綜合管廊安防通信一體化系統(tǒng)設計

蔣 建 彬

[上海電器科學研究所(集團)有限公司,上海200063]

0 引 言

綜合管廊作為地下構筑物,容納電力、通信、供水、燃氣、熱力等管線,是保障城市安全運行的生命線,其往往呈帶狀,延綿數(shù)千米,甚至數(shù)十千米。綜合管廊日常運行過程中,安全防范和通信是不可或缺的[1-2]。本文針對寧波通途路綜合管廊的安全防范與通信系統(tǒng),提出安防通信一體化系統(tǒng)設計優(yōu)化建議。

1 項目概況

寧波通途路綜合管廊工程長約為5.4 km,西起世紀大道,東至東外環(huán),分高壓電力艙、綜合艙。入廊管線包含高壓電力(220 kV、110 kV)、10 kV電力、通信、供水管線。起終點接入福明變、新樂變路段管廊采用明挖施工,長約為0.7 km;中間段管廊采用盾構施工,長度約為4.6 km。在海晏路及東外環(huán)處各設置兩條電力頂管隧道,總長約為170 m。

2 安防通信一體化系統(tǒng)

安防通信一體化系統(tǒng)是一套適合綜合管廊場景應用的系統(tǒng),可以為用戶提供全廊道入侵探測及定位、人員精準定位、在線式電子巡查、無線語音通信、物聯(lián)網(wǎng)融合通信等服務,實現(xiàn)多系統(tǒng)、多功能的深度融合,是物聯(lián)網(wǎng)技術在城市綜合管廊領域的成功應用。

安防通信一體化系統(tǒng)由管理層、核心層、匯聚層、接入層和終端層組成,系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓撲圖

(1) 管理層包括綜合管理軟件服務器(MP)和監(jiān)控顯示終端。MP負責探測系統(tǒng)告警處理、定位管理、區(qū)域管理、巡檢管理、視頻聯(lián)動、設備管理、參數(shù)配置等功能。監(jiān)控顯示終端提供人機交互入口。

(2) 核心層包括網(wǎng)絡控制軟件服務器(NC)、多媒體服務器(SIP)和無線控制器(AC)。NC負責入侵信號分析、定位數(shù)據(jù)計算、語音數(shù)據(jù)漫游等功能。SIP負責語音呼叫、連接、轉發(fā)、掛斷等語音功能。AC負責WiFi無線接入子網(wǎng)管理。

(3) 匯聚層包括綜合控制器(CC)和綜合控制器(防爆)(CC)。CC負責接入層設備供電、有線數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)議轉換等功能。綜合控制器在常規(guī)倉使用,支持接入智慧AP、無線覆蓋通信線和擴展基站。

(4) 接入層包括窄帶無線子網(wǎng)接入和WiFi無線子網(wǎng)接入,窄帶無線子網(wǎng)包括無線覆蓋通信線基站、擴展基站和末端器,負責建立微波陣列,采集入侵傳感和定位原始數(shù)據(jù),語音數(shù)據(jù)轉發(fā)。WiFi無線子網(wǎng)由智慧AP組成,負責WiFi設備接入和數(shù)據(jù)傳輸。

(5) 終端層包括礦用智能手機、窄帶無線通信模塊和標識卡。礦用智能手機和窄帶無線通信模塊組合可實現(xiàn)定位和語音通信。標識卡可實現(xiàn)定位。

3 需求分析

3.1 全方位通信

安防通信一體化系統(tǒng)基于底層基礎架構提供的物聯(lián)網(wǎng)與WiFi網(wǎng)絡,能實現(xiàn)全方位通信能力。

(1) 實現(xiàn)基于無線物聯(lián)網(wǎng)的高并發(fā)、低速率、低功耗通信,適合于各種固定式、移動式傳感器接入和終端定位卡接入,從而智慧運維管理平臺具備更快捷接入新物聯(lián)網(wǎng)終端設備的能力。

(2) 實現(xiàn)對燃氣艙等特殊區(qū)域的基本通信能力覆蓋,包括語音和短信,從而使系統(tǒng)提供的通信能力沒有死角。

(3) 實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)+WiFi的雙模融合通信能力,支持語音、短信、視頻、即時通信等多種通信手段,有力支持運維工作開展。

(4) 實現(xiàn)對手機、內(nèi)部固話、外部固話、公網(wǎng)移動電話、PC客戶端5類通信媒介的全方位融合支持,支持混搭式多方通話,支持廊內(nèi)-監(jiān)控中心-外單位多方協(xié)同工作。

3.2 應急救援/應急指揮調度

緊急情況下,管理人員可根據(jù)管廊內(nèi)人員分布情況,通過移動通信系統(tǒng)、無線廣播系統(tǒng)、精確定位終端等指導管廊內(nèi)人員沿安全路徑進行逃生,同時能指導救援人員快速定位事發(fā)區(qū)域和被困人員,實現(xiàn)應急救援的統(tǒng)一調度和指揮。

3.3 緊急事件實時快速響應

當發(fā)生入侵、人員傷病、嚴重危險事故等情況時,需要盡快進行處置,及時找到管廊內(nèi)的相關人員并做出指揮調度,系統(tǒng)需要精確定位找到廊內(nèi)人員,自動顯示其聯(lián)系方法,值班員可立刻與之聯(lián)系進行指揮調度。系統(tǒng)精確定位能力使應急指揮調度更加高效、精準。

3.4 人員安全預警

控制中心需要對管廊內(nèi)部的人員分布、行為模式進行實時監(jiān)測,例如20 m內(nèi)有8～10個人一起施工,能發(fā)現(xiàn)人員擁擠的安全隱患問題,并給出報警,值班員通過視頻重點關注或聯(lián)系現(xiàn)場要求分散開。管廊內(nèi)通道狹窄,且地面并不完全平整,兩側鐵支架、纜線、管道等很多,人如果快速移動,如跑動,可能產(chǎn)生危險,系統(tǒng)要求對人員的移動速度進行實時偵測,一旦判斷其速度過快,則可產(chǎn)生行為異常告警,值班員可調取攝像頭進行查看,并通知現(xiàn)場處置。

3.5 施工監(jiān)管

管廊土建結構完成后,面臨自來水管道、熱力管道、燃氣管道、電纜支架、橋架安裝、電力電纜、通信管線等入廊敷設施工,以及管線周期性更換、管廊大修等場景。要求一套維護使用方便的安防通信一體化系統(tǒng),可在管廊封頂后即展開部署,并可實現(xiàn)“入侵告警”、“人員定位”、“人員分布管控”、“無線語音通信”、“出入口控制”、“在線式電子巡查”等功能,有效助力建設單位、施工總承包方對施工現(xiàn)場的安全管理和資產(chǎn)管理。

4 系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)設計圖

管廊標準段系統(tǒng)平面圖如圖2所示。

圖2 管廊標準段系統(tǒng)平面圖

綜合管廊系統(tǒng)斷面圖如圖3所示。

圖3 綜合管廊系統(tǒng)斷面圖

4.2 入侵報警及定位

無線覆蓋通信線中的微基站密集排列,在管廊各艙室沿線構成全空間、均勻分布的自適應微波陣列。非法人員進入綜合管廊時,對微波陣列的無線信號造成阻擋、吸收、反射等干擾,系統(tǒng)通過對擾動進行分析從而判別入侵行為并報警,可實現(xiàn)多點入侵及并行報警,定位精度最高可達2 m。

另外,監(jiān)控中心管理平臺具有分區(qū)遠程布防、遠程撤防、遠程報警復位等功能。

4.3 精確定位及行動軌跡

系統(tǒng)能夠快速對系統(tǒng)內(nèi)的手機、標識卡等物聯(lián)網(wǎng)終端進行實時精確定位,定位精度可達2～5 m。系統(tǒng)的定位管理平臺可提供如下多種基于位置信息的服務。

(1) 實時位置監(jiān)控:實時追蹤、顯示和記錄系統(tǒng)內(nèi)終端(標識卡、手機等)的位置、身份、數(shù)量和分布情況。

(2) 歷史軌跡查詢及回放:支持按照姓名、終端編號、時間、區(qū)域等條件查詢系統(tǒng)內(nèi)終端的歷史位置和活動軌跡,并支持回放功能。

(3) 區(qū)域管理:可以對指定區(qū)域設置超員、超時、禁入/禁出限制。

(4) 考勤統(tǒng)計:自動統(tǒng)計人員出入工作區(qū)域的時間、工作時長等信息。

(5) 異常事件告警:包括超員告警、超時告警、區(qū)域告警、設備告警等。

3、提高森林火災應急預案的完整性和靈活性。相關政府部門應加強對森林資源的監(jiān)管力度，提高森林資源監(jiān)督管理工作的全面性和高效性，實現(xiàn)森林資源監(jiān)督管理工作流程的統(tǒng)一化和規(guī)范化，提升森里火災應急預案的準確話和快速化，提前準備好可能需要的各種森林火災滅火設備，將森林火災發(fā)生幾率以及森林火災造成的損失控制在最低范圍之內(nèi)。提高森林防火管理工作的標準和要求，正視當前森林火災管理過程中出現(xiàn)的各種問題，并采取臨時性和根本性的措施來解決這些問題，提高森林防火運行體系的系統(tǒng)化和完整化。

4.4 在線式電子巡查

通過設置無線覆蓋通信線內(nèi)部對應微基站為巡檢點,可以靈活規(guī)劃巡檢工作路線,巡查人員隨身攜帶巡檢終端完成巡查工作。系統(tǒng)可對巡查人員的巡查區(qū)域、巡查路線、停留時間等進行規(guī)劃、記錄、提醒、報警等。當巡查人員未按路線行進、停留時間過長或未作停留等情況發(fā)生時,可發(fā)出報警提示,地面工作人員可通過無線語音通信系統(tǒng)對工作人員進行相應的指導和管理。當巡檢人員在巡檢過程中發(fā)現(xiàn)設備故障或安全隱患,可以通過終端APP以文字、語音、圖片、視頻等多種形式將現(xiàn)場情況實時上傳匯報,為管理人員決策提供詳盡現(xiàn)場信息。

與動態(tài)人臉布控系統(tǒng)結合,可有效避免巡檢人員換卡、單一工種人員進入限定區(qū)域等工作違規(guī)事件,避免安全隱患。

4.5 無線對講及通信調度

智能手機就近接入到無線覆蓋通信線,通過專用信道實現(xiàn)全雙工的語音通信,保證通信質量,同時不占用數(shù)據(jù)業(yè)務帶寬。系統(tǒng)采用多點服務的移動性管理策略,實現(xiàn)手機的全網(wǎng)無縫漫游,形成語音通信“專網(wǎng)”。系統(tǒng)可對智能手機實現(xiàn)精確定位,精度2～5 m。

系統(tǒng)具有完善的調度管理功能,監(jiān)控平臺可以實時顯示通話狀態(tài),并具有選呼、組呼、全呼、緊急呼叫、呼叫優(yōu)先級權限等調度通信功能,支持文本信息收發(fā)等數(shù)據(jù)通信功能,支持強插、強拆、監(jiān)聽、代答、轉接、群發(fā)短信、語音會議、視頻會議等豐富的管理業(yè)務。

另外,系統(tǒng)通過語音網(wǎng)關與PSTN連接,實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)外的互聯(lián)互通。

4.6 物聯(lián)網(wǎng)融合通信平臺

系統(tǒng)集可靠通信、物聯(lián)網(wǎng)接入、寬帶無線接入系統(tǒng)于一體,綜合控制器可同時提供無線寬帶和無線覆蓋通信線接入功能,可同時為終端提供無線覆蓋通訊線2 Mb/s和無線寬帶WiFi 300 Mb/s兩種無線接入方式,并通過上層服務器的數(shù)據(jù)存貯和大數(shù)據(jù)處理,集成多種應用平臺,為終端提供定位、語音、視頻、通信、調度、數(shù)據(jù)、通信等豐富的應用業(yè)務。

4.7 其他拓展和應用

(1) 廣播系統(tǒng)。通過集成開發(fā),廣播終端可與入侵探測系統(tǒng)聯(lián)動,也可播放音樂、廣播等,為日常管理服務;廣播可具備群呼、組呼等功能。

(2) 移動視頻傳輸。以無線寬帶為基礎,可實現(xiàn)特殊位置、緊急情況下的無線視頻傳輸,同視頻監(jiān)控系統(tǒng)一起,構成城市綜合管廊的“無死角”視頻管理。

(3) 應急逃生及救援。緊急情況下,管理人員可根據(jù)管廊內(nèi)人員分布情況,通過移動通信系統(tǒng)、無線廣播系統(tǒng)、精確定位終端等指導管廊內(nèi)人員沿安全路徑進行逃生。同時指導救援人員快速定位事發(fā)區(qū)域和被困人員,實現(xiàn)應急救援的統(tǒng)一調度和指揮。

(4) 系統(tǒng)聯(lián)動和融合。通過該物聯(lián)網(wǎng)平臺,在實現(xiàn)上述功能的基礎上,系統(tǒng)可與環(huán)境監(jiān)測、消防系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、標識系統(tǒng)進行聯(lián)動,提高城市綜合管廊的“數(shù)字化”管理水平,實現(xiàn)“智慧管廊”。

4.8 功能對比

(1) 基本功能對比?；跓o線覆蓋通信線的安防通信一體化系統(tǒng)可以實現(xiàn)綜合管廊規(guī)范中要求的入侵報警、電子巡查、人員定位、無線通信等功能,功能遠遠優(yōu)于標準要求。安防通信一體化系統(tǒng)與傳統(tǒng)技術方案的基本功能對比如表1所示。

表1 安防通信一體化系統(tǒng)與傳統(tǒng)技術方案的基本功能對比

(2) 功能擴展對比。安防通信一體化系統(tǒng)還可以實現(xiàn)視頻聯(lián)動、出入口管控、物聯(lián)網(wǎng)融合通信等功能,在移動視頻傳輸、應急逃生及救援、系統(tǒng)聯(lián)動等多業(yè)務拓展和融合上具有豐富擴展空間。安防通信一體化系統(tǒng)與傳統(tǒng)技術方案的功能擴展對比如表2所示。

表2 安防通信一體化系統(tǒng)與傳統(tǒng)技術方案的 功能擴展對比

(3) 生命周期對比?；跓o線覆蓋通信線的安防通信一體化系統(tǒng)可以從“管廊封頂”開始,為管廊的全生命周期的建設、運營服務,系統(tǒng)簡潔且維護方便,可在管廊封頂后即展開部署,可實現(xiàn)入廊管理、出入口管理、人員安全管理、人員定位管理、入侵檢測、無線通信、應急支持等功能,有效協(xié)助建設單位、施工總承包方對施工現(xiàn)場的安全管理和資產(chǎn)管理。

在管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)建設的同時,該系統(tǒng)可以直接接入,是管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)的一部分,在運營管理中發(fā)揮作用。該系統(tǒng)具備自檢功能,后臺實時監(jiān)測線纜、綜合控制器等設備的運行狀態(tài),出現(xiàn)故障及時報警;支持遠程診斷、升級和重啟等操作。無線覆蓋通信線纜出現(xiàn)故障,可利用連接器快速排除故障,維修人員不需要具備通信設備相關的專業(yè)知識和技能。

安防通信一體化系統(tǒng)可以實現(xiàn)全空間、全地形、全氣候的入侵探測,具有報警速度快、定位準等優(yōu)點,大大提高管廊的安全管理水平,對非法人員入侵、巡檢人員違規(guī)等實現(xiàn)嚴格監(jiān)管。當管廊發(fā)生危險事故,救援人員可以使用系統(tǒng)進行應急通信,并根據(jù)精準的人員定位數(shù)據(jù)進行搶險救援和應急疏散。

5 結 語

介紹了基于無線覆蓋通信線的安防通信一體化系統(tǒng),特別適合用于綜合管廊、礦井、隧道等帶狀構筑物中。該方案設計于2018年5月被寧波通途路綜合管廊建設方采納。隨著國內(nèi)綜合管廊建設的蓬勃發(fā)展,安全運營的問題日益突出,智能高效的安防通信系統(tǒng)能為綜合管廊運營維護提供強有力的支撐。