董開(kāi)泰 魏立明

(吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于穩(wěn)步上升階段,人民的環(huán)保節(jié)能意識(shí)不斷提高.地下綜合管廊的建設(shè)符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的基本戰(zhàn)略,成為目前地下空間管理規(guī)劃的焦點(diǎn).在我國(guó)現(xiàn)有的地下綜合管廊案例中，缺乏對(duì)專(zhuān)業(yè)工程管線的全局統(tǒng)籌管控,在以空間維度分配地下空間資源時(shí),難以得到最優(yōu)的配置方案，因此，地下綜合管廊管線的綜合管理也是綜合管廊信息化服務(wù)平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)目標(biāo).基于地下綜合管廊的諸多優(yōu)點(diǎn)，可以明確實(shí)現(xiàn)各類(lèi)管線的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一維護(hù)、統(tǒng)一管理，利用現(xiàn)有的自動(dòng)化、信息化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下綜合管廊的環(huán)境檢測(cè)、日常管理和應(yīng)急處理,保證各類(lèi)工程管線安全穩(wěn)定運(yùn)行和智能化監(jiān)測(cè).

1 管廊環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)象

地下綜合管廊的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)涉及到多單位、多部門(mén)的統(tǒng)籌安排,由于各管線分屬不同部門(mén)管理,各單位部門(mén)之間未能信息開(kāi)放共享，管線單位各自為政,很有可能出現(xiàn)重復(fù)管理、相互矛盾等現(xiàn)象，所以地下綜合管廊監(jiān)控平臺(tái)的監(jiān)控范圍也需要相應(yīng)規(guī)范.2015年國(guó)務(wù)院辦公廳頒發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》[1]中明確指出：“地下綜合管廊本體及附屬設(shè)施管理由地下綜合管廊建設(shè)運(yùn)營(yíng)單位負(fù)責(zé),入廊管線的設(shè)施維護(hù)及日常管理由各管線單位負(fù)責(zé).”所以地下綜合管廊智能信息化檢測(cè)平臺(tái)應(yīng)針對(duì)工程管線的地下工作環(huán)境采取合理的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[2].

圖1 地下綜合管廊監(jiān)測(cè)變量Fig.1 Monitoring variables of the underground integrated pipe gallery

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管廊內(nèi)部的環(huán)境狀態(tài),對(duì)于不安全因素工作人員在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理,有效減少事故的發(fā)生,同時(shí)也使事故的危害降到最低,保證工作人員的人身安全和人民群眾的生活損失.這也相當(dāng)于在地下綜合管廊的全生命周期的運(yùn)行和維護(hù)中降低了監(jiān)管部門(mén)的運(yùn)維成本.

2 地下管廊監(jiān)控平臺(tái)的構(gòu)建

地下綜合管廊是報(bào)警級(jí)別非常高的地下建筑,作為城市的生機(jī)和活力的“動(dòng)脈”，運(yùn)行著電力、水源、通訊甚至涉及到國(guó)防設(shè)施.因此,地下綜合管廊必須具備實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能,并且在公共環(huán)境或其他工程管線發(fā)生事故時(shí),對(duì)監(jiān)控中心以及事故管線所屬單位進(jìn)行報(bào)警.同時(shí)，應(yīng)及時(shí)針對(duì)發(fā)生的狀況采取緊急聯(lián)動(dòng)措施.事故發(fā)生時(shí),及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故,如發(fā)生火災(zāi)時(shí)關(guān)閉消防門(mén),給排水管道發(fā)生泄漏時(shí)及時(shí)排水,在工作人員進(jìn)入前排風(fēng)扇排風(fēng).隨著綜合管廊規(guī)模的擴(kuò)大,容納的專(zhuān)業(yè)工程管線的種類(lèi)和數(shù)量越來(lái)越多,綜合管廊的運(yùn)行管理難度隨之加大,因此要求監(jiān)控平臺(tái)更加智能化和信息化.

監(jiān)控平臺(tái)分為距離綜合管廊較近的系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)和容納工程管線所屬相關(guān)單位部門(mén)的上級(jí)監(jiān)控平臺(tái).系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)工程管線的運(yùn)行狀態(tài)和各類(lèi)管線運(yùn)行的公共環(huán)境.系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)與上級(jí)監(jiān)控平臺(tái)共享所屬管線的運(yùn)行數(shù)據(jù),在發(fā)生各類(lèi)情況時(shí)，相互協(xié)作管理所容納的工程管線，其中系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)分為3個(gè)部分，如圖2所示.

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架Fig.2 Monitoring system architecture

2.1 數(shù)據(jù)采集層

由傳感器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集層是底下管廊監(jiān)控的基礎(chǔ).傳感器類(lèi)型應(yīng)包含所有專(zhuān)業(yè)工程管線的標(biāo)志型監(jiān)測(cè)變量:如天然氣管道中的CH4、發(fā)生火災(zāi)的CO2、中水中的H2S、公共環(huán)境的含氧量等[4];根據(jù)不同型號(hào)的傳感器參數(shù)得到相應(yīng)的覆蓋范圍,每隔相應(yīng)的有效距離設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),實(shí)時(shí)監(jiān)控所有的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并向系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)與上級(jí)監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送.

地下綜合管廊的公共環(huán)境監(jiān)測(cè)中的信息相互關(guān)聯(lián),可以利用信息融合技術(shù)對(duì)各類(lèi)傳感器之間的冗余和互補(bǔ)信息按照預(yù)設(shè)場(chǎng)景的規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化整合,使傳感器對(duì)管廊運(yùn)行環(huán)境的描述保持實(shí)時(shí)性和一致性.尤其需要注意的是由于地下空間的特殊性，所有處于現(xiàn)場(chǎng)的傳感器均應(yīng)采取防潮措施,防止傳感器因工作故障造成公共空間事故,甚至對(duì)工作人員造成傷害.

2.2 數(shù)據(jù)接收層

數(shù)據(jù)接收層分為地下接收單元和地上接收單元,與數(shù)據(jù)采集層的各類(lèi)傳感器構(gòu)成分布式的通信系統(tǒng),聯(lián)合地下照明、排水、通風(fēng)等設(shè)備單元形成穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)[5].

地下接收單元負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)完成地下綜合管廊公共空間的溫度、濕度、甲烷等環(huán)境參數(shù)，以及各個(gè)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)采集,并上傳到地上接收單元.

漏損率是指漏失量和總供水量的比值，其中漏失量為總供水量減去實(shí)際使用水量。漏損率高表明水在運(yùn)輸過(guò)程中損失多，供水效率低；反之漏水率低說(shuō)明城鎮(zhèn)供水效率高。我國(guó)是一個(gè)水資源分布不均、人均水資源短缺的發(fā)展中國(guó)家，降低漏損率很有必要。國(guó)家在2016年頒發(fā)了《城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損控制及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ92—2016），對(duì)今后的城鎮(zhèn)供水漏水提出了要求和目標(biāo)，即在2017年供水管網(wǎng)漏水率達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)12%，2020年達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)10%。而根據(jù)《2014年城鎮(zhèn)供水年鑒》調(diào)查，大部分省份的漏損率都超過(guò)了12%，一些省份漏損率甚至高達(dá)33%，可見(jiàn)我國(guó)的城鎮(zhèn)供水效率還有待提高，供水公司壓力巨大。

地上接收單元中預(yù)設(shè)了管廊發(fā)生的幾種緊急情況,在無(wú)情況發(fā)生時(shí)繼續(xù)將采集到的實(shí)時(shí)信息傳遞到附近的系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái).

當(dāng)有情況發(fā)生時(shí)，根據(jù)環(huán)境參數(shù)變化情況實(shí)施緊急預(yù)案,與風(fēng)機(jī)、水泵、閥門(mén)等設(shè)備采取連鎖控制.接收單元的地下與地上分立，可以有效保證單元監(jiān)控區(qū)域的信息采集及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的封裝轉(zhuǎn)換,監(jiān)控設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)本區(qū)域覆蓋內(nèi)的設(shè)備的運(yùn)行管理,也可以有效地對(duì)上層系統(tǒng)的控制指令做出應(yīng)答.

在數(shù)據(jù)接收層與數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)交換中，考慮到地下綜合管廊的工作環(huán)境中存在很多同時(shí)運(yùn)行的控制設(shè)備,運(yùn)行中的設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾有可能對(duì)傳遞中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響,推薦采用有線光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，以減少數(shù)據(jù)誤報(bào)的發(fā)生.

2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

經(jīng)由數(shù)據(jù)采集層與數(shù)據(jù)接收層的地下綜合管廊的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，在數(shù)據(jù)應(yīng)用層匯總、分析、存儲(chǔ)[6].管理平臺(tái)的智能化就體現(xiàn)在由現(xiàn)場(chǎng)反饋的數(shù)據(jù)對(duì)管線的運(yùn)行加以具體的模擬分析,并預(yù)測(cè)下一個(gè)運(yùn)行周期的運(yùn)行情況,從而智能的擬定出可行的運(yùn)行和維護(hù)方案,對(duì)管廊公共環(huán)境中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采取遠(yuǎn)程的智能控制.數(shù)據(jù)應(yīng)用層由數(shù)據(jù)庫(kù)中心和監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)構(gòu)成.數(shù)據(jù)庫(kù)中心用來(lái)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)來(lái)自下級(jí)層面?zhèn)鬏斏蟻?lái)的數(shù)據(jù)信息,其中包括專(zhuān)業(yè)工程管線的運(yùn)行信息、管廊公共環(huán)境的狀態(tài)信息，以及配合的監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行信息等[7].

監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)PC端主要利用LabVIEW對(duì)上位機(jī)監(jiān)控界面進(jìn)行設(shè)計(jì),通過(guò)OPC 通信協(xié)議將下位機(jī)PLC與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊.OPC通訊廣泛地應(yīng)用在全世界的自動(dòng)化控制系統(tǒng)、儀器儀表等工程中.

PLC控制器與上位機(jī)之間使用PLC的MPI口和Lab VIEW的DSC模塊，實(shí)現(xiàn)兩者之間的通訊，Lab VIEW與PLC通訊前,要進(jìn)行相應(yīng)的配置[8].

在NI OPC服務(wù)器中,構(gòu)建與PLC相關(guān)的參數(shù)變量,部署完成后,與PLC通訊設(shè)置為共享變量.在Lab VIEW的DSC模塊中將監(jiān)控主機(jī)上的對(duì)象定義為共享變量,并且以O(shè)PC標(biāo)簽的順序?qū)⑵浣壎╗9].這樣在Lab VIEW設(shè)計(jì)的監(jiān)控界面中，就可以實(shí)現(xiàn)在本地訪問(wèn)中地下綜合管廊運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)讀取.

3 地下管廊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)算法

為了更有效地預(yù)測(cè)地下綜合管廊的運(yùn)行環(huán)境，防止事故發(fā)生,本文在監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)中應(yīng)用卡爾曼濾波算法預(yù)測(cè)管廊運(yùn)行設(shè)備數(shù)據(jù)，模擬管廊狀態(tài).卡爾曼濾波器(最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法)能夠很好地解決大部分?jǐn)?shù)據(jù)擬合的問(wèn)題,其應(yīng)用已30多年,包括機(jī)器人導(dǎo)航、控制、傳感器數(shù)據(jù)融合，甚至在軍事方面的雷達(dá)系統(tǒng)以及導(dǎo)彈追蹤等亦有應(yīng)用[10].近年來(lái)更多地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)圖像處理,例如頭臉識(shí)別、圖像分割、圖像邊緣檢測(cè)等.卡爾曼濾波的基本原理是利用上次估計(jì)值和當(dāng)前測(cè)量值來(lái)更新對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì),求出當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)的最佳估計(jì)值.

卡爾曼濾波算法的離散控制過(guò)程的狀態(tài)方程為:

X(k)=AX(k-1)+BU(k)+W(k) (1)

觀測(cè)方程為:

Z(k)=H(k)X(k)+V(k) (2)

式中,X(k)是k時(shí)刻傳感器的系統(tǒng)狀態(tài);U(k)是k時(shí)刻對(duì)系統(tǒng)的控制量;A和B是系統(tǒng)參數(shù);Z(k)是傳感器k時(shí)刻的觀測(cè)值;H是測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù).系統(tǒng)的過(guò)程演化噪聲W(k)和觀測(cè)噪聲V(k)為均值為零的高斯白噪聲，其協(xié)方差矩陣分別為Q(k)和R(k)(假設(shè)他們不隨系統(tǒng)狀態(tài)變化而變化).

在卡爾曼濾波中,假定k是現(xiàn)在的系統(tǒng)狀態(tài),根據(jù)前一狀態(tài)預(yù)測(cè)出現(xiàn)在的狀態(tài):

X(k|k-1)=AX(k-1|k-1)+BU(k) (3)

其中,X(k|k-1)是根據(jù)前面時(shí)刻狀態(tài)預(yù)測(cè)的結(jié)果,前一狀態(tài)的最優(yōu)結(jié)果表示為X(k-1|k-1),現(xiàn)在狀態(tài)的控制量U(k)可以為0.對(duì)于X(k|k-1)的一步預(yù)測(cè)誤差協(xié)方差為:

P(k|k-1)=AP(k-1|k-1)A+Q(4)

其中,P(k|k-1)是X(k|k-1)相對(duì)應(yīng)的協(xié)方差;P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)對(duì)應(yīng)的協(xié)方差;A和Q分別表示A的轉(zhuǎn)置矩陣和系統(tǒng)過(guò)程的協(xié)方差.

根據(jù)現(xiàn)在狀態(tài)的預(yù)測(cè)結(jié)果,將預(yù)測(cè)值和測(cè)量值結(jié)合得到當(dāng)前狀態(tài)k的最優(yōu)估算值X(k|k):

X(k|k)=X(k|k-1)+Kg(k)[Z(k)-HX(k|k-1)] (5)

Kg為卡爾曼增益:

Kg(k)=P(k|k-1)H/[HP(k|k-1)H+R] (6)

以上計(jì)算過(guò)程可得到最優(yōu)估計(jì)值X(k|k).這樣持續(xù)計(jì)算可以不斷更新協(xié)方差,則k狀態(tài)下X(k|k)的協(xié)方差更新:

P(k|k)=[I-Kg(k)H]P(k|k-1) (7)

式中，I為1的單位矩陣,當(dāng)k+1狀態(tài)時(shí),繼承k的運(yùn)算結(jié)果繼續(xù)進(jìn)行.圖3為算法流程圖.

圖3 卡爾漫濾波器算法流程圖Fig.3 Algorithm flow chart of Kalman filter

在地下綜合管廊智能信息化監(jiān)控平臺(tái)的搭建中，還應(yīng)考慮其他方面的問(wèn)題.如:管廊入口、重要投料口及通風(fēng)口等處的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的搭建、相關(guān)部門(mén)控制權(quán)限的分布、地下綜合管廊的地理信息模型、系統(tǒng)運(yùn)行中數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，以及內(nèi)外部通訊方式的選擇等，上述因素也會(huì)對(duì)算法的穩(wěn)定性等指標(biāo)起到相關(guān)的影響.

4 結(jié)論

城市地下綜合管廊智能信息化監(jiān)控在智慧城市中起到極大作用，本文從地下管廊監(jiān)測(cè)對(duì)象、綜合管廊平臺(tái)構(gòu)建以及綜合管廊監(jiān)測(cè)算法等三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)地闡述與分析，給出了地下綜合管廊智能信息化監(jiān)控設(shè)計(jì)方案，同時(shí)確定了基于卡爾曼濾波器的監(jiān)測(cè)算法，有效地降低安全隱患，提升城市管線安全的整合水平，為城市綜合管廊的智能化發(fā)展奠定一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ).