论城市地下管廊综合监控系统网络拓扑范文

摘要：城市地下综合管廊是一种新型现代化城市地下空间基础设施。为了保证管廊本体安全和人员安全，管廊一般设有完善的综合监控系统。综合监控系统的关键在于其网络的稳定性。在研究管廊的过程中，综合分析了基础网络拓扑以及几种复杂混合型网络拓扑，并比较了各类网络拓扑的优缺点，为后续管廊的设计和实施提供了一定的参考和借鉴。

关键词：城市地下综合管廊；综合监控；网络拓扑；环网

0引言

为了进一步推进城市现代化，促进城市可持续性发展，近年来我国大力发展城市地下综合管廊建设［1］。自2015年全国开展管廊建设试点以来，相继有厦门、包头、苏州等城市逐步开始建设管廊［2］。综合管廊工程是一种现代化、集约式、可持续性的城市地下控件基础设施［3］。为了保证管廊的正常运转，管廊工程设立有专门的控制、通风、消防、通信以及安防等系统［4］。而由于管廊的特殊地理要求以及复杂的子系统［5］，其网络节点均对应了特殊的需求，研究其网络拓扑特性也是十分必要的。本文针对管廊的附属监控系统网络拓扑结构展开了分析与讨论，希望为后续管廊的设计和实施提供一定的参考和借鉴。

1管廊的特性

我国的管廊建设和信息化建设起步较晚，但随着国家政策和规范的推动，发展十分迅速。管廊的整体趋势也由以试验性、示范性的小型道路管廊向整体性、规模化的区域性、城市型管廊发展。在逐步发展过程中，管廊整体呈现以下特点：（1）复杂性，管廊的附属系统包含有多个子系统，且每个子系统又包含多种不同功能设备。整个管廊系统所包含的组成元素随管廊规模呈爆发性增长。（2）动态性，管廊的所有子系统在功能和使用上相互独立，但各子系统又存在动态的相互关联。（3）集中管控。由于管廊的环境特点（长期无人职守环境），管廊在设计过程中一般设立总控制中心或者在部分地段设有分控中心将管廊的监控、视频等数据汇总，进一步进行管理。（4）依地而建。管廊的设计初衷是为了缓解城市建设过程中频繁的挖掘道路，管廊基本根据城市的道路规划开展，管廊整体呈现聚集态。

2常见网络拓扑

网络拓扑是指接入网络的各种设备的物理布局或逻辑布局。有效地分析网络拓扑，能够帮助我们快速地解决网络连接故障和提升网络稳定性。以管廊接入设备为例，常见的网络拓扑结构有：（1）星型结构，控制中心作为中心节点，各工作站及设备以星型方式连接成网。（2）环型结构，网络中各节点通过点到点的链路，首尾相连成一闭合环，如图1所示。（3）总线型结构，各工作站、设备以及控制中心均挂接在一条总线上，各设备地位平等，如图2所示。（4）树型结构，由总线型拓扑演变而来，由分级集中控制构成。（5）网型结构，网络的每台设备均有点到点的链路连接。

3管廊网络拓扑分析

由于实际应用中单一类型网络拓扑对应用环境存在诸多限制，而管廊的网络系统属于中大型复杂网络系统，因此单一类型的网络拓扑基本无法满足管廊的复杂应用需求。目前，管廊系统使用基于环型网络为主干的混合型网络架构较多。

3．1单环单层型架构

如图3所示，管廊的主体拓扑为单环单层型。各分区设备就近接入本分区交换机，分区交换机网络呈星型网络；分区交换机根据物理位置交替相连，最终首尾连接构成环网；控制中心两台交换机进入环网两侧。由于环网自带冗余特性，其网络安全性要高于总线型结构。而控制中心两台交换机接入环网，当分区网络发生故障或者控制中心单台交换机发生故障，由于接入交换机的设备热备性，进一步提升了网络安全性，保障了管廊的整体网络性能。由于所有设备的信息均由单一环网汇入控制中心各类管理服务器，当系统接入设备较多时，最终控制中心接入带宽要求非常高。同时，单一环网的可扩展性较差，在未来管廊进一步扩容时，新增管廊系统无法不停机接入原有环网。因此，单环单层型网络的接入容量在建设时的容量存在一定限制。单环型网络多适用于小型管廊系统，例如试验性管廊或者管廊分段施工、分段使用的情形；也适用于直线型管廊或者地形不规则的管廊。

3．2单环多层型架构

如图4所示，管廊的主体拓扑为单环多层型。单环多层型网络针对单环单层型网络容量不足的缺点，同时根据管廊地理特征，增加上层网络汇聚层，在一定程度上减轻了控制中心的网络压力。管廊各道路按照网络容量和设备数量，组成底层环型网络架构，由于主要用于接入各类设备，又简称为接入层。道路层设有一台汇聚交换机，汇聚交换机相比于一般的分区交换机，它具有额外的链路接入接口，与其他路汇聚交换机以及控制中心核心交换机组成上层环网。由于该环网汇聚所有管廊数据，又简称为汇聚层。相比于单环单层网络，单环多层型网络的设备容量大大提升。且各道路环网相对独立，即使在控制中心网络陷入瘫痪的极限情况下，道路环网仍可以独立工作一段时间。同时通过在道路环网中增设NVR存储服务器、工作站等控制或管理设备，将各类设备的数据信息就近存入道路管理层的存储层，彻底将数据管理与数据存储隔离，做到分布式存储云端管理功能，提升整体稳定性。但单环多层型架构的便捷性也受到制约。理论上，几乎所有的管廊均可使用该网络模型。但在实际应用中，管廊封闭成环或者近似成环的情况下最适合该种模型，因为存在较多分叉的管廊在构建汇聚环网时，需要添加大量的网络中继站，大大增加实施成本。同时由于汇聚层设备除控制中心外，均承担了较大的网络中转任务，且一旦汇聚层交换机出现故障，将影响整条道路的网络稳定性，维护难度较大。由于单环多层型网络架构在部署和物理形态与环网的设计思路较为符合，单环多层型网络属于目前在管廊系统中应用较多的网络架构。

3．3多环多层型架构

在管廊综合监控系统实际运行时，管廊网络系统中一般传输着较复杂的多种数据。某些数据与现场设备动作控制紧密相关，如环境控制系统中风机、排水泵的启停，其对数据的稳定性和实时性有较高的要求，几乎不允许数据的延迟和丢失，通常这些数据占用带宽较小；同时管廊网络系统中的一些其他数据，如现场的监控媒体流或门禁业务数据等，其对数据传输的实时性要求并不苛刻，但对网络数据带宽的占用量较大。因此，针对不同网络数据的需求特点，可以进一步对管廊网络架构进行区分规划。如图5所示，多环多层型架构即在单环多层型网络的基础上，将环境控制系统网络独立开来，以保证环境控制系统数据实时上传以及控制命令及时下发。多环多层型网络防止了在突发情况下视频等数据大规模爆发引起的网络链路堵塞，最大程度上保证了决策命令的下发，维护管廊的本体安全。多环多层型网络架构最为主要的缺点在于实施成本较为高昂，尤其管廊的总体长度较长的情况下，线缆成本几乎成倍增长。同时由于环境控制系统隔离开来，几乎所有联动操作均需要经由控制中心协同控制，联动指令略微有所延迟。多环多层型网络适用于对环境控制系统要求十分苛刻的管廊系统。当然，随着诸如像自动巡检机器人等新型技术加入，新型业务数据需求快速增长的情况下，多环多层型网络架构的应用优势也在逐步体现。

4拓扑比较

在综合分析管廊特性和各种网络拓扑特性基础上，管廊各类网络拓扑特性比较。

5结论

城镇地下综合管廊属于近些年新兴起的事物。本文通过对管廊自身特点以及各类网络拓扑在管廊应用进行比较，认为以环网架构为主体的网络架构较为适合当前管廊系统。而除已经运行的示范段外，所有第一批示范性大型管廊均处于施工阶段，具体的网络架构如何以及后续试运行阶段网络稳定性如何均是需要待检验的。管廊后期运行面临的诸如外部公共网络接入、公安消防市政信息上传以及管线数据上报等问题也对管廊网络部署提出全新的要求。同时新型技术与现有系统的结合使用，也为网络架构提出了截然不同的解决思路。如何选择合适的管廊网络架构也将成为工程人员需要慎重对待的问题。

参考文献

［1］于晨龙，张作慧．国内外城市地下综合管廊的发展历程及现状［J］．建设科技，2015（17）：49－51．

［2］余常俊．城市地下综合管廊浅析［J］．公路，2016（10）：153－157．

［3］李鹏程，施萍．基于GIS的城市地下综合管廊路由规划初探［J］．中国给水排水，2017（10）：85－89．

［4］李宝泉，任小玲，李如石．福州地铁1号线车辆网络控制系统［J］．铁道机车与动车，2017（1）：16－19．

［5］张浩．智慧综合管廊监控与报警系统思考［J］．建设科技，2016（21）：20－22.

作者：丁炜 单位：中冶南方（武汉）自动化有限公司