淺談基於多源數據集成的城市地下管廊運維與智慧管控研究

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、美國等發達國家的管廊規劃建設與(yu) 安全運維體(ti) 係已經日臻完善，截止目前，國外已建成各類管廊5000 km以上。相關(guan) 研究主要集中在管廊類型與(yu) 體(ti) 係、規劃設計技術標準；管廊本體(ti) 結構在地震、水害等災害荷載作用下的成災機理和抗災技術；智能化管理係統對內(nei) 部管線設備、廊內(nei) 環境進行監測等方麵。麵向智能感知、數據集成、運營管理與(yu) 決(jue) 策分析的管廊安全運營與(yu) 智慧管控研究建設基本處於(yu) 空白。當前，我國正處於(yu) 管廊大規模建設發展階段，國家相繼出台相關(guan) 政策、標準、指南，進一步規範和推進管廊的建設和發展。截止2017年，全國已累計開工建設管廊近5000 km，共開展了兩(liang) 批示範城市建設。但在科研上，麵向地下管廊係統研究基本處於(yu) 初級階段，大部分集中於(yu) 工程設計和施工、環境監測、管廊本體(ti) 監測等，但是基於(yu) 數據融合的城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控基本沒有，即便實現了環境監測或管廊本體(ti) 監測隻是對單一安全問題的簡單監測。預計“十三五"期末，全國將有6000 km以上的綜合管廊投入運營，這種敷設了維持城市正常運行的各類市政管線，致災環境複雜，破壞損失巨大的城市“生命線"工程，將帶來一係列公共安全新需求、新問題，對其進行係統研究非常緊迫和必要，其中麵向多源數據集成的城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控研究就是其中的重要課題之一。

   關(guan) 鍵詞：數據集成 數據融合 地下管廊 安全運營 智慧管控

2、麵向多源數據集成的總體(ti) 架構設計

   城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控主要圍繞感知、傳(chuan) 輸、數據、平台與(yu) 應用以及展現等層麵的關(guan) 鍵技術研究及其應用，本文針對其涵蓋內(nei) 容進行了分層架構研究，如圖1所示將其分為(wei) 三層，其中感知與(yu) 傳(chuan) 輸為(wei) 第一層，即前端；數據與(yu) 平台為(wei) 第二層，即支撐；應用與(yu) 展現為(wei) 第三層，即服務。

圖1 麵向多源數據集成的城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控整體(ti) 架構

   第一層：感知與(yu) 傳(chuan) 輸層，主要負責安全運營與(yu) 智慧管控的前端監控數據采集與(yu) 傳(chuan) 輸，包括環境與(yu) 設備監控、管廊本體(ti) 監控、融合通信、人員設備定位、安全防範（入侵探測）以及監控預警等智能傳(chuan) 感與(yu) 傳(chuan) 輸裝置，為(wei) “安全監管、集成融合、智能聯動"服務做鋪墊。

   第二層：數據與(yu) 平台層，主要負責安全運營與(yu) 智慧管控的數據集成、數據管理、數據服務以及平台支撐，基於(yu) “統一規劃、集約建設"的數據體(ti) 係提供綜合管廊各類數據、信息的集中存儲(chu) 、管理、分析與(yu) 共享服務，為(wei) 各類智慧應用提供完整的、有效的數據支撐，並通過“統一接口"為(wei) 提供數據資源、地理信息和協同管理等方麵的支撐技術服務。

   第三層：應用與(yu) 展現層，從(cong) “安全服務、智能運維、應急指揮"3個(ge) 方麵做到安全運營與(yu) 智慧管控服務，以大屏幕顯示、PC機、移動終端、虛擬現實等各種展現形式提供給客戶，做到“用數據管理、用數據決(jue) 策、用數據服務"。

3、安全運營與(yu) 智慧管控關(guan) 鍵技術研究

   城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控的核心在於(yu) 數據與(yu) 應用。數據是管廊安全運營與(yu) 智慧管控服務的關(guan) 鍵信息，也是地下管廊運營企業(ye) 的核心資產(chan) ，如果不對數據生命周期全過程加以管治與(yu) 融合分析，將可能帶來數據安全、數據決(jue) 策與(yu) 成本效率等問題，為(wei) 此數據集成、融合與(yu) 聯動十分關(guan) 鍵。同時，城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控體(ti) 係以及城市地下管廊安全運營突發事件應急處置等關(guan) 鍵問題是城市地下綜合管廊安全防控的核心要素。

3.1麵向時空信息的多源異構數據集成、聯動與(yu) 融合構架模型

   城市地下綜合管廊的數據是典型的多源異構數據，數據來源不同，有環境監控實時數據，有視頻監控數據，有管廊本體(ti) 數據，還有管廊及其設備人員空間位置數據以及應急預案文本數據等，為(wei) 此多源數據集成、聯動與(yu) 融合是管廊安全運營與(yu) 智能化管控的核心。本文采用數據標準集成、基於(yu) 位置服務與(yu) 時間節點聯動、麵向業(ye) 務模型實現應用融合的思路構架模型，如圖2所示。

圖2麵向時空信息的多源異構大數據集成、聯動與(yu) 融合構架

         1）數據資源上，包括環境設備監測、人員設備定位、融合通信、管廊本體(ti) 監測、視頻監控等感知數據，同時還有管廊、管線等空間數據及設備、管線等屬性數據（如設備廠家、管線材質等）。為(wei) 了保證應用的數據分析和利用需求，統一製定相應數據編碼標準和數據接口標準來規範數據體(ti) 係建設。

         2）信息關(guan) 聯上，基於(yu) 位置服務與(yu) 時間節點構建時空數據模型，麵向業(ye) 務應用可隨時聯動。

         3）融合分析上，麵向業(ye) 務應用服務構建時空融合分析模型，比如智能運營、應急聯動、監控預警與(yu) 健康分析等時空動態業(ye) 務模型。以應急聯動為(wei) 例，其應用來自時間數據、空間數據、實時監控數據、文本數據（應急預案）等多種類型數據，通過基於(yu) 元數據分析的多源異構大數據融合方法及技術構建有效融合模型，保證數據的動態性、完整性、安全性和一致性，進而完成信息資源的高效儲(chu) 存和無縫流轉，為(wei) 多源異構時空數據的集成提供應用解決(jue) 方案。

3.2地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控體(ti) 係

   城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控主要集成環境監控、管廊本體(ti) 監控、人員設備定位、入侵探測安全防範等，構建環境、設施、設備與(yu) 結構安全體(ti) 係，最終基於(yu) 3DGIS+BIM+全景的管廊安全監測監控綜合集成、聯動報警與(yu) 控製，並基於(yu) ITSS的綜合管廊智能運維與(yu) 服務，建立運維、成本與(yu) 管理等服務的地下管廊綜合評價(jia) 指標體(ti) 係，考核管廊安全健康狀況、運維服務情況以及成本與(yu) 管理情況，構建城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控體(ti) 係，指標體(ti) 係如圖3所示。

圖3地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控指標體(ti) 係

3.3基於(yu) GIS的管廊運營隱患預警與(yu) 突發事件應急聯動處置技術

   城市地下綜合管廊安全運營主要是麵向環境、設施、設備與(yu) 結構安全的實時監控以及異常信息預警預防與(yu) 突發事件的應急聯動處置，處置流程如圖4所示。①預警信息主要包括：氣象、地質災害等自然災害的預報信息，管廊環境、設備以及入廊管線實時監測的異常信息，人工巡檢發現的異常信息。預警信息在進行核實、篩選後，基於(yu) 數據融合技術進行評估、分析，根據可能對綜合管廊本身、各專(zhuan) 業(ye) 管線造成影響的危害程度和影響範圍，對事件等級進行劃分，並提出應對方案和建議。②基於(yu) GIS的應急指揮空間應用、應急資源優(you) 化與(yu) 聯動控製：應急處置過程中，基於(yu) GIS形式集中展示各種信息，如管廊環境、設備以及入廊管線實時監測數據，現場視頻，實時氣象信息，實時交通信息，應急資源和隊伍分布，應急隊伍實時位置信息等，進行態勢標繪，並根據應急預案進行聯動處置。

圖4管廊運營隱患預警與(yu) 突發事件應急聯動處置流程

4、應用實現及其規範

   在數據融合、安全運營與(yu) 智慧管控體(ti) 係以及管廊運營隱患預警與(yu) 突發事件應急聯動處置等關(guan) 鍵技術研究的基礎上，以“安全服務、智能運維、應急指揮"為(wei) 核心內(nei) 容構建了麵向多源數據集成的城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控服務平台，並已在連雲(yun) 港市徐圩新區取得成功示範應用，如圖5所示。該示範應用效果：①解決(jue) 了環境與(yu) 設備監控、管廊本體(ti) 監控、安全防範監測以及視頻監控等前端感知數據的集中管理與(yu) 數據融合，已實現全麵的安全監控服務；②基於(yu) 3DGIS+BIM+全景構建了城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控服務係統；③基於(yu) 安全運營與(yu) 智慧管控體(ti) 係已實現管廊本體(ti) 與(yu) 各類權屬管線的智能化運營服務，並已實現基於(yu) 位置服務的智能巡檢服務；④基於(yu) 數據集成與(yu) 融合以及空間數據服務已實現基於(yu) 位置服務的應急指揮調度與(yu) 輔助決(jue) 策應用。

圖5城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控服務平台示範應用

5、平台拓撲圖

6、平台子係統

   18luck新客户端主要針對10/0.4kV地麵或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀(yi) 表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀(yi) 表，用於(yu) 測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電係統開關(guan) 櫃、變壓器微機保護測控裝置、發電機控製櫃、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

環境監測

   環境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體(ti) 濃度、門禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內(nei) 的水泵和通風排煙風機等設備集成的第三方係統完成管廊環境綜合監控。

馬達監控

   馬達監控實現對管廊電機的保護、遙測、遙信、遙控功能，實現對電機過載、短路、缺相、漏電等異常情況的保護、監測和報警。在需要的情況下可以設置聯動控製。

電氣安全

         AcrelEMS-UT能效管理係統針對配電係統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳(chuan) 感器、溫度傳(chuan) 感器，消防設備電源傳(chuan) 感器、防火門狀態傳(chuan) 感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，並且對UPS的蓄電池溫度、內(nei) 阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

智能照明控製

①　防火分區單獨控製，分區內(nei) 設置智能控製麵板就地驅動器；開關(guan) 驅動器連接消防報警係統，接收消防報警信息，強製打開驅動器回路。

②　廊內(nei) 上方安裝智能照明傳(chuan) 感器，使人員進入管廊內(nei) 自動開啟燈具，在管廊內(nei) 停留燈具保持常亮，離開後燈具關(guan) 閉。

③　除了現場的控製方式外，還可用電腦端實現集中控製，實時遠程監控當前區域的照明情況，必要時可遠程控製該區域的照明。

④　考慮現場模塊分布較廣，距離過長，除了現場的控製方式外，還可用電腦端實現集中控製，實時遠程監控當前區域的照明情況，必要時可遠程控製該區域的照明。

⑤　係統支持單控、區域控製、自動控製、感應控製、定時控製、場景控製、調光控製等多種控製方式，支持延時控製，避免同時亮燈負荷對配電係統造成衝(chong) 擊。模塊不依賴係統，可獨立工作，每個(ge) 模塊均自帶時間模塊，可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控製功能。

7、電相關(guan) 平台部署硬件選型清單

1.智能照明係統

2.電氣火災監控係統

3.消防設備電源監控係統

4.防火門監控係統

5.消防應急照明和疏散指示係統

8、結束語

   城市地下綜合管廊智能化建設麵臨(lin) 管廊本體(ti) 監控、管廊環境監控、管廊通信、視頻監控與(yu) 智能巡檢、應急處置等多源數據，本文提出了麵向時空信息的多源異構數據集成、聯動與(yu) 融合構架模型，並結合城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控建立了管理、成本、運維與(yu) 健康等服務的評價(jia) 指標體(ti) 係及基於(yu) GIS的管廊運營隱患預警與(yu) 突發事件應急聯動處置模型。基於(yu) 上述研究，成功研發了城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控服務軟件平台，並在管廊智能化行業(ye) 取得示範應用。到2020年，國內(nei) 將建成一批具有水平的地下綜合管廊並投入運營，城市地下綜合管廊安全運營與(yu) 智慧管控將具有廣闊的市場應用前景，將保障城市地下綜合管廊運營並提高管控效率。

安科瑞侯文莉