基于無源光網絡技術的地下綜合管廊通信與控制系統設計

賈高飛，吳 楠

（中鐵電氣化（武漢）設計研究院有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引 言

目前，城市地下綜合管廊均設置有監控與報警系統，其子系統可分為通信系統、控制系統、統一管理平臺3類，一般通過設置在控制中心的核心交換機、匯聚交換機與設置在綜合管廊內的接入交換機組成通信千兆以太環網，通過設置于管廊內的安防和監控機柜實現對廊內安防與監控設備的接入[1]。典型環境與設備監控系統中，納入監控系統的設備有風機、水泵、溫濕度變送器、氧氣濃度變送器、集水坑液位變送器、照明配電箱、動力配電箱（柜）、應急配電箱以及不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS），這些納入監控范圍的輸出信號包括模擬量輸入（Analog Input，AI）、數字量輸入（Digital Input，DI）、數字量輸出（Digital Output，DO）和總線信號，納入安防系統的設備有視頻監控、固定電話、無線通信、電子巡查、防入侵裝置、電控井蓋、沉降檢測以及出入口控制，其設備的通信接口一般為以太網。

隨著運營對于設備監控要求的提高，納入監控與報警系統的業務越來越多，原有的監控千兆以太環網和安防千兆以太環網的接入業務通過調整通信協議整合，優化設備組網，可以降低布線和維護成本。

傳統千兆交換機以太網所使用的局域網（Local Area Network，LAN）模式采用多級匯聚，層次復雜導致帶寬利用率低，只能夠提供 FE/GE 端口，在設計階段對接入業務類型和端口規劃要求較高，若遇到擴展用戶，布線的成本較高。

因此，有必要對管廊內的監控與安防業務的通信、控制方案進行優化。

1 研究思路

1.1 接入業務接口優化

通過對典型的管廊監控與報警系統梳理，按照環境與設備監控、安全防范、通信以及統一管理平臺，共分為20個子系統（平臺），具體劃分如下文所述。

環境與設備監控系統接入業務（9個）：氧氣含量檢測、溫濕度檢測、集水坑液位檢測、通風系統、排水系統、供配電系統（風機、水泵動力配電，消防動力配電已納入火災報警監控系統）、照明系統、應急照明系統、沉降監測裝置。

安全防范系統接入業務（6個）：視頻監控系統、拾音及揚聲器、防入侵裝置、電控井蓋、出入口控制、離線式電子巡查管理系統。

通信系統包括（4個）：固定通信系統（固定電話）、無線通信系統、工業以太網光傳輸網絡、干線光纜。

統一管理信息平臺（1個），對廊內環境與設備監控系統、安全防范系統、通信系統進行系統集成，具有數據通信、信息采集以及綜合處理功能。

具體通信需求如表1所示。

表1 具體通信需求

通過在設計階段優化設備接口選型，可以實現多種接入業務接口統一，尤其是采用總線RS485接口后，減少了線纜的布放，降低了投資造價和維護工作量。通過增加RS485接口的接入設備，減少了ACU監控機柜中區域控制器AI/DI/DO端口數量，利用RS485接口傳輸距離長的優勢，可每兩個防火分區設置1臺ACU機柜，減少一半的ACU監控機柜。

1.2 監控與安防系統組網優化

傳統設計中，監控與安防系統機柜采用并排或合規安裝，各自設置有獨立的千兆交換機以太環網，均接入同一核心交換機。因此，在接入業務接口優化基礎上，可以合并其通信交換機環網。考慮到安防業務中設備布點較多，可在每個防火分區設置一套千兆交換機，以滿足安防和監控業務通信需要。

2 通信網絡比選

從既有現狀看出，管廊通信主要有語音、數據業務兩種主要形式，目前有以下3種解決方案。

2.1 基于千兆交換機以太環網的通信技術

傳統設計規劃中，在每個防火分區的設備間設置有安防和監控接入交換機各一套，分別管廊內解決安防與監控通信需求，通過至監控中心的主干光纜，分別接入安防和監控匯聚交換機，均接入同一核心交換機。

該方案結構簡單，接口清晰，但未能徹底擺脫對銅纜限制，前期的設備和布線占據大量的人力物力，并且LAN接入前期的部署交換機要做到一次到位，若對用戶數的預測存在誤差，會造成端口長期閑置，也可能造成一些區域端口不足，擴容麻煩。

2.2 基于多業務接入平臺的綜合接入技術

在監控中心設置綜合監控遠端設備，利用主干光纜實現局端遠端設備連接，可以提供包括E1、POTS、FE、RS485在內的多種業務接口。

該方案雖然可以同時實現數據、語音的同時接入，但其星型組網的要求造成其保護能力差，過多依賴光纖資源。

2.3 基于PON的管廊通信與控制技術

采用無源光網絡（Passive Optical Network，PON）技術的通信方案，在管廊監控中心設置光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）設備，代替原交換機組網中的匯聚層交換機，在管廊防火分區各設備間設置光網絡終端（Optical Network Unit，ONU）設備，OLT設備與ONU之間可采用環形結構、總線形結構或星型結構，提供 E1、POTS、FE、FXO、FXS 、RS485等接口。

該技術是點到多點的接入技術，結合不同分光比的分光器后，可實現靈活組網，支持樹形、 星形、鏈型等形式組網，OLT布置在機房端，一套 OLT 可覆蓋廣闊的區域，中間的無源設備成本低廉，可以一次部署到位，ONU可以隨著業務的發展而擴展，并且ONU在OLT上注冊是自動完成的，因此當某區域需要增加ONU時直接加入網絡即可[2]。PON產品完全繼承了以太網技術的優點，ONU提供的以太網接口可直接為用戶提供10 Mb/s或100 Mb/s的終端接入速率，站傳輸速率可達1.25 Gb/s，可以保障最遠20 km的傳輸距離，完全克服了以太網及xDSL技術在距離和帶寬上的局限性，使寬帶接入方案的覆蓋范圍更為寬廣[3]。

由此可見，采用PON的管廊通信與控制技術，相對千兆交換機以太環網和多業務接入平臺（Multi-Service Access Platform，MSAP）綜合業務接入技術具有技術先進、組網靈活、保護能力強、線路資源占用少、投資低等特點。

3 管廊通信與控制系統方案研究

3.1 通信組網方案

相比傳統以太網千兆交換機組網，圖1列舉了4種PON替換方案，有樹型拓撲、環型拓撲、總線型拓撲、樹型干冗余拓撲[4]。

圖1 PON 拓撲

管廊內接入的業務點多、分布廣、呈鏈型分布，采用環形組網能夠最少的敷設光纜，并滿足安全性的要求，因此采用環形組網最為可靠。

如圖2所示，采用環形組網的綜合管廊PON通信方案，PON OLT原址替代匯聚交換機，廊內各接入工業交換機改為ONU，通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）實現對廊內環境及設備的監控與報警，即原ACU設備（交換機+PLC）升級為PON ACU（ONU+PLC），相較于傳統以太網交換機組網，OLT 布置在機房端，PON組網接入數量成本降低明顯，管廊項目中約6 km后PON優勢明顯。

圖2 綜合管廊無源光網絡（PON）通信方案

3.2 控制系統優化方案

以某市綜合管廊為例，7.5 km管廊共設置44個防火分區，有吊裝口22個，排風井22個，人員出入口6個，支線交叉井3座，墻部井1座，倒虹段1處，吊裝口和排風井處均設置有設備間。

3.2.1 總體建設方案

ACU監控機柜設置于排風口設備間，ONU設備柜設置于排風口、吊裝口設備間，現場的安防業務接至ONU機柜，現場的監控業務接至ACU監控機柜，ACU機柜通過TCP/IP接口，接入就近ONU機柜內的PON設備。

該段管廊共分為44個監控與報警控制區段（防火分區B01～B44），起點位于K0+000，終點位于K7+524，每兩個防火分區中間點設置有1個設備間，設備間均位于排風口、吊裝口。圖3為該段管廊通信與控制設備布置方案，左側為道路及控制中心區位圖，右側ONU設備柜（PON設備）安裝于B01～B44防火區段所有的設備間（包括排風口和吊裝口），ACU設備柜安裝于所有排風口設備間。

圖3 綜合管廊通信與控制設備布置方案

3.2.2 子系統接口優化

將紅外探測、電控井蓋、沉降監測、出入口控制納入監控系統管理，采用RS485接口的氧氣測量儀、溫濕度測量儀、液位、供配電系統、照明、應急照明、紅外探測器、電控井蓋、沉降監測、出入口控制設備，各防火墻內RS485接口設備通過電纜串聯，就近接入ACU控制機柜。

接口優化后的監控與安防設備，利用PON技術接入監控中心統一監控平臺，實現監控系統與風機、防火閥、水泵及其他報警的聯動，入侵報警系統與視頻監控系統之間的聯動，出入口控制系統與視頻監控系統之間的聯動，入侵報警系統與出入口控制系統之間的聯動，入侵報警系統與智能照明控制之間的聯動，出入口控制系統與智能照明控制之間的聯動，視頻監控與火災自動報警系統的聯動[5]。

3.2.3 成本分析

本項目中，優化后的核心交換機數量由兩臺降為1臺，匯聚交換機改為OLT，44套ACU控制柜優化為22套，并根據監控需要，減少了AI/DI/DO/總線/FE的模塊數量，單個ACU控制柜成本降低，原監控、安防的接入交換機改為PON設備實現，增加了PON設備POE供電功能，簡化網絡方案的同時，降低了組網成本和布線成本，實際工程應用中，通過工程量清單計價和指標價分析，基于PON技術的綜合管廊通信與控制系統節省投資達28%以上。

4 結 論

基于PON技術的綜合管廊通信與控制系統，是一套統一的管廊綜合管理信息系統，即地理上分散的SCADA系統，通過監控系統骨干網把管廊與控制中心的各級監控系統連接到一起，從而形成一個有機的整體?；赑ON光網絡技術的地下綜合管廊通信與控制系統，從帶寬、網管、資源、擴容、可靠性、成本等方面可知，其技術和成本優勢相比傳統以太網交換機組網具有較大的優勢，是精簡網絡、提高設備集成度、減少維護工作量、提高通信網絡可靠性、降低造價的有效方案，同時在實施項目的過程中保證狀態安全和快速進行，也是加快地下綜合管廊開展5G、智慧城市、物聯網等新技術推廣應用的有效途徑。