浅谈边缘计算架构的智慧城市管廊综合监控方案设计

钱琪明

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：视频综合系统在整个智慧管廊的建设系统中属于非常关键性的分系统。文章分析智慧管廊目前的建造情况，挖掘智慧管廊目前的建造情况及其存在的问题。据此，基于边缘计算架构展开管廊综合监控系统设计，阐述管理的需求，阐述系统的架构，分析存储的数据，从多个方面分析具体施工的工艺及其执行的要点，分析边缘计算的运用效果，*后从规划和管理体系、智能化监控体系以及应急式处置体系等3个方面分析智能化管理平台的设计。

关键词：边缘计算；智慧管廊；综合监控；系统

0引言

管廊领域的建设愈来愈备受重视，尤其在建设智慧城市的大环境背景下，智慧化管廊也应运而生。智慧管廊的建设越来越备受设计组织、建设机构以及硬件和软件的开发商等的广泛关注。我们所说的指挥管廊，其实就是把传统形式的传感器所涉及到的诸项技能有机地融入其中，包括智能化、大数据、互联网、人工智能以及物联网，经由管廊中设施互联信息的共享之后，达到管廊运作的智慧化监督控制、运作、运营及其应急式响应的目标。通过智慧管廊的作用，以往管廊可能存在的安全隐患可以尽可能地消除，无论是管理还是运维方面的服务情况都有了显著的加强，运作效率得以提高。可见，智慧管廊是大势所趋。在这其中，视频监控体系被视作关键性的分体系，除却具备传统视频所具有的功能之外，它还具备智慧的独特性，尤其是在运用智能化的视频研究计算方法之后，能够替管廊实现一系列必要的功能，如实时探测并追踪异常情况、完成图像辨识等，智慧化的多功能视频监控系统是智慧管廊的关键表现，亦能够高度地确保智慧管廊处于安全且高效的运作状态之中。正因为它拥有异于通常型智慧管廊综合体系的特征，从而界定了智慧管廊综合监控体系的设计异于普通型监控体系。本论文正是基于边缘计算架构设计智慧管廊综合监控系统。

1智慧管廊目前的建造情况及其存在的问题

1.1智慧管廊目前的建造情况

在*近几年中，通过参与建造管廊的各个主体在经历了持续性的工程项目正式实施以后，在以智慧化地区建设、建筑自动化和工业智能化的实践经验为基础，逐步地建构起一整套结构较为完备的智慧管廊方案。在诸多不同的建设提议中，智慧化管廊的建设通常所采用的是分体系的方式，主要包括如下的几类体系：监督控制环境与设备、预防安全、消防预警体系以及管线监督控制体系等。在基于分体系的基础上，构建智慧管廊管理软件平台。现有的方案在体系架构的基础上，主要包括如下的几类：

1）中心管理层。主要包括的设备有，工作站、视频录像机、数据服务器以及Web服务器等。服务器与工作站所运行的架构一般为服务器/客户端（B/S）。另外，该层把监督控制环境与设备、视频和安全防范以及火灾预警等均集中于服务器展开管理，从而达到分体系的联动效应；

2）网络层。经由光纤环网建设冗余、具有较高可靠度的传递互联网；

3）现场化的设备层。在综合式管廊每一个监督控制的分区处，安排一台地区性的控制单元ACU（AreaControlUnit）设施，其内界所集成的是具有编程功能的逻辑控制器设备，主要包括以下的组件设备：工业级别以太网的交换机、PLC以UPS，ACU经由PLC抵达管廊的内界环境，且主要集中于具备监督和控制功能的设备，至于安全系数较高以及响应应急性的通讯体系等经由ACU内界集成性的工业以太网交换机把数据传递至上层体系，管廊的各个分区之中的ACU经由中心管理层与光纤环网介质各自的服务器相互连通。

1.2智慧管廊目前建造存在的问题

从目前的情况来讲，智慧管廊的建造已成功地在多个地区的得以实施，且在当地也获得了不错的反响。然而，就工程实践过程中也逐渐地暴露出部分的问题，它们对于管廊智慧化建造的进一步发展产生了一定的障碍影响，因此，亟需寻求化解的方案，这些问题可以归结如下：

1）管廊中的各个体系处于互相独立运行的，这也使得设备层上没有办法做到数据的互联互通。综合管廊里面包括多种服务系统。通常情况下，它们应该是有不同制造商开发的，同时也是自成一派的。它们被安装于设备层通过对应的主机进行控制，各自独立运行。并且不能进行数据连接，也不能完成联动控制。联动控制和数据互联互通仅可以通过软件管理平台来完成。这一过程都是通过软件来完成的，因此可靠性较弱，响应速度也较慢，同时平台的工作量也会随之增多。如果将平台设置在云端，那么这种现象就会更为复杂。全部交互式的信息与数据均要经由云端中转，如果云与实际设备的交互或许频道，那么就势必云资源与网络带宽会有一定的消耗。一旦通讯中断，整体的联动控制就无法实现。

2）智慧管廊软件平台要给所有的服务系统提供相应的驱动程序和连接器程序。在大型管理走廊的建设中，有许多厂商提供子系统。在大多数情况下，平台的研究和开发需要为企业采用专有的协议和系统。在工程项目的实践过程中，不同商家所采纳的协议规范存在着差异性，技术规定存在着区别，研发的语言也并不相同，相应的接口模式亦迥然有别，这就要求软件的研发者应有更高的技术性含量。再者，研发的周期也较长，工作量并不小，研发完毕之后还需经过测试，软件平台须通过较长的一段时间的迭代才可以处于平稳的状态。这类开发模式还造成一个新的问题，即每项的软件均为高度定制化的，难以达到标准化和产品化的目标。

2基于边缘计算架构的管廊综合监控系统设计

2.1管理需求分析

管廊的内部有不少亟需管理的机电化设施，包含通风体系的风机、排水体系的水泵和电气照明的灯具以及提供配电的设施等组成部分。环境和设施监督控制主要涉及到如下的几点：

1）风机控制和有害性气体的测试：管廊属于地下的密闭环境，会制造出部分的有毒和有害的气体，另外，本项目天燃气管道亦被纳进管廊的统一化管理体系之中，亦也许会导致燃气的泄漏后果，从而危及管廊环境中的管理工作者，因而，须设计并控制好风机的换气和排气等相关的举措。

2）积水水位的测试及其水泵的掌控：在管廊内安置集水井，若集水井的水位超出警戒值之际，开启水泵加以排水，规避由于水位的上涨而导致事故。

3）温湿度的测试：确保管廊设施处于正常的运作状态，工作人员有一个良好的工作环境。同时，管廊的温度和湿度的监督测试必不可缺的，科学正常化的温度和湿度环境是确保管廊设施处于正常运作状态的一个核心因素。

4）掌握好照明设备：把握好照明回路设备，达到管廊之中工作人员与检修工作人员对于采光照明的所需。

5）提供电能设施的监督控制功能：对于设备电能提供可以控制的参数，从而有助于明白设施的电能提供情况是否处于正常状态，另外，还应区分好消防电源以及非消防电源的有效性掌控及其管理。

2.2系统架构

图1基于边缘计算架构的智慧管廊综合监控体系架构示意图

在整体系统将边缘设计的理论引入之后，对管廊视频多功能监控系统结构的设计如下：每一个边缘计算的单元（ECU）匹配单台小型化NVR（NetworkVideoRecorder），此标准所设置的防火式分区视频图像展开处置与储存，仅仅通过报警与联动所制造出的视频流才可以往监控中心加以上传，ECU拥有智能化视频的研究功能，能够达到标准化的防火式分区中视频的联动作用，根据边缘计算所构架的管廊视频监督控制系统的架构示意如图1所示。

2.3存储数据

在所有的边缘计算单元即ECU上均各自配备一个小型的NVR，通过这一标准进一步完成与防火区域相应的摄像机进行展开视频的储存及其管理，根据1个月的时间来对所需的储存空间进行计算：

0.62TB/台×16台=9.92TB

仅仅在报警与联动出现视频流之后，才往监控中心根据所有视频流的1/4加以储存，依旧将10km与3舱式管廊当作例子展开分析，所需的储存空间计算如下：

0.62TB/台×25%×800台=124TB

再者，控制中心显示的是警报联动的图像与视频的上墙，可以根据实际情况较少电视墙和解码设施的数目。

2.4具体施工的工艺及其执行的要点

综合管廊的智慧体系根据结构自身的特征，主要通过3个层次加以执行，依次为控制中心、网络通讯层以及传感层。传感层的主要工作内容如下：配管、桥架施工、线缆铺设、传感器安置以及设备间的设施安置。

互联网通讯层的核心工作项目有：线缆铺设、通信设施安置以及联网调控。其中，监控中心设备的安置和调试。整体性施工的工艺程序如图2所示。

1）管道的桥架方法。管廊的内界桥架的安置要求是桥架的支架内部间距通常所维持的范围是0.5m~0.6m（比通常的建筑物的内间距较小些），桥架的边缘和支架的横担须有固定的处理手段。若对桥架提出的要求是横跨伸缩缝对应的桥架时，须根据要求设计好伸缩缝的相关要求，具体可如图3所示。

2）接地式扁铁制作方法。接地干线在廊道内两侧均应设置，和地表的距离是30cm，接地的干线须涂上警示的色泽，从而有助于辨识。另外，如果接地的干线超出伸缩缝之际，须预留出仲缩的余量空间，具体如图4所示。

1. 传感器的铺设。气体测试仪表传感器所安置的高度须基于测试气体的密度情况加以界定。若它的密度比空气的密度小时，传感器须安置于距离管廊的顶端不超出0.3m的方位，若它的密度不小于空气的密度之际，测试传感器须安置于间距管廊的地坪约0.2~0.3m的方位；氧气测试传感器须安置于距离管廊的地坪约1.6~1.8m的方位，具体如图5所示。

4）光纤探测报警设备的安置。就电力电缆的监督控制报警设备而言，主要采纳的是光纤式测试温和光缆来检测温度的手段展开监督控制，就10kV与110kV规格电压级别电缆的测控设备在安置时存在着差异，通常前者所采纳的是感温电缆，它顺着桥架的内部变为正玄波式的铺排，如图6（a）所示，后者采纳的是感温光缆，借助于固定于夹具牢固地安置于电缆的正上方处，如图6（b）所示。

管廊的施工异于其它种类的建筑，就工艺的标准及其要求而言均不低，以上工艺仅仅为管廊整个施工中的一部分而已，其还涉及到防护级别、防水火、防震、防尘以及防爆等领域，均做出严格的标准。其余的施工项目均能够借鉴常规型智能化体系进行施工。

2.5边缘计算的运用效果

就管廊综合监控体系内引进边缘运算架构之后，能够达到如下的效果：

首先，由于体系本身凸显出高度的同步性和可靠性的优势，所以，将边缘计算相关的设备使用以后，全部报警式联动与AI计算方法都处于边缘计算的单元（ECU）之中所应达到的目标范围之内，不单单可以确保其同步性，且能够达到区域性独立的效果。边缘运算单元中的摄像机视频流都于本地区范围内达到一定的储存效果，即便互联网通讯处于断掉的状态，亦能够单独地展开储存的工作。等到网络功能恢复后，可以在网络断开时上传到控制中心，进而将相关信息进行有效的储存及监视，从而在较大的程度上减少了互联网的负载压力，确保了体系的稳定性，从而更加有助于视频综合体系的迅速辨识及其响应，进而更有助于实现移动式报警等一系列的大数据研究功能。

其次，就节省投资之际，加强了体系的稳定性与科学性。根据相关的数据资料作为例子分析可知，假设控制中心处所匹配的DS-A71规格的储存设备数量为1台。采用视频监控系统配置，根据管廊的边缘计算结构，存储设备一定要较一般视频监督控制体系方案的造价要低约30%，同时，储存结构也会更加地科学合理。

2.6智能化管理平台

2.6.1规划和管理体系

主要涉及到：建构项目工程管理、档案管理、规划和管理以及年度规划与周报管理等部分，达到智慧管廊的综合式规划目的，同时实现工程项目档案管理、项目工程信息、审批以及竣工验收等多项功能。

2.6.2智能化监控体系

对于入廊之后的提供水源、燃气、电力、中水以及通信等多种管线情况展开同步的监督测试，包括温度、压力以及流量等多项运作的指标，同时涉及到阀室和阀井等一系列关键性设施的远程化掌控。采纳和SCADA体系相一致的集成化处理方式，基于BIM与GIS的三维工具进行模型的建构，从而监督测试并控制管廊内的前端设施，包含管廊的内环境和设施的监督控制、安/消防监督控制、廊体构造的监督控制与入廊的管线监督控制等。通过把各个监控分体系的集成化处理，能够针对管廊的日常性运作、维护与管理展开可视化的呈现与联动式掌控的流程。具体可参见下图7所示。

2.6.3应急式处置体系

构建完备的应急式抢险指挥体系，对应急式队伍、物资以及预案等方面展开有效性的管理，且提供有关报警的定位、现场监督控制的抽取、附近检索、应急性疏散及其会商以及综合式研判以及报警的推动等多项功能，从而加强应急式案例的响应及其处置性能。如图8所示。

3、AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台

3.1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、高效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。

3.2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、高效、有序的要求。

3.3平台拓扑

3.4平台子系统

3.4.1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。

3.4.2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第三方系统完成管廊环境综合监控。

3.4.3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。

3.5相关平台部署硬件选型清单

3.5.1电力监控及配电室环境监控系统

3.5.2电气火灾监控系统

3.5.3消防设备电源监控系统

3.5.4防火门监控系统

3.5.5消防应急照明和疏散指示系统

4结语

本论文首先挖掘出智慧管廊目前的建造情况及其存在的问题，在此基础上，基于边缘计算架构的管廊综合监控系统展开设计。分析管理需求，阐述系统的构架，分析储存的数据，分析具体施工的工艺及其执行的要点，分析边缘计算的运用效果，*后，系统化地分析智能化管理平台的构建，从而可以替管廊的视频监督控制体系奠定全新的发展路向，进而使得智慧管廊的综合监控系统发展拥有更为广阔的发展空间。

参考文献

[1]李小岭.综合管廊环境与设备监控系统分析[J].中国仪器仪表，2017（6）.

[2]徐 东.黄海艇，刘典勇，张婧，郭超军.基于边缘计算架构的智慧管廊综合监控系统设计.

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05