王子锋

安科瑞电气股份有限公司，上海 嘉定 201801；

摘要：本文以某城市盾构式地下综合管廊的监控报警系统设计为例，从项目特点、难点出发，全面阐述了智能监控与报警系统的设计，井探讨了综合管廊运维 管理（平台）系统的功能设计。

关键词:综合管廊  监控与报警  一体化集成 运维管理 综合管理平台

1、概述

1.1综合管廊发展背景

       2013年国务院（关千加强城市基础设施建设的意见〉明确指出，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。接着国务 院办公厅于 2015年发布（关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见〉，对管廊建设做出统筹规划，其中工作目标：到2020年，建成一批具有国际先进水平的地下综合管廊并投入运营， 反复开挖地面的“马路拉链”问题明显改善，管线安全水平和防灾抗灾能力明显提升。从此，我国城市综合管廊建设从过去的探索阶段，正式步入 调控、多方融资、统一规划、综合管理的平稳发展道路上来。2016 年，全国完成了开工建设城市地下综合管廊2000公里以上的工作部署。

2015年，沈阳市成为全国首批10个地下综合管廊试点城市之一，2016 年，地下综合管廊项目（南运河段）工程获得批复，进入设计与实施阶段，目前已进入机电设备安装阶段。

1.2 项目概况

       沈阳市地下综合管廊（南运河段）工程（以下简称南运河段综合管廊），起点位千南运河文体西路北侧绿化带内，终点位千和睦公园南侧。管廊沿砂阳路、文艺路、东滨河路、小河沿路和长安路敷设，途经南湖公园、鲁迅儿童公园、青年公园、万柳塘公园和万泉公园，全长约12.8 km。

2、系统设计需求和设计原则

2.1 设计需求

       地下综合管廊是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”，综合管廊属于地下封闭空间，一旦发生火灾等事故后果严重，抢修难度很大，为保证综合管廊的安全运行，需提前做好事故灾害的预防与应急响应；提高智能化监控、协调及运维管理水平，建设一套稳定、可靠、完善的综合管廊智能监控报警与运维管理系统是十分必要的。

       住建部及时修订并颁布实施的《城市综合管廊工程技术规范》（GB50838-2015），对综合管廊监控与报警系统的设计做出了明确要求：综合管廊的监控与报警系统要能够全面实现管廊内环境监测、设备监控、安全防范、灾害预警与报警等功能，为管廊运行提供准确信息和动态管理数据，对综合管廊突发事件的处置提供决策依据， 为管廊的安全运行及管理提供技术保证。

       南运河段综合管廊工程项目由中建管廊运营管理公司负责建设管理与运维管理，对项目监控与报警系统在进行深化设计前， 与设计总包单位共同编制了《工程用户需求书》。提出了明确的建设需求：本综合管廊项目必须实现智能化运维管理，突出安全监控管理，设置智慧管廊运维系统综合管理平台。对地下综合管廊进行全面信息化管理， 为管廊规划设计、管廊工程管理、管廊管线管理、管廊设施管理、管廊运维管理和应急指挥等提供智能、高效、稳定的信息服务综合管理平台。

2.2设计原则

       综合管廊智能监控报警与运维管理系统是一个综合性、复杂性很强的控制与管理系统， 各子系统之间由于采用的技术体系与标准不一， 导致兼容互通困难、集成复杂多变。为此， 在上述设计需求分析基础上， 制定出如下系统设计原则：

（1）认真执行国家规范、标准， 积极贯彻执行国家绿色节能和可持续发展的政策， 做到技术先进、经济合理、实用可靠、灵活局效。

（2）以增强综合管廊的科技功能和提升其应用价值为目标，以综合管廊的功能类别、管理需求及建设投资为依据，系统具有兼容性、可扩展性、易维护性及灵活性。

（3）智能监控报警与运维管理系统应兼顾管廊安全、可靠运行，管理有效，构建综合管廊目前和未来发展需要的综合管理平台，保证其体系架构和应用系统能构建在具有远期发展规划的应用平台基础上，全方位监测、运行信息反馈不间断和低成本、高效率维护管理效果。

（4）系统所选用的硬件设备须满足管廊恶劣使用环境要求，能够可靠、稳定地工作，具有防尘、防腐蚀、防潮湿、防凝露、抗震、抗电磁和静电干扰等能力，采用工业级、局防护等级的产品。

（5）软件的设计充分考虑系统的先进性、可靠性、安全性、稳定性、可扩展及可维护性， 并具有故障诊断、在线修改、离线编辑等功能。人机界面采用汉语版、操作方便的人机界面。

（6）系统采用标准通信接口，采用标准的、开放式的通信协议。

3、系统设计

3.1设计理念

       南运河段综合管廊智能监控报警与运维管理系统的设计理念是：以各类智能化监控设备为基础，数据融合分析应用为手段，运用智能感知和物联网、光纤传输、多媒体、软件开发、BIM、GIS 应用以及虚拟现实等先进技术，建立智能监控报警统一的综合管理平台，通过智能监控报警与运维管理系统对综合管廊内的设施运行、实时环境、出入□及入廊工作人员等进行全方位在线监测，实现综合管廊监测控制、运维管理的智能化、自动化，保障管廊内环境、设备、管线的安全运行，以及入廊工作人员的人身安全。提升南运河段综合管廊的智能化和信息化水平，努力打造沈城第1条＂智慧管廊”。

       针对南运河段综合管廊工程项目紧沿南运河并有几次往返穿越，管廊内湿度大、腐蚀性强、电磁干扰多等环境复杂情况，系统的核心设备采用高适应性一体化集成设计产品及模块化产品，以“超前设计、适度预留、功能分散、数据集中”为设计思想贯穿于始终。

3.2系统构成

       综合管廊智能监控报警与运维管理系统是一个深度集成的自动化监控平台，其以智慧管廊综合管理平台为核心，通过各系统光纤环网，将以下子系统深度集成为一个统一的、完整的自动化综合监、管、控平台系统。

（1）智能化集成系统—智慧管廊综合管理平台。

（2）环境与设备监控系统。

（3）安全防范系统： 视频监控系统、入侵报警系统、出入□控制系统、在线式电子巡查系统、电子井盖监测系统。

（4）通信系统：IP电话系统、无线AP及人员定位系统。

（5）BIM 与GIS集成系统。

（6）智能机器人巡检系统。

（7）预警与报警系统（略）：火灾自动报警系统、可燃气体报警系统、入廊管线监控系统等（预留接□）

（8）机房工程（数据中心）。

       系统架构分为设备感知层、网络传输与控展应用层， 如图2 所示。可分为管廊监控报警与管廊运维管理两大部分：管廊监控报警系统包含在线监测、安全监管与预警、应急处置等系统，管廊运维管理主要包括管廊自身运维管理（ 含管廊本体和附属设施） 和入廊管线运维管理等。

（1）设备感知层：感知来自管廊本体设施、设备，以及电力、给水、通信、热力、燃气等系统的各种数据。

（2）传输与控制层：由物联网区域控制单元ACU、光纤环网提供无线、有线通信等可靠传输通道。

（3）运维管理层：通过一个＂一体化综合管理平台” 集成环境与设备监控系统、安全防范系统、通信系统、智能机器人巡检系统、预警与报警系统五大系统模块，实现系统的集成式应用。

（4）扩展应用层： 管理部门和六大管线单位（给水、中水、电力、通信、热力和燃气）的管线运行会影响到管廊本体设施或其他管线的安全运行，因此在扩展应用层提供多种数据接口、通信接口，可纵向、横向与多部门、多系统之间完成数据通信， 实现信息的互通、共享与联动。

3.3智慧管廊综合管理平台

       智慧管廊综合管理平台采用的是中国建筑智慧管廊运维管理平台，为我公司自主研发的一款针对智慧管廊建设的一体化综合管理平台。该平台软件是基于物联网的 智能监控报警与运维管理一体化技术，具有可裁剪、可扩展、可兼容第三方厂家应用软件的功能特点。成功地解决了众多品牌相互兼容性差、各系统集成与融合困难、协议与接□ 标准不统一等诸多问题。

       综合管理平台包含三维基础平台、数据中心及与地理信息系统GIS、建筑信息模型BIM集成接口等内容，从而提供管廊位置、内部结构、附属设施以及廊内管线的浏览、查询、统计和漫游等服务的三维平台支撑，统筹管理空间数据、安全预警与监管数据、应急处置数据等主数据及主题数据， 提供数据共享服务， 实现GIS 、BIM 集成。

3.3.1平台的技术路线

       中国建筑智慧管廊综合管理平台是在管廊建设相关标准和规范前提下， 以支持管廊全生命周期的运维管理为目标。采用B/S的构架下模块化设计， 将新一代信息技术，特别是将建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、人工智能（AI） 、物联网（LOT）技术深度融合， 集成应用于综合管廊的智慧化监控报警与运维管理，开创了国内综合管廊运维管理中Web+BIM+GIS+AI+LOT集成运用的先河， 实现了互联网下海量空间数据的实时可视化。给客户带来全新的真实现场感和交互感。中国建筑智慧管廊综合管理平台整体架构如图3所示。

3.3.2 管理平台的功能模块

       中国建筑智慧管廊综合管理平台软件系统由一系列基于服务器和操作站的软件模块和多个功能模块组成， 软件模块主要包括数据库管理模块、中间件模块、双机管理模块等；功能模块主要包括综合展示（2D/3DGIS+BIM）、管廊本体监控、管廊设备管理、BIM 运维管理、经营办公管理、应急指挥、移动应用APP巡检、智能机器人巡检等功能模块。

3.3.3平台特色与优势

       除了前面阐述的平台技术路线外，中国建筑智慧管廊综合管理平台还具有以下特点：

（1）二三维联动： 将微观的BIM精细化建筑模型同宏观的GIS影像图相结合， 两者优势互补。

（2）BIM模型轻量化：BIM模型通过数据动态装载技术使多分辨率层次模型自动生成。通过平台进行BIM 数据的轻量化处理，解决了传统BIM轻量化转化过程中数据的丢失、异常等问题。

（3）BIM ＋3DGIS集成技术：利用BIM与3DGIS技术集成来共同解决管廊信息化的问题。

（4）创建协同工作平台： 利用BIM技术， 创建综合管廊的三维数字化信息模型， 借助于计算机甚至移动终端设备，即可方便进行管廊内部三维展示、管线碰撞检测、管线入廊方案模拟等协调工作。

3.4环境与设备监控系统

3.4.1系统概述

       环境与设备监控系统主要对综合管廊内气体、温湿度、液位等环境参数及设备进行监测、报警及联动控制。通过集成式区域控制单元（ACU）将气体浓度、温湿度等

参数实时上传至监控中心， 同时联动风机、水泵等，为管廊内人身与设备营造一个安全健康的运维环境。环境与设备监控系统架构如图4所示。

3.4.2环境与设备监控系统设置原则

（1）环境与设备区域控制单元： 在每个工艺井（辖2 个防火分区）设置弱电间， 内设区域控制单元（ACU）

（2）气体探测器：在每个分区每舱设置气体探测器： 包括氧气传感器、硫化氢传感器（仅水信舱）及甲烷传感器（仅燃气舱）。

（3）温湿度检测仪：在每个分区每舱设置1套温室检测仪。

（4）液位开关：在每个集水坑设置1套液位检测开关。

（5）人员出入□仅设置硫化氢传感器及甲烷传感器。

（6）逃生通道设置温湿度、氧气检测仪。

3.4.3系统设备配置

       环境与设备监控系统单独组建网络，环境与设备区域控制单元与监控中心接入交换机， 组成高速光纤自愈环网，系统设计采用2层网络架构。现场检测仪表，各监控设备状态、控制信号等由线缆通过10模块或总线模块接入ACU 完成各种检测和控制功能。

3.4.4系统设备技术要求环境与设备区域控制单元

       对管廊现场环境监测数据集中监测、传输， 针对沈阳南运河段综合管廊潮湿凝露、电磁干扰强、污秽严重的恶劣场合，设计采用新一代高防护等级、高集成度的ACU。其充分利用大规模集成电路模块、SOC片上系统等当前先进的电子技术，PLC、交换机、电源等设备的采集、控制、通信等接口 集成为一体，减少中间连接线，进一步提高可靠性。ACU 外壳防护等级达 到IP67 , 所有输入输出接口均采用隔离设计，满足EM C 电磁兼容工业 LEVEL4级的设计要求，并且具有网络冗余、组网灵活、体积小等特点。满足恶劣条件下高可靠的应用需求。

       对于防排烟系统与通风系统共用设备，由环境与设备监控系统进行监控，火灾时由火灾自动报警系统向环境与设备监控系统发送火灾模式指令，由环境与设备监控系统对其进行火灾模式控制。

3.5 安全防范系统

       安全防范系统主要设计范围包括视频监控系统、入侵报警系统、出入口控制系统、在线式电子巡查系统及电子井盖监测系统。安全防范系统架构如图5所示。

3.5.1视频监控系统

       视频监控系统由网络摄像机、安防区域控制单元、视频管理服务器、网络硬盘录像机 (NVR)、综合管理平台等组成。系统对管廊内部环境、管廊出入口、设备间等重要位置处实施全方位监控，满足监视频画面的流畅度和实时性。

3.5.2入侵报警

       出入口控制系统为加强对综合管廊的安防管理，防止非法入侵，在每个舱每个防火分区的投料口、通风口、人员出入口等处设置主动红外入侵探测器或微波红外双鉴探测器；在人员出入口、重要机房等处设置门禁系统。接入安防区域控制单元的入侵报警、出入口控制系统，通过安防环网与综合管理平台联网。

3.5.3在线式电子巡查与移动APP巡检系统

       除天燃气舱外，其他舱室设置无线AP信号覆盖系统， 在工业智能手机上安装相应的 APP 软件，通过通信系统实现无线语音通话功能，同时实现人员定位、巡检，自动记录巡检人员所到地点的准确时间和位置，综合管理平台自动生成巡检数据，实现在线式实时巡查管理的目的。移动APP 巡检系统可实现管廊日常巡检、巡检个人任务管理、历史记录查看、数据查看、巡检上报、到岗签到、定向呼叫、台账查询等功能。

4、安科瑞产品在综合管廊运维管理系统的应用

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优化。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

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：一是环境监测设备；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。

安科瑞配电室综合监控系统，可实现管廊内智能开关柜运行监控、高压开关柜带电显示、电流电压等负载运行监控、母线测温监测、电缆测温监测、环境监测、有害气体监测、安防监控、取暖通风、门禁、灯光、风机、除湿机、空调控制等功能。实现动力环境各数据的检测与设备控制，实现动力环境优化，避免运行环境的失控导致配电设备运行故障，保证维护人员安全，延长设备使用寿命，减少配电室粗放式管理导致成本过高，同时实现配电动力环境的分布式远程管理。

4.2.1系统结构

  配电室综合监控系统以智能控制为核心，通过物联网技术的集成应用，实现配电室内环境的全天候状态监视和智能控制。系统由485通信和网络通信混合组网，完成站端视频、环境数据以及安全防范等数据的采集和监控，适配于当下多种应用场景。

系统结构

       系统遵循物联网分层分布式物理体系，即设备层、网络层、站控层，构建而成完全一体化的智慧管理平台系统。

       监控系统架构采用平台化SOA架构，具有良好的可扩展性。当数据接入量大或者访问用户数大的时候，可以通过部署多个应用实例来提高系统服务能力。同时可根据用户的使用要求，灵活配置运行的服务组件。

       在一个区域内部署时的典型场景如下图，配电室的各类智能检测设备通过有线或无线网络连接到监控中心，单个配电室或箱变的监测数据可集中上传到监控中心或者物联网平台。

4.2.2监控范围

  系统把环境、视频、通风、照明、安全防范、消防、一次设备辅助监控等所有监控量在系统主界面上进行一体化显示和控制，避免各系统孤立显示和控制。

1. 环境监控子系统

  配电室综合监控设备安装在配电室、箱变、变电所内，通过采集和传输技术，可以实时监测配电室内的重要场所和设备的工作环境，如温度、湿度、电缆沟水位、漏水/水浸、有害气体(SF6，H2S，NO，CO，O2，O3)、TVOC、烟雾、明火、人体感应、噪声等。

  当检测到环境量出现异常时，可及时显示、报警，并可通过通信网络将数据上传至系统平台。根据预先设置的上下限值，联动控制空调、视频、灯光、加热装置、除湿器、通风机、声光报警等设备。保障配电室场所的电力设备安全运行。防止因环境改变、非授权活动、设备状态变化等引起的事故，满足配电室远程运维的可靠管控要求。为新型现代化配电室的智能化、可视化、自动化、互动化做有效支撑。

  站端设备包含各种传感器（温度、湿度、漏水、水位、有害气体等）。系统平台可以直观的显示出被监测量的大小或状态，以及被监测量的实时值或各种故障发生的情况。

  告警功能：在监控中心对环境参量超过预设值时发出视听告警，在监控系统的人机界面上闪烁显示，同时可以提供警示灯、报警音箱、语音、短信通知等多种告警方式。

  设备状态检测：系统可以实时监控配电室内各监测设备（传感器）以及通信线路，自动诊断设备及链路故障，并实时显示在界面上。

  数据查询：环境监测数据、状态监测数据及远程控制数据的历史数据查询。

2. 消防监控子系统

  烟雾、温感、明火等火灾消防信息的接入，联动声光报警器进行报警，以及通过短信方式自动通知值班维护人员。

3. 安防监控子系统

  红外双鉴、红外对射、震动、门磁等安防相关设备接入 ，并可实时播放告警语音、发送提醒短信等。

4. 无线测温子系统

  无源无线测温产品由主机（或收发器）和传感器两部分组成。主要应用在高低压开关柜内母排搭接点，断路器触头、电缆接头、大电流设备等电气连接点和其他易过热点等位置的温度检测，并把测量结果通过网络上传到监控中心数据库服务器，通过软件分析能够对温度过高发出告警信息，实现温度故障的早期预测，防患于未然。

5. 馈线监测子系统

  可以监测开关柜局放和馈线回路的开关状态、温度、电压、电流、功率、功率因数、有功、无功、谐波、电能量采集等。支持设置上下限的告警值，实现语音播放、发送短信等联动提醒方式。

6. 变压器监测子系统

  变压器三相绕组温度检测、风机运行状态、震动检测。支持设置上下限的告警值，实现语音播放、发送短信等联动提醒方式。

7. 视频监控子系统

  视频监控采用数字监控系统，实现监控功能。支持海康主流硬盘录像机和数字高清摄像机系列产品。

8. 温湿度控制子系统

  温湿度控制器运用传感器检测柜内的温度与湿度值，并通过控制外接的风扇与加热器对温度与湿度值进行调节，可有效防止因低温、高温造成的设备故障以及受潮或结露引起的爬电、闪络事故的发生。

9. 门禁控制子系统

  系统支持人员进入出去时间人员记录，系统提供设备或网络故障报警、非法闯入报警、门开超时报警、非法刷卡报警以及胁迫报警等。

10. 空调节能控制子系统

  可以控制空调开机、关机、升温、降温等，并能够直接调整空调的温度值。

11. 灯光控制系统子系统

  可以远程控制灯光的关闭和打开。

12. 其他控制功能

  水泵控制。

  加热器控制。

  声光报警器控制：远程控制启动和关闭，避免扰民。

  风机控制：实现对主、副新风机的智能控制。

  除湿机控制：室内除湿机控制以及与湿度联动。

  其它设备控制。

4.2.3硬件选型

5、结束语

       当今城市综合管廊监控与报譬系统的设计，应立足于运用先进的物联网技术，集成通信、数据、安全、管理及应用等方面，引入新一代信息化、BIM 与GIS集成化等技术， 构建一体化综合管理（系统）平台，实现管廊的全面感知，智能监测、智能响应、智慧管理， 从而实现智慧管廊，完成智慧城市的重要一环。

参考文献

【1】郑立宁．城市地下综合管廊运维管理． 

【2】李朝栋，孟冰，何赫.综合管廊智能监控报警与运维管理系统设计

【3】安科瑞企业微电网设计及应用手册.2020.06版

【4】吴恩远,周中. 电气火灾监控系统设计与应用图集  2012.8