基于多源數(shù)據(jù)集成的城市地下管廊運維與智慧管控設(shè)計

1、引言

          1833年，市政管線綜合管廊在巴黎城市地下建成至今，經(jīng)過百年來的探索、研究、改良和實踐，法國、英國、德國、俄羅斯、日本、美國等發(fā)達的管廊規(guī)劃建設(shè)與安全運維體系已經(jīng)日臻完善，截止目前，國外已建成各類管廊5000 km以上。相關(guān)研究主要集中在管廊類型與體系、規(guī)劃設(shè)計技術(shù)標(biāo)準；管廊本體結(jié)構(gòu)在地震、水害等災(zāi)害荷載作用下的成災(zāi)機理和抗災(zāi)技術(shù)；智能化管理系統(tǒng)對內(nèi)部管線設(shè)備、廊內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)測等方面。面向智能感知、數(shù)據(jù)集成、運營管理與決策分析的管廊安全運營與智慧管控研究建設(shè)基本處于空白。當(dāng)前，我國正處于管廊大規(guī)模建設(shè)發(fā)展階段，相繼出臺相關(guān)政策、標(biāo)準、指南，進一步規(guī)范和推進管廊的建設(shè)和發(fā)展。截止2017年，全國已累計開工建設(shè)管廊近5000 km，共開展了兩批示范城市建設(shè)。但在科研上，面向地下管廊系統(tǒng)研究基本處于初級階段，大部分集中于工程設(shè)計和施工、環(huán)境監(jiān)測、管廊本體監(jiān)測等，但是基于數(shù)據(jù)融合的城市即便實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測或管廊本體監(jiān)測只是對單一安全問題的簡單監(jiān)測。預(yù)計“十三五"期末，全國將有6000 km以上的綜合管廊投入運營，這種敷設(shè)了維持城市正常運行的各類市政管線，致災(zāi)環(huán)境復(fù)雜，破壞損失巨大的城市“生命線"工程，將帶來一系列公共安全新需求、新問題，對其進行系統(tǒng)研究非常緊迫和必要，其中面向多源數(shù)據(jù)集成的城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控研究就是其中的重要課題之一。

   關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)集成 數(shù)據(jù)融合 地下管廊 安全運營 智慧管控

2、面向多源數(shù)據(jù)集成的總體架構(gòu)設(shè)計

   城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控主要圍繞感知、傳輸、數(shù)據(jù)、平臺與應(yīng)用以及展現(xiàn)等層面的關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用，本文針對其涵蓋內(nèi)容進行了分層架構(gòu)研究，如圖1所示將其分為三層，其中感知與傳輸為第一層，即前端；數(shù)據(jù)與平臺為第二層，即支撐；應(yīng)用與展現(xiàn)為第三層，即服務(wù)。

圖1 面向多源數(shù)據(jù)集成的城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控整體架構(gòu)

   第一層：感知與傳輸層，主要負責(zé)安全運營與智慧管控的前端監(jiān)控數(shù)據(jù)采集與傳輸，包括環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、管廊本體監(jiān)控、融合通信、人員設(shè)備定位、安全防范（入侵探測）以及監(jiān)控預(yù)警等智能傳感與傳輸裝置，為“安全監(jiān)管、集成融合、智能聯(lián)動"服務(wù)做鋪墊。

   第二層：數(shù)據(jù)與平臺層，主要負責(zé)安全運營與智慧管控的數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)以及平臺支撐，基于“統(tǒng)一規(guī)劃、集約建設(shè)"的數(shù)據(jù)體系提供綜合管廊各類數(shù)據(jù)、信息的集中存儲、管理、分析與共享服務(wù)，為各類智慧應(yīng)用提供完整的、有效的數(shù)據(jù)支撐，并通過“統(tǒng)一接口"為提供數(shù)據(jù)資源、地理信息和協(xié)同管理等方面的支撐技術(shù)服務(wù)。

   第三層：應(yīng)用與展現(xiàn)層，從“安全服務(wù)、智能運維、應(yīng)急指揮"3個方面做到安全運營與智慧管控服務(wù)，以大屏幕顯示、PC機、移動終端、虛擬現(xiàn)實等各種展現(xiàn)形式提供給客戶，做到“用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)服務(wù)"。

3、安全運營與智慧管控關(guān)鍵技術(shù)研究

   城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控的核心在于數(shù)據(jù)與應(yīng)用。數(shù)據(jù)是管廊安全運營與智慧管控服務(wù)的關(guān)鍵信息，也是地下管廊運營企業(yè)的核心資產(chǎn)，如果不對數(shù)據(jù)生命周期全過程加以管治與融合分析，將可能帶來數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)決策與成本效率等問題，為此數(shù)據(jù)集成、融合與聯(lián)動十分關(guān)鍵。同時，城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控體系以及城市地下管廊安全運營突發(fā)事件應(yīng)急處置等關(guān)鍵問題是城市地下綜合管廊安全防控的核心要素。

3.1面向時空信息的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、聯(lián)動與融合構(gòu)架模型

   城市地下綜合管廊的數(shù)據(jù)是典型的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源不同，有環(huán)境監(jiān)控實時數(shù)據(jù)，有視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，有管廊本體數(shù)據(jù)，還有管廊及其設(shè)備人員空間位置數(shù)據(jù)以及應(yīng)急預(yù)案文本數(shù)據(jù)等，為此多源數(shù)據(jù)集成、聯(lián)動與融合是管廊安全運營與智能化管控的核心。本文采用數(shù)據(jù)標(biāo)準集成、基于位置服務(wù)與時間節(jié)點聯(lián)動、面向業(yè)務(wù)模型實現(xiàn)應(yīng)用融合的思路構(gòu)架模型，如圖2所示。

圖2面向時空信息的多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)集成、聯(lián)動與融合構(gòu)架

         1）數(shù)據(jù)資源上，包括環(huán)境設(shè)備監(jiān)測、人員設(shè)備定位、融合通信、管廊本體監(jiān)測、視頻監(jiān)控等感知數(shù)據(jù)，同時還有管廊、管線等空間數(shù)據(jù)及設(shè)備、管線等屬性數(shù)據(jù)（如設(shè)備廠家、管線材質(zhì)等）。為了保證應(yīng)用的數(shù)據(jù)分析和利用需求，統(tǒng)一制定相應(yīng)數(shù)據(jù)編碼標(biāo)準和數(shù)據(jù)接口標(biāo)準來規(guī)范數(shù)據(jù)體系建設(shè)。

         2）信息關(guān)聯(lián)上，基于位置服務(wù)與時間節(jié)點構(gòu)建時空數(shù)據(jù)模型，面向業(yè)務(wù)應(yīng)用可隨時聯(lián)動。

         3）融合分析上，面向業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)構(gòu)建時空融合分析模型，比如智能運營、應(yīng)急聯(lián)動、監(jiān)控預(yù)警與健康分析等時空動態(tài)業(yè)務(wù)模型。以應(yīng)急聯(lián)動為例，其應(yīng)用來自時間數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)（應(yīng)急預(yù)案）等多種類型數(shù)據(jù)，通過基于元數(shù)據(jù)分析的多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)融合方法及技術(shù)構(gòu)建有效融合模型，保證數(shù)據(jù)的動態(tài)性、完整性、安全性和一致性，進而完成信息資源的高效儲存和無縫流轉(zhuǎn)，為多源異構(gòu)時空數(shù)據(jù)的集成提供應(yīng)用解決方案。

3.2地下綜合管廊安全運營與智慧管控體系

   城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控主要集成環(huán)境監(jiān)控、管廊本體監(jiān)控、人員設(shè)備定位、入侵探測安全防范等，構(gòu)建環(huán)境、設(shè)施、設(shè)備與結(jié)構(gòu)安全體系，最終基于3DGIS+BIM+全景的管廊安全監(jiān)測監(jiān)控綜合集成、聯(lián)動報警與控制，并基于ITSS的綜合管廊智能運維與服務(wù)，建立運維、成本與管理等服務(wù)的地下管廊綜合評價指標(biāo)體系，考核管廊安全健康狀況、運維服務(wù)情況以及成本與管理情況，構(gòu)建城市地下綜合管廊安全運運行指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3地下綜合管廊安全運營與智慧管控指標(biāo)體系

3.3基于GIS的管廊運營隱患預(yù)警與突發(fā)事件應(yīng)急聯(lián)動處置技術(shù)

   城市地下綜合管廊安全運營主要是面向環(huán)境、設(shè)施、設(shè)備與結(jié)構(gòu)安全的實時監(jiān)控以及異常信息預(yù)警預(yù)防與突發(fā)事件的應(yīng)急聯(lián)動處置，處置流程如圖4所示。①預(yù)警信息主要包括：氣象、地質(zhì)災(zāi)害等自然災(zāi)害的預(yù)報信息，管廊環(huán)境、設(shè)備以及入廊管線實時監(jiān)測的異常信息，人工巡檢發(fā)現(xiàn)的異常信息。預(yù)警信息在進行核實、篩選后，基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)進行評估、分析，根據(jù)可能對綜合管廊本身、各管線造成影響的危害程度和影響范圍，對事件等級進行劃分，并提出應(yīng)對方案和建議。②基于GIS的應(yīng)急指揮空間應(yīng)用、應(yīng)急資源優(yōu)化與聯(lián)動控制：應(yīng)急處置過程中，基于GIS形式集中展示各種信息，如管廊環(huán)境、設(shè)備以及入廊管線實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場視頻，實時氣象信息，實時交通信息，應(yīng)急資源和隊伍分布，應(yīng)急隊伍實時位置信息等，進行態(tài)勢標(biāo)繪，并根據(jù)應(yīng)急預(yù)案進行聯(lián)動處置。

圖4管廊運營隱患預(yù)警與突發(fā)事件應(yīng)急聯(lián)動處置流程

4、應(yīng)用實現(xiàn)及其規(guī)范

   在數(shù)據(jù)融合、安全運營與智慧管控體系以及管廊運營隱患預(yù)警與突發(fā)事件應(yīng)急聯(lián)動處置等關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，以“安全服務(wù)、智能運維、應(yīng)急指揮"為核心內(nèi)容構(gòu)建了面向多源數(shù)據(jù)集成的城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控服務(wù)平臺，并已在連云港市徐圩新區(qū)取得成功示范應(yīng)用，如圖5所示。該示范應(yīng)用效果：①解決了環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、管廊本體監(jiān)控、安全防范監(jiān)測以及視頻監(jiān)控等前端感知數(shù)據(jù)的集中管理與數(shù)據(jù)融合，已實現(xiàn)全面的安全監(jiān)控服務(wù)；②基于3DGIS+BIM+全景構(gòu)建了城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控服務(wù)系統(tǒng)；③基于安全運營與智慧管控體系已實現(xiàn)管廊本體與各類權(quán)屬管線的智能化運營服務(wù)，并已實現(xiàn)基于位置服務(wù)的智能巡檢服務(wù)；④基于數(shù)據(jù)集成

圖5城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控服務(wù)平臺示范應(yīng)用

5、平臺拓撲圖

6、平臺子系統(tǒng)

   電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報警及記錄等。

環(huán)境監(jiān)測

   環(huán)境監(jiān)測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調(diào)、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預(yù)警，同時也可接入管廊艙室內(nèi)的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機等設(shè)備集成的第三方系統(tǒng)完成管廊環(huán)境綜合監(jiān)控。

馬達監(jiān)控

   馬達監(jiān)控實現(xiàn)對管廊電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，實現(xiàn)對電機過載、短路、缺相、漏電等異常情況的保護、監(jiān)測和報警。在需要的情況下可以設(shè)置聯(lián)動控制。

電氣安全

         AcrelEMS-UT能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應(yīng)的電氣火災(zāi)傳感器、溫度傳感器，消防設(shè)備電源傳感器、防火門狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預(yù)警。

智能照明控制

①　防火分區(qū)單獨控制，分區(qū)內(nèi)設(shè)置智能控制面板就地驅(qū)動器；開關(guān)驅(qū)動器連接消防報警系統(tǒng)，接收消防報警信息，強制打開驅(qū)動器回路。

②　廊內(nèi)上方安裝智能照明傳感器，使人員進入管廊內(nèi)自動開啟燈具，在管廊內(nèi)停留燈具保持常亮，離開后燈具關(guān)閉。

③　除了現(xiàn)場的控制方式外，還可用電腦端實現(xiàn)集中控制，實時遠程監(jiān)控當(dāng)前區(qū)域的照明情況，必要時可遠程控制該區(qū)域的照明。

④　考慮現(xiàn)場模塊分布較廣，距離過長，除了現(xiàn)場的控制方式外，還可用電腦端實現(xiàn)集中控制，實時遠程監(jiān)控當(dāng)前區(qū)域的照明情況，必要時可遠程控制該區(qū)域的照明。

⑤　系統(tǒng)支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應(yīng)控制、定時控制、場景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，支持延時控制，避免同時亮燈負荷對配電系統(tǒng)造成沖擊。模塊不依賴系統(tǒng)，可獨立工作，每個模塊均自帶時間模塊，可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能。

7、電相關(guān)平臺部署硬件選型清單

1.智能照明系統(tǒng)

2.電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

3.消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)

4.防火門監(jiān)控系統(tǒng)

5.消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)

8、結(jié)束語

   城市地下綜合管廊智能化建設(shè)面臨管廊本體監(jiān)控、管廊環(huán)境監(jiān)控、管廊通信、視頻監(jiān)控與智能巡檢、應(yīng)急處置等多源數(shù)據(jù)，本文提出了面向時空信息的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、聯(lián)動與融合構(gòu)架模型，并結(jié)合城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控建立了管理、成本、運維與健康等服務(wù)的評價指標(biāo)體系及基于GIS的管廊運營隱患預(yù)警與突發(fā)事件應(yīng)急聯(lián)動處置模型。基于上述研究，成功研發(fā)了城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控服務(wù)軟件平臺，并在管廊智能化行業(yè)取得示范應(yīng)用。到2020年，國內(nèi)將建成一批具有水平的地下綜合管廊并投入運營，城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控將具有廣闊的市場應(yīng)用前景，將保障城市地下綜合管廊安全運營并提高管控效率。