基于無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的地下綜合管廊通信與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈高飛，吳 楠

（中鐵電氣化（武漢）設(shè)計(jì)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(shè)置有監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)，其子系統(tǒng)可分為通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、統(tǒng)一管理平臺3類，一般通過設(shè)置在控制中心的核心交換機(jī)、匯聚交換機(jī)與設(shè)置在綜合管廊內(nèi)的接入交換機(jī)組成通信千兆以太環(huán)網(wǎng)，通過設(shè)置于管廊內(nèi)的安防和監(jiān)控機(jī)柜實(shí)現(xiàn)對廊內(nèi)安防與監(jiān)控設(shè)備的接入[1]。典型環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中，納入監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備有風(fēng)機(jī)、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(yīng)急配電箱以及不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS），這些納入監(jiān)控范圍的輸出信號包括模擬量輸入（Analog Input，AI）、數(shù)字量輸入（Digital Input，DI）、數(shù)字量輸出（Digital Output，DO）和總線信號，納入安防系統(tǒng)的設(shè)備有視頻監(jiān)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(shè)備的通信接口一般為以太網(wǎng)。

隨著運(yùn)營對于設(shè)備監(jiān)控要求的提高，納入監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)的業(yè)務(wù)越來越多，原有的監(jiān)控千兆以太環(huán)網(wǎng)和安防千兆以太環(huán)網(wǎng)的接入業(yè)務(wù)通過調(diào)整通信協(xié)議整合，優(yōu)化設(shè)備組網(wǎng)，可以降低布線和維護(hù)成本。

傳統(tǒng)千兆交換機(jī)以太網(wǎng)所使用的局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）模式采用多級匯聚，層次復(fù)雜導(dǎo)致帶寬利用率低，只能夠提供 FE/GE 端口，在設(shè)計(jì)階段對接入業(yè)務(wù)類型和端口規(guī)劃要求較高，若遇到擴(kuò)展用戶，布線的成本較高。

因此，有必要對管廊內(nèi)的監(jiān)控與安防業(yè)務(wù)的通信、控制方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 研究思路

1.1 接入業(yè)務(wù)接口優(yōu)化

通過對典型的管廊監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)梳理，按照環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、安全防范、通信以及統(tǒng)一管理平臺，共分為20個(gè)子系統(tǒng)（平臺），具體劃分如下文所述。

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)接入業(yè)務(wù)（9個(gè)）：氧氣含量檢測、溫濕度檢測、集水坑液位檢測、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)、水泵動力配電，消防動力配電已納入火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)）、照明系統(tǒng)、應(yīng)急照明系統(tǒng)、沉降監(jiān)測裝置。

安全防范系統(tǒng)接入業(yè)務(wù)（6個(gè)）：視頻監(jiān)控系統(tǒng)、拾音及揚(yáng)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(tǒng)。

通信系統(tǒng)包括（4個(gè)）：固定通信系統(tǒng)（固定電話）、無線通信系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)光傳輸網(wǎng)絡(luò)、干線光纜。

統(tǒng)一管理信息平臺（1個(gè)），對廊內(nèi)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、通信系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)集成，具有數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)階段優(yōu)化設(shè)備接口選型，可以實(shí)現(xiàn)多種接入業(yè)務(wù)接口統(tǒng)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(jià)和維護(hù)工作量。通過增加RS485接口的接入設(shè)備，減少了ACU監(jiān)控機(jī)柜中區(qū)域控制器AI/DI/DO端口數(shù)量，利用RS485接口傳輸距離長的優(yōu)勢，可每兩個(gè)防火分區(qū)設(shè)置1臺ACU機(jī)柜，減少一半的ACU監(jiān)控機(jī)柜。

1.2 監(jiān)控與安防系統(tǒng)組網(wǎng)優(yōu)化

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，監(jiān)控與安防系統(tǒng)機(jī)柜采用并排或合規(guī)安裝，各自設(shè)置有獨(dú)立的千兆交換機(jī)以太環(huán)網(wǎng)，均接入同一核心交換機(jī)。因此，在接入業(yè)務(wù)接口優(yōu)化基礎(chǔ)上，可以合并其通信交換機(jī)環(huán)網(wǎng)。考慮到安防業(yè)務(wù)中設(shè)備布點(diǎn)較多，可在每個(gè)防火分區(qū)設(shè)置一套千兆交換機(jī)，以滿足安防和監(jiān)控業(yè)務(wù)通信需要。

2 通信網(wǎng)絡(luò)比選

從既有現(xiàn)狀看出，管廊通信主要有語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(jī)以太環(huán)網(wǎng)的通信技術(shù)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃中，在每個(gè)防火分區(qū)的設(shè)備間設(shè)置有安防和監(jiān)控接入交換機(jī)各一套，分別管廊內(nèi)解決安防與監(jiān)控通信需求，通過至監(jiān)控中心的主干光纜，分別接入安防和監(jiān)控匯聚交換機(jī)，均接入同一核心交換機(jī)。

該方案結(jié)構(gòu)簡單，接口清晰，但未能徹底擺脫對銅纜限制，前期的設(shè)備和布線占據(jù)大量的人力物力，并且LAN接入前期的部署交換機(jī)要做到一次到位，若對用戶數(shù)的預(yù)測存在誤差，會造成端口長期閑置，也可能造成一些區(qū)域端口不足，擴(kuò)容麻煩。

2.2 基于多業(yè)務(wù)接入平臺的綜合接入技術(shù)

在監(jiān)控中心設(shè)置綜合監(jiān)控遠(yuǎn)端設(shè)備，利用主干光纜實(shí)現(xiàn)局端遠(yuǎn)端設(shè)備連接，可以提供包括E1、POTS、FE、RS485在內(nèi)的多種業(yè)務(wù)接口。

該方案雖然可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音的同時(shí)接入，但其星型組網(wǎng)的要求造成其保護(hù)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(shù)

采用無源光網(wǎng)絡(luò)（Passive Optical Network，PON）技術(shù)的通信方案，在管廊監(jiān)控中心設(shè)置光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）設(shè)備，代替原交換機(jī)組網(wǎng)中的匯聚層交換機(jī)，在管廊防火分區(qū)各設(shè)備間設(shè)置光網(wǎng)絡(luò)終端（Optical Network Unit，ONU）設(shè)備，OLT設(shè)備與ONU之間可采用環(huán)形結(jié)構(gòu)、總線形結(jié)構(gòu)或星型結(jié)構(gòu)，提供 E1、POTS、FE、FXO、FXS 、RS485等接口。

該技術(shù)是點(diǎn)到多點(diǎn)的接入技術(shù)，結(jié)合不同分光比的分光器后，可實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)，支持樹形、 星形、鏈型等形式組網(wǎng)，OLT布置在機(jī)房端，一套 OLT 可覆蓋廣闊的區(qū)域，中間的無源設(shè)備成本低廉，可以一次部署到位，ONU可以隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展而擴(kuò)展，并且ONU在OLT上注冊是自動完成的，因此當(dāng)某區(qū)域需要增加ONU時(shí)直接加入網(wǎng)絡(luò)即可[2]。PON產(chǎn)品完全繼承了以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，ONU提供的以太網(wǎng)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(dá)1.25 Gb/s，可以保障最遠(yuǎn)20 km的傳輸距離，完全克服了以太網(wǎng)及xDSL技術(shù)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(shù)，相對千兆交換機(jī)以太環(huán)網(wǎng)和多業(yè)務(wù)接入平臺（Multi-Service Access Platform，MSAP）綜合業(yè)務(wù)接入技術(shù)具有技術(shù)先進(jìn)、組網(wǎng)靈活、保護(hù)能力強(qiáng)、線路資源占用少、投資低等特點(diǎn)。

3 管廊通信與控制系統(tǒng)方案研究

3.1 通信組網(wǎng)方案

相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)千兆交換機(jī)組網(wǎng)，圖1列舉了4種PON替換方案，有樹型拓?fù)洹h(huán)型拓?fù)洹⒖偩€型拓?fù)洹湫透扇哂嗤負(fù)鋄4]。

圖1 PON 拓?fù)?/p>

管廊內(nèi)接入的業(yè)務(wù)點(diǎn)多、分布廣、呈鏈型分布，采用環(huán)形組網(wǎng)能夠最少的敷設(shè)光纜，并滿足安全性的要求，因此采用環(huán)形組網(wǎng)最為可靠。

如圖2所示，采用環(huán)形組網(wǎng)的綜合管廊PON通信方案，PON OLT原址替代匯聚交換機(jī)，廊內(nèi)各接入工業(yè)交換機(jī)改為ONU，通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）實(shí)現(xiàn)對廊內(nèi)環(huán)境及設(shè)備的監(jiān)控與報(bào)警，即原ACU設(shè)備（交換機(jī)+PLC）升級為PON ACU（ONU+PLC），相較于傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)，OLT 布置在機(jī)房端，PON組網(wǎng)接入數(shù)量成本降低明顯，管廊項(xiàng)目中約6 km后PON優(yōu)勢明顯。

圖2 綜合管廊無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）通信方案

3.2 控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

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

3.2.1 總體建設(shè)方案

ACU監(jiān)控機(jī)柜設(shè)置于排風(fēng)口設(shè)備間，ONU設(shè)備柜設(shè)置于排風(fēng)口、吊裝口設(shè)備間，現(xiàn)場的安防業(yè)務(wù)接至ONU機(jī)柜，現(xiàn)場的監(jiān)控業(yè)務(wù)接至ACU監(jiān)控機(jī)柜，ACU機(jī)柜通過TCP/IP接口，接入就近ONU機(jī)柜內(nèi)的PON設(shè)備。

該段管廊共分為44個(gè)監(jiān)控與報(bào)警控制區(qū)段（防火分區(qū)B01～B44），起點(diǎn)位于K0+000，終點(diǎn)位于K7+524，每兩個(gè)防火分區(qū)中間點(diǎn)設(shè)置有1個(gè)設(shè)備間，設(shè)備間均位于排風(fēng)口、吊裝口。圖3為該段管廊通信與控制設(shè)備布置方案，左側(cè)為道路及控制中心區(qū)位圖，右側(cè)ONU設(shè)備柜（PON設(shè)備）安裝于B01～B44防火區(qū)段所有的設(shè)備間（包括排風(fēng)口和吊裝口），ACU設(shè)備柜安裝于所有排風(fēng)口設(shè)備間。

圖3 綜合管廊通信與控制設(shè)備布置方案

3.2.2 子系統(tǒng)接口優(yōu)化

將紅外探測、電控井蓋、沉降監(jiān)測、出入口控制納入監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)、照明、應(yīng)急照明、紅外探測器、電控井蓋、沉降監(jiān)測、出入口控制設(shè)備，各防火墻內(nèi)RS485接口設(shè)備通過電纜串聯(lián)，就近接入ACU控制機(jī)柜。

接口優(yōu)化后的監(jiān)控與安防設(shè)備，利用PON技術(shù)接入監(jiān)控中心統(tǒng)一監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)、防火閥、水泵及其他報(bào)警的聯(lián)動，入侵報(bào)警系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)之間的聯(lián)動，出入口控制系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)之間的聯(lián)動，入侵報(bào)警系統(tǒng)與出入口控制系統(tǒng)之間的聯(lián)動，入侵報(bào)警系統(tǒng)與智能照明控制之間的聯(lián)動，出入口控制系統(tǒng)與智能照明控制之間的聯(lián)動，視頻監(jiān)控與火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)的聯(lián)動[5]。

3.2.3 成本分析

本項(xiàng)目中，優(yōu)化后的核心交換機(jī)數(shù)量由兩臺降為1臺，匯聚交換機(jī)改為OLT，44套ACU控制柜優(yōu)化為22套，并根據(jù)監(jiān)控需要，減少了AI/DI/DO/總線/FE的模塊數(shù)量，單個(gè)ACU控制柜成本降低，原監(jiān)控、安防的接入交換機(jī)改為PON設(shè)備實(shí)現(xiàn)，增加了PON設(shè)備POE供電功能，簡化網(wǎng)絡(luò)方案的同時(shí)，降低了組網(wǎng)成本和布線成本，實(shí)際工程應(yīng)用中，通過工程量清單計(jì)價(jià)和指標(biāo)價(jià)分析，基于PON技術(shù)的綜合管廊通信與控制系統(tǒng)節(jié)省投資達(dá)28%以上。

4 結(jié) 論

基于PON技術(shù)的綜合管廊通信與控制系統(tǒng)，是一套統(tǒng)一的管廊綜合管理信息系統(tǒng)，即地理上分散的SCADA系統(tǒng)，通過監(jiān)控系統(tǒng)骨干網(wǎng)把管廊與控制中心的各級監(jiān)控系統(tǒng)連接到一起，從而形成一個(gè)有機(jī)的整體。基于PON光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的地下綜合管廊通信與控制系統(tǒng)，從帶寬、網(wǎng)管、資源、擴(kuò)容、可靠性、成本等方面可知，其技術(shù)和成本優(yōu)勢相比傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)具有較大的優(yōu)勢，是精簡網(wǎng)絡(luò)、提高設(shè)備集成度、減少維護(hù)工作量、提高通信網(wǎng)絡(luò)可靠性、降低造價(jià)的有效方案，同時(shí)在實(shí)施項(xiàng)目的過程中保證狀態(tài)安全和快速進(jìn)行，也是加快地下綜合管廊開展5G、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)推廣應(yīng)用的有效途徑。