城市地下综合管廊智能化系统设计研究

2023-02-21

0 引言

地下综合管廊是指在城市地下用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道。我国正处在城镇化快速发展时期, 地下基础设施建设滞后。推进城市地下综合管廊建设, 统筹各类市政管线规划、建设和管理, 解决反复开挖路面、架空线网密集、管线事故频发等问题, 有利于保障城市安全、完善城市功能、美化城市景观、促进城市集约高效和转型发展, 有利于提高城市综合承载能力和城镇化发展质量, 有利于增加公共产品有效投资、拉动社会资本投入、打造经济发展新动力。

近年来, 我国高度重视城市地下综合管廊规划建设, 国务院办公厅发布了《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》 (国办发[2015]61号) , 提出“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, 逐步消除主要街道蜘蛛网式架空线, 城市地面景观明显好转”的工作目标, 对综合管廊建设指导思想、基本原则、专项规划编制、标准规范完善、有序建设、严格管理、支持政策等进行了明确, 国家住建部联合发改委、财政部相继启动了两批城市试点工作。

1 需求分析

1.1 管理需求

城市人民政府是地下综合管廊建设管理工作的责任主体, 对组织领导、建立协调机制、具体工作推进等承担主体责任, 对综合管廊建设和管理重点体现在工作指导与监督、监管, 要将地下综合管廊建设纳入政府绩效考核体系, 建立有效的督查制度, 定期对地下综合管廊建设工作进行督促检查, 确保地下综合管廊合理规划建设及正常运行。地下综合管廊本体及附属设施管理由地下综合管廊建设运营单位负责, 入廊管线的设施维护及日常管理由各管线单位负责。管廊建设运营单位与入廊管线单位各司其职, 相互配合, 做好突发事件处置和应急管理等工作。城市地下综合管廊智能化系统要能够有效支撑政府、建设运营单位、管线权属单位等的管理需求。

1.2 建设要求

地下综合管廊断面应满足所在区域所有管线入廊的需要, 符合入廊管线敷设、增容、运行和维护检修的空间要求, 并配建行车和行人检修通道, 合理设置出入口, 便于维修和更换管道。地下综合管廊应配套建设消防、供电、照明、通风、给排水、视频、标识、安全与报警、智能管理等附属设施, 提高智能化监控管理水平, 确保管廊安全运行。要满足各类管线独立运行维护和安全管理需要, 避免产生相互干扰。

2 总体设计

2.1 体系架构

城市综合管廊智能化系统体系架构采用“1622”模式, 即统筹综合管廊智能化设计与实施;部署规划建设管理、管廊智能监控、入廊管线监控、应急处置、运维管理、决策分析等六大应用系统;建设数据中心和监控中心;形成标准规范体系和信息安全体系。

2.2 应用架构

系统主要面向政府应用、综合管廊运营企业、管线权属单位等其他单位应用。

2.3 数据架构

以数据中心和公共服务平台为中心, 打通综合管廊管理系统、总控中心、二级分控中心、BIM、运维、规划、住建部上报系统等第三方系统之间的数据关系, 实现综合管廊数据共享与交换, 支撑管廊大数据智能分析与应用。

2.4 网络架构

综合管廊通信传输网络由政务内网、政务外网与管廊专网组成, 面向政府部门、运营单位及管线权属等相关单位提供安全可靠的通信网络。

3 详细设计

3.1 系统构成

综合管廊智能化平台是智能化系统的核心, 由环境监控系统、设备监控系统、安防系统、消防系统、管线监控系统、综合管理平台等组成。

3.2 环境与设备监控

主要由各类环境状态传感器、区域控制器、上位监控主机组成。系统采用光纤网络传输方式及工作井弱电设备间配电柜就近供电方式。

环境温湿度传感器接入现场ACU箱中的采集单元, 然后通过光纤网络将所有数据上传到监控中心, 并接受监控中心下发的控制指令。

根据各舱室的纳入管线情况, 实现对O2、H2S、CH4、NH3、CO等气体监测。气体探测器接入现场ACU箱中的采集单元, 然后通过光纤网络将所有数据上传到监控中心, 并接受监控中心下发的控制指令。

分布式光纤测温系统主要由上位监控软件、DTS测温主机和测温光缆组成。系统主要采用分布式光纤测温技术, 将光纤作为测温传感器, 通过敷设在电缆表面或内置在电缆中, 实现对电缆表面温度、电缆接头温度以及环境温度的实时监测, 及时发现电缆运行过程中出现的问题以及运行电缆周围环境的突变。

3.3 安防监控

(1) 视频监控

管廊视频监控系统采用全数字网络化组网方式。系统前端摄像机采用720P/1080P网络高清摄像球机, 通过光纤网络将现场视频及控制信息上传至监控中心。

视频监控系统中, 视频监视录像机、智能视频服务器等设备安装于监控中心监控机房的机柜中。视频监控摄像机布设在电缆隧道内, 并在顶部中心线右侧30cm处采用支架吊顶方式安装, 支架长度为20cm。摄像机监控视角沿管廊方向, 要求监控画面能够覆盖完整的隧道断面。

(2) 门禁监控

管廊门禁监控系统通过对管廊人员出入口处及廊内防火门设置出入口控制, 进行实时监测和远程控制, 有效控制非法进入地下管廊进行偷盗、破坏等行为, 保障地下管线的安全稳定运行。系统主要由门禁、门禁数据采集控制装置、通信线路、监控主机及上位监控软件组成。系统采用光纤网络传输方式及工作井弱电设备间配电柜就近供电方式。

(3) 入侵监测

管廊入侵报警系统采用可靠稳定的红外探测器, 并安装在管廊每个投料口和通风口或与外界相通的入口处, 以实时监测管廊出入口处的人员入侵情况。人员入侵报警系统主要由红外探测器、数据采集器、上位监控主机以及网络设备等构成。

系统可对防范区域进行自动布防和撤防, 在监控平台可进行远程手动布防和撤防。当有入侵目标出现时, 系统会立即发出报警, 并联动该区域摄像机进行自动跟踪、切换显示相关现场图像画面以及自动启动录像功能等。

智能探测器设置在人员出入口、通风口处, 并采用壁挂式安装方式。并安装于综合管廊上端侧墙, 面向人员出入爬梯, 覆盖人员出入路径。

(4) 火灾报警系统

火灾报警系统火灾检测部分主要由光纤测温主机、测温光缆、光缆终端盒、光缆接续盒等设备组成, 光纤测温主机放置在管廊监控机房内, 所有测温光缆均接入该光纤测温主机。

光纤测温主机可以与电缆本体监测的分布式光纤测温系统公用, 测温光缆敷设在管廊顶部, 实时感应管廊内的环境温度状况。

火灾报警系统火灾报警部分主要由设置在监控中心的火灾报警控制主机、消防控制室图形显示装置, 设置在隧道内的火灾报警控制分机、手动火灾报警按钮、火灾声光报警器 (警铃) 、烟雾探测器等组成。火灾报警控制主机负责接入管廊内所有火灾报警控制分机, 监测每台分机的运行, 当监控区域发生火灾时, 系统可以通过自动模式或手动模式联动控制相关设备启停, 并接收各种联动设备的反馈信号, 监视运行状态。工作人员可结合消防控制室图形显示装置进行火灾预警、火警以及消防指挥调度工作。管廊内部的火灾报警控制分机负责接入现场所有的火灾报警设备, 接收传递火灾报警信号, 并对设备进行联动控制。火灾报警工作站负责提供火灾报警系统软件的相关操作。

火灾报警控制主机为壁挂式式设备, 安装在监控中心机房内。火灾报警控制分机采用壁挂式安装。手动火灾报警按钮和火灾声光报警器安装在管廊内部, 采用壁挂式安装, 安装高度为设备底边距离管廊地面1.45m, 方便工作人员发现火灾情况下迅速报警。

3.4 通信与巡更

(1) 通信与广播

系统主要由IP电话终端、扩音设备、应急通信服务器、人工坐席话机以及语音网关设备等组成, 并对中心程控交换机等设备进行扩容。

(2) 巡更

综合管廊需要巡检人员定期对管廊内各重要监测点进行安全巡查管理。通过在管廊内设置非在线式巡查系统, 可真实记录、了解巡检人员执行巡检任务时的真实情况, 以保证巡查工作保质保量进行。

管廊电子巡查管理系统主要由以下几部分组成:巡更采集器 (巡更棒) 、巡更点卡、巡更员卡和电脑管理软件。

3.5 联动控制

(1) 控制方式

硬联动:即传感器之间直接联动, 如水位开关直接联动水泵;软联动:经监测系统内部逻辑处理之后进行的联动, 如水位开关信息先送入监测系统后, 经系统逻辑判断运算, 根据逻辑判断的结果控制输出继电器状态, 来进一步控制水泵的启动或者停止;远程控制:在集中控制软件平台上, 进行远程控制, 如远程控制水泵的运行与停止等操作。

(2) 气体浓度、温度与风机的联动控制方式

通过设置联动阀值方式来远程控制风机启停, 阀值可按需设置。环境温度阀值设置:低温值为30℃, 高温值为35℃;氧气浓度阀值设置:高位值为20%, 低位值为17%。在温度较高时或者气体浓度异常时, 启动风机进行降温与稀释的动作;在温度恢复正常或者气体浓度值恢复正常时, 停止风机的操作;在发生火灾时, 停止风机运行, 以免进一步加大火灾范围。

(3) 水位传感器与水泵的联动控制方式

将管廊集水井和低地势区域安装的水位传感器与水泵进行联动, 主要通过配置两个水位开关直接控制水泵启停和根据设置的水位阀值远程控制水泵启停。水位阀值设置:低水位报警值为井深的20%, 高水位报警值为井深的75%。水位传感器采集水位信息, 并传输给监控子站和监控中心, 当水位高于上限值时, 监控子站或监控中心会自动发出警报, 并启动水泵做排水措施或由现场人员手动操作水位控制开关启动水泵工作;当水位低于水位下限值时, 监控子站或监控中心会自动发出警报, 同时发出停止信号中断水泵运行或由现场人员手动操作水位开关停止水泵工作。

3.6 智能管理平台

(1) 规划管理系统

包括规划管理、建设项目管理、年度计划和周报管理、档案管理等, 实现综合管廊规划信息、项目信息、审批、竣工验收及工程档案管理等功能。

(2) 智能监控系统

对入廊的燃气、给水、中水、电力、通信等管线状态进行实时监测, 包含压力、流量、温度等运行指标, 以及阀室、阀井等关键设备的远程控制。采用与SCADA系统集成, 基于BIM和GIS三维建模, 对管廊内前端设备进行监测和控制。包括管廊内环境与设备监控、安/消防监控、廊体结构监控和入廊管线监控等。通过将各个监控子系统集成, 可针对管廊日常运行、维护和管理进行可视化展示和进行联动控制。

(3) 应急处置系统

建立完善的应急抢险指挥体系, 对应急队伍、应急物资、应急预案进行有效管理, 并提供报警定位、现场监控抽取、周边检索、应急疏散、应急会商、综合研判和报警推动等功能, 提高对应急事件的响应和处理能力。

(4) 运维管理系统

包括综合管廊设备设施、空间运营、巡检管理和模拟入廊等综合管廊运行维护管理功能。通过构建专业管廊运维系统, 配套巡检机器人、手持平板终端、智能头盔、VR眼镜等硬件设备实现管廊运维管理。

(5) 大数据应用系统

包括一张图应用系统和大数据分析系统。“一张图”应用系统是具备地理数据、管廊数据、管线数据、隐患数据、在线监测数据、预警数据、应急数据等为一体的“一张图”大数据分析, 构建面向不同业务的大数据应用。大数据分析系统利用大数据成果, 通过健康评估和应急仿真模型, 监控和动态掌握健康评价信息和动态信息, 对管线事故的应急过程进行监控, 实现大数据展示综合应用。

(6) 公共服务平台

公共服务平台包括地理信息平台、物联应用支撑平台、大数据分析平台。地理信息平台提供管廊位置、内部结构、附属设施、廊内管线的浏览、查询、统计、漫游等服务;物联应用支撑平台提供设备统一接入、管理等服务;大数据分析平台提供数据清洗、聚合和处理分析等服务。

3.7 数据中心

建立统一的城市综合管廊数据中心, 形成管廊共享数据库和数据资源管理系统, 实现管廊主数据和主题数据的集成和共享, 提供大数据存储与计算服务、数据共享与交换服务等服务, 构建基于管廊大数据的应用。数据中心包括数据管理系统、数据分析系统、数据交换系统、数据监控系统等。

建管线信息数据库、环境信息数据库、设备信息数据库、安消防信息数据库、隐患信息数据库、安全预警和健康管理数据库、综合规划数据库以及其他专业数据库, 为基于“一张图”的大数据分析应用提供统一数据源。建立统一的数据标准, 以制度的建设和体系的完善保障管线信息数据的准确性, 全面支撑信息共享和实时更新。

3.8 监控中心

综合管廊监控中心是由监控中心监控系统、监控分中心监控系统、管廊监控系统组成一套完整系统。一个城市可设一个综合管廊监控中心、多个区域监控分中心, 监控分中心又管辖所属管廊的监控。

总控中心对整个城市综合管廊进行统一监管、预警和处置, 需要与各监控分中心系统相互配合, 接收监控分中心采集的环境与设备信息、安防与消防信息、管线状态信息、管理信息等。监控中心负责对接收的信息进行分析处理, 生成并发布控制信息, 达到合理、有效的组织管廊运营与管理, 保证管廊安全运行。

分控中心负责与廊内设备配合, 采集管廊环境与设备信息、安防与消防信息、管线状态信息、报警信息、应急响应信息等实时信息, 并将采集信息上传到本地服务器或视频矩阵, 供监控中心监控程序连接访问。同时, 监控分中心对管廊内的设备和设施等进行控制。

4 结论

城市地下综合管廊的设计与研究能够实现对城市不同区域地下综合管廊的远程控制, 有效降低安全隐患, 保障廊体和入廊管线安全。该研究成果已经成功在住建部全国综合管廊建设信息系统试点项目:国家综合管廊第一批试点城市哈尔滨地下综合管廊设计与工程实施;第二批试点城市成都地下综合管廊智能化系统建设 (技术导则编制、总控中心规划设计、管廊智能化设计及施工图编制等) 实践中得以应用和验证。

摘要：针对政府部门、运营企业、入廊管线权属单位对于综合管廊智能化系统的需求, 开展城市地下管廊智能化系统体系架构、应用架构、数据架构、网络架构等总体设计研究和系统平台构建, 最终实现对城市不同区域地下综合管廊的远程控制, 有效降低安全隐患, 保障廊体和入廊管线安全。该研究成果已经成功在住建部全国综合管廊建设信息系统试点项目:国家综合管廊第一批试点城市哈尔滨地下综合管廊设计与工程实施;第二批试点城市成都地下综合管廊智能化系统建设 (技术导则编制、总控中心规划设计、管廊智能化设计及施工图编制等) 实践中得以应用和验证。

关键词：综合管廊,智能化系统,联动控制,数据中心