摘要:分析地下綜合管廊智能互聯(lián)運營監(jiān)控系統(tǒng)的需求，構(gòu)建智能互聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)，包括環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和智慧管廊綜合監(jiān)控平臺四個子系統(tǒng)，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) 運營監(jiān)控系統(tǒng) BIM 物聯(lián)網(wǎng)

1、引言

  近年來，地下綜合管廊已成為建設(shè)現(xiàn)代化“綠色城市"、“智慧城市"的重要環(huán)節(jié)。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(zhì)和水文條件影響較大，且內(nèi)部管線種類多、密度較高、口部設(shè)計復(fù)雜、維修費用高等，傳統(tǒng)的人工運營管理常出現(xiàn)安全隱患多、檢修不及時等問題，因此借助BIM、物聯(lián)網(wǎng)等信息化技術(shù)構(gòu)建城市地下綜合管廊智能互聯(lián)運營監(jiān)控系統(tǒng)，對實現(xiàn)管廊運營安全智能預(yù)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(lián)網(wǎng)、機器人等技術(shù)應(yīng)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)運營體系架構(gòu)還不完善。如何將管理與環(huán)境、設(shè)備、產(chǎn)品等通過互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)互聯(lián)，使彼此能夠互相感知，實現(xiàn)智能化運營管理體系已十分迫切。所以構(gòu)建管廊智能互聯(lián)運營管理體系架構(gòu)，對實現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)的需求分析

  為實現(xiàn)綜合管廊運營過程中的信息互通與安全監(jiān)控預(yù)警，需分析綜合管廊建設(shè)安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求。

（1）服務(wù)對象。根據(jù)管廊運營單位管理需求，建立智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、事故預(yù)防與控制優(yōu)化等。

（2）功能要求。綜合管廊智能互聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)以信息系統(tǒng)為核心，通過傳感器采集管廊運營數(shù)據(jù)，并通過互聯(lián)網(wǎng)的運程操作、計算及通信等，將數(shù)字化信息與管廊環(huán)境、設(shè)備、安全等運營實體關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)傳感器、智能控制面板、通信系統(tǒng)和終端接收系統(tǒng)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)化的智能化運營管理體系，更好地服務(wù)于運營單位。

（3）數(shù)據(jù)需求。為確保監(jiān)控狀態(tài)的及時、準確、有效，須在廊體內(nèi)部安裝不同功能的傳感器進行數(shù)據(jù)的收集，并能及時傳送到監(jiān)控系統(tǒng)進行分析、預(yù)警，從而實現(xiàn)動態(tài)智能監(jiān)測。數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和監(jiān)控數(shù)據(jù)，前者為管廊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管線等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，后者為廊體內(nèi)設(shè)置的各傳感器所監(jiān)測、采集、分析的數(shù)據(jù)。

（4）非功能性需求。在管廊運營階段，系統(tǒng)在信息搜集、分析、處理，安全隱患排查及風險預(yù)警執(zhí)行過程中，硬件和軟件應(yīng)保證在運行過程中抵抗異常情況的干擾及保證系統(tǒng)正常工作的可靠性能力。為此，系統(tǒng)應(yīng)具有可擴展性和二次開發(fā)性，保證性和持續(xù)性，以及良好的接口以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)不丟失從而維持正常的運作。此外，系統(tǒng)中信息編碼、采集、信息通信要具備一致性，設(shè)計規(guī)范應(yīng)完整、標準，保證輸出成果能與其他系統(tǒng)相兼容或不同數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享。

3、地下綜合管廊智能互聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

  智慧管廊智能互聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層設(shè)計、統(tǒng)一架構(gòu)、標準協(xié)議、協(xié)同管理的整體技術(shù)構(gòu)架。系統(tǒng)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)對整個管廊運行狀態(tài)的感知，通過風機、水泵、配電、照明、消防實現(xiàn)整個管廊的安全運行。

（2）接入層：提供統(tǒng)一的設(shè)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(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集及控制接口模型，支持各種工業(yè)通信協(xié)議，可實現(xiàn)對各類環(huán)境傳感器和通風、配電、燃氣及排水設(shè)備的快速接入。

（3）傳輸層：采用有線及無線通信網(wǎng)絡(luò)，分布式消息中間件，實現(xiàn)安全可靠的雙向數(shù)據(jù)交互，確保各類感知數(shù)據(jù)的實時采集以及遠程控制命令實時到達和執(zhí)行，并能連接大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。

（4）數(shù)據(jù)層：由消息中間件、數(shù)據(jù)緩存服務(wù)、數(shù)據(jù)分析服務(wù)、實時數(shù)據(jù)流服務(wù)、NoSQL數(shù)據(jù)庫平臺，依托數(shù)據(jù)庫集群、云計算及大數(shù)據(jù)技術(shù)，構(gòu)建智慧管廊大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。提供從終端到頭端、從設(shè)備到業(yè)務(wù)、從數(shù)據(jù)到運營決策的全業(yè)務(wù)、全數(shù)據(jù)、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)以及移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為智慧管廊運營單位提供全面的應(yīng)用服務(wù)，實現(xiàn)環(huán)境及設(shè)備監(jiān)控、安全防范管理、運行維護管理以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計及效能分析。

4、地下綜合管廊運營監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)

  依據(jù)設(shè)計原則，通過調(diào)研管理現(xiàn)狀，了解亟待解決的問題，提出綜合管廊智慧運維監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)包含四個子系統(tǒng)：環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及智慧管廊綜合監(jiān)控平臺。該系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能模塊，如圖1所示。

4.1環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

（1）環(huán)境監(jiān)測環(huán)境監(jiān)控功能需實現(xiàn)對綜合管廊全域環(huán)境參數(shù)實施全程監(jiān)控，將實時監(jiān)控信息通過數(shù)據(jù)采集裝置及時傳輸綜合監(jiān)控平臺，便于管理人員及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境問題，排除環(huán)境異常及對警情的及時處理，保證管廊正常運行。監(jiān)測的主要環(huán)境參數(shù)有：溫度、濕度、水位、氧含量、硫化氫濃度、甲烷濃度。

（2）設(shè)備監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控功能需實現(xiàn)對管廊的通風系統(tǒng)設(shè)備、排水系統(tǒng)設(shè)備、供電系統(tǒng)設(shè)備、照明系統(tǒng)設(shè)備以及配套的采集、控制設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控；實現(xiàn)對故障設(shè)備的實時警告。同時根據(jù)運行要求對這些設(shè)備的運行發(fā)出相應(yīng)的指令進行動態(tài)調(diào)整，如防火分區(qū)內(nèi)照明開關(guān)的分合控制等。

（3）報警管理管廊內(nèi)出現(xiàn)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(shè)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(fā)生報警時，自動彈出報警界面，顯示報警位置、報警設(shè)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(tǒng)應(yīng)發(fā)出報警聲提示用戶，并在界面上循環(huán)滾動報警信息。當有多個報警同時發(fā)生時，可切換查看各報警的詳細信息。此外，報警應(yīng)有延時性，即當采集值持續(xù)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(lián)動功能為了提高運營效率，綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)匯集各設(shè)備系統(tǒng)的信息，實現(xiàn)信息互通和聯(lián)動，保證對管廊運營安全快速及時做出反應(yīng)，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(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)通風模式進入檢修狀態(tài)。

4.2安全監(jiān)控系統(tǒng)

安全監(jiān)控系統(tǒng)由視頻監(jiān)控系統(tǒng)、入侵報警系統(tǒng)、出入口門禁系統(tǒng)、電子巡查系統(tǒng)等組成。

(1）視頻監(jiān)控系統(tǒng)該系統(tǒng)可為運營管理人員提供監(jiān)控區(qū)域圖像、視頻等視覺信息，并與視頻聯(lián)動報警功能相配合，對管廊安全運營輔助管理。視頻監(jiān)控系統(tǒng)由攝像機、視頻管理服務(wù)器、磁盤陣列、監(jiān)控運維中心軟件視頻管理模塊等組成。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)信號傳輸方式，共用主干網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)統(tǒng)一的視頻信號存儲、顯示和遠程調(diào)用等功能。

(2)入侵報警系統(tǒng)入侵報警系統(tǒng)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(tǒng)等部分組成。紅外雙鑒探測器是將兩種探測技術(shù)結(jié)合觸發(fā)報警，可降低單種探測技術(shù)對射系統(tǒng)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(shè)置，通過硬線接入就近分區(qū)控制系統(tǒng)，信號通過主干網(wǎng)絡(luò)上傳監(jiān)控平臺。當有外部人員進入時，綜合監(jiān)控平臺上將顯示有入侵的相應(yīng)區(qū)間位置圖像閃爍，并產(chǎn)生報警信號，同時調(diào)取附近攝像機畫面到平臺顯示。

(3)出入口門禁系統(tǒng)管廊出入口門禁控制系統(tǒng)是建設(shè)一個以中央管理系統(tǒng)為中心，以智能IC卡為載體，以進出權(quán)限為基礎(chǔ)，連接并實時對管廊重要風險區(qū)域的安全管控。通過ACU將數(shù)據(jù)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(yīng)區(qū)間視頻畫面，并產(chǎn)生語音報警。

(4)電子巡檢系統(tǒng)電子巡檢系統(tǒng)主要通過管廊內(nèi)部設(shè)置的無線傳感器等設(shè)備進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的采集，并通過無線網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)等傳輸?shù)较到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)的編碼、分析與管理，并與環(huán)境、設(shè)備等業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)互聯(lián)，后將系統(tǒng)信息、業(yè)務(wù)統(tǒng)計分析結(jié)果等發(fā)布和顯示在綜合監(jiān)控平臺。

4.3通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)由有線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、固定語音通信系統(tǒng)、無線對講系統(tǒng)等組成。

(1)有線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：是綜合管廊現(xiàn)場控制單元（PLC系統(tǒng)）、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、門禁系統(tǒng)等與監(jiān)控平臺間的快速、安全、可靠的數(shù)據(jù)通道。

(2)固定語音通信系統(tǒng)：由光纖電話主機、電話分機、監(jiān)控中心光纖電話系統(tǒng)服務(wù)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(tǒng)：在管廊控制室建立，通過數(shù)字常規(guī)信道機、光近端機將信號送入管廊內(nèi)，在管廊內(nèi)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(xiàn)監(jiān)控中心與無線對講機的通信，手持終端可在管廊內(nèi)，亦可在綜合管廊監(jiān)控平臺附近通信。

4.4 智慧管廊綜合監(jiān)控平臺

綜合監(jiān)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(tǒng)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(yīng)，及時處理，為對外系統(tǒng)聯(lián)接提供通信平臺，以達到實時監(jiān)控的目的。所以管廊綜合監(jiān)控平臺應(yīng)包含監(jiān)測顯示、控制、優(yōu)化的功能。

（1）監(jiān)測顯示。通過設(shè)置在管廊內(nèi)部的各種傳感器進行數(shù)據(jù)搜集與分析，對運營環(huán)境、設(shè)備、安全等各方面進行監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)定的標準、變化率等范圍偏差以及管廊運營狀態(tài)顯示在監(jiān)控平臺上。如出現(xiàn)運營異常，系統(tǒng)會自動報警并做出應(yīng)急措施。

（2）智能控制。在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)植入命令和算法，可以讓系統(tǒng)對綜合管廊內(nèi)部運營環(huán)境、設(shè)備及其他條件的特定變化做出反應(yīng)，從而進行遠程智能控制。

（3）系統(tǒng)優(yōu)化。對系統(tǒng)管廊內(nèi)的報警數(shù)據(jù)或歷史記錄進行分析、歸類，并通過訓(xùn)練學(xué)習神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)異常情況智能預(yù)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(jiān)控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監(jiān)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(shù)據(jù)支持，從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)架構(gòu)、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的設(shè)計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內(nèi)部干擾性強、使用單位多及協(xié)調(diào)復(fù)雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境和設(shè)備的使用和恢復(fù)效率。

  安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)、變電所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能馬達監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，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(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

6、平臺拓撲圖

7、平臺子系統(tǒng)

  電力監(jiān)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(jiān)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(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(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(diào)、事故報警及記錄等。

環(huán)境監(jiān)測

  環(huán)境監(jiān)測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調(diào)、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預(yù)警，同時也可接入管廊艙室內(nèi)的水泵和通風排煙風機等設(shè)備集成的第三方系統(tǒng)完成管廊環(huán)境綜合監(jiān)控。

馬達監(jiān)控

  馬達監(jiān)控實現(xiàn)對管廊電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，實現(xiàn)對電機過載、短路、缺相、漏電等異常情況的保護、監(jiān)測和報警。在需要的情況下可以設(shè)置聯(lián)動控制。

電氣安全

  AcrelEMS-UT能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應(yīng)的電氣火災(zāi)傳感器、溫度傳感器，消防設(shè)備電源傳感器、防火門狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預(yù)警。

智能照明控制

①　防火分區(qū)單獨控制，分區(qū)內(nèi)設(shè)置智能控制面板就地驅(qū)動器；開關(guān)驅(qū)動器連接消防報警系統(tǒng)，接收消防報警信息，強制打開驅(qū)動器回路。

②　廊內(nèi)上方安裝智能照明傳感器，使人員進入管廊內(nèi)自動開啟燈具，在管廊內(nèi)停留燈具保持常亮，離開后燈具關(guān)閉。

③　除了現(xiàn)場的控制方式外，還可用電腦端實現(xiàn)集中控制，實時遠程監(jiān)控當前區(qū)域的照明情況，必要時可遠程控制該區(qū)域的照明。

④　考慮現(xiàn)場模塊分布較廣，距離過長，除了現(xiàn)場的控制方式外，還可用電腦端實現(xiàn)集中控制，實時遠程監(jiān)控當前區(qū)域的照明情況，必要時可遠程控制該區(qū)域的照明。

⑤　系統(tǒng)支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應(yīng)控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，支持延時控制，避免同時亮燈負荷對配電系統(tǒng)造成沖擊。模塊不依賴系統(tǒng)，可獨立工作，每個模塊均自帶時間模塊，可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能。

8、電相關(guān)平臺部署硬件選型清單

1.智能照明系統(tǒng)

2.電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

3.消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)

4.防火門監(jiān)控系統(tǒng)

5.消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)

9、結(jié)束語

隨著智慧城市的發(fā)展以及國家對城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加大投入，地下綜合管廊的建設(shè)力度將進一步加大。建立一套地下綜合管廊智能互聯(lián)運營監(jiān)控系統(tǒng)，可為城市地下綜合管廊提供更加及時、有效、智能的運營管理，這有助于提升智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的數(shù)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)運營監(jiān)控系統(tǒng)研究.河北經(jīng)貿(mào)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(jiān)控與報警系統(tǒng)初探.中國土木工程學(xué)會.2017.

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