淺談城市地下綜合管廊運維管理平臺的設計

摘要： 城市地下綜合管廊承擔著城市信息傳遞、能源輸送、排澇減災、廢物排棄的功能，是生存和發展的基礎設施，是確保社會經濟和城市建設健康、協調和可持續發展的重要保障。本就目綜合管廊的管理和運維存在的問題，擬為某項目建設“維護和管理地下綜合管廊數據的智慧化管理平臺”。此平臺可提供專業、強大的數據錄入、編輯、管理、分析、維護的功能，方便管理人員及時掌握現狀，可為管理者提供全生命周期的運維手段。

關鍵詞： 綜合管廊; 智慧化管理; 計算機技術

0 、引言

       綜合管廊工程是美化城市環境、節約土地資源、促進城市體化快速發展、提高城市經濟發展的設施。相對于傳統的地下管線建設及管理工作，管廊運維存在多種管線入廊、設備種類繁多、地下環境及內部空間復雜、控制系統繁多等特點，這些都給管廊建設及后期維護管理工作帶來運維成本高、管理工作分散、安全管理難度大等問題。目大多數管廊運管中心體化平臺建設，基本都能完成多系統的統接入，其中包括環境、消防、視頻、對講、巡查等，但是各個系統獨立，未能實現應用聯動，導致運管中心所需操作人員多、所需學習操作系統多，培訓成本高的同時系統應用調用繁瑣復雜.

       因此，運維管理平臺的建設需要利用成熟的計算機技術、地理信息系統技術、定位技術、通訊技術，結合物聯網、大數據等技術，對綜合管廊的進行的智慧化管理，實現對綜合管廊的實時監控、動態管理，為綜合管廊運維工作提供完整、準確的信息支撐。

1、系統總體設計方案

        管廊內風機、水泵、環境監測傳感器、設備監控傳感器等設備接入配控間的PLC 中，使用工業環網交換機組成數據環網， 其中工業環網交換機與管廊內配控間PLC 相連，通過環網接入到主控室核心交換機，與上位機進行通訊，用于采集配控間PLC設備中的數據，進行儲存和轉發給管廊監控運維管理軟件平臺。其中，火災自動報警子系統、安防監控系統、防爆手機直接通過各自的專用網絡接入管廊監控運維管理軟件平臺，所有系統由平臺進行統監測、控制、分析和管理。系統總體框架如圖1所示。

圖1 方案系統架構圖

2、管廊監控運維管理軟件平臺

        系統的設計與開發都要從整體和系統的角度考慮其角色和作用，有效地利用三維引擎技術、BIM 技術、物聯網技術、數據庫技術等，實現項目基本信息與空間數據的結合，建成信息共享、集成的、綜合的管廊管理信息化作業管理平臺。系統的設計框架基于三層體系結構,感知傳輸層、數據層、應用層。這種體系結構無論從平臺的角度還是從開發的方面，均是個結構靈活、便于調整的應用體系。而對整個系統的業務邏輯和數據訪問、共享等通過組件層進行封裝，各個應用可以基于組件迅速搭建。系統框架見圖2。

圖2 軟件系統架構圖

       服務應用層: 應用層為各業務模塊系統，為整體管廊的運維運營工作提供應用服務支撐。其中Web 應用采用響應式端框架進行開發，因此可適用于PC、Pad、手機等不同設備。

       服務接口層: 通過業務服務接口向上為應用，如可視化監控系統、決策分析、運營中心、運維中心、運行監控、巡檢APP、決策APP 等提供接口支撐，并通過數據交換接口為智慧城市平臺以及各管線單位提供數據共享與交換服務。

       融合層: 將業務數據與空間數據進行深度融合處理，其中業務融合引擎將各子系統的業務進行融合處理，數據融合引擎將各子系統的數據進行融合處理，可視化融合引擎將空間數據與業務數據進行融合處理。

        數據層: 采用高速數據緩存和關系型數據庫對各子系統數據進行采集和存儲，其中業務數據為各子系統中需要進行融合處理的業務型數據，空間數據主要包括BIM 數據和GIS 數據。

       現場接口層: 通過標準化的接口向下連接現場子系統。其中，標準數據接口服務可接收來自子系統的標準化數據，事件接口服務可接收來自子系統的事件告警數據，現場控制接口可對現場設備進行遠程控制。

3、管廊控制中心硬件系統

       綜合管廊管理系統以數據庫系統和SCADA 系統為基礎進行建設，SCADA 系統是管理系統的端，數據庫系統作為后臺為分析管理提供數據支撐。管理系統將各地分散的數據集中匯總，實現了數據采集、存儲、展示、報警預警、智能聯動等綜合監控和運營維護功能。系統功能架構見圖3。

圖3 功能架構圖

（1） 數據采集: 搭建統的信息平臺，采集匯總環境和設備監控、電力監控、安防監控、有線通訊和火災自動報警等子系統數據。部署的監控軟件支持不同生產商制造的硬件設備，可實現穩定、可靠的通訊，同時支持特殊設備、系統通訊接口的開發。

（2） 數據存儲: 工業數據庫對各子系統數據進行高性能的壓縮和存儲，對海量的基礎運行數據進行統計和分析，為科學管理決策提供支持。

（3） 環境與設備監控: 將防火分區和I /O 站作為監控單元，繪制管廊3D 效果圖，動畫模擬每個防火分區設備運行狀況。將從各個子系統實時采集的數據進行可視化展示，結合防火分區的視頻監控，讓值班人員能夠直觀地查看系統運行信息，及時發現存在的問題，提高對整個管廊維護管理的效率。

（4）數據匯總: 通過數據列表的方式實時對各防火分區和I /O 站重點監測數據進行展示，值班人員可隨時查看系統重要監測信息列表，并可將當時刻監測信息列表保存為電子文檔或直接打印，從而實現實時數據的保存。

（5） 安防入侵: 作為防盜報警入侵系統，可防止非法入侵或禁止未授權進入。每個防火分區入孔處均設有紅外報警探頭，I /O 站設紅外報警探頭。報警系統布防后，若有人進入管廊、I /O 站，則觸發報警，以便管理人員及時獲知報警信息，并通知現場巡查人員及時處理。

（6）消防報警: 消防系統主要探測管廊內有無火災發生，并形成報警信息。以單個防火分區為例，每個防火分區內設有多個手報、感溫電纜、個聲光報警器( 警鈴) 。感溫電纜用于自動探測管廊內電力電纜的溫度，在溫度過高或發生火災時，形成報警信息傳送給消防主機。當巡查人員發現火災警情時，可按下手報將報警信息傳送給報警主機。

（7） 人員定位: 當管廊內管線發生緊急事件時，利用廊內實時高精度定位設備，能準確判斷故障點位置，便于對其進行及時搶修及制定解決方案。通過定位標簽與定位終端的集成，根據標簽標識輸入人員信息，實現數據共享; 當人員進入定位區域，定位標簽通過定位基站將實時定位數據傳回后臺服務中心，后臺服務中心通過化的高精度定位算法，解算出設備和人員的實時位置信息及運動軌跡，并將位置信息在室內地圖上顯示。

（8） 巡查管理: 結合地圖查看巡查路線，并可對巡查路線進行設置和更改。通過通訊系統可實時對巡查人員下達指令，調取歷史數據分析可以對巡查人員進行考核，判斷其工作質量。

（9）無線通訊系統: 該系統能實現廊下無線網絡覆蓋，為智慧管廊建設、無線可視對講、數據傳輸提供硬件基礎。網絡通信服務將提供管廊內Wi-Fi網絡模塊，實現管廊內無線局域網信號的均勻分布，便于移動巡檢、移動辦公業務的順利開展。無線網絡覆蓋系統主要由無線AP、無線AC、工業環網交換機、工業POE 交換機以及電源、機柜等組成。無線通信系統與人員定位系統相結合，組成基于“智慧線”安防通信體化系統。

智能手機可就近接入到智慧線，通過專用信道實現全雙工的語音通信，保證通信質量，同時不占用數據業務寬帶。系統采用多點服務的移動性管理策略，實現手機的全網無縫漫游，形成語音通信“專網”，系統可對智能手機實現定位。

（10）電子井蓋: 顯示井蓋基本信息和狀態，并進行井蓋資產管理，異常狀態可進行報警，提醒相關人員處理。

（11）視頻監控: 在各防火分區、I /O 站、監控中心都安裝有視頻攝像機，系統可嵌入視頻監控信息，可選擇查看對應區域的視頻監控，并可對攝像機云臺進行控制。當系統發生報警時，根據報警類型和報警級別自動彈出對應區域視頻監控，方便值班人員及時對報警進行確認和處理。

（12） 智能聯動: 當系統發生報警時，系統自動判斷發生報警的類型和位置，對報警級別較高的報警信息，根據預定預案進行視頻聯動和相應的聯動控制。

4、安科瑞產品在綜合管廊智能化監控管理系統的應用

4.1火災報警系統

       火災報警系統在整個管廊智能化系統監控中也具有重要性建設應用意義，要想保障整個系統應用的監控管理能力提升，就應該在系統應用中，及時將系統應用內的火災警報監督控制管理工作化。火災自動報警系統包括:火災自動報警系統、防火門監控系統、電氣火災監控系統。

電氣火災監控系統（管廊地下部分）產品選型

       Acrel-6000電氣火災監控系統由Acrel-6000系列監控設備、ARCM200BL、ARCM200L系列監控探測器和配套附件組成。系統各設備之間均采用RS485總線進行連接，施工布線簡單方便。

Acrel-6000/B1電氣火災監控設備簡介

 電氣火災監控系統組網

注：地下管廊使用的動力箱/柜符合管廊相關標準，防護等級達IP65

防火門監控系統（管廊地下部分）產品選型

   AFRD100/B防火門監控器能夠通過二總線與多個防火門監控模塊相連，構成集散式防火門監控系統。監控器能實時接收處理各路監控設備發送的斷路、短路、故障信號，同時在液晶屏幕上顯示，當斷路、短路及通訊故障發生時，監控器能發出聲光故障信號，在屏幕上顯示故障位置及故障類型，并具有數據存儲、查詢和報警信號控制輸出等功能，還具備對監控模塊的遠程復位功能。

防火門監控系統組網

4.2 環境及設備監控系統

在綜合管廊智能化建設管理中，為了將整體的智能化管廊建設工作開展性能提升，需要在管廊建設中，對其對應區域內的設備運行以及對應的環境監測工作開展進行分析，并且在分析中，按照具體的管廊建設處理中的設備控制進行科學的系統監控規劃。該部分環境監控系統的實施中，系統對應的環境及設備監控共分為以下幾點：是環境監測設備；二是排水設備；三是通風設備；四是照明設備，只有將對應的環境監測設備和監控系統運行系統建設好，才能保障在系統的監控運行中，將整個系統應用的監督控制管理能力發揮出來。

針對排水設備、通風設備等監測設備的運行狀態，可以配套使用安科瑞消防設備電源監控系統及傳感器。選型如下：

消防電源監控系統主要實現的監控功能：

1. 監控器通過接收多臺傳感器的電壓、電流信息和開關狀態信息，以此實現對消防設備電源工作狀態的實時監視；

2. 當被監測回路報警時，可控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護電路或其他設備，當故障消除后，控制輸出繼電器釋放；

3. 系統故障報警：程序不能正常運行時，監控設備發出聲光報警信號，同時面板上的“系統”故障指示燈亮；

4. 當發生過壓、欠壓、錯相、過流故障報警或通訊、電源故障時，系統將故障報警部位、故障信息、故障報警時間等信息存儲在數據庫中，當故障報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。

消防電源監控系統組網

4.3 管廊風機、水泵等穩定運行-電動機保護器

管廊運行時，廊內風機、水泵、環境監測傳感器、設備監控傳感器等設備接入配控間的PLC 中，使用工業環網交換機組成數據環網，其中工業環網交換機與管廊內配控間PLC 相連，通過環網接入到主控室核心交換機，與上位機進行通訊，用于采集配控間PLC設備中的數據，進行儲存和轉發給管廊監控運維管理軟件平臺。

其中風機、水泵的運行監控可加裝安科瑞電動機保護器，以下為產品選型方案：

ALP300 保護器，采用新的單片機技術，具有抗干擾能力強、工作穩定可靠、數字化、智能化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現的起動超時、過壓、欠壓、過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、阻塞、短路、外部故障等多種情況進行保護，現場維護人員可通過數碼管顯示屏快速查找故障原因。本保護器具有 RS485 遠程通訊接口，DC4～20mA 模擬量輸出，方便與 PLC、PC 等控制機組成網絡系統，實現電動機運行的遠程監控。

功能特點：

過載/欠載保護

接地/漏電保護

斷相保護

堵轉保護

阻塞保護

電流不平衡保護

過壓/欠壓保護

定時限過載保護

外部故障保護

       ARD2F 系列智能電動機保護器（以下簡稱保護器）能對電動機運行過程中出現的多種故障情況進行保護，并設有 SOE 故障事件記錄功能，方便現場維護人員查找故障原因。本保護器具有 RS485 遠程通訊接口，DC4～20mA 模擬量 輸出，方便與 PLC、PC 等控制機組成網絡系統。實現電動機運行的遠程監控。

功能特點:

       保護參數：過載保護；啟動保護；欠載保護；斷相保護；相序保護；不平衡保護；接地/漏電保護；短路保護；過壓保護；欠壓保護；堵轉保護；欠功率保護；過功率保護；阻塞保護；溫度保護；外部故障保護；

       控制參數：控制權限；啟動控制；自啟動；失壓重啟動；回流檢測；DO3可編程設定；DO4可編程設定；DI9可編程設定；9TEST

ARD3T 智能型電動機保護器（以下簡稱 ARD3T），ARD3T 可劃分為主體模塊、測量模塊、開關量模塊、模擬量模塊、溫度模塊、通訊模塊、液晶模塊共 7 個模塊。產品體積小巧，結構緊湊，適用于額定電壓至 AC 660V、額 定電流至 AC 800A、額定頻率為 50/60Hz 的電動機。在低壓控制終端柜和 1/4 模數及以上各種抽屜柜中可直接安 裝使用，提高了控制回路的可靠性和自動化水平.

功能特點：

輔助電源支持 AC/DC 110/220V 或 AC 380V（需另配 380V 電源模塊） 

模塊式設計，分為主體模塊、測量模塊、開關量模塊、模擬量模塊、溫度模塊、通訊模塊、液晶模塊等 7 個模塊。 

模塊體積小巧，支持導軌安裝、螺絲固定安裝。 

附加模塊采用總線供電，不需要外接輔助電源。 

帶有上位機配置軟件，方便客戶配置參數，編程設置。 

DI/DO 可自由編程。 

DI 支持干接點（弱電）或濕節點（強電）輸入，濕接點可選交流或直流供電。 

標配過載、堵轉、阻塞、欠載、斷相、不平衡、PTC 保護、外部故障等電動機綜合保護功能。 

標配保護模塊模式、直接起動、星三角起動、自耦降壓起動、雙向起動、單繞組雙速起動、雙繞組雙速起動 等多種起動方式，起動方式可現場設定。 

標配故障記錄、運行管理信息，方便查詢故障原因，進行電機維護。 

標配自起動功能，可通過附加抗晃電模塊實現抗晃電、失壓重起功能。 

顯示部分采用全中文液晶顯示。 

可通過添加模擬量模塊實現 2 路 4～20mA 輸入測量和 2 路 4～20mA 變送輸出。4～20mA 變送輸出對應參數可 自由設定。 

可通過添加溫度模塊實現 3 路溫度測量保護，可外接傳感器類型有：PT100、PT1000、Cu50、PTC、NTC。 

可通過添加 Profibus 模塊實現 Profibus-Dp 通訊。

       ARD3M 智能電動機保護器（以下簡稱保護器）適用于額定電壓至 660V 的低壓電動機回路，集保護、測量、控制、通訊、運維于體。其完善的保護功能確保電動機安全運行，帶有邏輯可編程功能，可以滿足多種控制方式。可選配不同通訊模塊適應現場通訊需求。

功能特點：

輔助電源類型可選，AC220V 電源模塊支持電源范圍 AC85-265V/DC100-300V，AC380V 電源模塊支持電源范圍 AC/DC100-415V。 

支持基波和全波電力參數測量（U、I、P、Q、S、PF、F、EP、EQ），電壓及電流不平衡度，電壓、電流正序、負序、零序分量，三相電壓相角，剩余電流，電壓、電流 2-63 次分次諧波測量，分次諧波含有率及總諧波畸變率。

保護功能包括過載反時限、過載定時限、接地、起動超時、漏電、欠載、斷相、堵轉、阻塞、短路、溢出、不平衡(電流、電壓)、過功率、欠功率、過壓、欠壓、相序、溫度、tE時間、外部故障、起動次數限制、運行時間報警、故障次數報警。

10 路可編程 DI 輸入，默認采用內置 DC24V 電源，也可選擇外部有源濕接點（詳見選型表格）。 

6 路可編程 DO 輸出，滿足直接起動，星—三角起動，自耦變壓器起動，等多種起動方式，可通過通訊總線實現主站對電動機的遙控“起/停”。 

可選抗晃電功能：支持晃電立即再啟動、失壓重起動。 

標配 2 路 MODBUS_RTU 通訊，有 PROFIBUS DPV1、以太網、PROFINET 通訊模塊供選配。 

可選配 2 路 DC4-20mA 模擬量輸出接口，與 DCS 系統相接，可實現對現場設備的監控。 

具有故障記錄、起動記錄、停車記錄、DI 變位記錄和再起動記錄等各類事件記錄，可查看多項電機運維信息，同時可記錄電機運行 1-5 小時運行記錄。

顯示界面支持中/英文液晶顯示。 

支持 U 盤導出波形記錄與事件記錄數據，可使用 EXCEL 打開導出事件記錄文件。

選配彩色液晶顯示時可加配 WIFI 功能，通過手機或電腦連接該 WIFI 查看、設置電機保護器相關數據. 

5、結束語

       為保障城市地下綜合管廊安全、可靠運行，構建可以提高綜合管廊運營維護水平并能提升應急處理能力的智慧化管理平臺十分必要。本文主要介紹了管廊監控運維管理平臺的總體技術方案、運維管理平臺的軟件系統架構以及平臺的軟硬件的系統功能，平臺基于BIM 技術，結合計算機、三維可視化、通信等多種的技術手段，可開展高效、、合理、實用的綜合管廊信息化管理建設。