淺談城市管廊智能綜合監控系統的設計與實現

任運業

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控、通信、報警等多個功能系統兼容性差，人廊單位交叉作業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控管理系統，并從總體設計、硬件系統設計和軟件平臺設計3個方面詳細地介紹了該系統的結構和功能。該系統實現了綜合管廊的環境與設備監控、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；智能監控系統；硬件系統；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控系統的基本組成內容、需要實現的具體功能和性能指標，但就其智能化管理尚沒有具體規定。筆者設計的綜合管廊智能監控系統在滿足上述國家標準的基礎上，綜合運用BIM、GIS、大數據等先進技術，通過對管廊內環境與設備狀態的主動感知、異常問題的動處理和運營情況的智能分析，實現了對綜合管廊的智能化管理。

 

1.1系統組成

     綜合管廊智能監控系統總體架構由中央層、控制層、設備層3級組成。其中：中央層設置在監控中心，硬件由各類型數據機柜和監控終端組成，包括監控系統機柜，安防系統機柜、通信系統機柜、數據管理機柜、UPS機柜、各類型工作站和監控大屏等；軟件由各類型業務軟件組成，包括統一管理平臺軟件、數據庫軟件、工控系統軟件、通信系統軟件、BIM軟件、手持終端APP等。2)控制層為設置在管廊現場內每個防火分區設備間的區域控制單元(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。系統架構如圖1所示。

圖一系統架構

1.2系統總體功能

    管廊監控系統從功能上可劃分為環境與設備狀態監控、安防視頻監控、人侵與門禁監控、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。該系統通過統一管理平臺對所有功能模塊進行集成，具有監視監測及控制、報警管理、數據采集存儲等功能，并能夠通過大數據技術對監測數據進行趨勢分析；同時具有應急方案預設、廊管線數據管理、系統維護和診斷，以及基于GIS和BIM技術的運維管理功能，能夠實現對數據來源的實時定位和3D瀏覽。系統功能如圖2所示。

 

 圖2 系統功能示意圖

 

2.1監控中心硬件系統

     系統中央層設置在監控中心，為管廊提供設備監控、檢修和運維辦公等配套服務。中央層硬件系統需滿足統一管理平臺軟件及各子系統后臺軟件的運行環境要求。

     1）前端設備

     一般由安防工作站、監控工作站、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監控系統機柜：主要由統一管理平臺服務器環境與設備監控服務器、環境與設備監控服務器、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通信系統機柜：主要有通信服務器、無線控制器、數字程控交換機組成；

  ④數據管理機柜：主要由數據庫服務器、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區域控制單元（ACU)

    ACU是為滿足綜合管廊內眾多檢測數據集中管控、傳輸的需求而設置的區域控制模塊，它集信號采集、本地控制、數據交換、遠程聯網等功能于一體。ACU內設有PLC控制器，通過數字量/模擬量輸入、現場總線的方式采集氣體濃度、溫度、人侵防范、液位等監測信息，根據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，再分別通過環網光纖上傳至監控中心。ACU機柜以及管轄范圍內的監控設備，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

    系統前端設備層主要由環境與設備監控系統、安防系統、通信系統等現場儀表與設備箱組成，包括：

    1）環境與設備監控系統: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：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：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

    綜合管廊健康系統統一管理平臺軟件，應用SOA架構開發，充分整合各業務系統與其他系統之間的業務接口，在傳統3層架構基礎上運用Webservice的SOAP和REST進行系統數據通道建構，實現了多層服務模式。軟件通過GIS地圖和BIM建模技術，實現監控數據與位置信息的實時關聯，以及管廊內的3D同時，系統應用大數據技術對管廊業務的相關結構化、半結構化和非結構化數據進行實時采集和分類存儲，再通過數據挖掘算法，生成管廊運維管理工作所需的各類數據圖、表，為管理單位提供運維管理的分析決策依據，從而通過統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數據采購與通信方式

3.2.1數據采集

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

   2）報警數據：包括監控設備的故障報警信息環境傳感器的超限報警信息和安防設備的監控報警信息等。

3）系統數據：包括業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）現場設備：管廊內的各類型監控數據，通過數字量、模擬量、現場總線或網絡通信的方式匯聚到ACU。一部分數據進入到PLC進行預處理，在統一通過ModbusTCP協議或者OPC協議，上傳給監控中心的監控系統機柜；另一部分數據使用專用協議或私有協議，直接通過ACU內的匯聚交換機上傳上傳至監控中心的安防系統機柜或通信系統機柜。

2)中心設備：中心的各類型數據服務器、存儲設備、和專用設備均接入核心交換機，通過TCP/IP協議進行通信。系統內部或與其他系統交互數據使用統一接口格式。

3.3系統數據庫設計

3.3.1元數據

用于描述數據的數據，主要包括操作日志信息對照表、設備狀態信息對照表、監測點類型對照表等，如表1所示。

 3.3.2歷史數據和數據地

     主要用于記錄系統運行過程中的各種數據信息，包括氣體濃度、設備狀態等監測點的歷史數據、統計數據和操作日志等，如表3所示。

表3歷史數據和統計數據清單

3.4系統功能設計

3.4.1統一管理平臺軟件

     綜合管廊智能監控系統的監控報警、運營維護、應急決策、能耗監控等各類功能，均通過部署在監控中心的統一管理平臺軟件實現。平臺由BIM管控、GIS地圖、實時管控、運維管理、應急指揮、IOT采集、數據分析、系統維護8個功能模塊組成，部分統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時，通過手持終端設備與監控中心進行聯系，實現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控、能源管理、電氣安全、照明控制、環境監測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網絡、系統架構、聯動控制和綜合數據服務等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內部干擾性強、使用單位多及協調復雜的根本問題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環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變電站電力監控系統、變電所環境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，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控、統一管理、統一調度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。

4.3平臺拓撲

4.4平臺子系統

4.4.1電力監控

      電力監控主要針對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和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

 

4.4.2環境監測

       環境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調、消防數據的采集、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完成管廊環境綜合監控。

4.4.3電氣安全

      AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統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、防火門狀態傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

4.5相關平臺部署硬件選型清單

4.5.1電力監控及配電室環境監控系統

 

 

 

    從系統結構、組成、功能詳細的介了綜合管廊智能監控系統的實現方法。該系統深度結合運營單位的使用需求，并應用B1M、GIS和大數據技術，用戶通過統一管理平臺即可實現對綜合管廊運行狀況的統一檢測、統一管理，使業務處理更加方便高效，從而實現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控系統的設計與實現

【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范:GB50838-2015[S].

【3】安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05

 

作者簡介：任運業，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智慧管廊監控研究發展。