地下综合管廊物联网技术应用研究

赵欣?张耀东

一、概述

地下综合管廊集电力、通信、燃气、供热、给排水等各种工程管线于一体，实施统一规划、统一设计、统一建设和统一管理，是现代化、科学化、集约化的城市“生命线”。近年来，综合管廊受到了国家的高度重视。自2015年国务院办公厅发布《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》（国办发〔2015〕61号）以来，综合管廊进入快速发展新时代。在此背景下，综合管廊快速大规模建设带来的成本、安全与效率问题日益突出。尤其是在综合管廊的监控系统设计上，可参考的标准、案例和工程经验少，标准要求较为粗放，可借鉴的经验少。设计方案为了追求稳妥而标准较高，通常采用基于工业PLC的中心化解决方案进行综合管廊环境与设备系统监控。由于综合管廊是线性工程，监控点位多且分散，在采用PLC的监控方案时，存在数据收集量和处理能力有限、建设成本高、施工难度大、交付周期长、运维费用高、后期扩展难等问题。因此，基于PLC的传统环境与设备监控系统方案已经难以适应综合管廊的可持续健康发展，新兴的物联网技术逐渐走进视野。但是，由于综合管廊密闭、潮湿、电磁干扰强且各种金属管线密布，已有的物联网设备很难直接应用于综合管廊，需要结合综合管廊场景的需求进行研究和创新，以保证物联网监控方案在综合管廊应用的可靠性。本文以雄安站枢纽片区综合管廊工程为依托，开展了物联网技术在综合管廊的应用研究与实践。主要工作包括：提出物联网管理控制开放平台、物联网SDN网关、物联网网络控制器、物联网耦合器和物联网协调器的技术要求等，基于雄安站枢纽片区综合管廊工程开展基于物联网设备的工程设计。

二、物联网管理控制开放平台功能设计

（一）总体架构

综合管廊物联网系统总体架构如图1所示，自下而上应分为感知与控制层、网络层、数据层和应用层。感知与控制层具备获取信息、控制设备、接入网络、离线存储、边缘计算等功能，由传感器、受控设备、物联网耦合器、物联网控制器等组成。网络层具备网络计算、信号覆盖、数据传输等功能，由物联网网关、物联网中继等设备组成。数据层包括设备、环境、时空等数据，具备数据存储、清洗、备份、配置、转换、集成等功能。应用层具备现场设备注册与注销、远程设备控制、网络故障诊断、设备远程升级、业务策略定义和下发、监控分区和舱室定义、南北向接口自定义、权限和角色管理、日志管理等功能，可以满足综合管廊统一管理平台的集成要求。

物联网管理控制开放平台位于应用层，在物联网应用和真实设备之间搭建高效、稳定、安全的物联网操作系统。面向设备，提供传输协议设备接入和管理服务，针对设备多角度监测数据提供纠误分析、轻量级业务制定；面向管理，提供数据接口和消息实时分发能力以满足管理需求，缩短物联网系统的部署周期，降低运营和运维成本。

（二）功能设计

物联网管理控制开放平台总体功能概览如图2所示，具体功能包括：现场设备注册与注销、远程设备控制、网络故障诊断、设备远程升级、业务策略定义和下发、监控分区和舱室定义、南北向接口自定义、权限和角色管理、日志管理等九大功能。

现场设备注册与注销模块具有配置设备名称、位置、数据格式、传输频率、传输协议、触发机制、安全鉴权策略等属性的功能；具有对已注册设备在系统中销户的功能，设备注销时保留未注销前的所有数据；具备现场设备组态功能。

远程设备控制模块具有对现场设备进行远程启停、状态查询等操作的功能；能反馈控制操作结果。

网络故障诊断模块具有对现场网络运行情况进行自动收集、故障告警和定位故障设备的功能。

设备远程升级模块具有设备固件下发、断点续传、更新、重启、业务恢复和保持等功能。

业务策略定义和下发模块具有通过图形化界面完成设备联动业务的组织和配置；联动业务类型符合《城镇综合管廊监控与报警系统工程技术标准》（GB/T 51274—2017）规范要求；具有现场业务策略的定义、下发、编辑、运行、暂停、删除、恢復、结果反馈、故障告警等功能。

监控分区和舱室定义模块具有不同空间结构管廊舱室的位置定义功能。

南北向接口自定义模块中北向接口定义具有通过定义规约和安全鉴权机制，满足综合管廊统一管理平台数据请求、订阅、访问等需求的功能；南向接口定义具有通过定义规约和安全鉴权机制，满足物联网网关及其他系统的数据接入、传输等需求的功能。

权限和角色管理模块具有不同业务级别和操作权限配置功能。

日志管理模块具有系统、设备、网络、用户的完整运行和操作日志的功能。日志包括事件发生时间、事件主体、主体位置、主体状态或行为等内容；日志可通过空间关系进行筛选查询。

三、物联网设备功能及技术要求

面向综合管廊监控需求，基于物联网技术的监控方案共包括四种物联网设备，分别为物联网SDN网关、物联网网络控制器、物联网耦合器和物联网协调器（图3）。

（一）物联网SDN网关

物联网SDN网关是连接物联网和互联网系统主干的通道控制设备，用于区域物联网网络管理、现场端到平台端数据传输、平台到现场端指令下发传达（图4）。

1）支持Mesh网络拓扑结构自组网；

2）支持2.4 G无线网络通信方式；

3）具有以太网、IEEE 802.15.4无线模块、RS485接口；

4）支持IPv6网络；

5）支持网络授时功能；

6）支持网络拓扑收集、指令解析与转发；

7）支持对前端网络节点设备收集的感知数据存储；

8）支持网关双机主备功能。

（二）物联网网络控制器

物联网网络控制器是基于物联网的执行器控制单元，用于接入照明、风机、水泵等机电设备的控制回路和末端感知设备（图5）。

1）支持DI、DO、RS485、AI（4～

20 mA）接口；

2）RS485波特率可配置；

3）支持modbus RTU协议；

4）支持对接入传感器、机电设备等参数配置与存储；

5）支持设备之间M2M联动。

（三）物联网耦合器

物联网耦合器是物联网末端感知设备连接器，用于接入传感器和简单输入输出交互控制场景的设备（图6）。

1）具有多路AI（4～20 mA）、RS485等接口；

2）RS485波特率可配置；

3）支持modbus RTU协议对接；

4）支持对接入传感器的采集周期等参数配置与存储；

5）支持设备之间M2M联动。

（四）物联网协调器

物联网协调器是无线组网的中继设备，负责网络数据的分发、转载，实现信号的中继和放大，是协调物联网内部网络控制及数据传输等的多功能设备。

1）支持2.4 G无线信号传递与中继；

2）支持多路由转发；

3）支持网络节点故障探测与上报功能；

4）支持掉电保持，重启自恢复；

5）支持配置信息断电保持与恢复。

四、工程应用

（一）雄安站枢纽片区综合管廊工程概况

雄安站枢纽片区位于雄安新区东北部、淀东片区昝岗组团之中，西临昝岗生态森林区，东接昝岗郊野公园带，规划用地面积 4.9 平方千米。雄安站枢纽片区综合管廊包括干线综合管廊、支线综合管廊，并且结合节点设临时监控中心一座。

（二）基于物联网技术的环境与设备监控系统设计

1．系统功能

环境与设备监控系统主要功能包括：设备的手动/自动状态监视，启停控制，运行状态显示，运行记录，故障报警，温湿度等环境参数监测及自动控制，以及实现各种相关的逻辑控制关系、统计分析、能耗计量、电力监控等，确保各类设备系统运行稳定、安全、可靠和高效，并达到节能和环保的管理要求。

2．系统设置

本系统由两级组成，即监控中心和现地区域物联网系统。

环境与设备监控系统主机设于监控中心内，包括物联网管理控制开放平台、监控工作站、服务器、打印机、网络通讯设备等，对各监控设备进行统一监测、控制和管理，并完成系统设置、数据处理、能耗统计管理等工作。管理主机采用标准通信接口和协议，便于集成，能将信号送至上一级控制中心。

现地区域物联网系统由物联网SDN网关、物联网协调器、物联网终端耦合器、物联网控制器组成。在设备间部署物联网SDN网关，在每个舱室内每间隔50米部署一台物联网协调器，在环境探测传感器旁安装物联网终端耦合器，在受控设备控制箱安装物联网控制器。物联网SDN网关控制器通过网线与接入交换机相连，物联网终端耦合器通过通信线缆与环境探测传感器相连，物联网控制器通过控制线缆与控制箱相连。物联网SDN网关、物联网协调器、物联网终端耦合器、物联网控制器之间通过物联网协议无线组网实现环境参数采集和设备控制。

3．主要监控对象

基于物联网技术的环境与设备监控系统主要的监控对象为以下几类。

1）电力监控系统（供配电自动化管理自带独立系统，采用标准通讯接口，纳入环境与设备监控系统统一管理）。

2）通风系统（送、排风机）。

3）  给排水系统（集水坑、排水泵）。

4）智能照明系统。

5）环境监测。对综合管廊内环境参数进行监测与报警。环境参数检测内容应符合表1的规定，气体报警设定值应符合现行国家标准《密闭空间作业职业危害防护规范》（GBZ/T 205—2007）的规定。

硫化氢/甲烷气体探测器设置在管廊人员出入口和通风口处。

在每个舱室每个防火分隔中部安装氧浓度检测仪表一台、温度检测仪表一台、湿度检测仪表一台、液位检测仪一台。

当某段防火分隔氧含量过低，或温度过高，或湿度过高，或探测到有毒有害气体时，检测仪表发出报警信号，同时监控计算机自动启动该区段的通风设备，强制换气，保障工作人员和综合管廊内设施的安全。同时，配备手持式一体气体检测仪，工作人员进舱工作室携带。

6）结构监测。根据结构专业需求，在管廊易变形、沉降的位置设置传感器，对管廊结构进行监测。

7）能耗监测系统。对管廊能耗进行分类、分项计量，并采用标准通信接口，纳入环境与设备监控系统统一管理，并能将数据送至上一级的能耗监测系统，能提供能耗监测统计數据，提高节能运行管理水平。

8）管廊内高压电缆、热力、给水、燃气管路等各类工艺管线应自带自成系统的专业监控系统，并通过标准通信接口接入综合管廊监控与报警系统统一管理平台。

9）管廊监控与报警系统统一管理平台预留与管廊内各类管线配套检测设备、控制执行机构联通的信号传输接口。图7、图8为典型接线图。

五、结论与展望

本文从综合管廊的需求和面临的问题出发，结合综合管廊封闭、潮湿、电磁干扰强的环境特点，针对传统PLC中心化控制方案存在的数据收集量和处理能力有限、建设成本高、施工难度大、交付周期长、运维费用高、后期扩展难等问题，提出了适用于综合管廊的物联网技术解决方案。方案主要包括物联网管理控制开放平台、物联网网关、物联网控制器、物联网耦合器和物联网协调器等装备，实现了严苛环境下的去中心化控制结构、无线可靠Mesh组网、边缘侧区域控制。这代替了传统的PLC方案，并在雄安新区综合管廊大规模应用，将综合管廊环境与设备监控系统造价降低10%以上。

目前的综合管廊物联网解决方案，低成本实现了综合管廊的基本控制要求，实现了物联网技术在综合管廊的初步应用。下一步，随着数据的不断积累，结合综合管廊使用场景，拟进一步建立优化控制的算法模型，例如对设备的健康状态进行预测的算法模型、对管廊管线事故进行预警的算法模型等，使得综合管廊物联网向智能物联网进一步发展。

（责任编辑：张秋辰）