浅谈边缘计算在综合管廊监控系统应用

安科瑞 陈聪

摘要：本文介绍了基于边缘计算技术及其特点,根据综合管廊监控系统需求分析了NiagaraFramework的JACE8000系统控制的功能,并应用综合管廊监控系统的硬件和软件,实现上位机对现场智能节点的远程通信与控制,合理地实施控制技术,以达到边缘计算应用的目标。

关键词：边缘计算；综合管廊；监控系统；数据

0引言

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，**办公厅下发《**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，要建设具有技术的地下综合管廊。随着数字化浪潮的兴起，2020年住房和城乡**和**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**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**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**，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。JACE8000控制器发挥NiagaraFramework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**实现数据保存、调用。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**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。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512kb的闪存以及64kb的RAM，**工作频率可达72MH，较好的技术参数大大优化了系统硬件，系统功耗*大降低了。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。

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：**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；*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

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**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，Niagara4Supervisor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。

4AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台

4.1平台概述

AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台集电力监控、能源管理、电气安全、照明控制、环境监测于一体，为建立可靠、安全、**的综合管廊管理体系提供数据支持，从数据采集、通信网络、系统架构、联动控制和综合数据服务等方面的设计，解决了综合管廊在管理过程中存在内部干扰性强、使用单位多及协调复杂的根本问题，大大提高了系统运行的可靠性和可管理性，提升了管廊基础设施、环境和设备的使用和恢复效率。

4.2平台组成

安科瑞城市地下综合管廊能效管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所环境监控系统、智能马达监控系统、电气火灾监控系统、消防设备电源系统、防火门监控系统、智能照明系统、消防应急照明和疏散指示系统。用户可通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对管廊用电和用电安全进行进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足管廊用电可靠、安全、稳定、**、有序的要求。

4.3平台拓扑

4.4平台子系统

4.4.1电力监控

电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。

4.4.2环境监测

环境监测包括温湿度、烟感温感、积水浸水、可燃气体浓度、门禁、视频、空调、消防数据的采集、展示和预警，同时也可接入管廊舱室内的水泵和通风排烟风机等设备集成的*三方系统完成管廊环境综合监控。

4.4.3电气安全

 AcrelEMS-UT能效管理系统针对配电系统的电气安全隐患配置相应的电气火灾传感器、温度传感器，消防设备电源传感器、防火门状态传感器，接入消防疏散照明以及指示灯具的状态实时显示，并且对UPS的蓄电池温度、内阻进行实时监视，发生异常时通过声光、短信、APP及时预警。

4.5相关平台部署硬件选型清单

4.5.1电力监控及配电室环境监控系统

4.5.2电气火灾监控系统

4.5.3消防设备电源监控系统

4.5.4防火门监控系统

4.5.5消防应急照明和疏散指示系统

5结语

综上所述，城市综合管廊基础设施建设对城市发展起到非常积*的促进作用。相关部门及工程建设单位，应该在认识到科技产品应用对综合管廊建设重要性的基础上，积*采取有效措施，以改善综合管廊建设环境，提高其应用效率。在充分了解物联网融合通信系统后，继续寻找创新突破之法，将该系统技术更加有效地应用于城市建设工程中，使其发挥*大效用，对民众的生产生活起到更大的促进作用。相关技术研发人员，也应该加大技术研发力度，进一步推陈出新，应用相关技术推动城市发展。

参考文献

【1】陈杰，蒋澄．NiagaraFramework技术在云边协同的智慧建筑管理系统的应用［J］.城市建筑，2018(16):57-59.

【2】梅鲁海，城市地下综合管廊统一管理业务集成平台的设计［J］．温州职业技术学院学报，2019（2）：54-57，62

【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05

【4】万亚，朱祖港.边缘计算在综合管廊监控系统应用