何東，馬曉輝，劉國印

（深圳市信諾興技術有限公司）

1 城市綜合管廊簡介

城市綜合管廊指在城市地下建造一個隧道空間，將電力、通訊、燃氣、供熱、給排水等各種工程管線集中布置，并設有專門的檢修口、吊裝口和監(jiān)測系統(tǒng)，實施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設計、統(tǒng)一施工和運維，是現(xiàn)代城市地下市政基礎設施的重要組成，對滿足民生基本需求、提高城市綜合承載力、節(jié)約土地資源、增強管線抗災抗險發(fā)揮著重要作用。

地下綜合管廊建設避免了敷設和維修地下管線頻繁挖掘道路對交通和居民出行造成的影響，保持路容完整和美觀；同時也降低了路面多次翻修的費用和工程管線的維修費用，保持了管線的耐久性。

近幾年，國家高度重視推進城市地下綜合管廊建設，根據(jù)測算，未來地下綜合管廊需建8000km，若按1.2億元/km測算，投資規(guī)模將達1萬億。

2015年5月22日，住建部和質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布了GB50838-2015《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》，于2015年6月1日正式實施?！兑?guī)范》提出城市綜合管廊的設計、建設工作應遵循“規(guī)范先行、適度超前、因地制宜、統(tǒng)籌兼顧”的建設原則。

城市綜合管廊采用干線綜合管廊、支線綜合管廊和纜線管廊三級結構組成，根據(jù)具體情況設計單艙、雙艙或多艙。

2 管廊信息和智能化系統(tǒng)組成和特點

按照《城市綜合管廊工程技術規(guī)范》要求[1]，綜合管廊配置附屬設施子系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 綜合管廊附屬設施子系統(tǒng)示意圖

綜合管廊的建設和運營具有如下特點：①管廊線路長，覆蓋面積大，廊內(nèi)管線和設備數(shù)量多、復雜度高；②管廊屬于地下構筑物，無法直接觀察其運行狀況，日常維護主要靠自動化和智能化的儀器設備，輔之以人工；③管廊所處環(huán)境自然條件復雜，災害風險高，對附屬設施、設備及管線抗險和抗損要求高；④管廊內(nèi)放置的各類管線是維系城市運行的重要支撐，一旦出現(xiàn)故障，后果嚴重，對可靠性要求苛刻；⑤各輔助系統(tǒng)種類和廠家眾多，技術標準和指標不一致，給平臺數(shù)據(jù)整合和統(tǒng)一控制造成難度。

城市綜合管廊的信息和智能化系統(tǒng)建設目標是將整個城市綜合管廊規(guī)劃、建設、監(jiān)控、管理、運營結合起來，利用智慧化手段了解管線的數(shù)量、位置、運行狀態(tài)等，將看不見的管網(wǎng)變成可視化、數(shù)字化、虛擬化的系統(tǒng)，并對其實現(xiàn)全生命周期的管控，從而為地下綜合管廊的安全運行、應急處置提供強有力的保障，也有助于提高綜合管廊的資產(chǎn)管理及運營效率，最大限度發(fā)揮綜合管廊的經(jīng)濟和社會效益。智慧管廊的開發(fā)建設也經(jīng)歷了第一代（傳統(tǒng)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）的發(fā)展階段。

如何實現(xiàn)上述目標，我們認為在系統(tǒng)設計時不能僅局限于各個獨立的子系統(tǒng)，只追求獨立子系統(tǒng)的功能和性能，整個系統(tǒng)的架構設計不科學、不合理，反而會造成子系統(tǒng)之間相互掣肘和相互影響，造成整個系統(tǒng)運行效率不高、可靠性下降。

3 新一代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構

綜合管廊內(nèi)部署了大量的需要自動運行的前端監(jiān)測設備和控制設備，是典型的物聯(lián)網(wǎng)應用環(huán)境。僅以綜合管廊系統(tǒng)涉及的傳感器為例，包括用于結構安全監(jiān)測的沉降傳感器、傾斜傳感器、裂縫傳感器、斷面收斂傳感器、應變傳感器、加速度傳感器，用于環(huán)境和火災、監(jiān)測的氧氣傳感器、CO傳感器、可燃及有毒氣體傳感器、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、液位儀、流量傳感器等，更不要說星羅密布的監(jiān)控攝像頭、煙霧探測器等設備。后端平臺上的應用更呈現(xiàn)出多元化和不斷更新的特點，所以在規(guī)劃設計之初確定一個好的架構顯得尤為必要。

原來以BMS為主流的系統(tǒng)集成模式已經(jīng)無法滿足綜合管廊智能化建設的需求，必須采用新一代物聯(lián)網(wǎng)架構，才可以最大限度發(fā)揮前端數(shù)據(jù)和后端大數(shù)據(jù)、云平臺的無縫鏈接和整合協(xié)同功能，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性、魯棒性、可擴展性。

傳統(tǒng)的BMS或者IBMS是采用“本地服務器—軟件API—末端系統(tǒng)”（第一代）或者“協(xié)議網(wǎng)關—固件接口—末端系統(tǒng)”（第二代）的架構體系，這種架構存在比較突出的弊端。

①每個末端產(chǎn)品都需要開發(fā)接口，無法實現(xiàn)標準化，固件版本繁多，接入難度大，周期長，成本高。

②穩(wěn)定性差，受開發(fā)人員的個人能力影響大，尤其后期的維護和升級難度增大。

③無法有效實現(xiàn)專業(yè)分工，需構建開發(fā)集成生態(tài)鏈。一家公司無法高質(zhì)量完成從底層接入末端顯示的所有任務，導致系統(tǒng)過于封閉，無法滿足客戶需求，更無法高效打通與云計算、移動網(wǎng)絡支付、大數(shù)據(jù)、3D顯示、云存儲、區(qū)塊鏈等新技術的應用。

本文以施德朗公司的XEndue為例，介紹新一代物聯(lián)網(wǎng)結構體系。體系采用“邊緣中控主機—可編程配置操作系統(tǒng)—末端系統(tǒng)”的架構，由四個部分組成，分別是：Marswindow、IOT DMS、交付APP、邊緣中控主機。XEndue框架從根本上改變了控制設備和系統(tǒng)連接的傳統(tǒng)模式，讓設備和設備之間、平臺與平臺之間、平臺與設備之間實現(xiàn)了完美互聯(lián)。XEndue的系統(tǒng)架構示意圖見圖2。

圖2 XEndue的系統(tǒng)架構示意圖

相較于傳統(tǒng)的BMS或IBMS模式，新一代物聯(lián)網(wǎng)架構具備一些突出特點。

①開放的架構提供了強有力的平臺接入能力。

②圖像化可編程平臺可適配幾乎所有的主流通信協(xié)議，實現(xiàn)標準化操作完成簡單快捷的接入效率，大幅降低系統(tǒng)集成的開發(fā)難度。

③采用類似訂閱的方式（MQTT協(xié)議）處理信息交互，大大提高數(shù)據(jù)的及時性和穩(wěn)定性。

④高效的交付能力。采用APP交付軟件測試點位，縮短交付時間，提高點位精準度。

⑤迭代能力突出。

⑥改造升級效率高，兼容性強。

感知層的應用系統(tǒng)（如監(jiān)控或者門禁系統(tǒng)）、硬件設備（如冷機群控/燈光照明/環(huán)控傳感器等）通過SDK或者邊緣控制主機接入邊緣層（XEndue框架），然后邊緣層和云服務通過MQTT協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議）進行數(shù)據(jù)交換，MQTT協(xié)議是IBM公司于1999年提出的，目前最新版本是3.1.1。一個基于客戶端—服務器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，MQTT協(xié)議具有輕量、簡單、開發(fā)和易于實現(xiàn)的優(yōu)點，尤其適合于硬件性能低下的遠程設備或者網(wǎng)絡狀況不佳的環(huán)境，比如遍布城市角落的綜合管廊設備。在云端采用了騰訊云的微瓴Linkbase操作系統(tǒng)，在這個層面，可以充分利用騰訊的各類云端資源，從基礎服務（如權限管理/安全管理等）到物模型（如地圖定位）、數(shù)據(jù)分析（如視頻分析/活力預測），通過這些云資源可以開發(fā)出各類最終客戶應用，如信息發(fā)布、3D顯示、大數(shù)據(jù)分析、辦公自動化、微信小程序、在線支付等。

概括而言，新一代物聯(lián)網(wǎng)架構采用“端—邊—管—云”的模式搭建整個系統(tǒng)和生態(tài)鏈。作為現(xiàn)場層采用邊緣計算方式，可以將許多需要現(xiàn)場監(jiān)控和聯(lián)動的功能進行實時計算、判斷和操作，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)對設備實時反饋的要求；在后端，通過國際標準MQTT協(xié)議完成信息的上傳下達，確?，F(xiàn)場和后端通信的無縫連接，最后利用云端強大的數(shù)據(jù)存儲、分析、顯示功能，也包括在云端平臺快速實現(xiàn)支付、識別等復雜或第三方眾多應用功能。這些都是傳統(tǒng)BMS模式無法實現(xiàn)或者實現(xiàn)能力受限的。

新一代物聯(lián)網(wǎng)技術將邊緣計算系統(tǒng)和云計算平臺實現(xiàn)了有機結合。邊緣計算是指在靠近物或者數(shù)據(jù)源頭的一側，具有一定的算力和存儲能力，采用集網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力于一體的開放平臺，就近提供靠端服務，可以讓物聯(lián)網(wǎng)應用產(chǎn)生更迅速的響應，滿足諸多物聯(lián)網(wǎng)應用場景在實時反應、應用智能、安全隱私等方面的特性要求，可以說是以往分布式處理的升級換代。云端平臺可以通過網(wǎng)絡（有線或無線）訪問邊緣網(wǎng)絡存儲的各種數(shù)據(jù)，并對邊緣計算群進行統(tǒng)一的管理和調(diào)配，負責全網(wǎng)算力和數(shù)據(jù)的管控。目前的邊緣系統(tǒng)更注重多種協(xié)議的接入能力、統(tǒng)一的接入接口，以消除私有協(xié)議和數(shù)據(jù)模型的差異。

在應用層面上，也要采用分層式架構思想進行統(tǒng)一規(guī)劃、分步建設。一般而言，整個智慧管廊平臺由4層架構組成，即設備感知層、網(wǎng)絡傳輸層、監(jiān)控調(diào)度層、運維管理層。智慧管廊分成兩大平臺：監(jiān)控報警平臺和運維管理平臺。

1）監(jiān)控報警平臺

監(jiān)控報警管理平臺以管廊防火分區(qū)為單位進行部署，包括環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)（包括智能供配電子系統(tǒng)/設備監(jiān)控子系統(tǒng)/環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)/網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)等）、通信系統(tǒng)（包括有線電話子系統(tǒng)/無線對講子系統(tǒng)等）、安全防范系統(tǒng)（包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)/入侵報警子系統(tǒng)/電子巡更子系統(tǒng)/出入控制子系統(tǒng)等）、可燃氣體報警系統(tǒng)、預警控制系統(tǒng)（包括防火門控制子系統(tǒng)/火災自動報警子系統(tǒng)/風機控制子系統(tǒng)/水泵閥門控制子系統(tǒng)等）。

2）運維管理平臺

運維管理平臺應設置如下基本功能模塊：管廊基本信息（包括管廊建設信息/管廊防火分區(qū)基本數(shù)據(jù)/管廊圖示數(shù)據(jù)等）、設備資產(chǎn)匯總和維護（包括設備資產(chǎn)數(shù)據(jù)/維修流程及申請/定期巡檢/故障處理等）、管線日常維護（包括管線維護單位信息/定期巡檢計劃和報告/管線維護工作規(guī)范流程）、空間出租管理（包括管廊空間租用申請辦理/租賃空間費用核算）。底層物理層的設備感知層、網(wǎng)絡傳輸層完成信息的采集和傳輸功能，當大量數(shù)據(jù)提交到云端時，我們可將其劃分為基礎服務層（也有的稱為中間件）和應用層，基礎服務層包括數(shù)據(jù)解析服務、信息整合、信息目錄、信息交換、空間信息等基礎性應用模組，然后在此基礎上構建包括管廊管理、管廊附屬設施管理、綜合統(tǒng)計和顯示、大數(shù)據(jù)分析等系列綜合應用服務。

值得一提的是，隨著新技術的推廣使用，越來越多的管廊信息化和智能化系統(tǒng)采用了BIM+GIS技術，具體來說就是在控制中心的綜合平臺上，可以實現(xiàn)如下功能：GIS+BIM查詢（包括設備定位信息顯示/設備屬性查詢/模型鏈接等）、3D導覽（包括3D漫游/3D模型展示/AV互動等）、空間管理、BIM數(shù)據(jù)庫、APP應用（手機端的數(shù)據(jù)查詢/OA流程辦理/音視頻對講通信/人員定位/隱患排查等）。