城市地下綜合管廊智能互聯(lián)運營(yíng)監控系統建設研究

摘要:分析地下綜合管廊智能互聯(lián)運營(yíng)監控系統的需求，構建智能互聯(lián)監控系統架構，包括環(huán)境與設備監控系統、安全監控系統、通信系統和智慧管廊綜合監控平臺四個(gè)子系統，為綜合管廊智能化管理提供參考。

   關(guān)鍵詞：地下綜合管廊智能互聯(lián)運營(yíng)監控系統BIM物聯(lián)網(wǎng)

1、引言

   近年來(lái)，地下綜合管廊已成為建設現代化“綠色城市"、“智慧城市"的重要環(huán)節。在綜合管廊運營(yíng)過(guò)程中，由于管廊位于地下呈封閉性，不確定因素較多，受工程地質(zhì)和水文條件影響較大，且內部管線(xiàn)種類(lèi)多、密度較高、口部設計復雜、維修費用高等，傳統的人工運營(yíng)管理常出現安全隱患多、檢修不及時(shí)等問(wèn)題，因此借助BIM、物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)構建城市地下綜合管廊智能互聯(lián)運營(yíng)監控系統，對實(shí)現管廊運營(yíng)安全智能預警，及時(shí)排除運營(yíng)風(fēng)險，提升運營(yíng)管理效率意義重大。目前將BIM、物聯(lián)網(wǎng)、機器人等技術(shù)應用到管廊運維階段的研究已較多，但管廊整體的智能互聯(lián)運營(yíng)體系架構還不完善。如何將管理與環(huán)境、設備、產(chǎn)品等通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)數據互聯(lián)，使彼此能夠互相感知，實(shí)現智能化運營(yíng)管理體系已十分迫切。所以構建管廊智能互聯(lián)運營(yíng)管理體系架構，對實(shí)現管廊智能化運營(yíng)管理有著(zhù)重要促進(jìn)作用。

2、城市地下綜合管廊運營(yíng)監控系統的需求分析

   為實(shí)現綜合管廊運營(yíng)過(guò)程中的信息互通與安全監控預警，需分析綜合管廊建設安全監控系統的需求。

（1）服務(wù)對象。根據管廊運營(yíng)單位管理需求，建立智能監控系統，實(shí)現狀態(tài)監控、事故預防與控制優(yōu)化等。

（2）功能要求。綜合管廊智能互聯(lián)監控系統應以信息系統為核心，通過(guò)傳感器采集管廊運營(yíng)數據，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的運程操作、計算及通信等，將數字化信息與管廊環(huán)境、設備、安全等運營(yíng)實(shí)體關(guān)聯(lián)，實(shí)現傳感器、智能控制面板、通信系統和終端接收系統的互聯(lián)互通，達到管廊自我感知、自我診斷、自我控制及自我優(yōu)化的智能化運營(yíng)管理體系，更好地服務(wù)于運營(yíng)單位。

（3）數據需求。為確保監控狀態(tài)的及時(shí)、準確、有效，須在廊體內部安裝不同功能的傳感器進(jìn)行數據的收集，并能及時(shí)傳送到監控系統進(jìn)行分析、預警，從而實(shí)現動(dòng)態(tài)智能監測。數據主要包括基礎數據和監控數據，前者為管廊內部的結構、設備、管線(xiàn)等基礎數據，后者為廊體內設置的各傳感器所監測、采集、分析的數據。

（4）非功能性需求。在管廊運營(yíng)階段，系統在信息搜集、分析、處理，安全隱患排查及風(fēng)險預警執行過(guò)程中，硬件和軟件應保證在運行過(guò)程中抵抗異常情況的干擾及保證系統正常工作的可靠性能力。為此，系統應具有可擴展性和二次開(kāi)發(fā)性，保證先進(jìn)性和持續性，以及良好的接口以保證系統數據不丟失從而維持正常的運作。此外，系統中信息編碼、采集、信息通信要具備一致性，設計規范應完整、標準，保證輸出成果能與其他系統相兼容或不同數據格式的轉換，實(shí)現系統間的數據共享。

3、地下綜合管廊智能互聯(lián)監控系統架構設計

   智慧管廊智能互聯(lián)監控系統采用分層設計、統一架構、標準協(xié)議、協(xié)同管理的整體技術(shù)構架。系統包括：

（1）感知層：通過(guò)傳感器采集整個(gè)管廊氣體、溫濕度、水位、電力、通信數據，實(shí)現對整個(gè)管廊運行狀態(tài)的感知，通過(guò)風(fēng)機、水泵、配電、照明、消防實(shí)現整個(gè)管廊的安全運行。

（2）接入層：提供統一的設備接入服務(wù)，提供多種通信終端產(chǎn)品及接入方案，采用統一的數據采集及控制接口模型，支持各種工業(yè)通信協(xié)議，可實(shí)現對各類(lèi)環(huán)境傳感器和通風(fēng)、配電、燃氣及排水設備的快速接入。

（3）傳輸層：采用有線(xiàn)及無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，分布式消息中間件，實(shí)現安全可靠的雙向數據交互，確保各類(lèi)感知數據的實(shí)時(shí)采集以及遠程控制命令實(shí)時(shí)到達和執行，并能連接大數據服務(wù)平臺。

（4）數據層：由消息中間件、數據緩存服務(wù)、數據分析服務(wù)、實(shí)時(shí)數據流服務(wù)、NoSQL數據庫平臺，依托數據庫集群、云計算及大數據技術(shù)，構建智慧管廊大數據處理系統。提供從終端到頭端、從設備到業(yè)務(wù)、從數據到運營(yíng)決策的全業(yè)務(wù)、全數據、全覆蓋的整體解決方案。

（5）展示層：依托GIS、GPS、BIM技術(shù)、三維展示技術(shù)、虛擬顯示技術(shù)以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為智慧管廊運營(yíng)單位提供全面的應用服務(wù)，實(shí)現環(huán)境及設備監控、安全防范管理、運行維護管理以及數據統計及效能分析。

4、地下綜合管廊運營(yíng)監控系統功能架構

   依據設計原則，通過(guò)調研管理現狀，了解亟待解決的問(wèn)題，提出綜合管廊智慧運維監管系統應包含四個(gè)子系統：環(huán)境與設備監控系統、安全監控系統、通信系統以及智慧管廊綜合監控平臺。該系統要實(shí)現的功能模塊，如圖1所示。

4.1環(huán)境與設備監控系統

（1）環(huán)境監測環(huán)境監控功能需實(shí)現對綜合管廊全域環(huán)境參數實(shí)施全程監控，將實(shí)時(shí)監控信息通過(guò)數據采集裝置及時(shí)傳輸綜合監控平臺，便于管理人員及時(shí)發(fā)現現場(chǎng)環(huán)境問(wèn)題，排除環(huán)境異常及對警情的及時(shí)處理，保證管廊正常運行。監測的主要環(huán)境參數有：溫度、濕度、水位、氧含量、硫化氫濃度、甲烷濃度。

（2）設備監控設備監控功能需實(shí)現對管廊的通風(fēng)系統設備、排水系統設備、供電系統設備、照明系統設備以及配套的采集、控制設備狀態(tài)監控；實(shí)現對故障設備的實(shí)時(shí)警告。同時(shí)根據運行要求對這些設備的運行發(fā)出相應的指令進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整，如防火分區內照明開(kāi)關(guān)的分合控制等。

（3）報警管理管廊內出現異常情況時(shí)，報警并自動(dòng)進(jìn)行異常處理。報警管理功能要求閾值設置，與PLC（Programmable Logic Controller）通訊，將不同類(lèi)型報警閾值寫(xiě)入PLC中，并實(shí)時(shí)顯示當前報警，當發(fā)生報警時(shí)，自動(dòng)彈出報警界面，顯示報警位置、報警設備、報警原因、報警時(shí)間、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、當前采取的措施等。同時(shí)系統應發(fā)出報警聲提示用戶(hù)，并在界面上循環(huán)滾動(dòng)報警信息。當有多個(gè)報警同時(shí)發(fā)生時(shí)，可切換查看各報警的詳細信息。此外，報警應有延時(shí)性，即當采集值持續超出閾值一定時(shí)間后，比如2s，才認為是有效報警，避免僅瞬間超閾值而造成頻繁報警。

（4）聯(lián)動(dòng)功能為了提高運營(yíng)效率，綜合監控系統應匯集各設備系統的信息，實(shí)現信息互通和聯(lián)動(dòng)，保證對管廊運營(yíng)安全快速及時(shí)做出反應，縮短安全救援時(shí)間、減少安全事故損失。例如檢修管理功能，可在檢修情況下，通過(guò)迅速啟動(dòng)環(huán)境與設備監控系統通風(fēng)模式進(jìn)入檢修狀態(tài)。

4.2安全監控系統

安全監控系統由視頻監控系統、入侵報警系統、出入口門(mén)禁系統、電子巡查系統等組成。

(1）視頻監控系統該系統可為運營(yíng)管理人員提供監控區域圖像、視頻等視覺(jué)信息，并與視頻聯(lián)動(dòng)報警功能相配合，對管廊安全運營(yíng)輔助管理。視頻監控系統由攝像機、視頻管理服務(wù)器、磁盤(pán)陣列、監控運維中心軟件視頻管理模塊等組成。系統采用網(wǎng)絡(luò )信號傳輸方式，共用主干網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現統一的視頻信號存儲、顯示和遠程調用等功能。

(2)入侵報警系統入侵報警系統主要由紅外雙鑒探測器、聲光報警器、入侵報警控制服務(wù)器和智慧管理平臺入侵報警系統等部分組成。紅外雙鑒探測器是將兩種探測技術(shù)結合觸發(fā)報警，可降低單種探測技術(shù)對射系統的誤報率。其在通風(fēng)口、人員出入口等易于從外部入侵的位置設置，通過(guò)硬線(xiàn)接入就近分區控制系統，信號通過(guò)主干網(wǎng)絡(luò )上傳監控平臺。當有外部人員進(jìn)入時(shí)，綜合監控平臺上將顯示有入侵的相應區間位置圖像閃爍，并產(chǎn)生報警信號，同時(shí)調取附近攝像機畫(huà)面到平臺顯示。

(3)出入口門(mén)禁系統管廊出入口門(mén)禁控制系統是建設一個(gè)以中央管理系統為中心，以智能IC卡為載體，以進(jìn)出權限為基礎，連接并實(shí)時(shí)對管廊重要風(fēng)險區域的安全管控。通過(guò)ACU將數據實(shí)時(shí)傳送到位于控制中心的安保工作站，安保工作站顯示相應區間視頻畫(huà)面，并產(chǎn)生語(yǔ)音報警。

(4)電子巡檢系統電子巡檢系統主要通過(guò)管廊內部設置的無(wú)線(xiàn)傳感器等設備進(jìn)行系統數據信息的采集，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或局域網(wǎng)等傳輸到系統數據庫進(jìn)行數據的編碼、分析與管理，并與環(huán)境、設備等業(yè)務(wù)管理系統互聯(lián)，最后將系統信息、業(yè)務(wù)統計分析結果等發(fā)布和顯示在綜合監控平臺。

4.3通信系統通信系統由有線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )系統、固定語(yǔ)音通信系統、無(wú)線(xiàn)對講系統等組成。

(1)有線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )系統：是綜合管廊現場(chǎng)控制單元（PLC系統）、網(wǎng)絡(luò )攝像頭、門(mén)禁系統等與監控平臺間的快速、安全、可靠的數據通道。

(2)固定語(yǔ)音通信系統：由光纖電話(huà)主機、電話(huà)分機、監控中心光纖電話(huà)系統服務(wù)器等部分組成。為管理人員提供實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信功能，同時(shí)可兼做消防電話(huà)。

(3)無(wú)線(xiàn)對講系統：在管廊控制室建立，通過(guò)數字常規信道機、光近端機將信號送入管廊內，在管廊內位置放置光纖遠端機，輸出信號通過(guò)漏泄同軸電纜進(jìn)行覆蓋。實(shí)現監控中心與無(wú)線(xiàn)對講機的通信，手持終端可在管廊內，亦可在綜合管廊監控平臺附近通信。

4.4 智慧管廊綜合監控平臺

綜合監控平臺是整個(gè)管廊智能運營(yíng)管理的中心，能提供各分子系統的信息互通和共享，為管廊智能化管理提供軟件后臺，并能在各種情況下準確、可靠、迅捷地做出反應，及時(shí)處理，為對外系統聯(lián)接提供通信平臺，以達到實(shí)時(shí)監控的目的。所以管廊綜合監控平臺應包含監測顯示、控制、優(yōu)化的功能。

（1）監測顯示。通過(guò)設置在管廊內部的各種傳感器進(jìn)行數據搜集與分析，對運營(yíng)環(huán)境、設備、安全等各方面進(jìn)行監測，并將監測數據與設定的標準、變化率等范圍偏差以及管廊運營(yíng)狀態(tài)顯示在監控平臺上。如出現運營(yíng)異常，系統會(huì )自動(dòng)報警并做出應急措施。

（2）智能控制。在監控系統內植入命令和算法，可以讓系統對綜合管廊內部運營(yíng)環(huán)境、設備及其他條件的特定變化做出反應，從而進(jìn)行遠程智能控制。

（3）系統優(yōu)化。對系統管廊內的報警數據或歷史記錄進(jìn)行分析、歸類(lèi)，并通過(guò)訓練學(xué)習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現異常情況智能預警功能，從而大幅提高管廊的使用性能。

5、平臺概述

   AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網(wǎng)絡(luò )、系統架構、聯(lián)動(dòng)控制和綜合數據服務(wù)等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過(guò)程中存在內部干擾性強、使用單位多及協(xié)調復雜的根本問(wèn)題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環(huán)境和設備的使用和恢復效率。

   安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統是一個(gè)深度集成的自動(dòng)化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所環(huán)境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門(mén)監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器、手機APP獲取數據，通過(guò)一個(gè)平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監控、統一管理、統一調度，同時(shí)滿(mǎn)足管廊用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。

6、平臺拓撲圖

7、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。

8、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

9、結束語(yǔ)

隨著(zhù)智慧城市的發(fā)展以及國家對城市基礎設施建設的加大投入，地下綜合管廊的建設力度將進(jìn)一步加大。建立一套地下綜合管廊智能互聯(lián)運營(yíng)監控系統，可為城市地下綜合管廊提供更加及時(shí)、有效、智能的運營(yíng)管理，這有助于提升智慧城市基礎設施建設的數字化、智能化及信息化管理水平。

參考文獻

【1】宋曉剛 張敏 鄭少東.地下綜合管廊智能互聯(lián)運營(yíng)監控系統研究.河北經(jīng)貿大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院.2019.

【2】楊靜偉.智慧綜合管廊監控與報警系統初探.中國土木工程學(xué)會(huì ).2017.

【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。