城市地下綜合管廊智能互聯運營監控系統建設研究

更新時間：2023-05-11

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胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定

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

關鍵詞：地下綜合管廊智能互聯運營監控系統 BIM 物聯網

1、引言

近年來，地下綜合管廊已成為建設現代化“綠色城市"、“智慧城市"的重要環節。在綜合管廊運營過程中，由于管廊位于地下呈封閉性，不確定因素較多，受工程地質和水文條件影響較大，且內部管線種類多、密度較高、口部設計復雜、維修費用高等，傳統的人工運營管理常出現安全隱患多、檢修不及時等問題，因此借助BIM、物聯網等信息化技術構建城市地下綜合管廊智能互聯運營監控系統，對實現管廊運營安全智能預警，及時排除運營風險，提升運營管理效率意義重大。目前將BIM、物聯網、機器人等技術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運營體系架構還不完善。如何將管理與環境、設備、產品等通過互聯網數據互聯，使彼此能夠互相感知，實現智能化運營管理體系已十分迫切。所以構建管廊智能互聯運營管理體系架構，對實現管廊智能化運營管理有著重要促進作用。

2、城市地下綜合管廊運營監控系統的需求分析

為實現綜合管廊運營過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）服務對象。根據管廊運營單位管理需求，建立智能監控系統，實現狀態監控、事故預防與控制優化等。

（2）功能要求。綜合管廊智能互聯監控系統應以信息系統為核心，通過傳感器采集管廊運營數據，并通過互聯網的運程操作、計算及通信等，將數字化信息與管廊環境、設備、安全等運營實體關聯，實現傳感器、智能控制面板、通信系統和終端接收系統的互聯互通，達到管廊自我感知、自我診斷、自我控制及自我優化的智能化運營管理體系，更好地服務于運營單位。

（3）數據需求。為確保監控狀態的及時、準確、有效，須在廊體內部安裝不同功能的傳感器進行數據的收集，并能及時傳送到監控系統進行分析、預警，從而實現動態智能監測。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。在管廊運營階段，系統在信息搜集、分析、處理，安全隱患排查及風險預警執行過程中，硬件和軟件應保證在運行過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發性，保證先進性和持續性，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，實現系統間的數據共享。

3、地下綜合管廊智能互聯監控系統架構設計

智慧管廊智能互聯監控系統采用分層設計、統一架構、標準協議、協同管理的整體技術構架。系統包括：

（1）感知層：通過傳感器采集整個管廊氣體、溫濕度、水位、電力、通信數據，實現對整個管廊運行狀態的感知，通過風機、水泵、配電、照明、消防實現整個管廊的安全運行。

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

（3）傳輸層：采用有線及無線通信網絡，分布式消息中間件，實現安全可靠的雙向數據交互，確保各類感知數據的實時采集以及遠程控制命令實時到達和執行，并能連接大數據服務平臺。

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

（5）展示層：依托GIS、GPS、BIM技術、三維展示技術、虛擬顯示技術以及移動互聯網技術為智慧管廊運營單位提供全面的應用服務，實現環境及設備監控、安全防范管理、運行維護管理以及數據統計及效能分析。

4、地下綜合管廊運營監控系統功能架構

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

4.1環境與設備監控系統

（1）環境監測環境監控功能需實現對綜合管廊全域環境參數實施全程監控，將實時監控信息通過數據采集裝置及時傳輸綜合監控平臺，便于管理人員及時發現現場環境問題，排除環境異常及對警情的及時處理，保證管廊正常運行。監測的主要環境參數有：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現對管廊的通風系統設備、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、控制設備狀態監控；實現對故障設備的實時警告。同時根據運行要求對這些設備的運行發出相應的指令進行動態調整，如防火分區內照明開關的分合控制等。

（3）報警管理管廊內出現異常情況時，報警并自動進行異常處理。報警管理功能要求閾值設置，與PLC（Programmable Logic Controller）通訊，將不同類型報警閾值寫入PLC中，并實時顯示當前報警，當發生報警時，自動彈出報警界面，顯示報警位置、報警設備、報警原因、報警時間、實時曲線、當前采取的措施等。同時系統應發出報警聲提示用戶，并在界面上循環滾動報警信息。當有多個報警同時發生時，可切換查看各報警的詳細信息。此外，報警應有延時性，即當采集值持續超出閾值一定時間后，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）聯動功能為了提高運營效率，綜合監控系統應匯集各設備系統的信息，實現信息互通和聯動，保證對管廊運營安全快速及時做出反應，縮短安全救援時間、減少安全事故損失。例如檢修管理功能，可在檢修情況下，通過迅速啟動環境與設備監控系統通風模式進入檢修狀態。

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管理人員提供監控區域圖像、視頻等視覺信息，并與視頻聯動報警功能相配合，對管廊安全運營輔助管理。視頻監控系統由攝像機、視頻管理服務器、磁盤陣列、監控運維中心軟件視頻管理模塊等組成。系統采用網絡信號傳輸方式，共用主干網絡，實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結合觸發報警，可降低單種探測技術對射系統的誤報率。其在通風口、人員出入口等易于從外部入侵的位置設置，通過硬線接入就近分區控制系統，信號通過主干網絡上傳監控平臺。當有外部人員進入時，綜合監控平臺上將顯示有入侵的相應區間位置圖像閃爍，并產生報警信號，同時調取附近攝像機畫面到平臺顯示。

(3)出入口門禁系統管廊出入口門禁控制系統是建設一個以中央管理系統為中心，以智能IC卡為載體，以進出權限為基礎，連接并實時對管廊重要風險區域的安全管控。通過ACU將數據實時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面，并產生語音報警。

(4)電子巡檢系統電子巡檢系統主要通過管廊內部設置的無線傳感器等設備進行系統數據信息的采集，并通過無線網絡或局域網等傳輸到系統數據庫進行數據的編碼、分析與管理，并與環境、設備等業務管理系統互聯，最后將系統信息、業務統計分析結果等發布和顯示在綜合監控平臺。

4.3通信系統通信系統由有線傳輸網絡系統、固定語音通信系統、無線對講系統等組成。

(1)有線傳輸網絡系統：是綜合管廊現場控制單元（PLC系統）、網絡攝像頭、門禁系統等與監控平臺間的快速、安全、可靠的數據通道。

(2)固定語音通信系統：由光纖電話主機、電話分機、監控中心光纖電話系統服務器等部分組成。為管理人員提供實時語音通信功能，同時可兼做消防電話。

(3)無線對講系統：在管廊控制室建立，通過數字常規信道機、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，輸出信號通過漏泄同軸電纜進行覆蓋。實現監控中心與無線對講機的通信，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管廊智能運營管理的中心，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，及時處理，為對外系統聯接提供通信平臺，以達到實時監控的目的。所以管廊綜合監控平臺應包含監測顯示、控制、優化的功能。

（1）監測顯示。通過設置在管廊內部的各種傳感器進行數據搜集與分析，對運營環境、設備、安全等各方面進行監測，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狀態顯示在監控平臺上。如出現運營異常，系統會自動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環境、設備及其他條件的特定變化做出反應，從而進行遠程智能控制。

（3）系統優化。對系統管廊內的報警數據或歷史記錄進行分析、歸類，并通過訓練學習神經網絡，實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、通信網絡、系統架構、聯動控制和綜合數據服務等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內部干擾性強、使用單位多及協調復雜的根本問題，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深度集成的自動化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所環境監控系統、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。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進行進行集中監控、統一管理、統一調度，同時滿足管廊用電可靠、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行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。