淺談基于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安全運維體系已經日臻完善，截止目前，國外已建成各類管廊5000 km以上。相關研究主要集中在管廊類型與體系、規劃設計技術標準；管廊本體結構在地震、水害等災害荷載作用下的成災機理和抗災技術；智能化管理系統對內部管線設備、廊內環境進行監測等方面。面向智能感知、數據集成、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基本處于空白。當前，我國正處于管廊大規模建設發展階段，國家相繼出臺相關政策、標準、指南，進一步規范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，共開展了兩批示范城市建設。但在科研上，面向地下管廊系統研究基本處于初級階段，大部分集中于工程設計和施工、環境監測、管廊本體監測等，但是基于數據融合的城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控基本沒有，即便實現了環境監測或管廊本體監測只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，致災環境復雜，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，對其進行系統研究非常緊迫和必要，其中面向多源數據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。

   關鍵詞：數據集成 數據融合 地下管廊 安全運營 智慧管控

2、面向多源數據集成的總體架構設計

   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、數據、平臺與應用以及展現等層面的關鍵技術研究及其應用，本文針對其涵蓋內容進行了分層架構研究，如圖1所示將其分為三層，其中感知與傳輸為層，即前端；數據與平臺為第二層，即支撐；應用與展現為第三層，即服務。

圖1 面向多源數據集成的城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控整體架構

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

   第二層：數據與平臺層，主要負責安全運營與智慧管控的數據集成、數據管理、數據服務以及平臺支撐，基于“統一規劃、集約建設"的數據體系提供綜合管廊各類數據、信息的集中存儲、管理、分析與共享服務，為各類智慧應用提供完整的、有效的數據支撐，并通過“統一接口"為提供數據資源、地理信息和協同管理等方面的支撐技術服務。

   第三層：應用與展現層，從“安全服務、智能運維、應急指揮"3個方面做到安全運營與智慧管控服務，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、用數據決策、用數據服務"。

3、安全運營與智慧管控關鍵技術研究

   城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控的核心在于數據與應用。數據是管廊安全運營與智慧管控服務的關鍵信息，也是地下管廊運營企業的核心資產，如果不對數據生命周期全過程加以管治與融合分析，將可能帶來數據安全、數據決策與成本效率等問題，為此數據集成、融合與聯動十分關鍵。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事件應急處置等關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數據集成、聯動與融合構架模型

   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，為此多源數據集成、聯動與融合是管廊安全運營與智能化管控的核心。本文采用數據標準集成、基于位置服務與時間節點聯動、面向業務模型實現應用融合的思路構架模型，如圖2所示。

圖2面向時空信息的多源異構大數據集成、聯動與融合構架

         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）。為了保證應用的數據分析和利用需求，統一制定相應數據編碼標準和數據接口標準來規范數據體系建設。

         2）信息關聯上，基于位置服務與時間節點構建時空數據模型，面向業務應用可隨時聯動。

         3）融合分析上，面向業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、監控預警與健康分析等時空動態業務模型。以應急聯動為例，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，通過基于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存和無縫流轉，為多源異構時空數據的集成提供應用解決方案。

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境監控、管廊本體監控、人員設備定位、入侵探測安全防范等，構建環境、設施、設備與結構安全體系，最終基于3DGIS+BIM+全景的管廊安全監測監控綜合集成、聯動報警與控制，并基于ITSS的綜合管廊智能運維與服務，建立運維、成本與管理等服務的地下管廊綜合評價指標體系，考核管廊安全健康狀況、運維服務情況以及成本與管理情況，構建城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控體系，指標體系如圖3所示。

圖3地下綜合管廊安全運營與智慧管控指標體系

3.3基于GIS的管廊運營隱患預警與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面向環境、設施、設備與結構安全的實時監控以及異常信息預警預防與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、篩選后，基于數據融合技術進行評估、分析，根據可能對綜合管廊本身、各專業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，并提出應對方案和建議。②基于GIS的應急指揮空間應用、應急資源優化與聯動控制：應急處置過程中，基于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，并根據應急預案進行聯動處置。

圖4管廊運營隱患預警與突發事件應急聯動處置流程

4、應用實現及其規范

   在數據融合、安全運營與智慧管控體系以及管廊運營隱患預警與突發事件應急聯動處置等關鍵技術研究的基礎上，以“安全服務、智能運維、應急指揮"為核心內容構建了面向多源數據集成的城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控服務平臺，并已在連云港市徐圩新區取得成功示范應用，如圖5所示。該示范應用效果：①解決了環境與設備監控、管廊本體監控、安全防范監測以及視頻監控等前端感知數據的集中管理與數據融合，已實現全面的安全監控服務；②基于3DGIS+BIM+全景構建了城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控服務系統；③基于安全運營與智慧管控體系已實現管廊本體與各類權屬管線的智能化運營服務，并已實現基于位置服務的智能巡檢服務；④基于數據集成與融合以及空間數據服務已實現基于位置服務的應急指揮調度與輔助決策應用。

圖5城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控服務平臺示范應用

5、平臺拓撲圖

6、平臺子系統

   電力監控主要針對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和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、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的水泵和通風排煙風機等設備集成的第三方系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制。

電氣安全

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

智能照明控制

①　防火分區單獨控制，分區內設置智能控制面板就地驅動器；開關驅動器連接消防報警系統，接收消防報警信息，強制打開驅動器回路。

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

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

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

⑤　系統支持單控、區域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調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造成沖擊。模塊不依賴系統，可獨立工作，每個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制功能。

7、電相關平臺部署硬件選型清單

1.智能照明系統

2.電氣火災監控系統

3.消防設備電源監控系統

4.防火門監控系統

5.消防應急照明和疏散指示系統

8、結束語

   城市地下綜合管廊智能化建設面臨管廊本體監控、管廊環境監控、管廊通信、視頻監控與智能巡檢、應急處置等多源數據，本文提出了面向時空信息的多源異構數據集成、聯動與融合構架模型，并結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、運維與健康等服務的評價指標體系及基于GIS的管廊運營隱患預警與突發事件應急聯動處置模型。基于上述研究，成功研發了城市地下綜合管廊安全運營與智慧管控服務軟件平臺，并在管廊智能化行業先取得示范應用。到2020年，國內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。