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1.概述

1.1行業背景

隨著城市經濟的快速發展，綜合管線建設規模不足、管理水平不高等問題凸現，一些城市相繼發生大雨內澇、管線泄漏爆炸、路面塌陷等事件，嚴重影響著生命、財產安全和城市運行秩序。

面對當前現狀及存在的問題，中央適時出臺《國務院關于加強城市基礎設施建設的意見》【國發(2013)36號】文件：在全國36個大中城市全面啟動地下綜合管廊試點工程；中小城市因地制宜建設一批綜合管廊項目。新建道路、城市新區和各類園區地下管網應按照綜合管廊模式進行開發建設。

國辦發(2015)61號《國務院辦公廳關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》中對管廊建設做了統籌規劃。《指導意見》指出管廊配套系統就有智能化管理水平，滿足運營維護需要。需在GB50838-2015《城市綜合管廊工程技術規范》中，則具體規定了該系統的建設要求。

1.2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隧道空間，將電力、通訊，燃氣、供熱、給排水等各種工程管線集于一體，設有專門的檢修口、吊裝口和監測系統，實施統一規劃、統一設計、統一建設和管理，是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”。

2.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，就按照統一規劃、設計、施工和維護，并滿足管線的使用和運營維護要求。綜合管廊就同步建設消防、供電、照明、監控與報警、通風、排水、標識等設施。

2.1系統現狀

城市綜合管廊監控與報警系統，由于依靠環境與設備監控、安全防范、通信、預警與報警子、智能巡檢及管控一體化信息平臺等多個不同功能的系統，或者由于產品提供來自不同的廠商，在數據交換中沒有一個統一的標準，因此造成接口眾多、訪問性差，容易形成一個個的“信息孤島”：

（1）傳統監控采用人工管理模式，運營管理成本高，管理水平與管理質量也無法得到有力保障：

（2）政府多頭管理、分散操作易產生各種問題；

（3）解決緊急事故發生時易相互推諉、扯皮；

（4）市政設施管理的運維監測監控能力、應急調度指揮能力、綜合業務能力很難提高；

（5）管廊監控視頻、監控數據類別不一，各系統間信息孤島導致相關部門決策困難。

2.2監控要求

管廊綜合監控與報警系統設計就包括環境與設計監控子系統、通風子系統、供電子系統、照明子系統、排水子系統、安全防防范子系統、語音通信子系統、預警與報警子系統、智能機器人巡檢系統、管理一體化信息平臺子系統等。

按照《GB50838-2015城市結合管廊工程技術規范》技術要求，管廊綜合監控管理系統應包括以下設計：

1）200m設計為一個防火分區，設置防火墻及防火門。

每個分區設計一套溫度、濕度、水位、氧氣、硫化氫和甲烷等環境參數監測與報警系統。

每個分區設計一套電子巡查管理系統。

每個分區設計一套固定式通信和無線對講系統。

每個分區沿線設置滅火器材，并配置自動滅火系統。

每個分區配置機械通風，采用就地手動、就地自動和遠程控制三種方式。

2）每個分區設置一處卸料口、自然進風口（兼人員出入口），800m設計區段檢修口（兼人員出入口）。

卸料口、檢修口、人員出入口等位置設置滅火器材。

卸料口、檢修口、人員出入口等位置設置攝像機。

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警探測裝置和聲光報警器。

3）每個分區設置一個集水坑。

設置水位在線監測。

設計水泵自動排水裝置。

4）200m及交叉路口設置管線出艙口。

管線出艙口位置設置滅火器材。

管線出艙口位置設置攝像機。

管線出艙口位置配備出入口控制裝置和入侵報警探測裝置和聲光報警器。

3.技術方案

3.1方案概述

綜合管廊監控與報警系統是一個綜合性非常強的管控系統。各系統之間由于技術體系不一，采用的標準各異，導致難以兼容互通，這不僅需要兼顧環境與設備監控、通信聯絡、信息管理等需求，而且還要兼顧災難事故預警、安全防范等方面對圖像監控的需求，同時還需要考慮報警、門禁等配套系統的集成以及與廣播系統的聯動，因此在這些系統的互聯過程中必然會出現系統異構的信息孤島問題。

要打破信息孤島的局面，復雜異構方式的監控報警系統需要解決不同廠商、不同產品的兼容和多個系統相互集成的問題，需要考慮到平臺的網絡接入和資源的開發方式，還需要立足大型聯網用戶的角度去設計，把握好互利與共享的原則。

開發的《城市綜合管廊監控與報警系統管控一體化平臺》是基于管控一體化技術成功地解決了眾多品牌相互兼容、各系統集成與融合、協議與接口標準不統一的難題，成為綜合管廊監控監控系統未來的發展方向。

根據綜合管廊行業背景，以及目前現場管理和控制應用要求，充分考慮到信息化和智能化的“工業4.0”、“物聯網”和“智慧城市”的理念與技術，結合多年于電力、軌道交通、煤礦、化工行業等所開發的管控一體化平臺的經驗，提出了本解決方案。

3.2設計原則

根據用戶現狀和需求分析，綜合管廊監控與報警系統平臺依據以下原則設計：

（1）可靠性

系統應確保管廊數據獲取、融合、傳輸等過程的可靠性。其中，感知數據是管廊各項應用的基礎和判別依據，可靠的數據獲取、融合和傳輸是保證管廊功能正常運行的基礎。

（2）可擴展性

系統應能夠動態調節，為不同網絡應用提供可擴展性，包括網絡拓撲結構可擴展、服務內容可擴展等。

網絡的靈活拓展為滿足不同時期開發的管廊之線的接入，留有設計空間和標準化的接口方式；服務內容可擴展為滿足服務方不同需求，為后期可能接入的遠程抄表、路燈智能管理等系統留有開放性的網絡接口。

（3）兼容性、開放性和易維護性

系統的軟、硬件采用模塊化、組態化設計，可以方便地進行容量的擴充和功能的維護升級。同時，系統建設基于Web、C/S結構，軟件設置開放性網絡接口，可實現將監測信息上傳至監控中心和各級主管部門、單位。

（4）安全性

監控與報警系統的安全標準要特別保護用戶的信息隱私，為各政府部門、單位提供不同安全級別的網絡應用。

2.4設計思路

2.4.1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（隱患）導致的設備安全問題，三是環境的不安全條件（隱患）誘發的環境安全問題，四是組織的不安全因素（管理漏洞）導致的管廊安全問題。

以上四大核心因素共同誘發能量的不正常傳遞，從而造成管廊事故。因此，系統必須對這四個核心因素進行管控，以實現對人的不安全行為、物的不安全狀態和環境的不安全因素等迅速、靈活、正確地理解和解決，從而實現地下管廊的本質安全。

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

（2）針對環境安全：通過多功能監測基站和智能傳感器對管廊溫度、濕度、水位、氧氣、H2S、CH4等環境要素實時監控，實現危險源管理、辨識、評估和控制，從而消除環境的不安全因素。

（3）針對設備安全：通過智能傳感器、儀表和多功能監測基站對監控設備、排水設備、通風設備、通信設備、消防設備、照明設備、電纜溫度等進行實時在線感知、報警聯動、遠程控制和指揮調度，使之始終處于安全狀態。

（4）針對管理安全：通過建立安全機制和預警管理體系，實現現場可視化、問題可視化和隱患的可視化，達到管理無失誤、指揮無失誤、操作無失誤，在此基礎上實現未雨綢繆、超前預報，防患于未然。

城市綜合管廊的建設目標是在信息化管理的基礎上，逐步實現自動化，用智慧覆蓋整個管廊運行管理的全過程，實現高效、節能、安全、環保的“管、控、營”一體化智慧型管廊。

2.4.2從物聯網的角度考慮

本系統利用先進的物聯網技術，通過感、傳、知、用四層架構，實現對地下管廊的屬性信息和狀態信息運行透徹的感知和度量，通過感知實時獲取人員、設備、環境、流程制度等在內的一切數據，實現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，管廊內所有的信息都要通過設備數據標準化傳到平臺監控中心，而監控中心的各種控制命令則要傳輸到各段管廊的各種設備上。

這些信息主要有：

（1）環境傳感器和設備傳感器的模擬量數據；

（2）人員位置信息和人員報警信息；

（3）監控攝像機的視頻信號和控制信號；

（4）風機、水泵等設備狀態信息；

（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。系統基于物聯網的標準接口，用戶可以很順利的處理來自不同設備及環境的數據，滿足末端設備擴展需求。

2.5系統流程設計

根據綜合管廊的運營復雜情況及特點，建立基于管控一體化平臺的監控系統，是實現智慧管廊的必由之路。

綜合管廊要實現系統的安全、穩定運行，又要實現對供電、消防、照明、通風、排水等系統的“集中管理”：

（1）感知層：感知來自電力、給水、通信、能源等系統的各種數據。

（2）傳輸層：由物聯網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“統一管理信息平臺”集成環境與設備監控系統、安全防范系統、通信系統、預警與報警系統、管控平臺系統五大中心模塊實現系統的分布式應用和縱向深入。

（4）應用層：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）的本專業管線運行信息、會影響到管廊本體安全或其它專業管線安全運行，因此在應用層要對四大管線單位提供通信接口，以實現信息的共享和聯動。

4.系統組成

綜合管廊監控與報警系統是一個深度集成的自動化平臺，它集成了設備和環境監控、視頻監控、安防、火災報警、語音通訊、電力監控、智能機器人巡檢與信息化管理平臺等子系統。通過集成和互聯管廊內的自動化系統，為運營和維修人員提供一個完整的、統一的監控管理平臺。

綜合管廊監控系統分為三層六系統。三層包括管理層、網絡傳輸層與現場采集控制層三部分組成。管理層是整個監控系統的核心，它聯系、協調、控制和管理各子系統的工作。傳輸層包括名道口與監控中心之間網絡通過光纖傳送，實現視頻數據、音頻數據、TCP/IP控制數據和RS-485數據的通信。現場檢測控制層主要由接入層交換機、網絡攝像頭、現場區域控制器PLC等組成。

其中PLC負責采集管廊內的檢測信號、邏輯運算分析并對根據信號對管廊內設備進行自動和手動控制。五系統包括由環境與設備監控系統、安全防范系統、通信系統、預警與報警系統、智能機器人巡檢系統和統一管理信息平臺組成。系統框圖如下圖所示：

系統建立基于物聯網的“管、控、營”一體化的智能管控系統，從數據采集、通信網絡、系統架構、智能聯動和綜合數據服務等方面的設計，解決了管廊監控與報警建設中存在著內部干擾性強、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、環境和設備的恢復效率，進而實現了監控中心應用“一個平臺，三層結構，六大系統”即能對管廊內部設備的遠程管理與聯動控制。