智慧管廊监控与报警管控一体化系统解决方案

1.概述

1.1行业背景
随着城市经济的快速发展，综合管线建设规模不足、管理水平不高等问题凸现，一些城市相继发生大雨内涝、管线泄漏爆炸、路面塌陷等事件，严重影响着生命、财产安全和城市运行秩序。

面对当前现状及存在的问题，中央适时出台《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》【国发（2013）36号】文件：在全国36个大中城市全面启动地下综合管廊试点工程；中小城市因地制宜建设一批综合管廊项目。新建道路、城市新区和各类园区地下管网应按照综合管廊模式进行开发建设。

国办发（2015）61号《国务院办公厅关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》中对管廊建设做了统筹规划。《指导意见》指出管廊配套系统就有智能化管理水平，满足运营维护需要。需在GB50838-2015《城市综合管廊工程技术规范》中，则具体规定了该系统的建设要求。

1.2城市综合管廊简介
综合管廊就是地下城市管道综合走廊。即在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通讯，燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。

2.需求分析
综合管廊可纳入给水、雨水、污水、再生水、天然气、热力、电力、通信等城市工程管线，就按照统一规划、设计、施工和维护，并满足管线的使用和运营维护要求。综合管廊就同步建设消防、供电、照明、监控与报警、通风、排水、标识等设施。

2.1系统现状
城市综合管廊监控与报警系统，由于依靠环境与设备监控、安全防范、通信、预警与报警子、智能巡检及管控一体化信息平台等多个不同功能的系统，或者由于产品提供来自不同的厂商，在数据交换中没有一个统一的标准，因此造成接口众多、访问性差，容易形成一个个的“信息孤岛”：

（1）传统监控采用人工管理模式，运营管理成本高，管理水平与管理质量也无法得到有力保障：
（2）政府多头管理、分散操作易产生各种问题；
（3）解决紧急事故发生时易相互推诿、扯皮；
（4）市政设施管理的运维监测监控能力、应急调度指挥能力、综合业务能力很难提高；
（5）管廊监控视频、监控数据类别不一，各系统间信息孤岛导致相关部门决策困难。

2.2监控要求
管廊综合监控与报警系统设计就包括环境与设计监控子系统、通风子系统、供电子系统、照明子系统、排水子系统、安全防防范子系统、语音通信子系统、预警与报警子系统、智能机器人巡检系统、管理一体化信息平台子系统等。
按照《GB50838-2015城市结合管廊工程技术规范》技术要求，管廊综合监控管理系统应包括以下设计：

1）200m设计为一个防火分区，设置防火墙及防火门。
每个分区设计一套温度、湿度、水位、氧气、硫化氢和甲烷等环境参数监测与报警系统。
每个分区设计一套电子巡查管理系统。
每个分区设计一套固定式通信和无线对讲系统。
每个分区沿线设置灭火器材，并配置自动灭火系统。
每个分区配置机械通风，采用就地手动、就地自动和远程控制三种方式。

2）每个分区设置一处卸料口、自然进风口（兼人员出入口），800m设计区段检修口（兼人员出入口）。
卸料口、检修口、人员出入口等位置设置灭火器材。
卸料口、检修口、人员出入口等位置设置摄像机。
卸料口、检修口、人员出入口等位置配备出入口控制装置和入侵报警探测装置和声光报警器。

3）每个分区设置一个集水坑。
设置水位在线监测。
设计水泵自动排水装置。

4）200m及交叉路口设置管线出舱口。
管线出舱口位置设置灭火器材。
管线出舱口位置设置摄像机。
管线出舱口位置配备出入口控制装置和入侵报警探测装置和声光报警器。

3.技术方案
3.1方案概述
综合管廊监控与报警系统是一个综合性非常强的管控系统。各系统之间由于技术体系不一，采用的标准各异，导致难以兼容互通，这不仅需要兼顾环境与设备监控、通信联络、信息管理等需求，而且还要兼顾灾难事故预警、安全防范等方面对图像监控的需求，同时还需要考虑报警、门禁等配套系统的集成以及与广播系统的联动，因此在这些系统的互联过程中必然会出现系统异构的信息孤岛问题。

要打破信息孤岛的局面，复杂异构方式的监控报警系统需要解决不同厂商、不同产品的兼容和多个系统相互集成的问题，需要考虑到平台的网络接入和资源的开发方式，还需要立足大型联网用户的角度去设计，把握好互利与共享的原则。

开发的《城市综合管廊监控与报警系统管控一体化平台》是基于管控一体化技术成功地解决了众多品牌相互兼容、各系统集成与融合、协议与接口标准不统一的难题，成为综合管廊监控监控系统未来的发展方向。

根据综合管廊行业背景，以及目前现场管理和控制应用要求，充分考虑到信息化和智能化的“工业4.0”、“物联网”和“智慧城市”的理念与技术，结合多年于电力、轨道交通、煤矿、化工行业等所开发的管控一体化平台的经验，提出了本解决方案。

3.2设计原则
根据用户现状和需求分析，综合管廊监控与报警系统平台依据以下原则设计：
（1）可靠性
系统应确保管廊数据获取、融合、传输等过程的可靠性。其中，感知数据是管廊各项应用的基础和判别依据，可靠的数据获取、融合和传输是保证管廊功能正常运行的基础。

（2）可扩展性
系统应能够动态调节，为不同网络应用提供可扩展性，包括网络拓扑结构可扩展、服务内容可扩展等。

网络的灵活拓展为满足不同时期开发的管廊之线的接入，留有设计空间和标准化的接口方式；服务内容可扩展为满足服务方不同需求，为后期可能接入的远程抄表、路灯智能管理等系统留有开放性的网络接口。

（3）兼容性、开放性和易维护性
系统的软、硬件采用模块化、组态化设计，可以方便地进行容量的扩充和功能的维护升级。同时，系统建设基于Web、C/S结构，软件设置开放性网络接口，可实现将监测信息上传至监控中心和各级主管部门、单位。

（4）安全性
监控与报警系统的安全标准要特别保护用户的信息隐私，为各政府部门、单位提供不同安全级别的网络应用。

2.4设计思路
2.4.1从安全的角度考虑
目前，综合管廊主要存在以下四大问题：
一是人的不安全行为（违章）造成的人员安全问题，二是物的不安全状态（隐患）导致的设备安全问题，三是环境的不安全条件（隐患）诱发的环境安全问题，四是组织的不安全因素（管理漏洞）导致的管廊安全问题。

以上四大核心因素共同诱发能量的不正常传递，从而造成管廊事故。因此，系统必须对这四个核心因素进行管控，以实现对人的不安全行为、物的不安全状态和环境的不安全因素等迅速、灵活、正确地理解和解决，从而实现地下管廊的本质安全。

（1）针对人员安全：通过人员定位、门禁系统、便携式巡检仪、人员探测计数器等管控人的不安全行为，使巡检人员达到可视化管理、无关人员实现防范入侵管理。以及可以使用智能机器人巡检系统，来完成目前人工巡检的一些任务，更能保证人员安全。

（2）针对环境安全：通过多功能监测基站和智能传感器对管廊温度、湿度、水位、氧气、H2S、CH4等环境要素实时监控，实现危险源管理、辨识、评估和控制，从而消除环境的不安全因素。

（3）针对设备安全：通过智能传感器、仪表和多功能监测基站对监控设备、排水设备、通风设备、通信设备、消防设备、照明设备、电缆温度等进行实时在线感知、报警联动、远程控制和指挥调度，使之始终处于安全状态。

（4）针对管理安全：通过建立安全机制和预警管理体系，实现现场可视化、问题可视化和隐患的可视化，达到管理无失误、指挥无失误、操作无失误，在此基础上实现未雨绸缪、超前预报，防患于未然。

城市综合管廊的建设目标是在信息化管理的基础上，逐步实现自动化，用智慧覆盖整个管廊运行管理的全过程，实现高效、节能、安全、环保的“管、控、营”一体化智慧型管廊。
2.4.2从物联网的角度考虑
本系统利用先进的物联网技术，通过感、传、知、用四层架构，实现对地下管廊的属性信息和状态信息运行透彻的感知和度量，通过感知实时获取人员、设备、环境、流程制度等在内的一切数据，实现地下管廊管理的可视化，提高管廊安全性和用户满意度。

从上图可以看出，管廊内所有的信息都要通过设备数据标准化传到平台监控中心，而监控中心的各种控制命令则要传输到各段管廊的各种设备上。

这些信息主要有：
（1）环境传感器和设备传感器的模拟量数据；
（2）人员位置信息和人员报警信息；
（3）监控摄像机的视频信号和控制信号；
（4）风机、水泵等设备状态信息；
（5）IP电话的语音信息和无线对讲信息；
（6）管廊的各种属性信息和状态信息；
（7）管理指令和流程信息等。

采用基于管控一体化整体解决方案来化解以上所有问题。系统基于物联网的标准接口，用户可以很顺利的处理来自不同设备及环境的数据，满足末端设备扩展需求。

2.5系统流程设计
根据综合管廊的运营复杂情况及特点，建立基于管控一体化平台的监控系统，是实现智慧管廊的必由之路。

综合管廊要实现系统的安全、稳定运行，又要实现对供电、消防、照明、通风、排水等系统的“集中管理”：
（1）感知层：感知来自电力、给水、通信、能源等系统的各种数据。
（2）传输层：由物联网多功能基站提供无线、有线通信等可靠传输。

（3）处理层：通过一个“统一管理信息平台”集成环境与设备监控系统、安全防范系统、通信系统、预警与报警系统、管控平台系统五大中心模块实现系统的分布式应用和纵向深入。
（4）应用层：由于政府管理部门和四大管线单位（自来水、电力、煤气和通信）的本专业管线运行信息、会影响到管廊本体安全或其它专业管线安全运行，因此在应用层要对四大管线单位提供通信接口，以实现信息的共享和联动。

4.系统组成
综合管廊监控与报警系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了设备和环境监控、视频监控、安防、火灾报警、语音通讯、电力监控、智能机器人巡检与信息化管理平台等子系统。通过集成和互联管廊内的自动化系统，为运营和维修人员提供一个完整的、统一的监控管理平台。

综合管廊监控系统分为三层六系统。三层包括管理层、网络传输层与现场采集控制层三部分组成。管理层是整个监控系统的核心，它联系、协调、控制和管理各子系统的工作。传输层包括名道口与监控中心之间网络通过光纤传送，实现视频数据、音频数据、TCP/IP控制数据和RS-485数据的通信。现场检测控制层主要由接入层交换机、网络摄像头、现场区域控制器PLC等组成。

其中PLC负责采集管廊内的检测信号、逻辑运算分析并对根据信号对管廊内设备进行自动和手动控制。五系统包括由环境与设备监控系统、安全防范系统、通信系统、预警与报警系统、智能机器人巡检系统和统一管理信息平台组成。系统框图如下图所示：

系统建立基于物联网的“管、控、营”一体化的智能管控系统，从数据采集、通信网络、系统架构、智能联动和综合数据服务等方面的设计，解决了管廊监控与报警建设中存在着内部干扰性强、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、环境和设备的恢复效率，进而实现了监控中心应用“一个平台，三层结构，六大系统”即能对管廊内部设备的远程管理与联动控制。