浅谈城市地下综合管廊运维管理平台的设计

摘要： 城市地下综合管廊承担着城市信息传递、能源输送、排涝减灾、废物排弃的功能，是生存和发展的基础设施，是确保社会经济和城市建设健康、协调和可持续发展的重要保障。本就目综合管廊的管理和运维存在的问题，拟为某项目建设“维护和管理地下综合管廊数据的智慧化管理平台”。此平台可提供专业、强大的数据录入、编辑、管理、分析、维护的功能，方便管理人员及时掌握现状，可为管理者提供全生命周期的运维手段。

关键词： 综合管廊; 智慧化管理; 计算机技术

0 、引言

       综合管廊工程是美化城市环境、节约土地资源、促进城市体化快速发展、提高城市经济发展的设施。相对于传统的地下管线建设及管理工作，管廊运维存在多种管线入廊、设备种类繁多、地下环境及内部空间复杂、控制系统繁多等特点，这些都给管廊建设及后期维护管理工作带来运维成本高、管理工作分散、安全管理难度大等问题。目大多数管廊运管中心体化平台建设，基本都能完成多系统的统接入，其中包括环境、消防、视频、对讲、巡查等，但是各个系统独立，未能实现应用联动，导致运管中心所需操作人员多、所需学习操作系统多，培训成本高的同时系统应用调用繁琐复杂.

       因此，运维管理平台的建设需要利用成熟的计算机技术、地理信息系统技术、定位技术、通讯技术，结合物联网、大数据等技术，对综合管廊的进行的智慧化管理，实现对综合管廊的实时监控、动态管理，为综合管廊运维工作提供完整、准确的信息支撑。

1、系统总体设计方案

        管廊内风机、水泵、环境监测传感器、设备监控传感器等设备接入配控间的PLC 中，使用工业环网交换机组成数据环网， 其中工业环网交换机与管廊内配控间PLC 相连，通过环网接入到主控室核心交换机，与上位机进行通讯，用于采集配控间PLC设备中的数据，进行储存和转发给管廊监控运维管理软件平台。其中，火灾自动报警子系统、安防监控系统、防爆手机直接通过各自的专用网络接入管廊监控运维管理软件平台，所有系统由平台进行统监测、控制、分析和管理。系统总体框架如图1所示。

图1 方案系统架构图

2、管廊监控运维管理软件平台

        系统的设计与开发都要从整体和系统的角度考虑其角色和作用，有效地利用三维引擎技术、BIM 技术、物联网技术、数据库技术等，实现项目基本信息与空间数据的结合，建成信息共享、集成的、综合的管廊管理信息化作业管理平台。系统的设计框架基于三层体系结构,感知传输层、数据层、应用层。这种体系结构无论从平台的角度还是从开发的方面，均是个结构灵活、便于调整的应用体系。而对整个系统的业务逻辑和数据访问、共享等通过组件层进行封装，各个应用可以基于组件迅速搭建。系统框架见图2。

图2 软件系统架构图

       服务应用层: 应用层为各业务模块系统，为整体管廊的运维运营工作提供应用服务支撑。其中Web 应用采用响应式端框架进行开发，因此可适用于PC、Pad、手机等不同设备。

       服务接口层: 通过业务服务接口向上为应用，如可视化监控系统、决策分析、运营中心、运维中心、运行监控、巡检APP、决策APP 等提供接口支撑，并通过数据交换接口为智慧城市平台以及各管线单位提供数据共享与交换服务。

       融合层: 将业务数据与空间数据进行深度融合处理，其中业务融合引擎将各子系统的业务进行融合处理，数据融合引擎将各子系统的数据进行融合处理，可视化融合引擎将空间数据与业务数据进行融合处理。

        数据层: 采用高速数据缓存和关系型数据库对各子系统数据进行采集和存储，其中业务数据为各子系统中需要进行融合处理的业务型数据，空间数据主要包括BIM 数据和GIS 数据。

       现场接口层: 通过标准化的接口向下连接现场子系统。其中，标准数据接口服务可接收来自子系统的标准化数据，事件接口服务可接收来自子系统的事件告警数据，现场控制接口可对现场设备进行远程控制。

3、管廊控制中心硬件系统

       综合管廊管理系统以数据库系统和SCADA 系统为基础进行建设，SCADA 系统是管理系统的端，数据库系统作为后台为分析管理提供数据支撑。管理系统将各地分散的数据集中汇总，实现了数据采集、存储、展示、报警预警、智能联动等综合监控和运营维护功能。系统功能架构见图3。

图3 功能架构图

（1） 数据采集: 搭建统的信息平台，采集汇总环境和设备监控、电力监控、安防监控、有线通讯和火灾自动报警等子系统数据。部署的监控软件支持不同生产商制造的硬件设备，可实现稳定、可靠的通讯，同时支持特殊设备、系统通讯接口的开发。

（2） 数据存储: 工业数据库对各子系统数据进行高性能的压缩和存储，对海量的基础运行数据进行统计和分析，为科学管理决策提供支持。

（3） 环境与设备监控: 将防火分区和I /O 站作为监控单元，绘制管廊3D 效果图，动画模拟每个防火分区设备运行状况。将从各个子系统实时采集的数据进行可视化展示，结合防火分区的视频监控，让值班人员能够直观地查看系统运行信息，及时发现存在的问题，提高对整个管廊维护管理的效率。

（4）数据汇总: 通过数据列表的方式实时对各防火分区和I /O 站重点监测数据进行展示，值班人员可随时查看系统重要监测信息列表，并可将当时刻监测信息列表保存为电子文档或直接打印，从而实现实时数据的保存。

（5） 安防入侵: 作为防盗报警入侵系统，可防止非法入侵或禁止未授权进入。每个防火分区入孔处均设有红外报警探头，I /O 站设红外报警探头。报警系统布防后，若有人进入管廊、I /O 站，则触发报警，以便管理人员及时获知报警信息，并通知现场巡查人员及时处理。

（6）消防报警: 消防系统主要探测管廊内有无火灾发生，并形成报警信息。以单个防火分区为例，每个防火分区内设有多个手报、感温电缆、个声光报警器( 警铃) 。感温电缆用于自动探测管廊内电力电缆的温度，在温度过高或发生火灾时，形成报警信息传送给消防主机。当巡查人员发现火灾警情时，可按下手报将报警信息传送给报警主机。

（7） 人员定位: 当管廊内管线发生紧急事件时，利用廊内实时高精度定位设备，能准确判断故障点位置，便于对其进行及时抢修及制定解决方案。通过定位标签与定位终端的集成，根据标签标识输入人员信息，实现数据共享; 当人员进入定位区域，定位标签通过定位基站将实时定位数据传回后台服务中心，后台服务中心通过化的高精度定位算法，解算出设备和人员的实时位置信息及运动轨迹，并将位置信息在室内地图上显示。

（8） 巡查管理: 结合地图查看巡查路线，并可对巡查路线进行设置和更改。通过通讯系统可实时对巡查人员下达指令，调取历史数据分析可以对巡查人员进行考核，判断其工作质量。

（9）无线通讯系统: 该系统能实现廊下无线网络覆盖，为智慧管廊建设、无线可视对讲、数据传输提供硬件基础。网络通信服务将提供管廊内Wi-Fi网络模块，实现管廊内无线局域网信号的均匀分布，便于移动巡检、移动办公业务的顺利开展。无线网络覆盖系统主要由无线AP、无线AC、工业环网交换机、工业POE 交换机以及电源、机柜等组成。无线通信系统与人员定位系统相结合，组成基于“智慧线”安防通信体化系统。

智能手机可就近接入到智慧线，通过专用信道实现全双工的语音通信，保证通信质量，同时不占用数据业务宽带。系统采用多点服务的移动性管理策略，实现手机的全网无缝漫游，形成语音通信“专网”，系统可对智能手机实现定位。

（10）电子井盖: 显示井盖基本信息和状态，并进行井盖资产管理，异常状态可进行报警，提醒相关人员处理。

（11）视频监控: 在各防火分区、I /O 站、监控中心都安装有视频摄像机，系统可嵌入视频监控信息，可选择查看对应区域的视频监控，并可对摄像机云台进行控制。当系统发生报警时，根据报警类型和报警级别自动弹出对应区域视频监控，方便值班人员及时对报警进行确认和处理。

（12） 智能联动: 当系统发生报警时，系统自动判断发生报警的类型和位置，对报警级别较高的报警信息，根据预定预案进行视频联动和相应的联动控制。

4、安科瑞产品在综合管廊智能化监控管理系统的应用

4.1火灾报警系统

       火灾报警系统在整个管廊智能化系统监控中也具有重要性建设应用意义，要想保障整个系统应用的监控管理能力提升，就应该在系统应用中，及时将系统应用内的火灾警报监督控制管理工作化。火灾自动报警系统包括:火灾自动报警系统、防火门监控系统、电气火灾监控系统。

电气火灾监控系统（管廊地下部分）产品选型

       Acrel-6000电气火灾监控系统由Acrel-6000系列监控设备、ARCM200BL、ARCM200L系列监控探测器和配套附件组成。系统各设备之间均采用RS485总线进行连接，施工布线简单方便。

Acrel-6000/B1电气火灾监控设备简介

 电气火灾监控系统组网

注：地下管廊使用的动力箱/柜符合管廊相关标准，防护等级达IP65

防火门监控系统（管廊地下部分）产品选型

   AFRD100/B防火门监控器能够通过二总线与多个防火门监控模块相连，构成集散式防火门监控系统。监控器能实时接收处理各路监控设备发送的断路、短路、故障信号，同时在液晶屏幕上显示，当断路、短路及通讯故障发生时，监控器能发出声光故障信号，在屏幕上显示故障位置及故障类型，并具有数据存储、查询和报警信号控制输出等功能，还具备对监控模块的远程复位功能。

防火门监控系统组网

4.2 环境及设备监控系统

在综合管廊智能化建设管理中，为了将整体的智能化管廊建设工作开展性能提升，需要在管廊建设中，对其对应区域内的设备运行以及对应的环境监测工作开展进行分析，并且在分析中，按照具体的管廊建设处理中的设备控制进行科学的系统监控规划。该部分环境监控系统的实施中，系统对应的环境及设备监控共分为以下几点：是环境监测设备；二是排水设备；三是通风设备；四是照明设备，只有将对应的环境监测设备和监控系统运行系统建设好，才能保障在系统的监控运行中，将整个系统应用的监督控制管理能力发挥出来。

针对排水设备、通风设备等监测设备的运行状态，可以配套使用安科瑞消防设备电源监控系统及传感器。选型如下：

消防电源监控系统主要实现的监控功能：

1. 监控器通过接收多台传感器的电压、电流信息和开关状态信息，以此实现对消防设备电源工作状态的实时监视；

2. 当被监测回路报警时，可控制输出继电器闭合，用于控制被保护电路或其他设备，当故障消除后，控制输出继电器释放；

3. 系统故障报警：程序不能正常运行时，监控设备发出声光报警信号，同时面板上的“系统”故障指示灯亮；

4. 当发生过压、欠压、错相、过流故障报警或通讯、电源故障时，系统将故障报警部位、故障信息、故障报警时间等信息存储在数据库中，当故障报警解除、排除故障时，同样予以记录。

消防电源监控系统组网

4.3 管廊风机、水泵等稳定运行-电动机保护器

管廊运行时，廊内风机、水泵、环境监测传感器、设备监控传感器等设备接入配控间的PLC 中，使用工业环网交换机组成数据环网，其中工业环网交换机与管廊内配控间PLC 相连，通过环网接入到主控室核心交换机，与上位机进行通讯，用于采集配控间PLC设备中的数据，进行储存和转发给管廊监控运维管理软件平台。

其中风机、水泵的运行监控可加装安科瑞电动机保护器，以下为产品选型方案：

ALP300 保护器，采用新的单片机技术，具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的起动超时、过压、欠压、过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、阻塞、短路、外部故障等多种情况进行保护，现场维护人员可通过数码管显示屏快速查找故障原因。本保护器具有 RS485 远程通讯接口，DC4～20mA 模拟量输出，方便与 PLC、PC 等控制机组成网络系统，实现电动机运行的远程监控。

功能特点：

过载/欠载保护

接地/漏电保护

断相保护

堵转保护

阻塞保护

电流不平衡保护

过压/欠压保护

定时限过载保护

外部故障保护

       ARD2F 系列智能电动机保护器（以下简称保护器）能对电动机运行过程中出现的多种故障情况进行保护，并设有 SOE 故障事件记录功能，方便现场维护人员查找故障原因。本保护器具有 RS485 远程通讯接口，DC4～20mA 模拟量 输出，方便与 PLC、PC 等控制机组成网络系统。实现电动机运行的远程监控。

功能特点:

       保护参数：过载保护；启动保护；欠载保护；断相保护；相序保护；不平衡保护；接地/漏电保护；短路保护；过压保护；欠压保护；堵转保护；欠功率保护；过功率保护；阻塞保护；温度保护；外部故障保护；

       控制参数：控制权限；启动控制；自启动；失压重启动；回流检测；DO3可编程设定；DO4可编程设定；DI9可编程设定；9TEST

ARD3T 智能型电动机保护器（以下简称 ARD3T），ARD3T 可划分为主体模块、测量模块、开关量模块、模拟量模块、温度模块、通讯模块、液晶模块共 7 个模块。产品体积小巧，结构紧凑，适用于额定电压至 AC 660V、额 定电流至 AC 800A、额定频率为 50/60Hz 的电动机。在低压控制终端柜和 1/4 模数及以上各种抽屉柜中可直接安 装使用，提高了控制回路的可靠性和自动化水平.

功能特点：

辅助电源支持 AC/DC 110/220V 或 AC 380V（需另配 380V 电源模块） 

模块式设计，分为主体模块、测量模块、开关量模块、模拟量模块、温度模块、通讯模块、液晶模块等 7 个模块。 

模块体积小巧，支持导轨安装、螺丝固定安装。 

附加模块采用总线供电，不需要外接辅助电源。 

带有上位机配置软件，方便客户配置参数，编程设置。 

DI/DO 可自由编程。 

DI 支持干接点（弱电）或湿节点（强电）输入，湿接点可选交流或直流供电。 

标配过载、堵转、阻塞、欠载、断相、不平衡、PTC 保护、外部故障等电动机综合保护功能。 

标配保护模块模式、直接起动、星三角起动、自耦降压起动、双向起动、单绕组双速起动、双绕组双速起动 等多种起动方式，起动方式可现场设定。 

标配故障记录、运行管理信息，方便查询故障原因，进行电机维护。 

标配自起动功能，可通过附加抗晃电模块实现抗晃电、失压重起功能。 

显示部分采用全中文液晶显示。 

可通过添加模拟量模块实现 2 路 4～20mA 输入测量和 2 路 4～20mA 变送输出。4～20mA 变送输出对应参数可 自由设定。 

可通过添加温度模块实现 3 路温度测量保护，可外接传感器类型有：PT100、PT1000、Cu50、PTC、NTC。 

可通过添加 Profibus 模块实现 Profibus-Dp 通讯。

       ARD3M 智能电动机保护器（以下简称保护器）适用于额定电压至 660V 的低压电动机回路，集保护、测量、控制、通讯、运维于体。其完善的保护功能确保电动机安全运行，带有逻辑可编程功能，可以满足多种控制方式。可选配不同通讯模块适应现场通讯需求。

功能特点：

辅助电源类型可选，AC220V 电源模块支持电源范围 AC85-265V/DC100-300V，AC380V 电源模块支持电源范围 AC/DC100-415V。 

支持基波和全波电力参数测量（U、I、P、Q、S、PF、F、EP、EQ），电压及电流不平衡度，电压、电流正序、负序、零序分量，三相电压相角，剩余电流，电压、电流 2-63 次分次谐波测量，分次谐波含有率及总谐波畸变率。

保护功能包括过载反时限、过载定时限、接地、起动超时、漏电、欠载、断相、堵转、阻塞、短路、溢出、不平衡(电流、电压)、过功率、欠功率、过压、欠压、相序、温度、tE时间、外部故障、起动次数限制、运行时间报警、故障次数报警。

10 路可编程 DI 输入，默认采用内置 DC24V 电源，也可选择外部有源湿接点（详见选型表格）。 

6 路可编程 DO 输出，满足直接起动，星—三角起动，自耦变压器起动，等多种起动方式，可通过通讯总线实现主站对电动机的遥控“起/停”。 

可选抗晃电功能：支持晃电立即再启动、失压重起动。 

标配 2 路 MODBUS_RTU 通讯，有 PROFIBUS DPV1、以太网、PROFINET 通讯模块供选配。 

可选配 2 路 DC4-20mA 模拟量输出接口，与 DCS 系统相接，可实现对现场设备的监控。 

具有故障记录、起动记录、停车记录、DI 变位记录和再起动记录等各类事件记录，可查看多项电机运维信息，同时可记录电机运行 1-5 小时运行记录。

显示界面支持中/英文液晶显示。 

支持 U 盘导出波形记录与事件记录数据，可使用 EXCEL 打开导出事件记录文件。

选配彩色液晶显示时可加配 WIFI 功能，通过手机或电脑连接该 WIFI 查看、设置电机保护器相关数据. 

5、结束语

       为保障城市地下综合管廊安全、可靠运行，构建可以提高综合管廊运营维护水平并能提升应急处理能力的智慧化管理平台十分必要。本文主要介绍了管廊监控运维管理平台的总体技术方案、运维管理平台的软件系统架构以及平台的软硬件的系统功能，平台基于BIM 技术，结合计算机、三维可视化、通信等多种的技术手段，可开展高效、、合理、实用的综合管廊信息化管理建设。