淺談城市管廊智能綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為解決綜合管廊內設備監(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雜等問題，設計了一種智能化綜合管廊監(jiān)控管理系統(tǒng)，并從總體設計、硬件系統(tǒng)設計和軟件平臺設計3個方面詳細地介紹了該系統(tǒng)的結構和功能。該系統(tǒng)實現(xiàn)了綜合管廊的環(huán)境與設備監(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上，綜合運用BIM、GIS、大數(shù)據(jù)等先進技術，通過對管廊內環(huán)境與設備狀態(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)總體架構由中央層、控制層、設備層3級組成。其中：中央層設置在監(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)控制層為設置在管廊現(xiàn)場內每個防火分區(qū)設備間的區(qū)域控制單元(ACU),機柜內主要設備包括交換機、PLC、UPS、NVR、中間繼電器，斷路器等.)設備層為安裝在管廊廊體內的各類型傳感器和前端設備，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、設備控制箱（風機、水泵、照明等）門禁、巡更點等。系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖一系統(tǒng)架構

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)境與設備狀態(tài)監(jiān)控、安防視頻監(jiān)控、人侵與門禁監(jiān)控、火災自動報警、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)技術對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行趨勢分析；同時具有應急方案預設、廊管線數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)維護和診斷，以及基于GIS和BIM技術的運維管理功能，能夠實現(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)中央層設置在監(jiān)控中心，為管廊提供設備監(jiān)控、檢修和運維辦公等配套服務。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)一管理平臺服務器環(huán)境與設備監(jiān)控服務器、環(huán)境與設備監(jiān)控服務器、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：主要由安防服務器、務器、匯聚交換機、網絡硬盤錄像機(NVR)等組成；

  ③通信系統(tǒng)機柜：主要有通信服務器、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備用電的UPS主機和60min應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眾多檢測數(shù)據(jù)集中管控、傳輸?shù)男枨蠖O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)網等功能于一體。ACU內設有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、光報警器等設備的運行。ACU的網絡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控制器等設備，再分別通過環(huán)網光纖上傳至監(jiān)控中心。ACU機柜以及管轄范圍內的監(jiān)控設備，通過各類斷路器、開關接到機柜內的UPS輸出端,UPS外接配電柜。

2.3前端設備與傳感器

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

    1）環(huán)境與設備監(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

    綜合管廊健康系統(tǒng)統(tǒng)一管理平臺軟件，應用SOA架構開發(fā)，充分整合各業(yè)務系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的業(yè)務接口，在傳統(tǒng)3層架構基礎上運用Webservice的SOAP和REST進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道建構，實現(xiàn)了多層服務模式。軟件通過GIS地圖和BIM建模技術，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)與位置信息的實時關聯(lián)，以及管廊內的3D同時，系統(tǒng)應用大數(shù)據(jù)技術對管廊業(yè)務的相關結構化、半結構化和非結構化數(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量和效率。平臺架構圖如圖3所示

 

 圖3軟件平臺架構

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、電控井蓋等設備的運行狀態(tài)；固定電話、無線AP、V01P手持終端等通信設備的數(shù)據(jù)信息；門禁、紅外對射、攝像機等安防設備的監(jiān)控信息等。

   2）報警數(shù)據(jù)：包括監(jiān)控設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備的監(jiān)控報警信息等。

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

3.2.2通信方式

1）現(xiàn)場設備：管廊內的各類型監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過數(shù)字量、模擬量、現(xiàn)場總線或網絡通信的方式匯聚到ACU。一部分數(shù)據(jù)進入到PLC進行預處理，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)中心設備：中心的各類型數(shù)據(jù)服務器、存儲設備、和專用設備均接入核心交換機，通過TCP/IP協(xié)議進行通信。系統(tǒng)內部或與其他系統(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作業(yè)時，通過手持終端設備與監(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。

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。

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。

 

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、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。

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。

4.5相關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)結構、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)深度結合運營單位的使用需求，并應用B1M、GIS和大數(shù)據(jù)技術，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)的設計與實現(xiàn)

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

【3】安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊.2022.05

 

作者簡介：任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智慧管廊監(jiān)控研究發(fā)展。