基于多源數(shù)據(jù)集成的城市地下管廊運(yùn)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(dá)的管廊規(guī)劃建設(shè)與安全運(yùn)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(zhǔn)；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(jī)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(jìn)行監(jiān)測等方面。面向智能感知、數(shù)據(jù)集成、運(yùn)營管理與決策分析的管廊安全運(yùn)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(zhǔn)、指南，進(jìn)一步規(guī)范和推進(jìn)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(yùn)營，這種敷設(shè)了維持城市正常運(yùn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jìn)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(yùn)營與智慧管控整體架構(gòu)

   第一層：感知與傳輸層，主要負(fù)責(zé)安全運(yùn)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(fù)責(zé)安全運(yùn)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(yùn)維、應(yīng)急指揮"3個方面做到安全運(yùn)營與智慧管控服務(wù)，以大屏幕顯示、PC機(jī)、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(yùn)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(yùn)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(yùn)營與智慧管控服務(wù)的關(guān)鍵信息，也是地下管廊運(yùn)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(yùn)營與智慧管控體系以及城市地下管廊安全運(yùn)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(yùn)營與智能化管控的核心。本文采用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)和數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(jìn)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(yùn)營與智慧管控體系

   城市地下綜合管廊安全運(yùn)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(yùn)維與服務(wù)，建立運(yùn)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(yùn)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(yùn)運(yùn)行指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3地下綜合管廊安全運(yùn)營與智慧管控指標(biāo)體系

3.3基于GIS的管廊運(yùn)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(yùn)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(jìn)行核實、篩選后，基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行態(tài)勢標(biāo)繪，并根據(jù)應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行聯(lián)動處置。

圖4管廊運(yùn)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(yùn)營與智慧管控體系以及管廊運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)營與智慧管控服務(wù)系統(tǒng)；③基于安全運(yùn)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(yùn)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(yùn)營與智慧管控服務(wù)平臺示范應(yīng)用

5、平臺拓?fù)鋱D

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(jī)保護(hù)裝置及多功能儀表進(jìn)行保護(hù)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(jī)保護(hù)測控裝置、發(fā)電機(jī)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?xì)怏w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(jī)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(dá)監(jiān)控

   馬達(dá)監(jiān)控實現(xiàn)對管廊電機(jī)的保護(hù)、遙測、遙信、遙控功能，實現(xiàn)對電機(jī)過載、短路、缺相、漏電等異常情況的保護(hù)、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(jìn)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(dú)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(qiáng)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(jìn)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(yuǎn)程監(jiān)控當(dāng)前區(qū)域的照明情況，必要時可遠(yuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)控當(dāng)前區(qū)域的照明情況，必要時可遠(yuǎn)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(fù)荷對配電系統(tǒng)造成沖擊。模塊不依賴系統(tǒng)，可獨(dú)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(yùn)營與智慧管控建立了管理、成本、運(yùn)維與健康等服務(wù)的評價指標(biāo)體系及基于GIS的管廊運(yùn)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(yùn)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(yùn)營，城市地下綜合管廊安全運(yùn)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(yùn)營并提高管控效率。