論城市地下管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)網絡拓撲范文

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摘要：城市地下綜合管廊是一種新型現代化城市地下空間基礎設施。為了保證管廊本體安全和人員安全，管廊一般設有完善的綜合監(jiān)控系統(tǒng)。綜合監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵在于其網絡的穩(wěn)定性。在研究管廊的過程中，綜合分析了基礎網絡拓撲以及幾種復雜混合型網絡拓撲，并比較了各類網絡拓撲的優(yōu)缺點，為后續(xù)管廊的設計和實施提供了一定的參考和借鑒。

關鍵詞：城市地下綜合管廊；綜合監(jiān)控；網絡拓撲；環(huán)網

0引言

為了進一步推進城市現代化，促進城市可持續(xù)性發(fā)展，近年來我國大力發(fā)展城市地下綜合管廊建設［1］。自2015年全國開展管廊建設試點以來，相繼有廈門、包頭、蘇州等城市逐步開始建設管廊［2］。綜合管廊工程是一種現代化、集約式、可持續(xù)性的城市地下控件基礎設施［3］。為了保證管廊的正常運轉，管廊工程設立有專門的控制、通風、消防、通信以及安防等系統(tǒng)［4］。而由于管廊的特殊地理要求以及復雜的子系統(tǒng)［5］，其網絡節(jié)點均對應了特殊的需求，研究其網絡拓撲特性也是十分必要的。本文針對管廊的附屬監(jiān)控系統(tǒng)網絡拓撲結構展開了分析與討論，希望為后續(xù)管廊的設計和實施提供一定的參考和借鑒。

1管廊的特性

我國的管廊建設和信息化建設起步較晚，但隨著國家政策和規(guī)范的推動，發(fā)展十分迅速。管廊的整體趨勢也由以試驗性、示范性的小型道路管廊向整體性、規(guī)模化的區(qū)域性、城市型管廊發(fā)展。在逐步發(fā)展過程中，管廊整體呈現以下特點：（1）復雜性，管廊的附屬系統(tǒng)包含有多個子系統(tǒng)，且每個子系統(tǒng)又包含多種不同功能設備。整個管廊系統(tǒng)所包含的組成元素隨管廊規(guī)模呈爆發(fā)性增長。（2）動態(tài)性，管廊的所有子系統(tǒng)在功能和使用上相互獨立，但各子系統(tǒng)又存在動態(tài)的相互關聯。（3）集中管控。由于管廊的環(huán)境特點（長期無人職守環(huán)境），管廊在設計過程中一般設立總控制中心或者在部分地段設有分控中心將管廊的監(jiān)控、視頻等數據匯總，進一步進行管理。（4）依地而建。管廊的設計初衷是為了緩解城市建設過程中頻繁的挖掘道路，管廊基本根據城市的道路規(guī)劃開展，管廊整體呈現聚集態(tài)。

2常見網絡拓撲

網絡拓撲是指接入網絡的各種設備的物理布局或邏輯布局。有效地分析網絡拓撲，能夠幫助我們快速地解決網絡連接故障和提升網絡穩(wěn)定性。以管廊接入設備為例，常見的網絡拓撲結構有：（1）星型結構，控制中心作為中心節(jié)點，各工作站及設備以星型方式連接成網。（2）環(huán)型結構，網絡中各節(jié)點通過點到點的鏈路，首尾相連成一閉合環(huán)，如圖1所示。（3）總線型結構，各工作站、設備以及控制中心均掛接在一條總線上，各設備地位平等，如圖2所示。（4）樹型結構，由總線型拓撲演變而來，由分級集中控制構成。（5）網型結構，網絡的每臺設備均有點到點的鏈路連接。

3管廊網絡拓撲分析

由于實際應用中單一類型網絡拓撲對應用環(huán)境存在諸多限制，而管廊的網絡系統(tǒng)屬于中大型復雜網絡系統(tǒng)，因此單一類型的網絡拓撲基本無法滿足管廊的復雜應用需求。目前，管廊系統(tǒng)使用基于環(huán)型網絡為主干的混合型網絡架構較多。

3．1單環(huán)單層型架構

如圖3所示，管廊的主體拓撲為單環(huán)單層型。各分區(qū)設備就近接入本分區(qū)交換機，分區(qū)交換機網絡呈星型網絡；分區(qū)交換機根據物理位置交替相連，最終首尾連接構成環(huán)網；控制中心兩臺交換機進入環(huán)網兩側。由于環(huán)網自帶冗余特性，其網絡安全性要高于總線型結構。而控制中心兩臺交換機接入環(huán)網，當分區(qū)網絡發(fā)生故障或者控制中心單臺交換機發(fā)生故障，由于接入交換機的設備熱備性，進一步提升了網絡安全性，保障了管廊的整體網絡性能。由于所有設備的信息均由單一環(huán)網匯入控制中心各類管理服務器，當系統(tǒng)接入設備較多時，最終控制中心接入帶寬要求非常高。同時，單一環(huán)網的可擴展性較差，在未來管廊進一步擴容時，新增管廊系統(tǒng)無法不停機接入原有環(huán)網。因此，單環(huán)單層型網絡的接入容量在建設時的容量存在一定限制。單環(huán)型網絡多適用于小型管廊系統(tǒng)，例如試驗性管廊或者管廊分段施工、分段使用的情形；也適用于直線型管廊或者地形不規(guī)則的管廊。

3．2單環(huán)多層型架構

如圖4所示，管廊的主體拓撲為單環(huán)多層型。單環(huán)多層型網絡針對單環(huán)單層型網絡容量不足的缺點，同時根據管廊地理特征，增加上層網絡匯聚層，在一定程度上減輕了控制中心的網絡壓力。管廊各道路按照網絡容量和設備數量，組成底層環(huán)型網絡架構，由于主要用于接入各類設備，又簡稱為接入層。道路層設有一臺匯聚交換機，匯聚交換機相比于一般的分區(qū)交換機，它具有額外的鏈路接入接口，與其他路匯聚交換機以及控制中心核心交換機組成上層環(huán)網。由于該環(huán)網匯聚所有管廊數據，又簡稱為匯聚層。相比于單環(huán)單層網絡，單環(huán)多層型網絡的設備容量大大提升。且各道路環(huán)網相對獨立，即使在控制中心網絡陷入癱瘓的極限情況下，道路環(huán)網仍可以獨立工作一段時間。同時通過在道路環(huán)網中增設NVR存儲服務器、工作站等控制或管理設備，將各類設備的數據信息就近存入道路管理層的存儲層，徹底將數據管理與數據存儲隔離，做到分布式存儲云端管理功能，提升整體穩(wěn)定性。但單環(huán)多層型架構的便捷性也受到制約。理論上，幾乎所有的管廊均可使用該網絡模型。但在實際應用中，管廊封閉成環(huán)或者近似成環(huán)的情況下最適合該種模型，因為存在較多分叉的管廊在構建匯聚環(huán)網時，需要添加大量的網絡中繼站，大大增加實施成本。同時由于匯聚層設備除控制中心外，均承擔了較大的網絡中轉任務，且一旦匯聚層交換機出現故障，將影響整條道路的網絡穩(wěn)定性，維護難度較大。由于單環(huán)多層型網絡架構在部署和物理形態(tài)與環(huán)網的設計思路較為符合，單環(huán)多層型網絡屬于目前在管廊系統(tǒng)中應用較多的網絡架構。

3．3多環(huán)多層型架構

在管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)實際運行時，管廊網絡系統(tǒng)中一般傳輸著較復雜的多種數據。某些數據與現場設備動作控制緊密相關，如環(huán)境控制系統(tǒng)中風機、排水泵的啟停，其對數據的穩(wěn)定性和實時性有較高的要求，幾乎不允許數據的延遲和丟失，通常這些數據占用帶寬較小；同時管廊網絡系統(tǒng)中的一些其他數據，如現場的監(jiān)控媒體流或門禁業(yè)務數據等，其對數據傳輸的實時性要求并不苛刻，但對網絡數據帶寬的占用量較大。因此，針對不同網絡數據的需求特點，可以進一步對管廊網絡架構進行區(qū)分規(guī)劃。如圖5所示，多環(huán)多層型架構即在單環(huán)多層型網絡的基礎上，將環(huán)境控制系統(tǒng)網絡獨立開來，以保證環(huán)境控制系統(tǒng)數據實時上傳以及控制命令及時下發(fā)。多環(huán)多層型網絡防止了在突發(fā)情況下視頻等數據大規(guī)模爆發(fā)引起的網絡鏈路堵塞，最大程度上保證了決策命令的下發(fā)，維護管廊的本體安全。多環(huán)多層型網絡架構最為主要的缺點在于實施成本較為高昂，尤其管廊的總體長度較長的情況下，線纜成本幾乎成倍增長。同時由于環(huán)境控制系統(tǒng)隔離開來，幾乎所有聯動操作均需要經由控制中心協(xié)同控制，聯動指令略微有所延遲。多環(huán)多層型網絡適用于對環(huán)境控制系統(tǒng)要求十分苛刻的管廊系統(tǒng)。當然，隨著諸如像自動巡檢機器人等新型技術加入，新型業(yè)務數據需求快速增長的情況下，多環(huán)多層型網絡架構的應用優(yōu)勢也在逐步體現。

4拓撲比較

在綜合分析管廊特性和各種網絡拓撲特性基礎上，管廊各類網絡拓撲特性比較。

5結論

城鎮(zhèn)地下綜合管廊屬于近些年新興起的事物。本文通過對管廊自身特點以及各類網絡拓撲在管廊應用進行比較，認為以環(huán)網架構為主體的網絡架構較為適合當前管廊系統(tǒng)。而除已經運行的示范段外，所有第一批示范性大型管廊均處于施工階段，具體的網絡架構如何以及后續(xù)試運行階段網絡穩(wěn)定性如何均是需要待檢驗的。管廊后期運行面臨的諸如外部公共網絡接入、公安消防市政信息上傳以及管線數據上報等問題也對管廊網絡部署提出全新的要求。同時新型技術與現有系統(tǒng)的結合使用，也為網絡架構提出了截然不同的解決思路。如何選擇合適的管廊網絡架構也將成為工程人員需要慎重對待的問題。

參考文獻

［1］于晨龍，張作慧．國內外城市地下綜合管廊的發(fā)展歷程及現狀［J］．建設科技，2015（17）：49－51．

［2］余常俊．城市地下綜合管廊淺析［J］．公路，2016（10）：153－157．

［3］李鵬程，施萍．基于GIS的城市地下綜合管廊路由規(guī)劃初探［J］．中國給水排水，2017（10）：85－89．

［4］李寶泉，任小玲，李如石．福州地鐵1號線車輛網絡控制系統(tǒng)［J］．鐵道機車與動車，2017（1）：16－19．

［5］張浩．智慧綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)思考［J］．建設科技，2016（21）：20－22.

作者：丁煒 單位：中冶南方（武漢）自動化有限公司