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CQUTS-2000井下輸電線路超溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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CQUTS-2000井下輸電線路超溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介井下輸電線路超溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Undergroundtransmissionlinetemperaturemonitoringsystem）（CQUTS）技術(shù)示范成功是在1981年，Southampton大學(xué)在通訊光纖上測(cè)試成功

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CQUTS-2000井下輸電線路超溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

井下輸電線路超溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Underground transmission line temperature monitoring system）（CQUTS）技術(shù)示范成功是在1981年，Southampton大學(xué)在通訊光纖上測(cè)試成功。CQUTS系統(tǒng)于1986年正式投入商業(yè)化運(yùn)作，在隨后的時(shí)間里，伴隨著光纖通訊的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器等一系列新技術(shù)、新產(chǎn)品的使用使得光纖傳感行業(yè)也經(jīng)歷了的發(fā)展，光纖的本征特性和越來(lái)越多成功的案例充分證明光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)已成為解決越來(lái)越多溫度監(jiān)測(cè)難題、火情預(yù)警與探測(cè)方面解決方案。

1.1 CQUTS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

Cakj CQUTS 系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：分布式光纖測(cè)溫主機(jī)和線性多模感溫光纜。分布式光纖測(cè)溫主機(jī)內(nèi)部封裝光器件、激光器、數(shù)據(jù)處理等部分組成，主要用于整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)配置、信號(hào)采集、信號(hào)分析和分析結(jié)果輸出等功能。多模感溫光纜作為線型傳感器，光纜內(nèi)含2根光纖，一根光纜可以長(zhǎng)至數(shù)公里，甚至數(shù)十公里，通過(guò)分析光纜內(nèi)不同位置上的光散射信號(hào)得到相應(yīng)的溫度信息。CQUTS 系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測(cè)量整根光纖上成千上萬(wàn)位置點(diǎn)溫度信息，光纖固有的優(yōu)良特性使得CQUTS系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

n 在分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，光纜既是溫度傳感器又是信號(hào)傳輸通道，不再需要其它的測(cè)量或傳輸裝置；

n 一根光纜能夠提供上萬(wàn)個(gè)測(cè)量點(diǎn)的信息，安裝快捷簡(jiǎn)便且成本低廉，安裝后長(zhǎng)期使用且免維護(hù)；

n 光纖具有耐高溫（能夠承受超過(guò)1000℃的高溫）、抗腐蝕、抗雷擊和長(zhǎng)壽命的特質(zhì)，適用于各種復(fù)雜、有害或惡劣環(huán)境；

n 光纖具有抗射頻和抗電磁干擾的特質(zhì)，適用于高壓場(chǎng)合；

n 光纖具有無(wú)靜電、的特質(zhì)，不會(huì)產(chǎn)生電火花，適用于易燃易爆環(huán)境；

n 光纖本身輕細(xì)纖柔，體積小，重量輕，不僅便于布設(shè)安裝，而且對(duì)埋設(shè)部位的材料性能和力學(xué)參數(shù)影響甚小，能實(shí)現(xiàn)無(wú)損埋設(shè)等。

1.2 CQUTS系統(tǒng)應(yīng)用

n 高壓電纜溫度監(jiān)測(cè)；

n 大型變壓器的溫度監(jiān)測(cè)；

n 油田和天然氣豎井的溫度檢測(cè)；

n 各種管道（天然氣、石油等）泄漏監(jiān)測(cè)；

n 建筑物防火監(jiān)測(cè)；

n 大型工廠（化工廠電廠）重點(diǎn)設(shè)備（煉爐、煤炭傳送）溫度監(jiān)測(cè)，或生產(chǎn)過(guò)程的溫度監(jiān)測(cè)；

n 各種遂道（高速公路、地鐵、鐵路等）防火監(jiān)測(cè)；

n 大壩的泄漏和溫度檢測(cè)；

2 CQUTS系統(tǒng)的工作原理

CQUTS系統(tǒng)同時(shí)利用單根光纜實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)和信號(hào)傳輸，綜合利用光纖拉曼散射效應(yīng)（Raman scattering）和光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)（Optical Time-Domain Reflectometry，簡(jiǎn)稱OTDR）來(lái)獲取空間溫度分布信息。

其中光纖拉曼散射效應(yīng)（Raman scattering）用于實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，光時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)（Optical Time Domain Reflectometer）用于實(shí)現(xiàn)溫度定位，是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的高科技技術(shù)，它能夠連續(xù)測(cè)量光纖沿線的溫度分布情況，測(cè)量距離在可達(dá)30公里，空間定位精度達(dá)到米的數(shù)量級(jí)，能夠進(jìn)行不間斷的自動(dòng)測(cè)量，特別適宜于需要長(zhǎng)距離、大范圍多點(diǎn)測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.1 CQUTS測(cè)溫原理—拉曼散射

激光光脈沖射入傳感用的光纖之中，在光脈沖向前的傳播過(guò)程中，由于光纖的密度、應(yīng)力、材料組成、溫度和彎曲變形等原因發(fā)生散射現(xiàn)象，有一部分的散射光會(huì)按照入射光相反的方向傳播，稱之為背向散射光，返回的背向散射光包括：

n 瑞利（RayLeigh）散射，由光纖折射率的微小變化引起，其頻率與入射光脈沖一致；

n 拉曼（Raman）散射，由光子與光聲子相互作用引起，其頻率與入射光脈沖相差幾十太赫茲；

n 布里淵（Brillouin）散射，由光子與光纖內(nèi)彈性聲波場(chǎng)低頻聲子相互作用引起。其頻率與入射光脈沖相差幾十吉赫茲；

針對(duì)溫度檢測(cè)需求，Rayleigh 散射信號(hào)對(duì)溫度變化不敏感；Brillouin 散射信號(hào)的變化與溫度和應(yīng)力有關(guān)，但信號(hào)剝離難度大；Raman 散射信號(hào)的變化與

溫度有關(guān)，而且 Raman 散射信號(hào)相對(duì)容易獲取和分析，因此工業(yè)應(yīng)用主要采集Raman 散射信號(hào)進(jìn)行溫度分析。Raman散射會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的信號(hào)：斯托克斯(Stokes)光（比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的光）和反斯托克斯(Anti-Stokes)光（比光源波長(zhǎng)短的光），光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光強(qiáng)發(fā)生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的指示，利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量。

2.2 CQUTS定位原理—光時(shí)域反射

光學(xué)時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）最初用于評(píng)價(jià)通信光纖、光纜和耦合器的性能，是用于檢驗(yàn)光纖損耗、光纖故障的手段。一般將CQDTS測(cè)溫原理和定位原理稱為ROTDR，其工作機(jī)理是向被測(cè)光纖發(fā)射光脈沖，發(fā)生拉曼散射現(xiàn)象，在光纖中形成背向散射光和前向散射光。其中，背向散射光向后傳播至光纖的起始端（也就是光脈沖的注入端），由于每一個(gè)背向傳播的散射光都對(duì)應(yīng)光纖上的一個(gè)散射點(diǎn)，因此，根據(jù)背向散射光的行進(jìn)時(shí)間便可判斷出光纖上發(fā)生散射點(diǎn)的位置。

d=(c×t) / 2 × (IOR)

其中，c是光在真空中的速度，而t是信號(hào)發(fā)射后到接收到信號(hào)（雙程）的總時(shí)間，IOR是光纖折射率。

通過(guò)采集和分析入射光脈沖從光纖的一端（注入端）注入后在光纖內(nèi)傳播時(shí)產(chǎn)生的 Raman 背向反射光的時(shí)間和強(qiáng)度信息得到相應(yīng)的位置和溫度信息，在得知每一點(diǎn)的溫度和位置信息后，就可以得到一個(gè)關(guān)于整根光纖的不同位置的溫度曲線。

3 CQUTS系統(tǒng)

圖a 分布式光纖測(cè)溫主機(jī)

CQUTS具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是國(guó)內(nèi)一家能實(shí)現(xiàn)30Km長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)的高科技企業(yè)，可以實(shí)現(xiàn)30Km無(wú)中繼的連續(xù)式溫度監(jiān)測(cè)和火災(zāi)報(bào)警，打破了國(guó)外光纖拉曼技術(shù)在長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的長(zhǎng)期技術(shù)壟斷。

有別于國(guó)內(nèi)其他廠商的設(shè)計(jì)水平， CQUTS沿用國(guó)際設(shè)計(jì)理念，根據(jù)不同的測(cè)量距離定制不同的產(chǎn)品，在充分考慮到可擴(kuò)展性、設(shè)備間的互換性、性價(jià)比等基礎(chǔ)上，為不同的客戶量身定制不同的解決方案。

3.1 組成及主要功能

CQUTS提供了一個(gè)實(shí)時(shí)、多對(duì)象、多監(jiān)測(cè)點(diǎn)、高精度、高可靠性、費(fèi)用低廉的解決方案。將光纜直接敷設(shè)在待測(cè)物表面，在不影響待測(cè)物溫度場(chǎng)的情況下，使光纜能直接感觸待測(cè)物溫度信息。

標(biāo)準(zhǔn)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)包括如下組件：

n 多模感溫光纜 ：與分布式光纖測(cè)溫主機(jī)采用E2000或者FC/APC相連，根據(jù)測(cè)溫要求和測(cè)溫環(huán)境具體定制光纜長(zhǎng)度、規(guī)格；

n 分布式光纖測(cè)溫主機(jī)：2U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，機(jī)柜式；

n 多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)：多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的型號(hào)以通道數(shù)目來(lái)劃分，最少2個(gè)通道，最多16個(gè)通道，每個(gè)通道接1根光纜；

n 測(cè)溫軟件

n 繼電器輸出模塊

n 液晶顯示器

3.2 軟件功能

光纖多點(diǎn)測(cè)溫應(yīng)用軟件提供以下主要功能：

n 報(bào)警模式：異常溫度變化報(bào)警。觸發(fā)報(bào)警的事件分為以下三種類型：

A) 定溫報(bào)警：設(shè)定報(bào)警閾值，當(dāng)實(shí)測(cè)溫度值超過(guò)閾值啟動(dòng)報(bào)警；

B) 溫差報(bào)警：某個(gè)區(qū)域溫度與溫度之間的溫度差值，閾值可設(shè)定；

C) 溫差速率報(bào)警(基于時(shí)間)：報(bào)警閾值可設(shè)定；

n 報(bào)警功能和設(shè)置：用戶可以定制報(bào)警參數(shù)和報(bào)警模式，三種報(bào)警模式可以單獨(dú)或組合使用；

n 系統(tǒng)故障報(bào)警：系統(tǒng)自行監(jiān)視激光強(qiáng)度、檢測(cè)光纖健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自我診斷和測(cè)試，并及時(shí)提示系統(tǒng)故障事件；

n 報(bào)警與確認(rèn)：當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)軟件報(bào)警，可外接聲光報(bào)警器，軟件報(bào)警和聲光報(bào)警均支持人工復(fù)位，報(bào)警信息將被自動(dòng)存作歷史資料。報(bào)警信息將按順序顯示，不會(huì)被覆蓋或取消，并記錄警報(bào)是否已被確認(rèn)，報(bào)警音響可定制。

n 周期性報(bào)表：系統(tǒng)將提供自動(dòng)和手動(dòng)報(bào)表（日/周/月），并允許使用者按具體日期生成報(bào)表。具體功能如下：

A) 系統(tǒng)將按照所設(shè)定的參數(shù)收集和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。報(bào)表將由軟件編輯工具（諸如Excel）生成并自動(dòng)存檔，使用者還可透過(guò)該軟件來(lái)定義報(bào)表格式；

B) 報(bào)表自動(dòng)生成并自動(dòng)存檔。報(bào)表也可以在時(shí)段的時(shí)間自動(dòng)生成；

C) 所有的報(bào)表可自動(dòng)做成備份至硬盤；

D) 日期和修改將被記錄在所有報(bào)表上。

n 2D/3D 曲線圖：系統(tǒng)具有溫度曲線圖顯示功能，可以顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)。趨勢(shì)圖將提供以下功能：

A) 某時(shí)段監(jiān)測(cè)對(duì)象不同位置的溫度分布曲線；

B) 某天監(jiān)測(cè)對(duì)象某點(diǎn)的溫度變化曲線；

C) 某時(shí)段監(jiān)測(cè)對(duì)象某點(diǎn)的溫度變化曲線；

D) 某天溫度變化曲線。

3.3 系統(tǒng)參數(shù)介紹

參數(shù) / Parameter	規(guī)格 / Specifications
單通道測(cè)量距離	2Km	4Km	15Km	30Km
溫度精度	0.5℃		1℃
光纖類型	62.5/125um多模光纖		50/125um多模光纖
溫度分辨率	0.1℃
測(cè)溫范圍	-200℃ ~ +450℃ 【取決于光纖的涂覆材料】
光通道數(shù)量	1-16
空間分辨率	1m
空間采樣分辨率	0.25m
定位精度	1m
響應(yīng)時(shí)間	≥16s
光纖接口	FC/APC E2000
工作溫度	0℃~70℃
工作濕度	0％RH~95％RH
功耗	<>
電源	220VAC，50Hz
通訊接口	Ethernet、 USB、RS232、RS485
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)	160G硬盤（可擴(kuò)展），512M內(nèi)存
自我診斷 / 遠(yuǎn)程控制	內(nèi)置自我診斷模塊，防止硬件和軟件死機(jī)；內(nèi)置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遙測(cè)；

4. 主要設(shè)備介紹

4.1.1 光纖測(cè)溫主機(jī)CQUTS

光纖測(cè)溫主機(jī)是光纖分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，一方面為現(xiàn)場(chǎng)多模感溫光纜提供激光脈沖信號(hào)，另一方面采集散射光信號(hào)進(jìn)行分析，輸出光纜沿線的溫度數(shù)據(jù)和位置信息。與感溫光纜通過(guò)E2000，8°傾角法蘭或者FC/APC法蘭相連，AC 220V供電。

產(chǎn)品特點(diǎn)

n 1M激光等級(jí)，光源符合人眼安全標(biāo)準(zhǔn)，避免給操作人員在操作過(guò)程中帶來(lái)安全隱患；

n 光學(xué)器件集成在一個(gè)高度集成的光學(xué)構(gòu)件中，該光學(xué)構(gòu)件全面密封，有效防止光學(xué)器件出現(xiàn)凝結(jié)和灰塵現(xiàn)象，避免光器件出現(xiàn)過(guò)早老化，延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命；

n 溫度測(cè)量精度可達(dá)到±0.5℃，定位精度可達(dá)到1米，溫度分辨率可達(dá)到0.1℃；

n 光學(xué)通道數(shù)固定為1通道，可通過(guò)多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)擴(kuò)展到16通道；

n 使用國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)通信接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和系統(tǒng)維護(hù)升級(jí)，使得維護(hù)方便，節(jié)約維護(hù)成本；

n 適應(yīng)各種傳感光纖，對(duì)光纖的適應(yīng)性較強(qiáng)；

n 火災(zāi)報(bào)警、系統(tǒng)故障報(bào)警具有聲、光及圖文界面報(bào)警功能，且火災(zāi)報(bào)警信息和故障信息有明顯區(qū)別，報(bào)警時(shí)能明確指示出報(bào)警或故障區(qū)域，并保持至復(fù)位；

n 采用繼電器輸出模塊進(jìn)行分區(qū)報(bào)警設(shè)置，可根據(jù)工程要求實(shí)現(xiàn)無(wú)限個(gè)繼電器報(bào)警輸出；

4.1.2 多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) SWT

多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)內(nèi)部封裝光開(kāi)關(guān)器件，是分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光通道數(shù)量擴(kuò)展主要設(shè)備，可擴(kuò)展至16通道，與光纖測(cè)溫主機(jī)通過(guò)RS232通訊。多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為2U機(jī)箱設(shè)計(jì)，可方便地嵌入到機(jī)柜中。

4.1.3 繼電器輸出模塊Relay

繼電器輸出模塊為分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)提供多組無(wú)源常開(kāi)干結(jié)點(diǎn)繼電器輸出端子，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到告警信息時(shí)，可以立即通過(guò)繼電器向通用報(bào)警控制器等其他系統(tǒng)輸出閉合信號(hào)，通告火災(zāi)區(qū)間，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。

4.1.4 多模測(cè)溫光纜

為分布式溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信號(hào)傳輸載體，外護(hù)套上帶長(zhǎng)度計(jì)米標(biāo)志，通過(guò)E2000，8°傾角法蘭與光纖測(cè)溫主機(jī)相連，可實(shí)現(xiàn)油罐、油管、油井、隧道、電纜等溫度監(jiān)測(cè)，根據(jù)測(cè)溫需求定制不同長(zhǎng)度和不同型號(hào)的光纜。

外置式測(cè)溫光纜采用2芯多模50/125μm光纜，光纜外護(hù)套為高性能的低煙無(wú)鹵素阻燃熱塑型材料，測(cè)溫光纜具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)特性、機(jī)械性能、防水性能及抗腐蝕特性。

特性	參數(shù)
衰減系數(shù)	≤2.9 dB/km（850nm）、≤0.8 dB/km（1300nm）
帶寬	≥ 440 MHz/km（850nm）、≥500 MHz/km（1300nm）
數(shù)值孔徑（NA）	0.2±0.015
芯徑	62.5±3mm
包層直徑	125±2mm
涂層直徑	245 ± 10mm
光纖數(shù)	2
管直徑內(nèi)/外	2.0/2.8 mm
外護(hù)套外徑（厚x寬）	2.5×5 mm
光纜重量	25 kg.km-1
光纜顏色	阻燃材料，黑色或紅色
最小彎曲半徑	最小 15 x D（重復(fù)彎曲）
拉力	2000 N
抗壓力	400 N/cm
溫度范圍（運(yùn)輸，存儲(chǔ)，工作安裝）	? 25 to + 120°C
光纜標(biāo)準(zhǔn)	EN18700,IEC60754,IEC60332-1,IEC61034-1,IEC61034-2,IEC60754-2
光纖標(biāo)準(zhǔn)	IEC60793

電纜及電纜中間接頭、終端頭過(guò)熱如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，會(huì)引發(fā)爆炸與火災(zāi)等惡性事故，是嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)的因素之一，如果能對(duì)電纜運(yùn)行溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，就能提前避免這些事故的發(fā)生，將電纜運(yùn)行的安全隱患消除于萌芽狀態(tài)。

此外，環(huán)境溫度往往是外力性火災(zāi)及故障性火災(zāi)的前兆，可靠的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)和及時(shí)報(bào)警很有意義，可以減少運(yùn)行中的巡查次數(shù)。

CQUTS 系統(tǒng)是一個(gè)優(yōu)秀的線性實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以準(zhǔn)確定位（2米以內(nèi)）發(fā)熱點(diǎn)，同時(shí)提供預(yù)警。為用戶及時(shí)排除事故隱患提供了可靠的依據(jù)，并為分析原因，提供了可靠的參考。

該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)所有監(jiān)測(cè)對(duì)象的溫度曲線數(shù)據(jù)，根據(jù)不同區(qū)域進(jìn)行分區(qū)管理，管理方式十分靈活，在分區(qū)基礎(chǔ)上可以根據(jù)實(shí)際情況靈活定制報(bào)警。

5 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

n 電纜運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)功能：通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄電纜的運(yùn)行溫度，積累數(shù)據(jù)，尋找電纜運(yùn)行溫度在不同季節(jié)和每天不同時(shí)段的變化規(guī)律，監(jiān)視電纜的運(yùn)行狀況，為實(shí)行狀態(tài)檢修提供依據(jù)。

n 電纜運(yùn)行溫度異常報(bào)警功能：通過(guò)電纜表面溫度、環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題以及運(yùn)行電纜周圍環(huán)境的突變，以便及早采取措施，預(yù)防乃至避免電纜故障和其他損失。

感溫光纜安裝在橋架上的，采用pvc或金屬卡箍的方式安裝到傳輸電纜上。橋架內(nèi)傳輸光纖最小彎曲半徑大于3厘米。橋架內(nèi)可移動(dòng)部分的光纖套裝金屬軟管進(jìn)行保護(hù)。纜與纜之間的可移動(dòng)距離大于0.5米，層間光纖的可移動(dòng)距離大于1米。系統(tǒng)采用手動(dòng)光纖回路功能，每光纜采用FC/APC連接器，系統(tǒng)良好時(shí)兩端口都可得到正確的測(cè)試數(shù)值，異常時(shí)可以在一定程度上提高系統(tǒng)的可靠性。如需對(duì)截面感溫光纜進(jìn)行維修時(shí)可整串拆卸后進(jìn)行。

6. 設(shè)備清單

序號(hào)	設(shè)備名稱	型號(hào)	數(shù)量	單位	備注
1	光纖測(cè)溫主機(jī)		1	臺(tái)	放置在地面
2	測(cè)溫光纜	煤礦井下專用防爆型	12000	米	礦用隔爆型
3	光纜分路盒	PLC1分6	1	個(gè)	放置在地面
4	光纜接續(xù)盒	防水A型	6	個(gè)	放置在地面
5	系統(tǒng)軟件		1	套	放置在地面
6	上位機(jī)		1	臺(tái)	放置在地面
7	機(jī)柜		1	臺(tái)	放置在地面