(通號工程局集團(tuán)信息技術(shù)有限公司 北京 100070)

一、概述

(一)行業(yè)背景

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，綜合管線建設(shè)規(guī)模不足、管理水平不高等問題凸現(xiàn)，一些城市相繼發(fā)生大雨內(nèi)澇、管線泄漏爆炸、路面塌陷等事件，嚴(yán)重影響著生命、財(cái)產(chǎn)安全和城市運(yùn)行秩序。

面對當(dāng)前現(xiàn)狀及存在的問題，中央適時(shí)出臺《國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的意見》【國發(fā)(2013)36號】文件：在全國36個(gè)大中城市全面啟動地下綜合管廊試點(diǎn)工程；中小城市因地制宜建設(shè)一批綜合管廊項(xiàng)目。新建道路、城市新區(qū)和各類園區(qū)地下管網(wǎng)應(yīng)按照綜合管廊模式進(jìn)行開發(fā)建設(shè)。

國辦發(fā)(2015)61號《國務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》中對管廊建設(shè)做了統(tǒng)籌規(guī)劃?！吨笇?dǎo)意見》指出管廊配套系統(tǒng)就有智能化管理水平，滿足運(yùn)營維護(hù)需要。需在GB50838-2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》中，則具體規(guī)定了該系統(tǒng)的建設(shè)要求。

(二)城市綜合管廊簡介

綜合管廊就是地下城市管道綜合走廊。即在城市地下建造一個(gè)隧道空間，將電力、通訊，燃?xì)?、供熱、給排水等各種工程管線集于一體，設(shè)有專門的檢修口、吊裝口和監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一建設(shè)和管理，是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”。

二、需求分析

綜合管廊可納入給水、雨水、污水、再生水、天然氣、熱力、電力、通信等城市工程管線，就按照統(tǒng)一規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)，并滿足管線的使用和運(yùn)營維護(hù)要求。綜合管廊就同步建設(shè)消防、供電、照明、監(jiān)控與報(bào)警、通風(fēng)、排水、標(biāo)識等設(shè)施。

(一)系統(tǒng)現(xiàn)狀

城市綜合管廊監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)，由于依靠環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、安全防范、通信、預(yù)警與報(bào)警子、智能巡檢及管控一體化信息平臺等多個(gè)不同功能的系統(tǒng)，或者由于產(chǎn)品提供來自不同的廠商，在數(shù)據(jù)交換中沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此造成接口眾多、訪問性差，容易形成一個(gè)個(gè)的“信息孤島”：

(1)傳統(tǒng)監(jiān)控采用人工管理模式，運(yùn)營管理成本高，管理水平與管理質(zhì)量也無法得到有力保障：

(2)政府多頭管理、分散操作易產(chǎn)生各種問題；

(3)解決緊急事故發(fā)生時(shí)易相互推諉、扯皮；

(4)市政設(shè)施管理的運(yùn)維監(jiān)測監(jiān)控能力、應(yīng)急調(diào)度指揮能力、綜合業(yè)務(wù)能力很難提高；

(5)管廊監(jiān)控視頻、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)類別不一，各系統(tǒng)間信息孤島導(dǎo)致相關(guān)部門決策困難。

(二)監(jiān)控要求

管廊綜合監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)就包括環(huán)境與設(shè)計(jì)監(jiān)控子系統(tǒng)、通風(fēng)子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)、排水子系統(tǒng)、安全防防范子系統(tǒng)、語音通信子系統(tǒng)、預(yù)警與報(bào)警子系統(tǒng)、智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)、管理一體化信息平臺子系統(tǒng)等。

按照《GB50838-2015城市結(jié)合管廊工程技術(shù)規(guī)范》技術(shù)要求，管廊綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)應(yīng)包括以下設(shè)計(jì)：

(1)200m設(shè)計(jì)為一個(gè)防火分區(qū)，設(shè)置防火墻及防火門。

每個(gè)分區(qū)設(shè)計(jì)一套溫度、濕度、水位、氧氣、硫化氫和甲烷等環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)。

每個(gè)分區(qū)設(shè)計(jì)一套電子巡查管理系統(tǒng)。

每個(gè)分區(qū)設(shè)計(jì)一套固定式通信和無線對講系統(tǒng)。

每個(gè)分區(qū)沿線設(shè)置滅火器材，并配置自動滅火系統(tǒng)。

每個(gè)分區(qū)配置機(jī)械通風(fēng)，采用就地手動、就地自動和遠(yuǎn)程控制三種方式。

(2)每個(gè)分區(qū)設(shè)置一處卸料口、自然進(jìn)風(fēng)口(兼人員出入口)，800m設(shè)計(jì)區(qū)段檢修口(兼人員出入口)。

卸料口、檢修口、人員出入口等位置設(shè)置滅火器材。

卸料口、檢修口、人員出入口等位置設(shè)置攝像機(jī)。

卸料口、檢修口、人員出入口等位置配備出入口控制裝置和入侵報(bào)警探測裝置和聲光報(bào)警器。

(3)每個(gè)分區(qū)設(shè)置一個(gè)集水坑。

設(shè)置水位在線監(jiān)測。

設(shè)計(jì)水泵自動排水裝置。

(4)200m及交叉路口設(shè)置管線出艙口。

管線出艙口位置設(shè)置滅火器材。

管線出艙口位置設(shè)置攝像機(jī)。

管線出艙口位置配備出入口控制裝置和入侵報(bào)警探測裝置和聲光報(bào)警器。

三、技術(shù)方案

(一)方案概述

綜合管廊監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)是一個(gè)綜合性非常強(qiáng)的管控系統(tǒng)。各系統(tǒng)之間由于技術(shù)體系不一，采用的標(biāo)準(zhǔn)各異，導(dǎo)致難以兼容互通，這不僅需要兼顧環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、通信聯(lián)絡(luò)、信息管理等需求，而且還要兼顧災(zāi)難事故預(yù)警、安全防范等方面對圖像監(jiān)控的需求，同時(shí)還需要考慮報(bào)警、門禁等配套系統(tǒng)的集成以及與廣播系統(tǒng)的聯(lián)動，因此在這些系統(tǒng)的互聯(lián)過程中必然會出現(xiàn)系統(tǒng)異構(gòu)的信息孤島問題。

要打破信息孤島的局面，復(fù)雜異構(gòu)方式的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)需要解決不同廠商、不同產(chǎn)品的兼容和多個(gè)系統(tǒng)相互集成的問題，需要考慮到平臺的網(wǎng)絡(luò)接入和資源的開發(fā)方式，還需要立足大型聯(lián)網(wǎng)用戶的角度去設(shè)計(jì)，把握好互利與共享的原則。

開發(fā)的《城市綜合管廊監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)管控一體化平臺》是基于管控一體化技術(shù)成功地解決了眾多品牌相互兼容、各系統(tǒng)集成與融合、協(xié)議與接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的難題，成為綜合管廊監(jiān)控監(jiān)控系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。

根據(jù)綜合管廊行業(yè)背景，以及目前現(xiàn)場管理和控制應(yīng)用要求，充分考慮到信息化和智能化的“工業(yè)4.0”、“物聯(lián)網(wǎng)”和“智慧城市”的理念與技術(shù)，結(jié)合多年于電力、軌道交通、煤礦、化工行業(yè)等所開發(fā)的管控一體化平臺的經(jīng)驗(yàn)，提出了本解決方案。

(二)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)用戶現(xiàn)狀和需求分析，綜合管廊監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)平臺依據(jù)以下原則設(shè)計(jì)：

1.可靠性

系統(tǒng)應(yīng)確保管廊數(shù)據(jù)獲取、融合、傳輸?shù)冗^程的可靠性。其中，感知數(shù)據(jù)是管廊各項(xiàng)應(yīng)用的基礎(chǔ)和判別依據(jù)，可靠的數(shù)據(jù)獲取、融合和傳輸是保證管廊功能正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

2.可擴(kuò)展性

系統(tǒng)應(yīng)能夠動態(tài)調(diào)節(jié)，為不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供可擴(kuò)展性，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可擴(kuò)展、服務(wù)內(nèi)容可擴(kuò)展等。

網(wǎng)絡(luò)的靈活拓展為滿足不同時(shí)期開發(fā)的管廊之線的接入，留有設(shè)計(jì)空間和標(biāo)準(zhǔn)化的接口方式；服務(wù)內(nèi)容可擴(kuò)展為滿足服務(wù)方不同需求，為后期可能接入的遠(yuǎn)程抄表、路燈智能管理等系統(tǒng)留有開放性的網(wǎng)絡(luò)接口。

3.兼容性、開放性和易維護(hù)性

系統(tǒng)的軟、硬件采用模塊化、組態(tài)化設(shè)計(jì)，可以方便地進(jìn)行容量的擴(kuò)充和功能的維護(hù)升級。同時(shí)，系統(tǒng)建設(shè)基于Web、C/S結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)置開放性網(wǎng)絡(luò)接口，可實(shí)現(xiàn)將監(jiān)測信息上傳至監(jiān)控中心和各級主管部門、單位。

4.安全性

監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)的安全標(biāo)準(zhǔn)要特別保護(hù)用戶的信息隱私，為各政府部門、單位提供不同安全級別的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

(三)設(shè)計(jì)思路

1.從安全的角度考慮

目前，綜合管廊主要存在以下四大問題：

一是人的不安全行為(違章)造成的人員安全問題，二是物的不安全狀態(tài)(隱患)導(dǎo)致的設(shè)備安全問題，三是環(huán)境的不安全條件(隱患)誘發(fā)的環(huán)境安全問題，四是組織的不安全因素(管理漏洞)導(dǎo)致的管廊安全問題。

以上四大核心因素共同誘發(fā)能量的不正常傳遞，從而造成管廊事故。因此，系統(tǒng)必須對這四個(gè)核心因素進(jìn)行管控，以實(shí)現(xiàn)對人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)和環(huán)境的不安全因素等迅速、靈活、正確地理解和解決，從而實(shí)現(xiàn)地下管廊的本質(zhì)安全。

(1)針對人員安全：通過人員定位、門禁系統(tǒng)、便攜式巡檢儀、人員探測計(jì)數(shù)器等管控人的不安全行為，使巡檢人員達(dá)到可視化管理、無關(guān)人員實(shí)現(xiàn)防范入侵管理。以及可以使用智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，來完成目前人工巡檢的一些任務(wù)，更能保證人員安全。

(2)針對環(huán)境安全：通過多功能監(jiān)測基站和智能傳感器對管廊溫度、濕度、水位、氧氣、H2S、CH4等環(huán)境要素實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)源管理、辨識、評估和控制，從而消除環(huán)境的不安全因素。

(3)針對設(shè)備安全：通過智能傳感器、儀表和多功能監(jiān)測基站對監(jiān)控設(shè)備、排水設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、通信設(shè)備、消防設(shè)備、照明設(shè)備、電纜溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)在線感知、報(bào)警聯(lián)動、遠(yuǎn)程控制和指揮調(diào)度，使之始終處于安全狀態(tài)。

(4)針對管理安全：通過建立安全機(jī)制和預(yù)警管理體系，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場可視化、問題可視化和隱患的可視化，達(dá)到管理無失誤、指揮無失誤、操作無失誤，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)未雨綢繆、超前預(yù)報(bào)，防患于未然。

城市綜合管廊的建設(shè)目標(biāo)是在信息化管理的基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)自動化，用智慧覆蓋整個(gè)管廊運(yùn)行管理的全過程，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、安全、環(huán)保的“管、控、營”一體化智慧型管廊。

2.從物聯(lián)網(wǎng)的角度考慮

本系統(tǒng)利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過感、傳、知、用四層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對地下管廊的屬性信息和狀態(tài)信息運(yùn)行透徹的感知和度量，通過感知實(shí)時(shí)獲取人員、設(shè)備、環(huán)境、流程制度等在內(nèi)的一切數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地下管廊管理的可視化，提高管廊安全性和用戶滿意度。

從上圖可以看出，管廊內(nèi)所有的信息都要通過設(shè)備數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化傳到平臺監(jiān)控中心，而監(jiān)控中心的各種控制命令則要傳輸?shù)礁鞫喂芾鹊母鞣N設(shè)備上。

這些信息主要有：

(1)環(huán)境傳感器和設(shè)備傳感器的模擬量數(shù)據(jù)；

(2)人員位置信息和人員報(bào)警信息；

(3)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的視頻信號和控制信號；

(4)風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備狀態(tài)信息；

(5)IP電話的語音信息和無線對講信息；

(6)管廊的各種屬性信息和狀態(tài)信息；

(7)管理指令和流程信息等。

采用基于管控一體化整體解決方案來化解以上所有問題。系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)接口，用戶可以很順利的處理來自不同設(shè)備及環(huán)境的數(shù)據(jù)，滿足末端設(shè)備擴(kuò)展需求。

(四)系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

根據(jù)綜合管廊的運(yùn)營復(fù)雜情況及特點(diǎn)，建立基于管控一體化平臺的監(jiān)控系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)智慧管廊的必由之路。

綜合管廊要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，又要實(shí)現(xiàn)對供電、消防、照明、通風(fēng)、排水等系統(tǒng)的“集中管理”：

(1)感知層：感知來自電力、給水、通信、能源等系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)。

(2)傳輸層：由物聯(lián)網(wǎng)多功能基站提供無線、有線通信等可靠傳輸。

(3)處理層：通過一個(gè)“統(tǒng)一管理信息平臺”集成環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、預(yù)警與報(bào)警系統(tǒng)、管控平臺系統(tǒng)五大中心模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分布式應(yīng)用和縱向深入。

(4)應(yīng)用層：由于政府管理部門和四大管線單位(自來水、電力、煤氣和通信)的本專業(yè)管線運(yùn)行信息、會影響到管廊本體安全或其它專業(yè)管線安全運(yùn)行，因此在應(yīng)用層要對四大管線單位提供通信接口，以實(shí)現(xiàn)信息的共享和聯(lián)動。

四、系統(tǒng)組成

綜合管廊監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)是一個(gè)深度集成的自動化平臺，它集成了設(shè)備和環(huán)境監(jiān)控、視頻監(jiān)控、安防、火災(zāi)報(bào)警、語音通訊、電力監(jiān)控、智能機(jī)器人巡檢與信息化管理平臺等子系統(tǒng)。通過集成和互聯(lián)管廊內(nèi)的自動化系統(tǒng)，為運(yùn)營和維修人員提供一個(gè)完整的、統(tǒng)一的監(jiān)控管理平臺。

綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)分為三層六系統(tǒng)。三層包括管理層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層與現(xiàn)場采集控制層三部分組成。管理層是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，它聯(lián)系、協(xié)調(diào)、控制和管理各子系統(tǒng)的工作。傳輸層包括名道口與監(jiān)控中心之間網(wǎng)絡(luò)通過光纖傳送，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、TCP/IP控制數(shù)據(jù)和RS-485數(shù)據(jù)的通信?，F(xiàn)場檢測控制層主要由接入層交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、現(xiàn)場區(qū)域控制器PLC等組成。

其中PLC負(fù)責(zé)采集管廊內(nèi)的檢測信號、邏輯運(yùn)算分析并對根據(jù)信號對管廊內(nèi)設(shè)備進(jìn)行自動和手動控制。五系統(tǒng)包括由環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、預(yù)警與報(bào)警系統(tǒng)、智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)和統(tǒng)一管理信息平臺組成。系統(tǒng)框圖如下圖所示：

系統(tǒng)建立基于物聯(lián)網(wǎng)的“管、控、營”一體化的智能管控系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)架構(gòu)、智能聯(lián)動和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的設(shè)計(jì)，解決了管廊監(jiān)控與報(bào)警建設(shè)中存在著內(nèi)部干擾性強(qiáng)、使用單位多及協(xié)調(diào)復(fù)雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境和設(shè)備的恢復(fù)效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控中心應(yīng)用“一個(gè)平臺，三層結(jié)構(gòu)，六大系統(tǒng)”即能對管廊內(nèi)部設(shè)備的遠(yuǎn)程管理與聯(lián)動控制。