地下綜合管廊智能信息化監(jiān)控設(shè)計

董開泰 魏立明

(吉林建筑大學 電氣與計算機學院,長春 130118)

0 引言

我國經(jīng)濟正處于穩(wěn)步上升階段,人民的環(huán)保節(jié)能意識不斷提高.地下綜合管廊的建設(shè)符合我國可持續(xù)發(fā)展的基本戰(zhàn)略,成為目前地下空間管理規(guī)劃的焦點.在我國現(xiàn)有的地下綜合管廊案例中，缺乏對專業(yè)工程管線的全局統(tǒng)籌管控,在以空間維度分配地下空間資源時,難以得到最優(yōu)的配置方案，因此，地下綜合管廊管線的綜合管理也是綜合管廊信息化服務(wù)平臺需要實現(xiàn)的重點目標.基于地下綜合管廊的諸多優(yōu)點，可以明確實現(xiàn)各類管線的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一維護、統(tǒng)一管理，利用現(xiàn)有的自動化、信息化技術(shù)可以實現(xiàn)對地下綜合管廊的環(huán)境檢測、日常管理和應(yīng)急處理,保證各類工程管線安全穩(wěn)定運行和智能化監(jiān)測.

1 管廊環(huán)境監(jiān)測對象

地下綜合管廊的運營與維護涉及到多單位、多部門的統(tǒng)籌安排,由于各管線分屬不同部門管理,各單位部門之間未能信息開放共享，管線單位各自為政,很有可能出現(xiàn)重復(fù)管理、相互矛盾等現(xiàn)象，所以地下綜合管廊監(jiān)控平臺的監(jiān)控范圍也需要相應(yīng)規(guī)范.2015年國務(wù)院辦公廳頒發(fā)的《關(guān)于推進城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》[1]中明確指出：“地下綜合管廊本體及附屬設(shè)施管理由地下綜合管廊建設(shè)運營單位負責,入廊管線的設(shè)施維護及日常管理由各管線單位負責.”所以地下綜合管廊智能信息化檢測平臺應(yīng)針對工程管線的地下工作環(huán)境采取合理的動態(tài)監(jiān)測[2].

圖1 地下綜合管廊監(jiān)測變量Fig.1 Monitoring variables of the underground integrated pipe gallery

通過實時監(jiān)測管廊內(nèi)部的環(huán)境狀態(tài),對于不安全因素工作人員在遠程監(jiān)測中心可以及時發(fā)現(xiàn)、及時處理,有效減少事故的發(fā)生,同時也使事故的危害降到最低,保證工作人員的人身安全和人民群眾的生活損失.這也相當于在地下綜合管廊的全生命周期的運行和維護中降低了監(jiān)管部門的運維成本.

2 地下管廊監(jiān)控平臺的構(gòu)建

地下綜合管廊是報警級別非常高的地下建筑,作為城市的生機和活力的“動脈”，運行著電力、水源、通訊甚至涉及到國防設(shè)施.因此,地下綜合管廊必須具備實時監(jiān)控的功能,并且在公共環(huán)境或其他工程管線發(fā)生事故時,對監(jiān)控中心以及事故管線所屬單位進行報警.同時，應(yīng)及時針對發(fā)生的狀況采取緊急聯(lián)動措施.事故發(fā)生時,及時發(fā)現(xiàn)事故,如發(fā)生火災(zāi)時關(guān)閉消防門,給排水管道發(fā)生泄漏時及時排水,在工作人員進入前排風扇排風.隨著綜合管廊規(guī)模的擴大,容納的專業(yè)工程管線的種類和數(shù)量越來越多,綜合管廊的運行管理難度隨之加大,因此要求監(jiān)控平臺更加智能化和信息化.

監(jiān)控平臺分為距離綜合管廊較近的系統(tǒng)監(jiān)控平臺和容納工程管線所屬相關(guān)單位部門的上級監(jiān)控平臺.系統(tǒng)監(jiān)控平臺負責實時監(jiān)控各個工程管線的運行狀態(tài)和各類管線運行的公共環(huán)境.系統(tǒng)監(jiān)控平臺與上級監(jiān)控平臺共享所屬管線的運行數(shù)據(jù),在發(fā)生各類情況時，相互協(xié)作管理所容納的工程管線，其中系統(tǒng)監(jiān)控平臺分為3個部分，如圖2所示.

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架Fig.2 Monitoring system architecture

2.1 數(shù)據(jù)采集層

由傳感器構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集層是底下管廊監(jiān)控的基礎(chǔ).傳感器類型應(yīng)包含所有專業(yè)工程管線的標志型監(jiān)測變量:如天然氣管道中的CH4、發(fā)生火災(zāi)的CO2、中水中的H2S、公共環(huán)境的含氧量等[4];根據(jù)不同型號的傳感器參數(shù)得到相應(yīng)的覆蓋范圍,每隔相應(yīng)的有效距離設(shè)置一個監(jiān)測點,實時監(jiān)控所有的運行數(shù)據(jù)，并向系統(tǒng)監(jiān)控平臺與上級監(jiān)控平臺發(fā)送.

地下綜合管廊的公共環(huán)境監(jiān)測中的信息相互關(guān)聯(lián),可以利用信息融合技術(shù)對各類傳感器之間的冗余和互補信息按照預(yù)設(shè)場景的規(guī)則進行優(yōu)化整合,使傳感器對管廊運行環(huán)境的描述保持實時性和一致性.尤其需要注意的是由于地下空間的特殊性，所有處于現(xiàn)場的傳感器均應(yīng)采取防潮措施,防止傳感器因工作故障造成公共空間事故,甚至對工作人員造成傷害.

2.2 數(shù)據(jù)接收層

數(shù)據(jù)接收層分為地下接收單元和地上接收單元,與數(shù)據(jù)采集層的各類傳感器構(gòu)成分布式的通信系統(tǒng),聯(lián)合地下照明、排水、通風等設(shè)備單元形成穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)[5].

地下接收單元負責實時完成地下綜合管廊公共空間的溫度、濕度、甲烷等環(huán)境參數(shù)，以及各個監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)的信號采集,并上傳到地上接收單元.

漏損率是指漏失量和總供水量的比值，其中漏失量為總供水量減去實際使用水量。漏損率高表明水在運輸過程中損失多，供水效率低；反之漏水率低說明城鎮(zhèn)供水效率高。我國是一個水資源分布不均、人均水資源短缺的發(fā)展中國家，降低漏損率很有必要。國家在2016年頒發(fā)了《城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)漏損控制及評定標準》（CJJ92—2016），對今后的城鎮(zhèn)供水漏水提出了要求和目標，即在2017年供水管網(wǎng)漏水率達到二級標準12%，2020年達到一級標準10%。而根據(jù)《2014年城鎮(zhèn)供水年鑒》調(diào)查，大部分省份的漏損率都超過了12%，一些省份漏損率甚至高達33%，可見我國的城鎮(zhèn)供水效率還有待提高，供水公司壓力巨大。

地上接收單元中預(yù)設(shè)了管廊發(fā)生的幾種緊急情況,在無情況發(fā)生時繼續(xù)將采集到的實時信息傳遞到附近的系統(tǒng)監(jiān)控平臺.

當有情況發(fā)生時，根據(jù)環(huán)境參數(shù)變化情況實施緊急預(yù)案,與風機、水泵、閥門等設(shè)備采取連鎖控制.接收單元的地下與地上分立，可以有效保證單元監(jiān)控區(qū)域的信息采集及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的封裝轉(zhuǎn)換,監(jiān)控設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)本區(qū)域覆蓋內(nèi)的設(shè)備的運行管理,也可以有效地對上層系統(tǒng)的控制指令做出應(yīng)答.

在數(shù)據(jù)接收層與數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)交換中，考慮到地下綜合管廊的工作環(huán)境中存在很多同時運行的控制設(shè)備,運行中的設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾有可能對傳遞中的實時數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響,推薦采用有線光纖網(wǎng)絡(luò)進行通訊，以減少數(shù)據(jù)誤報的發(fā)生.

2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

經(jīng)由數(shù)據(jù)采集層與數(shù)據(jù)接收層的地下綜合管廊的實時運行信息，在數(shù)據(jù)應(yīng)用層匯總、分析、存儲[6].管理平臺的智能化就體現(xiàn)在由現(xiàn)場反饋的數(shù)據(jù)對管線的運行加以具體的模擬分析,并預(yù)測下一個運行周期的運行情況,從而智能的擬定出可行的運行和維護方案,對管廊公共環(huán)境中的現(xiàn)場設(shè)備采取遠程的智能控制.數(shù)據(jù)應(yīng)用層由數(shù)據(jù)庫中心和監(jiān)控服務(wù)平臺構(gòu)成.數(shù)據(jù)庫中心用來實時存儲來自下級層面?zhèn)鬏斏蟻淼臄?shù)據(jù)信息,其中包括專業(yè)工程管線的運行信息、管廊公共環(huán)境的狀態(tài)信息，以及配合的監(jiān)測設(shè)備的運行信息等[7].

監(jiān)控服務(wù)平臺PC端主要利用LabVIEW對上位機監(jiān)控界面進行設(shè)計,通過OPC 通信協(xié)議將下位機PLC與上位機實現(xiàn)實時通訊.OPC通訊廣泛地應(yīng)用在全世界的自動化控制系統(tǒng)、儀器儀表等工程中.

PLC控制器與上位機之間使用PLC的MPI口和Lab VIEW的DSC模塊，實現(xiàn)兩者之間的通訊，Lab VIEW與PLC通訊前,要進行相應(yīng)的配置[8].

在NI OPC服務(wù)器中,構(gòu)建與PLC相關(guān)的參數(shù)變量,部署完成后,與PLC通訊設(shè)置為共享變量.在Lab VIEW的DSC模塊中將監(jiān)控主機上的對象定義為共享變量,并且以O(shè)PC標簽的順序?qū)⑵浣壎╗9].這樣在Lab VIEW設(shè)計的監(jiān)控界面中，就可以實現(xiàn)在本地訪問中地下綜合管廊運行數(shù)據(jù)的實時讀取.

3 地下管廊監(jiān)測系統(tǒng)算法

為了更有效地預(yù)測地下綜合管廊的運行環(huán)境，防止事故發(fā)生,本文在監(jiān)控服務(wù)平臺中應(yīng)用卡爾曼濾波算法預(yù)測管廊運行設(shè)備數(shù)據(jù)，模擬管廊狀態(tài).卡爾曼濾波器(最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法)能夠很好地解決大部分數(shù)據(jù)擬合的問題,其應(yīng)用已30多年,包括機器人導(dǎo)航、控制、傳感器數(shù)據(jù)融合，甚至在軍事方面的雷達系統(tǒng)以及導(dǎo)彈追蹤等亦有應(yīng)用[10].近年來更多地應(yīng)用于計算機圖像處理,例如頭臉識別、圖像分割、圖像邊緣檢測等.卡爾曼濾波的基本原理是利用上次估計值和當前測量值來更新對狀態(tài)變量的估計,求出當前測量數(shù)據(jù)的最佳估計值.

卡爾曼濾波算法的離散控制過程的狀態(tài)方程為:

X(k)=AX(k-1)+BU(k)+W(k) (1)

觀測方程為:

Z(k)=H(k)X(k)+V(k) (2)

式中,X(k)是k時刻傳感器的系統(tǒng)狀態(tài);U(k)是k時刻對系統(tǒng)的控制量;A和B是系統(tǒng)參數(shù);Z(k)是傳感器k時刻的觀測值;H是測量系統(tǒng)的參數(shù).系統(tǒng)的過程演化噪聲W(k)和觀測噪聲V(k)為均值為零的高斯白噪聲，其協(xié)方差矩陣分別為Q(k)和R(k)(假設(shè)他們不隨系統(tǒng)狀態(tài)變化而變化).

在卡爾曼濾波中,假定k是現(xiàn)在的系統(tǒng)狀態(tài),根據(jù)前一狀態(tài)預(yù)測出現(xiàn)在的狀態(tài):

X(k|k-1)=AX(k-1|k-1)+BU(k) (3)

其中,X(k|k-1)是根據(jù)前面時刻狀態(tài)預(yù)測的結(jié)果,前一狀態(tài)的最優(yōu)結(jié)果表示為X(k-1|k-1),現(xiàn)在狀態(tài)的控制量U(k)可以為0.對于X(k|k-1)的一步預(yù)測誤差協(xié)方差為:

P(k|k-1)=AP(k-1|k-1)A+Q(4)

其中,P(k|k-1)是X(k|k-1)相對應(yīng)的協(xié)方差;P(k-1|k-1)是X(k-1|k-1)對應(yīng)的協(xié)方差;A和Q分別表示A的轉(zhuǎn)置矩陣和系統(tǒng)過程的協(xié)方差.

根據(jù)現(xiàn)在狀態(tài)的預(yù)測結(jié)果,將預(yù)測值和測量值結(jié)合得到當前狀態(tài)k的最優(yōu)估算值X(k|k):

X(k|k)=X(k|k-1)+Kg(k)[Z(k)-HX(k|k-1)] (5)

Kg為卡爾曼增益:

Kg(k)=P(k|k-1)H/[HP(k|k-1)H+R] (6)

以上計算過程可得到最優(yōu)估計值X(k|k).這樣持續(xù)計算可以不斷更新協(xié)方差,則k狀態(tài)下X(k|k)的協(xié)方差更新:

P(k|k)=[I-Kg(k)H]P(k|k-1) (7)

式中，I為1的單位矩陣,當k+1狀態(tài)時,繼承k的運算結(jié)果繼續(xù)進行.圖3為算法流程圖.

圖3 卡爾漫濾波器算法流程圖Fig.3 Algorithm flow chart of Kalman filter

在地下綜合管廊智能信息化監(jiān)控平臺的搭建中，還應(yīng)考慮其他方面的問題.如:管廊入口、重要投料口及通風口等處的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的搭建、相關(guān)部門控制權(quán)限的分布、地下綜合管廊的地理信息模型、系統(tǒng)運行中數(shù)學模型的構(gòu)建，以及內(nèi)外部通訊方式的選擇等，上述因素也會對算法的穩(wěn)定性等指標起到相關(guān)的影響.

4 結(jié)論

城市地下綜合管廊智能信息化監(jiān)控在智慧城市中起到極大作用，本文從地下管廊監(jiān)測對象、綜合管廊平臺構(gòu)建以及綜合管廊監(jiān)測算法等三個方面進行了詳細地闡述與分析，給出了地下綜合管廊智能信息化監(jiān)控設(shè)計方案，同時確定了基于卡爾曼濾波器的監(jiān)測算法，有效地降低安全隱患，提升城市管線安全的整合水平，為城市綜合管廊的智能化發(fā)展奠定一定的理論和實踐基礎(chǔ).