意圖物聯網在地下綜合管廊中的應用

邱　巖,　姬衛東,　陳向偉,　王劍宇,　劉忠磊

[1.赫里奧(蘇州)科技有限公司, 江蘇 蘇州　215128;2.上海電器科學研究所(集團)有限公司, 上?！?00063;3.青島華高控股集團, 山東 青島　266033;4.青島華高物聯網科技有限公司, 山東 青島　266033]

0　引　言

地下綜合管廊是通過將電力、通信、給水、供熱、制冷、中水、燃氣、垃圾真空管等兩種以上的管線集中設置到道路以下同一地下空間而形成的一種現代化、科學化、集約化的城市基礎設施。近年來,隨著國家政策性引導,我國管廊建設形成爆發式增長,與之相關的信息化建設的需求也越來越旺盛。2018年1月30日,錢七虎院士在中國城市地下綜合管廊產業聯盟專家委員會成立大會的講話中指出,要用先進的信息化技術例如人工智能技術等提高管廊的安全維護能力[1-3]。

1　綜合管廊信息化建設中存在的問題

城市綜合管廊信息化建設主要包括有環境與設備監控、安全防范、通信、預警與報警、智能巡檢等子系統及管控一體化信息平臺等。這些系統的建立為綜合管廊的正常運行起到極大的保障。但由于綜合管廊的監控與報警系統對象是綜合管廊的公共環境,不包括入廊專業管線。極有可能出現的管線事故并未納入綜合管廊的監控與報警系統對象,究其原因:一是各管線所有單位各自為政(各自建立監控系統),缺乏統一的標準實現有效整合;其二是現有的監控解決方案不能滿足管線入廊后對危險源的有效監控。除此之外,管廊投入運營后還存在許多嚴重的問題亟待解決,主要表現在如下方面:

(1) 夏季管廊內長期空氣濕度高,雨季相對濕度為100%,極易造成管廊內大量電氣設備損壞,也極易造成管線外護層腐爛而危害管線安全。而現有的環境監控系統沒有建立科學的防止結露出現的策略,大多依靠人的經驗開啟通風系統,除濕效果不佳。

(2) 管廊的監控系統是在管線入廊前已經建設完成,而管線入廊后才能真正確定危險源位置,現行的監控解決方案不能根據管線實際情況靈活布控監控點,真正的危險源難以得到有效監控。

(3) 沒有有效建立大數據系統。在建立有效的監控系統后,可以利用監控系統收集的數據進行大數據分析,從而給出有效的模型,對管廊體和管線的健康狀況進行有效的分析(如結露的控制策略,傳感器的狀態分析,及時給出有問題的傳感器)。

2　物聯網與意圖物聯網

2.1　物聯網

物聯網是互聯網的應用拓展。物聯網技術主要集中于設備感知層、網絡傳輸層、控制管理層以及業務應用層。物聯網完整解決方案如圖1所示,從物聯網的技術要求層面、解決方案及物聯網產品形態三個方面反映彼此之間的關系,其中物聯網的組網模式采用先進的軟件定義網絡(Software-Defined Networks,SDN)技術,使得整體解決方案更具有適應任意場景的一般性及靈活性[4-6]。

圖1　物聯網完整解決方案

2.2　意圖物聯網

意圖物聯網的概念是赫里奧(蘇州)科技有限公司硅谷研發中心的科學家在業界首先提出的,是一種基于用戶對物聯網業務的需求意圖進行網絡的部署,管理及應用的新型物聯網技術。利用意圖物聯網技術,用戶可以以一種或多種直覺化的表達形式描述業務需求(不需編程),而不需要關心在物聯網內如何去實現這種業務需求,從而極大提高用戶對物聯網的應用體驗;同時,意圖物聯網技術支持用戶定義物聯網的操作模式,用戶可以自主定義物聯網的組網及控制方式,以及多種形式的物與物控制邏輯(M2M);并支持多協議互通,在網絡傳輸層上解決信息孤島問題,提供統一的網絡管理平臺,大大提升用戶建網、管網及用網的體驗。意圖物聯網管理應用模式如圖2所示,說明意圖物聯網的應用層次。

圖2　意圖物聯網管理應用模式

結合地下綜合管廊的具體應用,可以通過意圖物聯網技術對管線的危險源進行各類傳感器的靈活布置,同時各傳感器與控制設備連接成一個有機的整體網絡,由于意圖物聯網可以在網絡傳輸層上支持多協議互通,可以實現不同廠商傳感器及設備之間的信息交換、各個子系統的信息交換(當有煙霧報警出現時視頻監控可以自動出現現場報警畫面)。同時意圖物聯網允許用戶自主定義物與物之間的控制邏輯(M2M),即當需要調整或增加物控制物的邏輯時不用修改程序,只需要通過用戶圖形界面設置(如為了解決管廊內結露問題,可能需要在通風口外布設溫/濕度傳感器,通過對管廊內外的溫/濕度計算,根據定義的策略驅動排風系統,而實現該功能只需放置傳感器后在用戶界面上設置即可)。并且一旦用戶定義完M2M控制邏輯,就可下發到網絡層去執行,保證業務邏輯執行的及時性和可靠性。這是目前絕大部分的物聯網平臺都無法實現的。

意圖物聯網優勢集中表現在如下方面:

(1) 在感知層和傳輸層實現M2M,而不是通過應用層開發業務邏輯來迂回控制,大大提高預警和高應急級別的要求,最大程度保護客戶的投資價值。

(2) 每一個物點部署都將在物聯網中被自動標識,這是系統投運后智慧運維的關鍵性保障,讓運維人員快速定位故障發生點,以便采取及時的補救措施。

(3) 最大程度地支持用戶的業務需求及應用體驗,凸顯客戶的個性化價值體現,真正讓客戶根據意愿和業務需求任意調整部署方案,并通過仿真部署驗證,最大降低客戶方案升級成本。

(4) SDN技術在物聯網的應用,將使客戶對系統內所有感知物體自由組網,以應對任何既有和未來的業務模型和需求實現,最大程度地簡化工作、降低成本、縮短時間、提高效率。

(5) 赫里奧物聯網方案獨有的協議無關性特征,將解決眾多品牌相互兼容、各系統集成與融合、協議與接口標準不統一的難題,成為綜合管廊管理監控系統未來的發展方向和換代產品。

3　意圖物聯網在地下綜合管廊中的應用

3.1　場景業務模型描述

地下綜合管廊的運營管理特征決定其是最適合物聯網技術發揮的典型應用場景,通過意圖物聯網的使用,可以根據入廊管線的實際情況布設傳感器,將現場的各類屬性信息收集、匯聚,并結合業務驅動模型和管理流程制度等,按需實時定義控制邏輯,隨時調整配置適配不同場景要求,并在應用層通過各類指標和仿真界面的直觀展示,實現地下管廊的可視化管理[7]。

場景業務模型如圖3所示,通過在管廊內部署帶有各類具有感知和傳輸功能的物聯網終端模塊,采集現場環境數據和管線危險源監控數據并傳輸到數據中心,并通過意圖物聯網定義的控制邏輯,在網絡傳輸層實現設備聯動,最后在監控中心將現場結果展現在用戶界面,系統同時支持控制中心的控制命令及其他業務需求下發,以應對臨時要求的現場設備的輔助控制。

圖3　場景業務模型

現場要采集的數據主要包括環境數據、設備狀態數據、管線危險源監控數據、巡檢和告警數據、網絡本身的狀態數據等。

3.2　系統實現

地下綜合管廊監控的物聯網解決方案涉及多系統深度集成,除了現場環境與設備監控、安全防范系統、通訊系統、預警和報警等子系統外,還包括入廊管線危險源監控系統的業務數據接口以及和智慧城市預留的相關接口。通過物聯網技術集成和互聯管廊內的自動化系統,形成由各類元數據匯集的綜合管廊數據中心,為應用開發商和用戶的個性化展示提供數據支撐。系統實現如圖4所示。

圖4　系統實現

綜合管廊的意圖物聯網解決方案的三層模型中,應用層主要是管廊及管線監控數據倉庫,即由各類廊內感知物體通過網絡匯集的狀態數據、位置數據、環境監測參數、業務邏輯角色、物物相對路由和路徑信息、歷史運行和操作日志等,為應用開發商提供全方位的業務數據支撐。網絡傳輸層主要是基于SDN的組網方案,通過軟件定義邏輯子網,實現業務可配置,并和冗余的光纖主干網連接,分別把數據和控制意圖送達數據中心和受控設備。感知控制層主要由帶有各類傳感器的智能終端模塊和智能終端控制器組成,通過智能終端模塊感知環境數據形成控制條件,再通過智能終端控制器連接風機、水泵、照明、消防等現場控制單元的啟停。綜合管廊的意圖物聯網解決方案如圖5所示。

圖5　綜合管廊的意圖物聯網解決方案

各類傳感器負責采集管廊內環境及管線危險源的監控信號,通過SDN定義的業務網絡和赫里奧物聯網算法運算分析,并根據監控數據對管廊內設備進行自動控制,實現M2M,應對各類廊內可能的狀況。M2M也兼容各種廊內設備的現場手動控制,這也是赫里奧產品和方案不同于傳統物聯網解決方案的核心優勢之一。

為應對廊內復雜的應用環境,在產品的設計上赫里奧公司還在防水、防爆、抗干擾、低功耗、易安裝、易擴充、易維護等方面做了針對性定制開發,通過在不同的場景選用最適用的模塊和設備,在保證安全性和可靠性的前提下降低系統整體投入的成本。

4　意圖物聯網技術的特點

利用意圖物聯網的系統化解決方案,設備模塊變成可配置,無需編程,從而可以智能化地應對及適應物聯網網絡及設備變化,同時也使得用戶設備模塊更加靈活,實時性地應對用戶物理環境的變化,同時還具有其他一些傳統物聯網技術所不具備或難以實現的技術特點:

(1) 自適應管理技術。如自動調整運行負載(包括降低數據采集周期,采用自適應SDN算法避免轉載其他模塊數據等),以及根據用戶規劃的物理環境變化自動調整數據采集頻率(如光線、關鍵溫度區域變化等)。

(2) 內部采用與通道無關的特性數據透傳技術。

(3) 物聯網不再局限于某種或某些協議的約束,而是根據用戶設備對數據傳輸及設備控制的要求部署設備模塊,使得用戶更專注于其自身的業務需求。

(4) 邊緣兼容其他物聯網協議。

(5) 傳統的協議僅作為SDN物聯網與用戶設備交互的“最后100 m”的技術輔助手段之一,僅作為和用戶物理設備交互的接口。

(6) 依用戶現場需求,可采用同時組網、逐級組網、區域組網等不同網絡部署方式。

(7) SDN物聯網支持大規模物聯網的部署和管理,用戶可以根據實際情況及需求選擇不同形式的部署方式。

(8) 用戶可定義數據傳輸的不同優先等級QoS,并且可以對物聯網中的大數據流量進行實時控制。

(9) 用戶可定義不同區域的同一類設備、同一區域的不同類設備數據傳輸的優先級,增加用戶重要設備數據的傳輸實時性及可靠性。

(10) 支持多種形式(一對一,一對多,多對一,多對多等)以及多種設備反應級別的物與物互聯互動,實現真正意義上的的M2M特性。

5　結　語

介紹了意圖物聯網在綜合管廊中的應用,通過在感知層和網絡層實現物與物的透傳,而不是迂回到應用層進行控制和驅動,同時也能夠在不同協議間實現物與物的驅動。對于像綜合管廊這樣規模大、安全級別要求高、可靠性要求高的工業場景下表現的尤為突出。