浅谈城市管廊智能综合监控系统的设计与实现

简婷

摘要：为解决综合管廊内设备监控、通信、报警等多个功能系统兼容性差，人廊单位交叉作业安全风险高和运维管理工作复杂等问题，设计了一种智能化综合管廊监控管理系统，并从总体设计、硬件系统设计和软件平台设计3个方面详细地介绍了该系统的结构和功能。该系统实现了综合管廊的环境与设备监控、安全防范通信和定位、运维管理等功能、具有集成化、管理精细化的优点，满足了综合管廊运维管理工作的安全性、便利性以及智能化要求，从而助力综合管廊运维管理工作更加高效。

关键词：综合管廊；智能监控系统；硬件系统；软件平台

 

    目前，我国虽已有3项国家标准阐述了综合管廊监控系统的基本组成内容、需要实现的具体功能和性能指标，但就其智能化管理尚没有具体规定。笔者设计的综合管廊智能监控系统在满足上述国家标准的基础上，综合运用BIM、GIS、大数据等先进技术，通过对管廊内环境与设备状态的主动感知、异常问题的动处理和运营情况的智能分析，实现了对综合管廊的智能化管理。

 

1.1系统组成

     综合管廊智能监控系统总体架构由中央层、控制层、设备层3级组成。其中：中央层设置在监控中心，硬件由各类型数据机柜和监控终端组成，包括监控系统机柜，安防系统机柜、通信系统机柜、数据管理机柜、UPS机柜、各类型工作站和监控大屏等；软件由各类型业务软件组成，包括统一管理平台软件、数据库软件、工控系统软件、通信系统软件、BIM软件、手持终端APP等。2)控制层为设置在管廊现场内每个防火分区设备间的区域控制单元(ACU),机柜内主要设备包括交换机、PLC、UPS、NVR、中间继电器，断路器等.)设备层为安装在管廊廊体内的各类型传感器和前端设备，包括气体传感器（〇2、H2S、CH4、温🗎度）、液位传感器、烟雾传感器、红外探测器、摄像机、无线AP、设备控制箱（风机、水泵、照明等）门禁、巡更点等。系统架构如图1所示。

图一系统架构

1.2系统总体功能

    管廊监控系统从功能上可划分为环境与设备状态监控、安防视频监控、人侵与门禁监控、火灾自动报警、无线与固定语音通信、电子巡更、人员定位、机器人自动巡检等部分。该系统通过统一管理平台对所有功能模块进行集成，具有监视监测及控制、报警管理、数据采集存储等功能，并能够通过大数据技术对监测数据进行趋势分析；同时具有应急方案预设、廊管线数据管理、系统维护和诊断，以及基于GIS和BIM技术的运维管理功能，能够实现对数据来源的实时定位和3D浏览。系统功能如图2所示。

 

 图2 系统功能示意图

 

2.1监控中心硬件系统

     系统中央层设置在监控中心，为管廊提供设备监控、检修和运维办公等配套服务。中央层硬件系统需满足统一管理平台软件及各子系统后台软件的运行环境要求。

     1）前端设备

     一般由安防工作站、监控工作站、管理工作站和显示大屏组等组成。

    2）后端设备

   一般由各类机柜组成，包括：

  ①监控系统机柜：主要由统一管理平台服务器环境与设备监控服务器、环境与设备监控服务器、核心交换机、汇聚交换机和硬件防火墙等组成；

  ②安防系统机柜：主要由安防服务器、务器、汇聚交换机、网络硬盘录像机(NVR)等组成；

  ③通信系统机柜：主要有通信服务器、无线控制器、数字程控交换机组成；

  ④数据管理机柜：主要由数据库服务器、列、KVM切换器、机架式一体化键盘显示器等组成；

  ⑤UPS柜机：主要满足中心硬件设备用电的UPS主机和60min应急时间储备的蓄电池组成。

2.2区域控制单元（ACU)

    ACU是为满足综合管廊内众多检测数据集中管控、传输的需求而设置的区域控制模块，它集信号采集、本地控制、数据交换、远程联网等功能于一体。ACU内设有PLC控制器，通过数字量/模拟量输入、现场总线的方式采集气体浓度、温度、人侵防范、液位等监测信息，根据设定的条件控制通风机、排水泵、照明、电控井盖、门禁、光报警器等设备的运行。ACU的网络通道由安防交换机和监控交换机组成，分别接人摄像机、无线AP、门禁和PLC控制器等设备，再分别通过环网光纤上传至监控中心。ACU机柜以及管辖范围内的监控设备，通过各类断路器、开关接到机柜内的UPS输出端,UPS外接配电柜。

2.3前端设备与传感器

    系统前端设备层主要由环境与设备监控系统、安防系统、通信系统等现场仪表与设备箱组成，包括：

    1）环境与设备监控系统:包括氧气浓度检测仪、温湿度检测仪、硫化氢检测仪、甲烷检测仪、液位计、风机控制箱、水泵控制箱、照明控制箱和电控井盖控制箱等。

   2）安防系统：包括摄像机、门禁控制器、红外探测器、电子巡更点等。

   3）通信系统：包括光纤电话主机、副机、无线AP和VOIP手持终端等。

 

3.1软件平台架构

    综合管廊健康系统统一管理平台软件，应用SOA架构开发，充分整合各业务系统与其他系统之间的业务接口，在传统3层架构基础上运用Webservice的SOAP和REST进行系统数据通道建构，实现了多层服务模式。软件通过GIS地图和BIM建模技术，实现监控数据与位置信息的实时关联，以及管廊内的3D同时，系统应用大数据技术对管廊业务的相关结构化、半结构化和非结构化数据进行实时采集和分类存储，再通过数据挖掘算法，生成管廊运维管理工作所需的各类数据图、表，为管理单位提供运维管理的分析决策依据，从而通过统一管理平台整体提升运维管理工作的质量和效率。平台架构图如图3所示

 

 图3软件平台架构

3.2数据采购与通信方式

3.2.1数据采集

    1）监测数据：包括温🗎度、氧气、甲烷、硫化氢、液位等传感器的环境监测信息；风机、水栗、照明、电控井盖等设备的运行状态；固定电话、无线AP、V01P手持终端等通信设备的数据信息；门禁、红外对射、摄像机等安防设备的监控信息等。

   2）报警数据：包括监控设备的故障报警信息环境传感器的超限报警信息和安防设备的监控报警信息等。

3）系统数据：包括业务管理模块的用户信息运营服务模块的客户信息和应急指挥模块的资源信息等。

3.2.2通信方式

1）现场设备：管廊内的各类型监控数据，通过数字量、模拟量、现场总线或网络通信的方式汇聚到ACU。一部分数据进入到PLC进行预处理，在统一通过ModbusTCP协议或者OPC协议，上传给监控中心的监控系统机柜；另一部分数据使用协议或私有协议，直接通过ACU内的汇聚交换机上传上传至监控中心的安防系统机柜或通信系统机柜。

2)中心设备：中心的各类型数据服务器、存储设备、和设备均接入核心交换机，通过TCP/IP协议进行通信。系统内部或与其他系统交互数据使用统一接口格式。

3.3系统数据库设计

3.3.1元数据

用于描述数据的数据，主要包括操作日志信息对照表、设备状态信息对照表、监测点类型对照表等，如表1所示。

 3.3.2历史数据和数据地

     主要用于记录系统运行过程中的各种数据信息，包括气体浓度、设备状态等监测点的历史数据、统计数据和操作日志等，如表3所示。

表3历史数据和统计数据清单

3.4系统功能设计

3.4.1统一管理平台软件

     综合管廊智能监控系统的监控报警、运营维护、应急决策、能耗监控等各类功能，均通过部署在监控中心的统一管理平台软件实现。平台由BIM管控、GIS地图、实时管控、运维管理、应急指挥、IOT采集、数据分析、系统维护8个功能模块组成，部分统一管理平台软件界面。

3.4.2VOIP手持终端软件

     运维巡检人员在管廊内作业时，通过手持终端设备与监控中心进行联系，实现巡检人员的实时定位、语音通信、工单报送、巡更打卡等功能，部分手持终端软件界面如图5所示。

 

 

图5手持终端软件

 

4.1平台概述

     AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台集电力监控、能源管理、电气安全、照明控制、环境监测于一体，为建立可靠、安全、高效的综合管廊管理体系提供数据支持，从数据采集、通信网络、系统架构、联动控制和综合数据服务等方面的设计，解决了综合管廊在管理过程中存在内部干扰性强、使用单位多及协调复杂的根本问题，大大提高了系统运行的可靠性和可管理性，提升了管廊基础设施、环境和设备的使用和恢复效率。

4.2平台组成

    安科瑞城市地下综合管廊能效管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所环境监控系统、智能马达监控系统、电气火灾监控系统、消防设备电源系统、防火门监控系统、智能照明系统、消防应急照明和疏散指示系统。用户可通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对管廊用电和用电安全进行进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足管廊用电可靠、安全、稳定、高效、有序的要求。

4.3平台拓扑

4.4平台子系统

4.4.1电力监控

      电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。

 

4.4.2环境监测

       环境监测包括温湿度、烟感温感、积水浸水、可燃气体浓度、门禁、视频、空调、消防数据的采集、展示和预警，同时也可接入管廊舱室内的水泵和通风排烟风机等设备集成的第三方系统完成管廊环境综合监控。

4.4.3电气安全

      AcrelEMS-UT能效管理系统针对配电系统的电气安全隐患配置相应的电气火灾传感器、温度传感器，消防设备电源传感器、防火门状态传感器，接入消防疏散照明以及指示灯具的状态实时显示，并且对UPS的蓄电池温度、内阻进行实时监视，发生异常时通过声光、短信、APP及时预警。

4.5相关平台部署硬件选型清单

4.5.1电力监控及配电室环境监控系统

 

 

 

    从系统结构、组成、功能详细的介了综合管廊智能监控系统的实现方法。该系统深度结合运营单位的使用需求，并应用B1M、GIS和大数据技术，用户通过统一管理平台即可实现对综合管廊运行状况的统一检测、统一管理，使业务处理更加方便高效，从而实现了综合管廊的智能化管理。该项目研究成果已在武汉市武九线综合管廊项目、沈阳市中德园综合管廊项目中实施应用，并取得了良好的使用效果和社会效益。

 

【1】刘玉昊，王昕煜，李芝宏，赵东波，赵少博.一种城市综合管廊智能监控系统的设计与实现

【2】上海市政工程设计研究总院（集团)有限公司，等.城市综合管廊工程技术规范:GB50838-2015[S].

【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05

 

作者简介：简婷，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事智慧管廊监控研究发展。