摘要：為解決綜合管廊內(nèi)設(shè)備監(jiān)控、通信、報警等多個功能系統(tǒng)兼容性差，人廊單位交叉作業(yè)安全風險高和運維管理工作復(fù)雜等問題，設(shè)計了一種智能化綜合管廊監(jiān)控管理系統(tǒng)，并從總體設(shè)計、硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件平臺設(shè)計3個方面詳細地介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。該系統(tǒng)實現(xiàn)了綜合管廊的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、安全防范通信和定位、運維管理等功能、具有集成化、管理精細化的優(yōu)點，滿足了綜合管廊運維管理工作的安全性、便利性以及智能化要求，從而助力綜合管廊運維管理工作更加高效。

關(guān)鍵詞：綜合管廊；智能監(jiān)控系統(tǒng)；硬件系統(tǒng)；軟件平臺

 

    目前，我國雖已有3項國家標準闡述了綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成內(nèi)容、需要實現(xiàn)的具體功能和性能指標，但就其智能化管理尚沒有具體規(guī)定。筆者設(shè)計的綜合管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)在滿足上述國家標準的基礎(chǔ)上，綜合運用BIM、GIS、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)，通過對管廊內(nèi)環(huán)境與設(shè)備狀態(tài)的主動感知、異常問題的動處理和運營情況的智能分析，實現(xiàn)了對綜合管廊的智能化管理。

 

1.1系統(tǒng)組成

     綜合管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)由中央層、控制層、設(shè)備層3級組成。其中：中央層設(shè)置在監(jiān)控中心，硬件由各類型數(shù)據(jù)機柜和監(jiān)控終端組成，包括監(jiān)控系統(tǒng)機柜，安防系統(tǒng)機柜、通信系統(tǒng)機柜、數(shù)據(jù)管理機柜、UPS機柜、各類型工作站和監(jiān)控大屏等；軟件由各類型業(yè)務(wù)軟件組成，包括統(tǒng)一管理平臺軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、工控系統(tǒng)軟件、通信系統(tǒng)軟件、BIM軟件、手持終端APP等。2)控制層為設(shè)置在管廊現(xiàn)場內(nèi)每個防火分區(qū)設(shè)備間的區(qū)域控制單元(ACU),機柜內(nèi)主要設(shè)備包括交換機、PLC、UPS、NVR、中間繼電器，斷路器等.)設(shè)備層為安裝在管廊廊體內(nèi)的各類型傳感器和前端設(shè)備，包括氣體傳感器（〇2、H2S、CH4、溫??度）、液位傳感器、煙霧傳感器、紅外探測器、攝像機、無線AP、設(shè)備控制箱（風機、水泵、照明等）門禁、巡更點等。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖一系統(tǒng)架構(gòu)

1.2系統(tǒng)總體功能

    管廊監(jiān)控系統(tǒng)從功能上可劃分為環(huán)境與設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、安防視頻監(jiān)控、人侵與門禁監(jiān)控、火災(zāi)自動報警、無線與固定語音通信、電子巡更、人員定位、機器人自動巡檢等部分。該系統(tǒng)通過統(tǒng)一管理平臺對所有功能模塊進行集成，具有監(jiān)視監(jiān)測及控制、報警管理、數(shù)據(jù)采集存儲等功能，并能夠通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行趨勢分析；同時具有應(yīng)急方案預(yù)設(shè)、廊管線數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)維護和診斷，以及基于GIS和BIM技術(shù)的運維管理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)來源的實時定位和3D瀏覽。系統(tǒng)功能如圖2所示。

 

 圖2 系統(tǒng)功能示意圖

 

2.1監(jiān)控中心硬件系統(tǒng)

     系統(tǒng)中央層設(shè)置在監(jiān)控中心，為管廊提供設(shè)備監(jiān)控、檢修和運維辦公等配套服務(wù)。中央層硬件系統(tǒng)需滿足統(tǒng)一管理平臺軟件及各子系統(tǒng)后臺軟件的運行環(huán)境要求。

     1）前端設(shè)備

     一般由安防工作站、監(jiān)控工作站、管理工作站和顯示大屏組等組成。

    2）后端設(shè)備

   一般由各類機柜組成，包括：

  ①監(jiān)控系統(tǒng)機柜：主要由統(tǒng)一管理平臺服務(wù)器環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控服務(wù)器、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控服務(wù)器、核心交換機、匯聚交換機和硬件防火墻等組成；

  ②安防系統(tǒng)機柜：主要由安防服務(wù)器、務(wù)器、匯聚交換機、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(NVR)等組成；

  ③通信系統(tǒng)機柜：主要有通信服務(wù)器、無線控制器、數(shù)字程控交換機組成；

  ④數(shù)據(jù)管理機柜：主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、列、KVM切換器、機架式一體化鍵盤顯示器等組成；

  ⑤UPS柜機：主要滿足中心硬件設(shè)備用電的UPS主機和60min應(yīng)急時間儲備的蓄電池組成。

2.2區(qū)域控制單元（ACU)

    ACU是為滿足綜合管廊內(nèi)眾多檢測數(shù)據(jù)集中管控、傳輸?shù)男枨蠖O(shè)置的區(qū)域控制模塊，它集信號采集、本地控制、數(shù)據(jù)交換、遠程聯(lián)網(wǎng)等功能于一體。ACU內(nèi)設(shè)有PLC控制器，通過數(shù)字量/模擬量輸入、現(xiàn)場總線的方式采集氣體濃度、溫度、人侵防范、液位等監(jiān)測信息，根據(jù)設(shè)定的條件控制通風機、排水泵、照明、電控井蓋、門禁、光報警器等設(shè)備的運行。ACU的網(wǎng)絡(luò)通道由安防交換機和監(jiān)控交換機組成，分別接人攝像機、無線AP、門禁和PLC控制器等設(shè)備，再分別通過環(huán)網(wǎng)光纖上傳至監(jiān)控中心。ACU機柜以及管轄范圍內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備，通過各類斷路器、開關(guān)接到機柜內(nèi)的UPS輸出端,UPS外接配電柜。

2.3前端設(shè)備與傳感器

    系統(tǒng)前端設(shè)備層主要由環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等現(xiàn)場儀表與設(shè)備箱組成，包括：

    1）環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng):包括氧氣濃度檢測儀、溫濕度檢測儀、硫化氫檢測儀、甲烷檢測儀、液位計、風機控制箱、水泵控制箱、照明控制箱和電控井蓋控制箱等。

   2）安防系統(tǒng)：包括攝像機、門禁控制器、紅外探測器、電子巡更點等。

   3）通信系統(tǒng)：包括光纖電話主機、副機、無線AP和VOIP手持終端等。

 

3.1軟件平臺架構(gòu)

    綜合管廊健康系統(tǒng)統(tǒng)一管理平臺軟件，應(yīng)用SOA架構(gòu)開發(fā)，充分整合各業(yè)務(wù)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)接口，在傳統(tǒng)3層架構(gòu)基礎(chǔ)上運用Webservice的SOAP和REST進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道建構(gòu)，實現(xiàn)了多層服務(wù)模式。軟件通過GIS地圖和BIM建模技術(shù)，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)與位置信息的實時關(guān)聯(lián)，以及管廊內(nèi)的3D同時，系統(tǒng)應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對管廊業(yè)務(wù)的相關(guān)結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行實時采集和分類存儲，再通過數(shù)據(jù)挖掘算法，生成管廊運維管理工作所需的各類數(shù)據(jù)圖、表，為管理單位提供運維管理的分析決策依據(jù)，從而通過統(tǒng)一管理平臺整體提升運維管理工作的質(zhì)量和效率。平臺架構(gòu)圖如圖3所示

 

 圖3軟件平臺架構(gòu)

3.2數(shù)據(jù)采購與通信方式

3.2.1數(shù)據(jù)采集

    1）監(jiān)測數(shù)據(jù)：包括溫??度、氧氣、甲烷、硫化氫、液位等傳感器的環(huán)境監(jiān)測信息；風機、水栗、照明、電控井蓋等設(shè)備的運行狀態(tài)；固定電話、無線AP、V01P手持終端等通信設(shè)備的數(shù)據(jù)信息；門禁、紅外對射、攝像機等安防設(shè)備的監(jiān)控信息等。

   2）報警數(shù)據(jù)：包括監(jiān)控設(shè)備的故障報警信息環(huán)境傳感器的超限報警信息和安防設(shè)備的監(jiān)控報警信息等。

3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)：包括業(yè)務(wù)管理模塊的用戶信息運營服務(wù)模塊的客戶信息和應(yīng)急指揮模塊的資源信息等。

3.2.2通信方式

1）現(xiàn)場設(shè)備：管廊內(nèi)的各類型監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過數(shù)字量、模擬量、現(xiàn)場總線或網(wǎng)絡(luò)通信的方式匯聚到ACU。一部分數(shù)據(jù)進入到PLC進行預(yù)處理，在統(tǒng)一通過ModbusTCP協(xié)議或者OPC協(xié)議，上傳給監(jiān)控中心的監(jiān)控系統(tǒng)機柜；另一部分數(shù)據(jù)使用專用協(xié)議或私有協(xié)議，直接通過ACU內(nèi)的匯聚交換機上傳上傳至監(jiān)控中心的安防系統(tǒng)機柜或通信系統(tǒng)機柜。

2)中心設(shè)備：中心的各類型數(shù)據(jù)服務(wù)器、存儲設(shè)備、和專用設(shè)備均接入核心交換機，通過TCP/IP協(xié)議進行通信。系統(tǒng)內(nèi)部或與其他系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)使用統(tǒng)一接口格式。

3.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.3.1元數(shù)據(jù)

用于描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，主要包括操作日志信息對照表、設(shè)備狀態(tài)信息對照表、監(jiān)測點類型對照表等，如表1所示。

 3.3.2歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)地

     主要用于記錄系統(tǒng)運行過程中的各種數(shù)據(jù)信息，包括氣體濃度、設(shè)備狀態(tài)等監(jiān)測點的歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)和操作日志等，如表3所示。

表3歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)清單

3.4系統(tǒng)功能設(shè)計

3.4.1統(tǒng)一管理平臺軟件

     綜合管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控報警、運營維護、應(yīng)急決策、能耗監(jiān)控等各類功能，均通過部署在監(jiān)控中心的統(tǒng)一管理平臺軟件實現(xiàn)。平臺由BIM管控、GIS地圖、實時管控、運維管理、應(yīng)急指揮、IOT采集、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)維護8個功能模塊組成，部分統(tǒng)一管理平臺軟件界面。

3.4.2VOIP手持終端軟件

     運維巡檢人員在管廊內(nèi)作業(yè)時，通過手持終端設(shè)備與監(jiān)控中心進行聯(lián)系，實現(xiàn)巡檢人員的實時定位、語音通信、工單報送、巡更打卡等功能，部分手持終端軟件界面如圖5所示。

 

 

圖5手持終端軟件

 

4.1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。

4.2平臺組成

    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。

4.3平臺拓撲

4.4平臺子系統(tǒng)

4.4.1電力監(jiān)控

      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。

 

4.4.2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。

4.4.3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。

4.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單

4.5.1電力監(jiān)控及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

 

 

 

    從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、功能詳細的介了綜合管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)深度結(jié)合運營單位的使用需求，并應(yīng)用B1M、GIS和大數(shù)據(jù)技術(shù)，用戶通過統(tǒng)一管理平臺即可實現(xiàn)對綜合管廊運行狀況的統(tǒng)一檢測、統(tǒng)一管理，使業(yè)務(wù)處理更加方便高效，從而實現(xiàn)了綜合管廊的智能化管理。該項目研究成果已在武漢市武九線綜合管廊項目、沈陽市中德園綜合管廊項目中實施應(yīng)用，并取得了良好的使用效果和社會效益。

 

【1】劉玉昊，王昕煜，李芝宏，趙東波，趙少博.一種城市綜合管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

【2】上海市政工程設(shè)計研究總院（集團)有限公司，等.城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范:GB50838-2015[S].

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022.05