基于多源數據集成的城市地下管廊運維與智慧管控研究

1、引言

          1833年，市政管線(xiàn)綜合管廊在巴黎城市地下建成至今，經(jīng)過(guò)百年來(lái)的探索、研究、改良和實(shí)踐，法國、英國、德國、俄羅斯、日本、美國等發(fā)達國家的管廊規劃建設與安全運維體系已經(jīng)日臻完善，截止目前，國外已建成各類(lèi)管廊5000 km以上。相關(guān)研究主要集中在管廊類(lèi)型與體系、規劃設計技術(shù)標準；管廊本體結構在地震、水害等災害荷載作用下的成災機理和抗災技術(shù)；智能化管理系統對內部管線(xiàn)設備、廊內環(huán)境進(jìn)行監測等方面。面向智能感知、數據集成、運營(yíng)管理與決策分析的管廊安全運營(yíng)與智慧管控研究建設基本處于空白。當前，我國正處于管廊大規模建設發(fā)展階段，國家相繼出臺相關(guān)政策、標準、指南，進(jìn)一步規范和推進(jìn)管廊的建設和發(fā)展。截止2017年，全國已累計開(kāi)工建設管廊近5000 km，共開(kāi)展了兩批示范城市建設。但在科研上，面向地下管廊系統研究基本處于初級階段，大部分集中于工程設計和施工、環(huán)境監測、管廊本體監測等，但是基于數據融合的城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控基本沒(méi)有，即便實(shí)現了環(huán)境監測或管廊本體監測只是對單一安全問(wèn)題的簡(jiǎn)單監測。預計“十三五"期末，全國將有6000 km以上的綜合管廊投入運營(yíng)，這種敷設了維持城市正常運行的各類(lèi)市政管線(xiàn)，致災環(huán)境復雜，破壞損失巨大的城市“生命線(xiàn)"工程，將帶來(lái)一系列公共安全新需求、新問(wèn)題，對其進(jìn)行系統研究非常緊迫和必要，其中面向多源數據集成的城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控研究就是其中的重要課題之一。

  關(guān)鍵詞：數據集成 數據融合 地下管廊 安全運營(yíng) 智慧管控

2、面向多源數據集成的總體架構設計

   城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控主要圍繞感知、傳輸、數據、平臺與應用以及展現等層面的關(guān)鍵技術(shù)研究及其應用，本文針對其涵蓋內容進(jìn)行了分層架構研究，如圖1所示將其分為三層，其中感知與傳輸為第一層，即前端；數據與平臺為第二層，即支撐；應用與展現為第三層，即服務(wù)。

圖1 面向多源數據集成的城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控整體架構

   第一層：感知與傳輸層，主要負責安全運營(yíng)與智慧管控的前端監控數據采集與傳輸，包括環(huán)境與設備監控、管廊本體監控、融合通信、人員設備定位、安全防范（入侵探測）以及監控預警等智能傳感與傳輸裝置，為“安全監管、集成融合、智能聯(lián)動(dòng)"服務(wù)做鋪墊。

   第二層：數據與平臺層，主要負責安全運營(yíng)與智慧管控的數據集成、數據管理、數據服務(wù)以及平臺支撐，基于“統一規劃、集約建設"的數據體系提供綜合管廊各類(lèi)數據、信息的集中存儲、管理、分析與共享服務(wù)，為各類(lèi)智慧應用提供完整的、有效的數據支撐，并通過(guò)“統一接口"為提供數據資源、地理信息和協(xié)同管理等方面的支撐技術(shù)服務(wù)。

   第三層：應用與展現層，從“安全服務(wù)、智能運維、應急指揮"3個(gè)方面做到安全運營(yíng)與智慧管控服務(wù)，以大屏幕顯示、PC機、移動(dòng)終端、虛擬現實(shí)等各種展現形式提供給客戶(hù)，做到“用數據管理、用數據決策、用數據服務(wù)"。

3、安全運營(yíng)與智慧管控關(guān)鍵技術(shù)研究

   城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控的核心在于數據與應用。數據是管廊安全運營(yíng)與智慧管控服務(wù)的關(guān)鍵信息，也是地下管廊運營(yíng)企業(yè)的核心資產(chǎn)，如果不對數據生命周期全過(guò)程加以管治與融合分析，將可能帶來(lái)數據安全、數據決策與成本效率等問(wèn)題，為此數據集成、融合與聯(lián)動(dòng)十分關(guān)鍵。同時(shí)，城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控體系以及城市地下管廊安全運營(yíng)突發(fā)事件應急處置等關(guān)鍵問(wèn)題是城市地下綜合管廊安全防控的核心要素。

3.1面向時(shí)空信息的多源異構數據集成、聯(lián)動(dòng)與融合構架模型

   城市地下綜合管廊的數據是典型的多源異構數據，數據來(lái)源不同，有環(huán)境監控實(shí)時(shí)數據，有視頻監控數據，有管廊本體數據，還有管廊及其設備人員空間位置數據以及應急預案文本數據等，為此多源數據集成、聯(lián)動(dòng)與融合是管廊安全運營(yíng)與智能化管控的核心。本文采用數據標準集成、基于位置服務(wù)與時(shí)間節點(diǎn)聯(lián)動(dòng)、面向業(yè)務(wù)模型實(shí)現應用融合的思路構架模型，如圖2所示。

圖2面向時(shí)空信息的多源異構大數據集成、聯(lián)動(dòng)與融合構架

         1）數據資源上，包括環(huán)境設備監測、人員設備定位、融合通信、管廊本體監測、視頻監控等感知數據，同時(shí)還有管廊、管線(xiàn)等空間數據及設備、管線(xiàn)等屬性數據（如設備廠(chǎng)家、管線(xiàn)材質(zhì)等）。為了保證應用的數據分析和利用需求，統一制定相應數據編碼標準和數據接口標準來(lái)規范數據體系建設。

         2）信息關(guān)聯(lián)上，基于位置服務(wù)與時(shí)間節點(diǎn)構建時(shí)空數據模型，面向業(yè)務(wù)應用可隨時(shí)聯(lián)動(dòng)。

         3）融合分析上，面向業(yè)務(wù)應用服務(wù)構建時(shí)空融合分析模型，比如智能運營(yíng)、應急聯(lián)動(dòng)、監控預警與健康分析等時(shí)空動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)模型。以應急聯(lián)動(dòng)為例，其應用來(lái)自時(shí)間數據、空間數據、實(shí)時(shí)監控數據、文本數據（應急預案）等多種類(lèi)型數據，通過(guò)基于元數據分析的多源異構大數據融合方法及技術(shù)構建有效融合模型，保證數據的動(dòng)態(tài)性、完整性、安全性和一致性，進(jìn)而完成信息資源的高效儲存和無(wú)縫流轉，為多源異構時(shí)空數據的集成提供應用解決方案。

3.2地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控體系

   城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控主要集成環(huán)境監控、管廊本體監控、人員設備定位、入侵探測安全防范等，構建環(huán)境、設施、設備與結構安全體系，最終基于3DGIS+BIM+全景的管廊安全監測監控綜合集成、聯(lián)動(dòng)報警與控制，并基于ITSS的綜合管廊智能運維與服務(wù)，建立運維、成本與管理等服務(wù)的地下管廊綜合評價(jià)指標體系，考核管廊安全健康狀況、運維服務(wù)情況以及成本與管理情況，構建城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控體系，指標體系如圖3所示。

圖3地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控指標體系

3.3基于GIS的管廊運營(yíng)隱患預警與突發(fā)事件應急聯(lián)動(dòng)處置技術(shù)

   城市地下綜合管廊安全運營(yíng)主要是面向環(huán)境、設施、設備與結構安全的實(shí)時(shí)監控以及異常信息預警預防與突發(fā)事件的應急聯(lián)動(dòng)處置，處置流程如圖4所示。①預警信息主要包括：氣象、地質(zhì)災害等自然災害的預報信息，管廊環(huán)境、設備以及入廊管線(xiàn)實(shí)時(shí)監測的異常信息，人工巡檢發(fā)現的異常信息。預警信息在進(jìn)行核實(shí)、篩選后，基于數據融合技術(shù)進(jìn)行評估、分析，根據可能對綜合管廊本身、各專(zhuān)業(yè)管線(xiàn)造成影響的危害程度和影響范圍，對事件等級進(jìn)行劃分，并提出應對方案和建議。②基于GIS的應急指揮空間應用、應急資源優(yōu)化與聯(lián)動(dòng)控制：應急處置過(guò)程中，基于GIS形式集中展示各種信息，如管廊環(huán)境、設備以及入廊管線(xiàn)實(shí)時(shí)監測數據，現場(chǎng)視頻，實(shí)時(shí)氣象信息，實(shí)時(shí)交通信息，應急資源和隊伍分布，應急隊伍實(shí)時(shí)位置信息等，進(jìn)行態(tài)勢標繪，并根據應急預案進(jìn)行聯(lián)動(dòng)處置。

圖4管廊運營(yíng)隱患預警與突發(fā)事件應急聯(lián)動(dòng)處置流程

4、應用實(shí)現及其規范

   在數據融合、安全運營(yíng)與智慧管控體系以及管廊運營(yíng)隱患預警與突發(fā)事件應急聯(lián)動(dòng)處置等關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎上，以“安全服務(wù)、智能運維、應急指揮"為核心內容構建了面向多源數據集成的城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控服務(wù)平臺，并已在連云港市徐圩新區取得成功示范應用，如圖5所示。該示范應用效果：①解決了環(huán)境與設備監控、管廊本體監控、安全防范監測以及視頻監控等前端感知數據的集中管理與數據融合，已實(shí)現全面的安全監控服務(wù)；②基于3DGIS+BIM+全景構建了城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控服務(wù)系統；③基于安全運營(yíng)與智慧管控體系已實(shí)現管廊本體與各類(lèi)權屬管線(xiàn)的智能化運營(yíng)服務(wù)，并已實(shí)現基于位置服務(wù)的智能巡檢服務(wù)；④基于數據集成與融合以及空間數據服務(wù)已實(shí)現基于位置服務(wù)的應急指揮調度與輔助決策應用。

圖5城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控服務(wù)平臺示范應用

5、平臺拓撲圖

6、平臺子系統

   電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進(jìn)行保護和監控，對0.4kV出線(xiàn)配置多功能計量?jì)x表，用于測控出線(xiàn)回路電氣參數和用能情況，可實(shí)時(shí)監控高低壓供配電系統開(kāi)關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

環(huán)境監測

   環(huán)境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門(mén)禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時(shí)也可接入管廊艙室內的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機等設備集成的第三方系統完成管廊環(huán)境綜合監控。

馬達監控

   馬達監控實(shí)現對管廊電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，實(shí)現對電機過(guò)載、短路、缺相、漏電等異常情況的保護、監測和報警。在需要的情況下可以設置聯(lián)動(dòng)控制。

電氣安全

         AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門(mén)狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，發(fā)生異常時(shí)通過(guò)聲光、短信、APP及時(shí)預警。

智能照明控制

①　防火分區單獨控制，分區內設置智能控制面板就地驅動(dòng)器；開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器連接消防報警系統，接收消防報警信息，強制打開(kāi)驅動(dòng)器回路。

②　廊內上方安裝智能照明傳感器，使人員進(jìn)入管廊內自動(dòng)開(kāi)啟燈具，在管廊內停留燈具保持常亮，離開(kāi)后燈具關(guān)閉。

③　除了現場(chǎng)的控制方式外，還可用電腦端實(shí)現集中控制，實(shí)時(shí)遠程監控當前區域的照明情況，必要時(shí)可遠程控制該區域的照明。

④　考慮現場(chǎng)模塊分布較廣，距離過(guò)長(cháng)，除了現場(chǎng)的控制方式外，還可用電腦端實(shí)現集中控制，實(shí)時(shí)遠程監控當前區域的照明情況，必要時(shí)可遠程控制該區域的照明。

⑤　系統支持單控、區域控制、自動(dòng)控制、感應控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調光控制等多種控制方式，支持延時(shí)控制，避免同時(shí)亮燈負荷對配電系統造成沖擊。模塊不依賴(lài)系統，可獨立工作，每個(gè)模塊均自帶時(shí)間模塊，可根據經(jīng)緯度自動(dòng)識別日出日落時(shí)間實(shí)現自動(dòng)控制功能。

7、電相關(guān)平臺部署硬件選型清單

1.智能照明系統

2.電氣火災監控系統

3.消防設備電源監控系統

4.防火門(mén)監控系統

5.消防應急照明和疏散指示系統

8、結束語(yǔ)

   城市地下綜合管廊智能化建設面臨管廊本體監控、管廊環(huán)境監控、管廊通信、視頻監控與智能巡檢、應急處置等多源數據，本文提出了面向時(shí)空信息的多源異構數據集成、聯(lián)動(dòng)與融合構架模型，并結合城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控建立了管理、成本、運維與健康等服務(wù)的評價(jià)指標體系及基于GIS的管廊運營(yíng)隱患預警與突發(fā)事件應急聯(lián)動(dòng)處置模型?；谏鲜鲅芯?，成功研發(fā)了城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控服務(wù)軟件平臺，并在管廊智能化行業(yè)取得示范應用。到2020年，國內將建成一批前位水平的地下綜合管廊并投入運營(yíng)，城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控將具有廣闊的市場(chǎng)應用前景，將保障城市地下綜合管廊安全運營(yíng)并提高管控效率。

參考文獻

【1】 劉橋喜 熊偉 孫光輝.面向多源數據集成的城市地下綜合管廊安全運營(yíng)與智慧管控研究. 地理信息世界.2019

【2】 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.建設科技.2015.

【3】 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計及應用手冊.2020.06版.

作者簡(jiǎn)介：魏健輝，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司。