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(fā)展的基礎設施，是確保社會經(jīng)濟和城市建設健康、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)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(shù)據(jù)的智慧化管理平臺”。此平臺可提供專業(yè)、強大的數(shù)據(jù)錄入、編輯、管理、分析、維護的功能，方便管理人員及時掌握現(xiàn)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(huán)境、節(jié)約土地資源、促進城市體化快速發(fā)展、提高城市經(jīng)濟發(fā)展的設施。相對于傳統(tǒng)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(huán)境及內(nèi)部空間復雜、控制系統(tǒng)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(shù)管廊運管中心體化平臺建設，基本都能完成多系統(tǒng)的統(tǒng)接入，其中包括環(huán)境、消防、視頻、對講、巡查等，但是各個系統(tǒng)獨立，未能實現(xiàn)應用聯(lián)動，導致運管中心所需操作人員多、所需學習操作系統(tǒng)多，培訓成本高的同時系統(tǒng)應用調(diào)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(tǒng)技術、定位技術、通訊技術，結合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術，對綜合管廊的進行的智慧化管理，實現(xiàn)對綜合管廊的實時監(jiān)控、動態(tài)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(tǒng)總體設計方案

        管廊內(nèi)風機、水泵、環(huán)境監(jiān)測傳感器、設備監(jiān)控傳感器等設備接入配控間的PLC 中，使用工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機組成數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)， 其中工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機與管廊內(nèi)配控間PLC 相連，通過環(huán)網(wǎng)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(shù)據(jù)，進行儲存和轉(zhuǎn)發(fā)給管廊監(jiān)控運維管理軟件平臺。其中，火災自動報警子系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)、防爆手機直接通過各自的專用網(wǎng)絡接入管廊監(jiān)控運維管理軟件平臺，所有系統(tǒng)由平臺進行統(tǒng)監(jiān)測、控制、分析和管理。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 方案系統(tǒng)架構圖

2、管廊監(jiān)控運維管理軟件平臺

        系統(tǒng)的設計與開發(fā)都要從整體和系統(tǒng)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(lián)網(wǎng)技術、數(shù)據(jù)庫技術等，實現(xiàn)項目基本信息與空間數(shù)據(jù)的結合，建成信息共享、集成的、綜合的管廊管理信息化作業(yè)管理平臺。系統(tǒng)的設計框架基于三層體系結構,感知傳輸層、數(shù)據(jù)層、應用層。這種體系結構無論從平臺的角度還是從開發(fā)的方面，均是個結構靈活、便于調(diào)整的應用體系。而對整個系統(tǒng)的業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)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(tǒng)框架見圖2。

圖2 軟件系統(tǒng)架構圖

       服務應用層: 應用層為各業(yè)務模塊系統(tǒng)，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(fā)，因此可適用于PC、Pad、手機等不同設備。

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

       融合層: 將業(yè)務數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)進行深度融合處理，其中業(yè)務融合引擎將各子系統(tǒng)的業(yè)務進行融合處理，數(shù)據(jù)融合引擎將各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行融合處理，可視化融合引擎將空間數(shù)據(jù)與業(yè)務數(shù)據(jù)進行融合處理。

        數(shù)據(jù)層: 采用高速數(shù)據(jù)緩存和關系型數(shù)據(jù)庫對各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行采集和存儲，其中業(yè)務數(shù)據(jù)為各子系統(tǒng)中需要進行融合處理的業(yè)務型數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)主要包括BIM 數(shù)據(jù)和GIS 數(shù)據(jù)。

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

3、管廊控制中心硬件系統(tǒng)

       綜合管廊管理系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和SCADA 系統(tǒng)為基礎進行建設，SCADA 系統(tǒng)是管理系統(tǒng)的端，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為后臺為分析管理提供數(shù)據(jù)支撐。管理系統(tǒng)將各地分散的數(shù)據(jù)集中匯總，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、存儲、展示、報警預警、智能聯(lián)動等綜合監(jiān)控和運營維護功能。系統(tǒng)功能架構見圖3。

圖3 功能架構圖

（1） 數(shù)據(jù)采集: 搭建統(tǒng)的信息平臺，采集匯總環(huán)境和設備監(jiān)控、電力監(jiān)控、安防監(jiān)控、有線通訊和火災自動報警等子系統(tǒng)數(shù)據(jù)。部署的監(jiān)控軟件支持不同生產(chǎn)商制造的硬件設備，可實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的通訊，同時支持特殊設備、系統(tǒng)通訊接口的開發(fā)。

（2） 數(shù)據(jù)存儲: 工業(yè)數(shù)據(jù)庫對各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行高性能的壓縮和存儲，對海量的基礎運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，為科學管理決策提供支持。

（3） 環(huán)境與設備監(jiān)控: 將防火分區(qū)和I /O 站作為監(jiān)控單元，繪制管廊3D 效果圖，動畫模擬每個防火分區(qū)設備運行狀況。將從各個子系統(tǒng)實時采集的數(shù)據(jù)進行可視化展示，結合防火分區(qū)的視頻監(jiān)控，讓值班人員能夠直觀地查看系統(tǒng)運行信息，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，提高對整個管廊維護管理的效率。

（4）數(shù)據(jù)匯總: 通過數(shù)據(jù)列表的方式實時對各防火分區(qū)和I /O 站重點監(jiān)測數(shù)據(jù)進行展示，值班人員可隨時查看系統(tǒng)重要監(jiān)測信息列表，并可將當時刻監(jiān)測信息列表保存為電子文檔或直接打印，從而實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的保存。

（5） 安防入侵: 作為防盜報警入侵系統(tǒng)，可防止非法入侵或禁止未授權進入。每個防火分區(qū)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(tǒng)布防后，若有人進入管廊、I /O 站，則觸發(fā)報警，以便管理人員及時獲知報警信息，并通知現(xiàn)場巡查人員及時處理。

（6）消防報警: 消防系統(tǒng)主要探測管廊內(nèi)有無火災發(fā)生，并形成報警信息。以單個防火分區(qū)為例，每個防火分區(qū)內(nèi)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(nèi)電力電纜的溫度，在溫度過高或發(fā)生火災時，形成報警信息傳送給消防主機。當巡查人員發(fā)現(xiàn)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(nèi)管線發(fā)生緊急事件時，利用廊內(nèi)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(jù)標簽標識輸入人員信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享; 當人員進入定位區(qū)域，定位標簽通過定位基站將實時定位數(shù)據(jù)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(nèi)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(tǒng)可實時對巡查人員下達指令，調(diào)取歷史數(shù)據(jù)分析可以對巡查人員進行考核，判斷其工作質(zhì)量。

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

智能手機可就近接入到智慧線，通過專用信道實現(xiàn)全雙工的語音通信，保證通信質(zhì)量，同時不占用數(shù)據(jù)業(yè)務寬帶。系統(tǒng)采用多點服務的移動性管理策略，實現(xiàn)手機的全網(wǎng)無縫漫游，形成語音通信“專網(wǎng)”，系統(tǒng)可對智能手機實現(xiàn)定位。

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

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

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

4、安科瑞產(chǎn)品在綜合管廊智能化監(jiān)控管理系統(tǒng)的應用

4.1火災報警系統(tǒng)

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

電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)（管廊地下部分）產(chǎn)品選型

       Acrel-6000電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)由Acrel-6000系列監(jiān)控設備、ARCM200BL、ARCM200L系列監(jiān)控探測器和配套附件組成。系統(tǒng)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(jiān)控設備簡介

 電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)

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(jiān)控系統(tǒng)（管廊地下部分）產(chǎn)品選型

   AFRD100/B防火門監(jiān)控器能夠通過二總線與多個防火門監(jiān)控模塊相連，構成集散式防火門監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控器能實時接收處理各路監(jiān)控設備發(fā)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(fā)生時，監(jiān)控器能發(fā)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(shù)據(jù)存儲、查詢和報警信號控制輸出等功能，還具備對監(jiān)控模塊的遠程復位功能。

防火門監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)

4.2 環(huán)境及設備監(jiān)控系統(tǒng)

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(qū)域內(nèi)的設備運行以及對應的環(huán)境監(jiān)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(tǒng)監(jiān)控規(guī)劃。該部分環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實施中，系統(tǒng)對應的環(huán)境及設備監(jiān)控共分為以下幾點：是環(huán)境監(jiān)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(huán)境監(jiān)測設備和監(jiān)控系統(tǒng)運行系統(tǒng)建設好，才能保障在系統(tǒng)的監(jiān)控運行中，將整個系統(tǒng)應用的監(jiān)督控制管理能力發(fā)揮出來。

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

消防電源監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)的監(jiān)控功能：

1. 監(jiān)控器通過接收多臺傳感器的電壓、電流信息和開關狀態(tài)信息，以此實現(xiàn)對消防設備電源工作狀態(tài)的實時監(jiān)視；

2. 當被監(jiān)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(tǒng)故障報警：程序不能正常運行時，監(jiān)控設備發(fā)出聲光報警信號，同時面板上的“系統(tǒng)”故障指示燈亮；

4. 當發(fā)生過壓、欠壓、錯相、過流故障報警或通訊、電源故障時，系統(tǒng)將故障報警部位、故障信息、故障報警時間等信息存儲在數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)

4.3 管廊風機、水泵等穩(wěn)定運行-電動機保護器

管廊運行時，廊內(nèi)風機、水泵、環(huán)境監(jiān)測傳感器、設備監(jiān)控傳感器等設備接入配控間的PLC 中，使用工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機組成數(shù)據(jù)環(huán)網(wǎng)，其中工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機與管廊內(nèi)配控間PLC 相連，通過環(huán)網(wǎng)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(shù)據(jù)，進行儲存和轉(zhuǎn)發(fā)給管廊監(jiān)控運維管理軟件平臺。

其中風機、水泵的運行監(jiān)控可加裝安科瑞電動機保護器，以下為產(chǎn)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(wěn)定可靠、數(shù)字化、智能化等特點。保護器能對電動機運行過程中出現(xiàn)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(xiàn)場維護人員可通過數(shù)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(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)電動機運行的遠程監(jiān)控。

功能特點：

過載/欠載保護

接地/漏電保護

斷相保護

堵轉(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(wǎng)絡系統(tǒng)。實現(xiàn)電動機運行的遠程監(jiān)控。

功能特點:

       保護參數(shù)：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(zhuǎn)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(shù)：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(chǎn)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(shù)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(shù)，編程設置。 

DI/DO 可自由編程。 

DI 支持干接點（弱電）或濕節(jié)點（強電）輸入，濕接點可選交流或直流供電。 

標配過載、堵轉(zhuǎn)、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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn) 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(shù)可 自由設定。 

可通過添加溫度模塊實現(xiàn) 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(xiàn) 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(xiàn)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(shù)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(zhuǎn)、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(shù)限制、運行時間報警、故障次數(shù)報警。

10 路可編程 DI 輸入，默認采用內(nèi)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(xiàn)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(wǎng)、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(tǒng)相接，可實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的監(jiān)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù). 

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(jiān)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(tǒng)架構以及平臺的軟硬件的系統(tǒng)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。