物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的管廊綜合監(jiān)控管理平臺(tái)

楊 常 華

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012)

近年來我國(guó)部分省市綜合管廊陸續(xù)建成并投入使用，地下管廊的建設(shè)不僅避免了路面重復(fù)開挖造成城市交通擁堵和資金浪費(fèi)問題，還極大方便了電力、電信、燃?xì)?、給排水、熱力等市政設(shè)施的擴(kuò)容和檢修。在管廊的運(yùn)營(yíng)維護(hù)中為能夠隨時(shí)、準(zhǔn)確、全面地掌握管廊各環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)，確保人員、環(huán)境、設(shè)備的安全，需要建設(shè)多維度、全方位的可視化監(jiān)控管理平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，預(yù)警報(bào)警、綜合調(diào)度、應(yīng)急指揮等綜合管理。

1 平臺(tái)系統(tǒng)概況

管廊綜合監(jiān)控管理平臺(tái)是采用SOA結(jié)構(gòu)，由環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、預(yù)警與報(bào)警系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)集成的統(tǒng)一管理信息平臺(tái)，主要通過對(duì)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、分析和交互處理，將管廊內(nèi)各種設(shè)備的運(yùn)行情況以及預(yù)警報(bào)警等信息上傳到監(jiān)控中心綜合數(shù)據(jù)處理平臺(tái)和綜合信息顯示平臺(tái)，以GIS+BIM模式實(shí)現(xiàn)管廊設(shè)備位置坐標(biāo)和詳細(xì)信息的可視化追蹤及監(jiān)控管理。

管廊綜合監(jiān)控管理平臺(tái)是由多個(gè)不同功能的系統(tǒng)組成的綜合性非常強(qiáng)的管控系統(tǒng)，平臺(tái)不僅需要兼顧環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、通信聯(lián)絡(luò)、地理信息等需求，還要兼顧事故預(yù)警、安全防范等方面對(duì)視頻監(jiān)控的需求，同時(shí)還需要考慮火災(zāi)報(bào)警、門禁、消防、廣播等配套系統(tǒng)的集成以及聯(lián)動(dòng)。但是，由于每個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備是由不同的設(shè)備廠家提供，各個(gè)系統(tǒng)設(shè)備之間技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一，數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議各異，從而導(dǎo)致相互難以兼容，信息無法交互。為解決系統(tǒng)集中管理、多級(jí)聯(lián)網(wǎng)、信息共享、互聯(lián)互通、多業(yè)務(wù)融合等問題，綜合監(jiān)控管理平臺(tái)系統(tǒng)采用基于TCP/IP協(xié)議，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。其英文名稱是:“Internet of Things(IoT)”。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。這有兩層意思:其一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；其二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信，也就是物物相息。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識(shí)別技術(shù)與普通計(jì)算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。

從技術(shù)架構(gòu)上來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，感知層的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別物體、采集信息的來源，其主要功能是識(shí)別物體，采集信息；網(wǎng)絡(luò)層由互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(包括人、組織和其他系統(tǒng))的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。

2 平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的管廊綜合監(jiān)控管理平臺(tái)就是利用物聯(lián)網(wǎng)對(duì)地下管廊環(huán)境和設(shè)備進(jìn)行感知和識(shí)別，通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸、計(jì)算、處理和信息交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下管廊的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)控制、科學(xué)管理。系統(tǒng)自下而上分為感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和處理應(yīng)用層。綜合管廊監(jiān)控管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2.1 感知層

感知層作為數(shù)據(jù)采集的終端是系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，擔(dān)負(fù)著原始數(shù)據(jù)的采集與分析、故障報(bào)警與初級(jí)故障診斷等任務(wù)，主要包括：環(huán)境和設(shè)備監(jiān)控、安全防范、預(yù)警和報(bào)警、通信等系統(tǒng)單元。系統(tǒng)單元主要由前端傳感器、監(jiān)控探頭、處理單元等組成。前端傳感器負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)備的狀態(tài)信息，監(jiān)控探頭用于采集監(jiān)控管廊內(nèi)的人員、設(shè)備、照明、通信和警報(bào)等實(shí)時(shí)視頻圖像，處理單元對(duì)采集的環(huán)境信息和設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行預(yù)處理并上傳服務(wù)器同時(shí)接收服務(wù)器指令。

2.2 傳輸層

傳輸層采用工業(yè)光纖雙環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將視頻數(shù)據(jù)與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)(如環(huán)境參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等)進(jìn)行分隔，前端系統(tǒng)設(shè)備采集的監(jiān)控和視頻數(shù)據(jù)分別接入各環(huán)網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)并通過光纖、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心核心交換機(jī)，做到視頻、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)互不影響，從而保證系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。傳輸層設(shè)備主要由工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、核心交換機(jī)、光纖傳輸、無線傳輸設(shè)備等組成。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要由服務(wù)器、工作站、打印機(jī)、智能模擬顯示屏、交換機(jī)和聲光報(bào)警器等設(shè)備組成。能夠?qū)⒐芾葍?nèi)全部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備工作狀態(tài)和監(jiān)控視頻進(jìn)行分級(jí)分層的管理并在大屏幕上實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，預(yù)警報(bào)警、歷史查詢、綜合調(diào)度和應(yīng)急指揮等功能，達(dá)到綜合管理的目的。

3 系統(tǒng)功能

3.1 環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)運(yùn)營(yíng)管理要求，環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的功能是對(duì)管廊內(nèi)的溫度/濕度，氣體(O2,H2S,CH4)濃度、集水井內(nèi)液位、煙感、感溫光纖和入廊管線等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)或多功能無線基站向監(jiān)控管理平臺(tái)傳送；監(jiān)控平臺(tái)對(duì)接收的參數(shù)和狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和超閥值報(bào)警；根據(jù)警情自動(dòng)或接受監(jiān)控平臺(tái)指令啟動(dòng)對(duì)管廊內(nèi)的排水泵、照明、風(fēng)機(jī)、風(fēng)道閥門、聲光報(bào)警等設(shè)備的單點(diǎn)或聯(lián)動(dòng)控制，以保證管廊運(yùn)行安全。

3.2 安全防范系統(tǒng)

安全防范系統(tǒng)的功能是實(shí)時(shí)監(jiān)視管廊各艙段內(nèi)設(shè)備運(yùn)行情況，防范非工作人員和異物的非法進(jìn)入，保證管廊內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行安全。包括視頻監(jiān)控、入侵監(jiān)測(cè)、門禁、電子巡更等子系統(tǒng)。

1)視頻監(jiān)控：采用低照度高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)結(jié)合視頻服務(wù)器、硬盤錄像機(jī)實(shí)現(xiàn)管廊內(nèi)所有重要節(jié)點(diǎn)、防火分區(qū)內(nèi)視頻的實(shí)時(shí)監(jiān)視、手動(dòng)/自動(dòng)切換、錄像查詢、移動(dòng)偵測(cè)、聯(lián)動(dòng)控制等功能。2)入侵監(jiān)測(cè)：在管廊內(nèi)人員出入口、投料口、通風(fēng)口、引出段等重要節(jié)點(diǎn)設(shè)置紅外微波探測(cè)器和聲光報(bào)警器，對(duì)出入人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦有非法入侵，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行識(shí)別、判斷、報(bào)警、視頻聯(lián)動(dòng)和記錄。3)門禁：出入口門禁系統(tǒng)可對(duì)進(jìn)出管廊重要區(qū)域的人員進(jìn)行記錄和權(quán)限控制，具有聯(lián)動(dòng)控制功能，當(dāng)有火警時(shí)，門禁系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，遠(yuǎn)程控制打開消防區(qū)域電動(dòng)門鎖，以便人員及時(shí)疏散。4)電子巡更:采用可視化巡檢系統(tǒng)，能夠?qū)⒀芈费矙z畫面、重點(diǎn)部位和設(shè)備的巡檢情況通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)控中心并接受監(jiān)控中心指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作人員巡更工作的有效管理。

3.3 預(yù)警與報(bào)警系統(tǒng)

根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)在綜合管廊含有電力電纜的艙室和其他有火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的艙室設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；在含有天然氣管道的艙室設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

1)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)：系統(tǒng)在每個(gè)防火分區(qū)段內(nèi)設(shè)置手動(dòng)按鈕、感煙感溫探測(cè)器、感溫光纖、報(bào)警控制器、聲光報(bào)警器等設(shè)備。

2)可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)：系統(tǒng)在每個(gè)防火分區(qū)段內(nèi)設(shè)置可燃?xì)怏w報(bào)警控制器、天然氣探測(cè)器、聲光報(bào)警器等設(shè)備。

聯(lián)動(dòng)功能：利用各種火災(zāi)探測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)報(bào)警監(jiān)測(cè)；報(bào)警時(shí)聯(lián)動(dòng)控制視頻切換、照明、排煙/氣、聲光報(bào)警系統(tǒng)、緊急廣播系統(tǒng)并按照火警預(yù)案啟動(dòng)消防滅火裝置。

3.4 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)功能是實(shí)現(xiàn)巡檢人員之間、巡檢人員與監(jiān)控中心之間的有線及無線實(shí)時(shí)通話。系統(tǒng)采用基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化音頻對(duì)講廣播系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)單呼、群呼、多點(diǎn)同時(shí)對(duì)話、通話錄音、對(duì)講與視頻聯(lián)動(dòng)等功能并可根據(jù)情況啟動(dòng)即時(shí)廣播和播放應(yīng)急廣播。

3.5 地理信息系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)(GIS)功能是對(duì)管廊、管廊內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、入廊管線、巡檢人員、安全防范、通信等設(shè)備的地理位置坐標(biāo)及形態(tài)分布的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理和分析，并將數(shù)字信息通過圖形化在綜合信息顯示屏上統(tǒng)一展現(xiàn)。系統(tǒng)應(yīng)用GIS+BIM融合交互技術(shù)，在同一個(gè)監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)二三維無縫交互，通過全息信息采集，由“一張圖”多維度、全方位的顯示管廊內(nèi)設(shè)備位置，運(yùn)行狀態(tài)、視頻監(jiān)控、處理操作等場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)管廊監(jiān)控管理數(shù)字化、可視化。

3.6 平臺(tái)綜合功能

管廊綜合監(jiān)控管理平臺(tái)通過基于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、預(yù)警與報(bào)警系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)等系統(tǒng)的集成化統(tǒng)一管理；集成系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)信息交換、應(yīng)用和共享；系統(tǒng)的預(yù)警、報(bào)警、聯(lián)動(dòng)控制；事件的存儲(chǔ)和查詢；建立統(tǒng)一的權(quán)限管理體系，為各子系統(tǒng)提供完善的安全支撐。

4 系統(tǒng)特性

4.1 高可靠性

本系統(tǒng)前端傳感器采用數(shù)字化設(shè)備，或通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將信號(hào)全部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化傳輸，并采用有線與無線相結(jié)合的冗余通信網(wǎng)絡(luò)，提高了管廊內(nèi)數(shù)據(jù)采集、融合、傳輸?shù)冗^程的可靠性。

4.2 高擴(kuò)展性，適用性

通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口、通信協(xié)議，便于系統(tǒng)集成及擴(kuò)展，如可增加智能軌道式巡檢機(jī)器人等；系統(tǒng)的軟、硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，組態(tài)化設(shè)計(jì)，可以方便地進(jìn)行容量的擴(kuò)充和功能的維護(hù)升級(jí)；同時(shí)，系統(tǒng)建設(shè)基于Web，B/S結(jié)構(gòu)，軟件設(shè)置開放性網(wǎng)絡(luò)接口，通過權(quán)限設(shè)定，平臺(tái)各類信息可供各級(jí)主管部門和單位瀏覽和調(diào)取。

4.3 高安全性

通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，建立網(wǎng)絡(luò)安全傳輸機(jī)制，定期進(jìn)行安全驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)完整性和安全性，設(shè)定監(jiān)控平臺(tái)訪問控制權(quán)限，建立統(tǒng)一的權(quán)限管理體系，提高了系統(tǒng)的安全性。

5 總結(jié)與展望

基于物聯(lián)網(wǎng)的管廊監(jiān)控管理平臺(tái)利用物聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)的傳感、傳輸技術(shù)，并融合GIS+BIM等技術(shù)，通過“一個(gè)網(wǎng)、一張圖、一個(gè)平臺(tái)”全面感知管廊環(huán)境和設(shè)備信息，對(duì)影響管廊正常運(yùn)轉(zhuǎn)的事故進(jìn)行預(yù)警、智能聯(lián)動(dòng)和調(diào)度管理，有效的降低了管廊的安全隱患、保證了管廊環(huán)境和設(shè)備的安全。隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，越來越多的城市管廊將投入使用，對(duì)管廊運(yùn)維管理的要求也在不斷增加，今后監(jiān)控管理平臺(tái)可以借助云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，主動(dòng)為管廊的運(yùn)維決策提供有效信息，將管廊建設(shè)成“管、控、營(yíng)”一體化的智慧管廊。