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，構建智能互聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)架構，包括環(huán)境與設備監(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(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)等信息化技術構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)運營體系架構還不完善。如何將管理與環(huán)境、設備、產品等通過互聯(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。所以構建管廊智能互聯(lián)運營管理體系架構，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)控預警，需分析綜合管廊建設安全監(jiān)控系統(tǒng)的需求。

（1）服務對象。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、設備、安全等運營實體關聯(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、預警，從而實現(xiàn)動態(tài)智能監(jiān)測。數(shù)據(jù)主要包括基礎數(shù)據(jù)和監(jiān)控數(shù)據(jù)，前者為管廊內部的結構、設備、管線等基礎數(shù)據(jù)，后者為廊體內設置的各傳感器所監(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警執(zhí)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(tǒng)正常工作的可靠性能力。為此，系統(tǒng)應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，設計規(guī)范應完整、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)架構設計

  智慧管廊智能互聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層設計、統(tǒng)一架構、標準協(xié)議、協(xié)同管理的整體技術構架。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)一的設備接入服務，提供多種通信終端產品及接入方案，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、燃氣及排水設備的快速接入。

（3）傳輸層：采用有線及無線通信網(wǎng)絡，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)服務平臺。

（4）數(shù)據(jù)層：由消息中間件、數(shù)據(jù)緩存服務、數(shù)據(jù)分析服務、實時數(shù)據(jù)流服務、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，構建智慧管廊大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。提供從終端到頭端、從設備到業(yè)務、從數(shù)據(jù)到運營決策的全業(yè)務、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、三維展示技術、虛擬顯示技術以及移動互聯(lián)網(wǎng)技術為智慧管廊運營單位提供全面的應用服務，實現(xiàn)環(huán)境及設備監(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

  依據(jù)設計原則，通過調研管理現(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)應包含四個子系統(tǒng)：環(huán)境與設備監(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）設備監(jiān)控設備監(jiān)控功能需實現(xiàn)對管廊的通風系統(tǒng)設備、排水系統(tǒng)設備、供電系統(tǒng)設備、照明系統(tǒng)設備以及配套的采集、控制設備狀態(tài)監(jiān)控；實現(xiàn)對故障設備的實時警告。同時根據(jù)運行要求對這些設備的運行發(fā)出相應的指令進行動態(tài)調整，如防火分區(qū)內照明開關的分合控制等。

（3）報警管理管廊內出現(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)應匯集各設備系統(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，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)絡信號傳輸方式，共用主干網(wǎng)絡，實現(xiàn)統(tǒng)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(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結合觸發(fā)報警，可降低單種探測技術對射系統(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區(qū)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(tǒng)管廊出入口門禁控制系統(tǒng)是建設一個以中央管理系統(tǒng)為中心，以智能IC卡為載體，以進出權限為基礎，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區(qū)間視頻畫面，并產生語音報警。

(4)電子巡檢系統(tǒng)電子巡檢系統(tǒng)主要通過管廊內部設置的無線傳感器等設備進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的采集，并通過無線網(wǎng)絡或局域網(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、設備等業(yè)務管理系統(tǒng)互聯(lián)，后將系統(tǒng)信息、業(yè)務統(tǒng)計分析結果等發(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)絡系統(tǒng)：是綜合管廊現(xiàn)場控制單元（PLC系統(tǒng)）、網(wǎng)絡攝像頭、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，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(xiàn)監(jiān)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(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，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)控平臺應包含監(jiān)測顯示、控制、優(yōu)化的功能。

（1）監(jiān)測顯示。通過設置在管廊內部的各種傳感器進行數(shù)據(jù)搜集與分析，對運營環(huán)境、設備、安全等各方面進行監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與設定的標準、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急措施。

（2）智能控制。在監(jiān)控系統(tǒng)內植入命令和算法，可以讓系統(tǒng)對綜合管廊內部運營環(huán)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(tǒng)優(yōu)化。對系統(tǒng)管廊內的報警數(shù)據(jù)或歷史記錄進行分析、歸類，并通過訓練學習神經(jīng)網(wǎng)絡，實現(xiàn)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(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、系統(tǒng)架構、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)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(xié)調復雜的根本問題，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(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)、電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)、消防設備電源系統(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(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、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內的水泵和通風排煙風機等設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、內阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

智能照明控制

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

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

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、感應控制、定時控制、場景控制、調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、電相關平臺部署硬件選型清單

1.智能照明系統(tǒng)

2.電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

3.消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)

4.防火門監(jiān)控系統(tǒng)

5.消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)

9、結束語

隨著智慧城市的發(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設施建設的數(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)貿大學管理科學與工程學院.2019.

【2】楊靜偉.智慧綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)初探.中國土木工程學會.2017.

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計及應用手冊.2020.06版