智慧管廊信息化建設(shè)探討

曹茂春，張東霞

CAO Mao-chun，ZHANG Dong-xia

（太極計(jì)算機(jī)股份有限公司）

（Taiji Computer Corporation limited）

智慧管廊信息化建設(shè)探討

曹茂春，張東霞

CAO Mao-chun，ZHANG Dong-xia

（太極計(jì)算機(jī)股份有限公司）

（Taiji Computer Corporation limited）

論文給出了智慧管廊定義，在分析智慧管廊信息化建設(shè)兩種方案基礎(chǔ)上，提出了智慧管廊信息化建設(shè)思路、目標(biāo)和總體架構(gòu)，并介紹了智慧管廊信息化建設(shè)的主要內(nèi)容。

智慧管廊；信息化建設(shè)；統(tǒng)一管理平臺(tái)；管廊監(jiān)控系統(tǒng)

1 智慧管廊綜述

在智慧城市和智慧園區(qū)大規(guī)模建設(shè)內(nèi)生需求和國內(nèi)急需打造經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動(dòng)力外在要求的推動(dòng)下，智慧管廊建設(shè)在國內(nèi)大面積展開，管廊建設(shè)方對(duì)地下管廊主體結(jié)構(gòu)建造已沒有任何技術(shù)障礙，但是對(duì)智慧管廊的特征、范圍、內(nèi)涵、外延以及信息化建設(shè)國內(nèi)還處于初探階段。

智慧管廊目前沒有統(tǒng)一定義，本文認(rèn)為智慧管廊是傳統(tǒng)管廊在智慧城市建設(shè)過程中提出的新要求，是數(shù)字管廊信息化發(fā)展的高級(jí)階段, 是智慧城市大動(dòng)脈和智慧城市建設(shè)的重要組成部分。套用智慧城市說法，智慧管廊是以城市地下管廊為研究對(duì)象，運(yùn)用空間信息（GIS）、建筑信息模型（BIM）、自動(dòng)化控制、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、知識(shí)管理等新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管廊規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營和維護(hù)等全方位的智慧化管理和運(yùn)營。

智慧管廊信息化建設(shè)目前主要有基于工業(yè)控制和基于管道信息化兩種解決方案?；谧詣?dòng)化控制的解決方案主要由西門子、施耐德等自動(dòng)化控制廠家發(fā)起，以PLC/RTU/IPCamra/NVR等硬件為核心，通過上下位軟件編程，采集管廊的環(huán)境、設(shè)施、安全等過程和安全等數(shù)據(jù)，按照控制策略控制管廊現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其信息化平臺(tái)是基于象WinCC、組態(tài)王這樣上位軟件的二次開發(fā)，是上位軟件的功能延展。上位軟件具有開發(fā)快、效率高 、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是上位軟件也有其局限性，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的封閉性、數(shù)據(jù)共享難及功能受限于開發(fā)平臺(tái)，目前國內(nèi)大多數(shù)已建和在建的管廊信息化都是基于工業(yè)控制的上位軟件開發(fā)，并以此為智慧管廊統(tǒng)一管理平臺(tái)?；诠艿佬畔⒒慕鉀Q方案主要由ArcGIS、MapGIS、GeoGlobe等GIS廠家發(fā)起，以各種GIS平臺(tái)為依托，采集管廊實(shí)體空間數(shù)據(jù)，建立管廊空間模型，融入實(shí)體屬性數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)和安全數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)管廊可視化管理，其信息化核心是基于GIS平臺(tái)二次開發(fā)。該方案優(yōu)點(diǎn)是界面友好、直觀，但有建模周期較長、需開發(fā)大量接口以及對(duì)電腦性能要求高等缺點(diǎn)。除上述兩種解決方案，還有1種自行獨(dú)立重新開發(fā)方案，周期更長，難度更大。

本文結(jié)合《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》GB 50838—2015以及太極公司近年在智慧管廊方面的實(shí)踐，提出智慧管廊信息化的一些探討。

2 智慧管廊信息化建設(shè)思路、目標(biāo)和總體架構(gòu)

2.1 思路與目標(biāo)

智慧管廊信息化建設(shè)宏觀思路概括為“五統(tǒng)四化三集中”，也就是在信息化建設(shè)中必須遵循“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一建設(shè)、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一運(yùn)營”原則，在軟件構(gòu)建時(shí)注重“標(biāo)準(zhǔn)化、集約化、智能化、協(xié)同化”，實(shí)現(xiàn)“資源集中、數(shù)據(jù)集中、運(yùn)營集中”的目的。

智慧管廊信息化建設(shè)微觀思路可以

套用太極智慧城市“六個(gè)一”思路，即“構(gòu)建一個(gè)開放的體系架構(gòu)、構(gòu)建一個(gè)安全的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、建設(shè)一個(gè)通用的功能平臺(tái)、建立一個(gè)統(tǒng)一的管廊數(shù)據(jù)體系、建立一個(gè)高效的管廊運(yùn)行中心、建立一套完整的管廊信息化標(biāo)準(zhǔn)體系”。

智慧管廊是個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)，其信息化建設(shè)目標(biāo)與城市管廊建設(shè)規(guī)模、納入管線的種類以及管廊建、運(yùn)、管理模式等密切相關(guān)，但最終要以安全、可靠、可維護(hù)性、可拓展性為依據(jù)，以服務(wù)管廊智慧化運(yùn)營和管理為主線，同時(shí)滿足智慧城市未來的地上地下一體化、管廊空間信息二三維一體化、建管運(yùn)一體化以及平戰(zhàn)一體化等要求。

2.2 總體架構(gòu)

智慧管廊信息化總體架構(gòu)如圖1所示，可以概括為：“111”。

——1：1個(gè)地下管廊空間實(shí)體。

——1：1套可視化的管廊監(jiān)控系統(tǒng)。

——1：1套科學(xué)合理的智慧管廊運(yùn)營保障體系。

其中地下管廊空間實(shí)體是按照《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》GB 50838—2015等相關(guān)建設(shè)規(guī)范，完成地下管廊實(shí)體總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、附屬設(shè)施設(shè)計(jì)以及納入綜合管廊的專項(xiàng)管線設(shè)計(jì)，提供管廊空間實(shí)體構(gòu)筑物及設(shè)施。

運(yùn)營保障體系包括標(biāo)準(zhǔn)體系、建設(shè)模式、運(yùn)營維護(hù)體系，本文不贅述。

智慧管廊信息化重點(diǎn)是可視化的管廊監(jiān)控系統(tǒng)，其可以分為3層：

——現(xiàn)場層

統(tǒng)籌規(guī)劃地下管廊空間及附屬設(shè)施、管線本體及管線本體設(shè)備監(jiān)控，建設(shè)分區(qū)科學(xué)、傳感器/執(zhí)行器、主控器和系統(tǒng)配置合理的感知體系，實(shí)現(xiàn)地下管廊空間全面感知和控制。

——資源層

提供機(jī)房環(huán)境、云計(jì)算設(shè)施以及共性支持平臺(tái)，以支持管廊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算、交換以及大數(shù)據(jù)分析等功能。資源層還有1個(gè)很重要的任務(wù)是管廊地理空間數(shù)據(jù)等信息資源建設(shè)。

圖1 智慧管廊信息化總體架構(gòu)

——管控層

提供國標(biāo)規(guī)定統(tǒng)一管理平臺(tái)和國標(biāo)之外拓展管理平臺(tái)。管線權(quán)屬單位監(jiān)控平臺(tái)，可以看作是管控層的一部分，一般不由管廊建設(shè)方建設(shè)，但要注意其雙向通訊數(shù)據(jù)接口，各專業(yè)管線單位應(yīng)將本專業(yè)管線運(yùn)行信息、會(huì)影響到管廊本體安全或其他專業(yè)管線安全運(yùn)行的信息，送至統(tǒng)一管理平臺(tái)；統(tǒng)一管理平臺(tái)應(yīng)將監(jiān)測到的與各專業(yè)管線運(yùn)行安全的有關(guān)信息，送至各專業(yè)管線權(quán)屬公司監(jiān)控平臺(tái)。

國標(biāo)規(guī)定，統(tǒng)一管理平臺(tái)集成監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)各子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警處置、聯(lián)動(dòng)控制等綜合處理功能。該平臺(tái)還提供數(shù)據(jù)通訊接口，與管線權(quán)屬單位監(jiān)控系統(tǒng)或平臺(tái)雙向連通。國標(biāo)之外拓展管理平臺(tái)可根據(jù)城市管廊建設(shè)實(shí)際需求、投資情況進(jìn)行拓展。

基于上述架構(gòu)，本文給出1個(gè)基于云化的管廊信息化拓?fù)浼軜?gòu)，如圖2。

為了適應(yīng)大城市未來有多個(gè)管廊和

多個(gè)管廊建設(shè)運(yùn)營方，本文再給出1個(gè)城市多個(gè)管廊運(yùn)營方拓?fù)錁?gòu)架，單個(gè)管廊運(yùn)營單元通過接入層區(qū)域級(jí)管廊運(yùn)營中心、區(qū)域級(jí)管廊運(yùn)營中心通過匯聚層交換機(jī)接入城市級(jí)管廊運(yùn)營單元，如圖3所示。

圖2 云化的智慧管廊拓?fù)浼軜?gòu)

3 智慧管廊信息化建設(shè)的主要內(nèi)容

3.1 現(xiàn)場層建設(shè)

現(xiàn)場層主要由傳感器/執(zhí)行器、主控器和系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)地下管廊空間環(huán)境、附屬設(shè)施、管線本體及管線設(shè)備全面感知和控制。感知數(shù)據(jù)有管廊環(huán)境數(shù)據(jù)、附屬設(shè)施監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、管線本體監(jiān)測和管線設(shè)施數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、通訊數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)、火災(zāi)報(bào)警數(shù)據(jù)等。

環(huán)境感知通過溫度、濕度、液位、氧氣、甲烷、硫化氫等傳感器采集，附屬設(shè)施監(jiān)控主要對(duì)象有消防、通風(fēng)、供電、照明、排水等設(shè)施I/O信號(hào)，管線本體通過漏電、漏水、漏氣等傳感器采集，管線本體設(shè)施如閥門、在線儀表監(jiān)控可以通過現(xiàn)場采集或通過第三方交換得到，以上過程數(shù)據(jù)可以通過PLC上傳至系統(tǒng)。安全數(shù)據(jù)可以通過IP攝像頭、門禁等實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場采集，通過視頻主機(jī)、門禁主機(jī)進(jìn)行監(jiān)控?，F(xiàn)場層感知／監(jiān)控主要對(duì)象如圖4所示。

現(xiàn)場層系統(tǒng)主要有安全防范系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、標(biāo)識(shí)系統(tǒng)和其他系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)原則上應(yīng)該獨(dú)立運(yùn)行，不會(huì)因?yàn)槠渌到y(tǒng)崩潰而影響各自功能。由于篇幅原因，本文簡述安全防范系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)兩個(gè)系統(tǒng)的主要功能。

安全防范系統(tǒng)建設(shè)的主要功能如下：

1)視頻監(jiān)控：監(jiān)控人員可以直接對(duì)地下管廊內(nèi)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；

2)入侵報(bào)警：通過設(shè)置在人員出入口、逃生口、吊裝口、進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口前端探測器對(duì)非法進(jìn)入城市管廊進(jìn)行及時(shí)報(bào)警；

3)電子巡更：用于管理人員對(duì)管廊內(nèi)的重要設(shè)施進(jìn)行定時(shí)巡檢；

4)出入口控制：在人員出入口設(shè)置門禁系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)入管廊人員進(jìn)行有效管理；

5)語音對(duì)講：通過管廊內(nèi)的對(duì)講分機(jī)與控制中心進(jìn)行及時(shí)溝通；

6)人員定位及管理：結(jié)合GIS系統(tǒng)可以直觀看到進(jìn)入管廊的人員具體位置，配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)人員活動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)控。

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的主要功能如下：

1)對(duì)綜合管廊內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與報(bào)警；

2)對(duì)通風(fēng)設(shè)備、排水泵、電氣設(shè)備等附屬設(shè)施進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和控制；

3)對(duì)管線本體及管線上設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和控制。

3.2 資源層建設(shè)

資源層建設(shè)主要包括IT基礎(chǔ)設(shè)施資源、信息資源和平臺(tái)資源建設(shè)等。IT基礎(chǔ)設(shè)施資源建設(shè)包括機(jī)房環(huán)境、計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)以及安全等數(shù)據(jù)中心資源建設(shè)，數(shù)據(jù)中心可以“云計(jì)算”的方式予以建設(shè)，在城市設(shè)置智慧管廊云計(jì)算中心，也可以和已有智慧城市云數(shù)據(jù)中心共用，通過虛擬化和集群化完成智慧管廊所需IT資源的自動(dòng)化調(diào)度。

管廊信息資源主要包括以下數(shù)據(jù)：

1)基礎(chǔ)類數(shù)據(jù)：管線本體數(shù)據(jù)、管線三維數(shù)據(jù)、管線普查數(shù)據(jù)；

2)監(jiān)控類數(shù)據(jù)：環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等；

3)業(yè)務(wù)類數(shù)據(jù)：業(yè)務(wù)審批數(shù)據(jù)、工程檔案數(shù)據(jù)等；

4)管理類數(shù)據(jù)：城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、城市規(guī)劃數(shù)據(jù)、管線規(guī)劃數(shù)據(jù)、管線審批

數(shù)據(jù)、管線竣工數(shù)據(jù)等；

5)其他數(shù)據(jù)：報(bào)警數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等。

圖3 大型城市智慧廊三級(jí)拓?fù)浼軜?gòu)

圖4 現(xiàn)場層監(jiān)控對(duì)象

信息資源的建設(shè)主要以上述數(shù)據(jù)入庫，入庫的方式可以是在線、交換、合成或人工錄入。其中管廊空間信息、管線本體空間信息數(shù)據(jù)庫建立，是工作量很大的工作。信息資源的建設(shè)還必須高度重視各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)交換等數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范建設(shè)，形成城市智慧管廊信息資源標(biāo)準(zhǔn)。

平臺(tái)資源建設(shè)是將物聯(lián)網(wǎng)接入平臺(tái)、GIS支撐平臺(tái)、統(tǒng)一視頻管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)共享交換平臺(tái)、云服務(wù)平臺(tái)、大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)等各種共性平臺(tái)集中建設(shè)，以便節(jié)省資源和投資，提高智慧管廊云計(jì)算中心功能及復(fù)用價(jià)值。這些共性平臺(tái)可以按照項(xiàng)目實(shí)施情況予以分期實(shí)施。

3.3 管控層建設(shè)

管控層包括國標(biāo)規(guī)定的統(tǒng)一管理平臺(tái)和國標(biāo)之外的拓展應(yīng)用。國標(biāo)規(guī)定統(tǒng)一管理平臺(tái)主要集成監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)的各子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警處置、聯(lián)動(dòng)控制等，并應(yīng)具有數(shù)據(jù)通信、信息采集和綜合處理功能。

智慧管廊統(tǒng)一管理平臺(tái)建設(shè)的主要功能有：

1)平臺(tái)通用服務(wù)功能：包括環(huán)境監(jiān)測服務(wù)、設(shè)備監(jiān)控服務(wù)、安防監(jiān)控服務(wù)、報(bào)警監(jiān)視服務(wù)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析以及安全權(quán)限、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等功能。

2)監(jiān)控模塊功能：綜合管廊運(yùn)行展板、綜合實(shí)時(shí)監(jiān)控、綜合報(bào)警管理、數(shù)據(jù)分析、趨勢(shì)分析以及報(bào)表生成及打印。

3)報(bào)警聯(lián)動(dòng)服務(wù)功能：包括警情分級(jí)、聯(lián)動(dòng)預(yù)案編輯、聯(lián)動(dòng)控制執(zhí)行、聯(lián)動(dòng)預(yù)案調(diào)試和報(bào)警預(yù)案管理等功能。

4)提供數(shù)據(jù)通訊接口，與專業(yè)管線監(jiān)控系統(tǒng)或平臺(tái)連通。

國標(biāo)之外拓展管理平臺(tái)

國標(biāo)之外拓展應(yīng)用可根據(jù)城市管廊建設(shè)實(shí)際情況和需求進(jìn)行拓展，目前主要有如下應(yīng)用。

1)基于GIS的智慧管廊應(yīng)用

基于GIS應(yīng)用整合地下管線數(shù)據(jù)資源，實(shí)現(xiàn)地下管線的可視化管理、存儲(chǔ)、查詢、分析、定位，更重要的是運(yùn)用GIS技術(shù)將各類地下管線資源更有效地融入到城市地下綜合管廊工程從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、采購、竣工到運(yùn)營維護(hù)的全生命周期。典型應(yīng)用有：管線數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、管線監(jiān)測管理系統(tǒng)、管線綜合

管理系統(tǒng)等。

2)基于BIM的智慧管廊應(yīng)用

BIM應(yīng)用和GIS類似，也可以貫穿城市地下綜合管廊工程從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、采購、竣工到運(yùn)營維護(hù)的全生命周期，基于BIM應(yīng)用的非常多，可參考BIM相關(guān)文獻(xiàn)。

3)應(yīng)急管理系統(tǒng)

綜合管廊安全運(yùn)行關(guān)系到1個(gè)城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)，由于其重要性、復(fù)雜性和連鎖性，因此，智慧管廊必須配置1套應(yīng)急管理系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)緊急情況，可以利用應(yīng)急管理系統(tǒng)降低或避免損失擴(kuò)大化。應(yīng)急管理系統(tǒng)主要有應(yīng)急值守、風(fēng)險(xiǎn)隱患監(jiān)測、綜合預(yù)測、預(yù)案知識(shí)庫管理、應(yīng)急保障管理、指揮調(diào)度、模擬演練等功能。

4)運(yùn)營管理系統(tǒng)

綜合管廊運(yùn)營主要功能有：值班排班管理、資產(chǎn)管理、檔案管理、請(qǐng)求管理、變更管理、任務(wù)管理、設(shè)備管理、備件管理、知識(shí)庫管理、人員管理、巡檢管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、能耗分析、管理考核、合同管理、收費(fèi)管理、工單管理、運(yùn)營成本分析、智能診斷、查詢分析、系統(tǒng)維護(hù)和診斷、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)告等功能。

5)移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)

利用手機(jī)、平板等智能終端實(shí)現(xiàn)檢修定位、工單回傳、一鍵救援、預(yù)案聯(lián)動(dòng)、綜合信息查詢、標(biāo)示管理和作業(yè)指導(dǎo)等功能。

4 總結(jié)

智慧管廊信息化建設(shè)是1個(gè)漸進(jìn)過程，初期建設(shè)重點(diǎn)應(yīng)該是監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng)，后期逐步拓展GIS/BIM應(yīng)用、運(yùn)營管理系統(tǒng)、應(yīng)急指揮系統(tǒng)等應(yīng)用，并逐步拓展信息化在管廊規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)、智慧城市接口等全方位的應(yīng)用。隨著國內(nèi)各城市管廊建設(shè)落地和運(yùn)營，智慧管廊信息化建設(shè)將愈加完善，其建設(shè)內(nèi)容也愈加豐富全面。

[1]曹茂春，張春光. 智慧校園建設(shè)探討[J] .智能建筑與城市信息，2015（12）：75-78.

[2]曹茂春. 智慧園區(qū)總體規(guī)劃和設(shè)計(jì)[J]. 智能建筑, 2015（8）：41-44.

[3]曹茂春，洪勁飛. 智慧園區(qū)建設(shè)探討[J].智能建筑, 2014（9）：34-39.

[4]曹茂春，齊雄. 智慧城市的探討與實(shí)踐[J]. 智能建筑與城市信息，2013（10）：94-100.

The Probe of Smart Utility Tunnel Informatization Construction

The definition of smart utility tunnel is given, on the basis of the analysis of the two solutions for the information construction of smart utility tunnel. The idea, goal and overall architecture of the information construction of smart utility tunnel are presented. Finally the main contents of the information construction of smart utility tunnel are put forward.

smart utility; informatization construction; uniform management platform; monitor system of utility tunnel