邊緣計算在綜合管廊監控系統應用

文｜浙江建設職業技術學院 胡力勤；杭州市地下管道開發有限公司 萬亞 朱祖港

綜合管廊就是在道路地下將電力、通訊，燃氣、供熱、給排水等多種管線設置同一個隧道空間，設有專門的監測系統，一種城市的基礎設施。2015年8月，國務院辦公廳下發《國務院辦公廳關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》大力發展地下綜合管廊建設，要建設具有先進技術地下綜合管廊。隨著數字化浪潮的興起，2020年住房和城鄉建設部和發改委13 部門聯合發布《關于推動智能建造與建筑工業化協同發展的指導意見》，推進建筑工業化、數字化、智能化升級。2020年浙江省推出《浙江省新型基礎設施建設三年行動計劃(2020—2022年)》中提出了統籌推進城市地下綜合管廊數字化建設。

綜合管廊監控系統運用傳感器網絡、物聯網、自動控制等理論和技術，借助GIS+BIM+物聯網，防火災、防盜、人員巡檢定位；以統一的平臺集成聯動，通過大數據技術，分析綜合管廊日常和應急狀態運行參數，建立起綜合管廊公共安全風險防控與應急技術。根據綜合管廊監控系統各子系統物理層、協議層和傳輸層的共性與特性，并進行建立其綜合模型；并在基礎上對子系統所產生的大批量實時數據進行存儲、檢索與分析，預警分析、事故處理。義烏市03 省道（宗澤路—環城北路）管廊綜合監控系統工程位于義烏稠城街道和福田街道，起于宗澤路-雪峰東路交叉口西北角，沿宗澤路至03 省道交叉口東南角接220KV 宗澤變后，沿03 省道至環城北路交叉口東南角，管廊全長約9586.351 米；包括管廊監控中心設備、管廊監控系統、電話系統、無線對講系統、機器人巡檢系統、消防報警系統（含監控中心消防報警）、移動通信信號覆蓋系統、電力監控系統、離線式巡檢管理系統、門禁系統、消防工程、軟件、綜合管路、標示標牌等工程內容。項目在具體建設過程中，由于綜合管廊監控系統由多個子系統組成，相互獨立，接口協議不規范，開發驅動多工作量大，無法實現標準化；沒有很好互融互通。運用云計算技術，數據需要中轉，大量占據傳輸帶寬，響應不及時2020年邊緣計算產業聯盟（ECC）發布《邊緣計算參考架構 3.0》，邊緣計算享有響應速度快，利用率高，通信量小，數據安全等優勢，具有異構性、分布性、連續性、靠近數據等的特點，下面我們分析邊緣計算在管廊監控系統應用。

1 理論基礎：系統架構設計

邊緣計算就是在靠近數據源頭或物的網絡側，融合計算、網絡、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業數字化在實時業務、數據優化、應用智能等方面的關鍵需求。隨著邊緣計算落地實踐應用，以云邊協同和邊緣智能為主要發展方向。為了克服當前云計算集中化、數據延時長、安全性差，將云計算“下沉”，設計了一種基于邊緣計算的綜合管廊監控系統。通過本地匯聚網絡、計算、存儲、應用、智能等提高服務性能，減少時延和帶寬需求，提升控制能力。JACE 8000 控制器發揮Niagara Framework 技術的特點，運用網絡通信技術，完成綜合管廊監控數據采集、管理和應用，構建“邊云”協同的分布式部署架構，在綜合管廊監控中心實現數據保存、調用［1］。JACE 網絡控制器作為邊緣控制平臺，可以實現對各子系統互聯及管理、集成、監控、數據記錄、報警、時間表和網絡管理的功能，運用MQTT 協議與華為云對接，并與云平臺進行協同工作。系統內核采用分層設計，開發了物聯網通訊標準，模塊化驅動，便于整個平臺在橫向和縱向靈活擴展，設計規范的軟件，達到設施設備運行安全。基于SOA 平臺化架構理念，監控系統支持C/S、B/S 或C/S、B/S 混用等不同“架構”，配置Wi-Fi,RFID,Zigbee 等眾多的工業標準。統一的接口調用方式，減少切換思維導致編碼速度下降，系統接口以動詞+名詞的形式命名，保證其簡單易懂。外部接口返回結果統一使用標準的JSON 格式，所有的接口必須要有日志，方便維護。綜合管廊監控系統面向服務的架構（SOA），在同一集成平臺上，實現多個系統業務信息流程的重組和擴展，大大提升監控系統的靈活性，降低監控系統的使用及維護成本［2］。基于邊緣計算綜合管廊監控系統一般分成前端數據感知層、邊緣計算層、云計算層3 層。

1.1 前端數據感知層

綜合管廊監控系統前端數據感知層一般由CH4、O2、CO、CO2等氣體傳感器、照度傳感器、溫濕度傳感器、光纖溫度傳感器、煙感、手動報警模塊、網絡攝像機、紅外被動探測器、電量計量儀表、液位傳感器、I/O 模塊組成，它們感知綜合管廊物理變化變換成弱電信號，一般分為兩類，模擬量和數字量。前端數據感知層采用ZigBee 網絡，選用樹型+星型結構組網。ZigBee 節點采用CC2530 芯片，嵌入式網關使用 STM32F103 芯片。STM32F103 芯片具有 512 kb 的閃存以及 64 kb 的SRAM，最高工作頻率可達72 MH，較好的技術參數大大優化了系統硬件，系統功耗極大降低了［3-4］。WiFi 模塊選用ESP-07 芯片組，將ZigBee 網絡和WiFi 相結合，大大增加了前端數據互通與連接。

1.2 邊緣計算層

JACE 網絡控制器8000 具有如下特點：升級的Niagara4 平臺，模塊化結構與設計，免工具安裝，支持WiFi 功能，內置標準開放的驅動程序，靈活的授權許可，具有RS485 端口、以太網接口、WiFi 連接，通過MQTT 協議與云計算層通信對接。邊緣計算層能夠完成本地數據的快速采集、分析，實時性高，由具備一定計算、儲存能力的網絡邊緣節點組成，響應業務實時增值決策［5］。

1.3 云計算層

云計算層具有運算能力強大，存儲空間大等特點，對上傳的數據接收、存儲、發布、控制，完成數據計算算法處理分析。國內比較可靠的就是華為云和阿里云，本系統就是基于華為云部署的。連接華為云物聯網云平臺的方式有兩種：第一種裝有Niagara 的連接以太網的本地電腦或者部署Niagara 項目的本地服務器直接連接；第二種部署有分布式的物聯網邊緣計算網關JACE8000 系列直接連接。將綜合管廊各種信息按照MQTT 協議封裝成MQTT 控制報文，進行存儲分析，并且發布。可以通過PC、PAD、手機各種終端調用查詢。

2 應用模塊：預警和報警模塊功能

圖1 邊緣計算綜合管廊監控系統

預警和報警模塊主要為管廊整體的安全運維服務，對每一報警提供報警詳情全面展示報警的關聯信息，支持狀態合并，重復報警合并，限值合并等不同的報警顯示方式；支持多種報警統計查詢方式，如洪水統計、數量統計、時序統計、高頻統計、反復報警統計、頑固報警統計、報警KPI分析統計；提供各類統計功能，用于報警數量和分布的統計，可作為報警改進優化的依據，過濾無效或低效報警，也可將統計功能作為預警模型的一部分，參與預警運算和觸發等功能。主要包括：綜合監控管理功能、實時告警一覽功能、設備告警聯動配置功能、報警方案管理功能、歷史告警查詢功能、歷史趨勢查詢功能等。客戶端通過Web 瀏覽器，Niagara 4 Supervisor提供數據日志記錄/趨勢分析、數據庫管理、存檔并輸出到外部數據庫、報警、系統導航、時間表、儀表盤報告；通過XML接口(OBIX 標準協議)與其它應用軟件程序集成，實時顯現圖形化信息［6-7］。以管廊分區為劃分，打破各子系統的邊界，弱化底層各子系統功能，對設備層子系統進行扁平化，構建邊緣計算設備在邊緣節點之間局域通信網絡[8]，實現邊緣層信息互聯、互通、聯動。配置管廊內各個設備間設備聯動的預案，當故障發生時，系統自動調用相應預案進行處理。通過系統提供圖形化工具進行聯動方案的定義。設備聯動的內容應包括：視頻、消防、安防、照明等，提供聯動方案的添加、刪除、修改。可根據自定義條件查詢已配置的聯動方案。當系統發現有故障、報警信息時，可按照相關設定預案，自動對相關監控設備（例如：攝像機）進行業務聯動操作，例如：視頻錄像、燈光開關、空調開關、風機開關等。聯動方案可由時間觸發，如每隔一段時間開啟風機進行排風，也可由故障、報警觸發。聯動方案可由多個條件觸發。聯動方案可順序或同時聯動多個設備。聯動可自動執行，也可手動執行。聯動方案的執行邏輯可包含界面交互步驟，在執行過程中，根據用戶的選擇，執行不同的操作。與傳統構架監控系統比較，邊緣計算構架監控系統傳輸流量有所降低，降低了傳輸成本，緩解云計算層運算、存儲壓力。

3 拓展應用：應急指揮功能模塊

充分發揮將各個智能子系統在統一管理平臺優勢，應急調度指揮系統中增設應急指揮處置功能，協助管廊公司管理人員或相關處突部門面對緊急事件，能夠及時處理，降低人員傷亡與財產損失。實現管廊內應急數據的收集、分析，應急指揮的輔助決策、應急資源的組織、協調和管理控制等指揮功能，通過前端監測設備數據接口對風險源進行重點監視，通過與管線托管單位的信息化系統進行對接，建立應急物資庫，對應急物資建立詳細的資料信息庫，建立應急專家庫，對應急專家建立詳細的資料信息庫，滿足根據分級機制問題發生后，各搶險指揮部指揮調度搶險等。

4 結語

綜合管廊代表了城市基礎設施發展的最新模式和必要方向，是解決城市地下空間與管網問題的有效方式［9］，在針對邊緣計算綜合管廊綜合監控系統中，JACE 網絡控制器是目前最成熟的邊緣控制平臺，應用Niagara Framework 邊緣計算新興的物聯網技術進行研究，與云平臺協同工作，實現對設備的互聯及管理、可靠的在線數據流、能源分析、大數據預測和診斷，將異構數據、多種協議集成于一體，運用圖形化編程工具編寫分布式自動化應用程序。基于邊緣計算的綜合管廊監控系統總體架構，綜合管廊監控系統融合網絡通信、數據運算、設備管理等開放平臺，提供本地實時性高，智能服務的數據處理技術［10］，研究與設計的過程中彌補云計算服務的不足，揚長避短產生特定的優勢。針對邊緣計算的實施場景，設計綜合監控系統各個子系統的功能、數據融合，實現了組件平臺化，接入開放化，集成標準化，分布式彈性化，具有一定推廣與應用價值。