、鲁棒性、可扩展性。

传统的BMS或者IBMS是采用“本地服务器—软件API—末端系统”（第一代）或者“协议网关—固件接口—末端系统”（第二代）的架构体系，这种架构存在比较突出的弊端。

①每个末端产品都需要开发接口，无法实现标准化，固件版本繁多，接入难度大，周期长，成本高。

②稳定性差，受开发人员的个人能力影响大，尤其后期的维护和升级难度增大。

③无法有效实现专业分工，需构建开发集成生态链。一家公司无法高质量完成从底层接入末端显示的所有任务，导致系统过于封闭，无法满足客户需求，更无法高效打通与云计算、移动网络支付、大数据、3D显示、云存储、区块链等新技术的应用。

本文以施德朗公司的XEndue为例，介绍新一代物联网结构体系。体系采用“边缘中控主机—可编程配置操作系统—末端系统”的架构，由四个部分组成，分别是：Marswindow、IOT DMS、交付APP、边缘中控主机。XEndue框架从根本上改变了控制设备和系统连接的传统模式，让设备和设备之间、平台与平台之间、平台与设备之间实现了完美互联。XEndue的系统架构示意图见图2。

图2 XEndue的系统架构示意图

相较于传统的BMS或IBMS模式，新一代物联网架构具备一些突出特点。

①开放的架构提供了强有力的平台接入能力。

②图像化可编程平台可适配几乎所有的主流通信协议，实现标准化操作完成简单快捷的接入效率，大幅降低系统集成的开发难度。

③采用类似订阅的方式（MQTT协议）处理信息交互，大大提高数据的及时性和稳定性。

④高效的交付能力。采用APP交付软件测试点位，缩短交付时间，提高点位精准度。

⑤迭代能力突出。

⑥改造升级效率高，兼容性强。

感知层的应用系统（如监控或者门禁系统）、硬件设备（如冷机群控/灯光照明/环控传感器等）通过SDK或者边缘控制主机接入边缘层（XEndue框架），然后边缘层和云服务通过MQTT协议（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）进行数据交换，MQTT协议是IBM公司于1999年提出的，目前最新版本是3.1.1。一个基于客户端—服务器的消息发布/订阅传输协议，MQTT协议具有轻量、简单、开发和易于实现的优点，尤其适合于硬件性能低下的远程设备或者网络状况不佳的环境，比如遍布城市角落的综合管廊设备。在云端采用了腾讯云的微瓴Linkbase操作系统，在这个层面，可以充分利用腾讯的各类云端资源，从基础服务（如权限管理/安全管理等）到物模型（如地图定位）、数据分析（如视频分析/活力预测），通过这些云资源可以开发出各类最终客户应用，如信息发布、3D显示、大数据分析、办公自动化、微信小程序、在线支付等。

概括而言，新一代物联网架构采用“端—边—管—云”的模式搭建整个系统和生态链。作为现场层采用边缘计算方式，可以将许多需要现场监控和联动的功能进行实时计算、判断和操作，实现物联网对设备实时反馈的要求；在后端，通过国际标准MQTT协议完成信息的上传下达，确保现场和后端通信的无缝连接，最后利用云端强大的数据存储、分析、显示功能，也包括在云端平台快速实现支付、识别等复杂或第三方众多应用功能。这些都是传统BMS模式无法实现或者实现能力受限的。

新一代物联网技术将边缘计算系统和云计算平台实现了有机结合。边缘计算是指在靠近物或者数据源头的一侧，具有一定的算力和存储能力，采用集网络、计算、存储、应用核心能力于一体的开放平台，就近提供靠端服务，可以让物联网应用产生更迅速的响应，满足诸多物联网应用场景在实时反应、应用智能、安全隐私等方面的特性要求，可以说是以往分布式处理的升级换代。云端平台可以通过网络（有线或无线）访问边缘网络存储的各种数据，并对边缘计算群进行统一的管理和调配，负责全网算力和数据的管控。目前的边缘系统更注重多种协议的接入能力、统一的接入接口，以消除私有协议和数据模型的差异。

在应用层面上，也要采用分层式架构思想进行统一规划、分步建设。一般而言，整个智慧管廊平台由4层架构组成，即设备感知层、网络传输层、监控调度层、运维管理层。智慧管廊分成两大平台：监控报警平台和运维管理平台。

1）监控报警平台

监控报警管理平台以管廊防火分区为单位进行部署，包括环境与设备监控系统（包括智能供配电子系统/设备监控子系统/环境监控子系统/网络监控系统等）、通信系统（包括有线电话子系统/无线对讲子系统等）、安全防范系统（包括视频监控系统/入侵报警子系统/电子巡更子系统/出入控制子系统等）、可燃气体报警系统、预警控制系统（包括防火门控制子系统/火灾自动报警子系统/风机控制子系统/水泵阀门控制子系统等）。

2）运维管理平台

运维管理平台应设置如下基本功能模块：管廊基本信息（包括管廊建设信息/管廊防火分区基本数据/管廊图示数据等）、设备资产汇总和维护（包括设备资产数据/维修流程及申请/定期巡检/故障处理等）、管线日常维护（包括管线维护单位信息/定期巡检计划和报告/管线维护工作规范流程）、空间出租管理（包括管廊空间租用申请办理/租赁空间费用核算）。底层物理层的设备感知层、网络传输层完成信息的采集和传输功能，当大量数据提交到云端时，我们可将其划分为基础服务层（也有的称为中间件）和应用层，基础服务层包括数据解析服务、信息整合、信息目录、信息交换、空间信息等基础性应用模组，然后在此基础上构建包括管廊管理、管廊附属设施管理、综合统计和显示、大数据分析等系列综合应用服务。

值得一提的是，随着新技术的推广使用，越来越多的管廊信息化和智能化系统采用了BIM+GIS技术，具体来说就是在控制中心的综合平台上，可以实现如下功能：GIS+BIM查询（包括设备定位信息显示/设备属性查询/模型链接等）、3D导览（包括3D漫游/3D模型展示/AV互动等）、空间管理、BIM数据库、APP应用（手机端的数据查询/OA流程办理/音视频对讲通信/人员定位/隐患排查等）。