城市綜合管廊環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)施工技術(shù)研究

周王飛，謝旭峰，王如，湯川川，尚應(yīng)帥

（中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司，安徽 合肥 230000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)于大中城市的規(guī)劃建設(shè)愈發(fā)密集，甚至部分城市患上“城市病”，受到了地上電網(wǎng)、電桿的彌補(bǔ)形成以及地下管線更新、故障等因素的影響，需反復(fù)挖開地面，不僅影響城市建設(shè)用地與市容市貌，同時(shí)也帶來了高昂的施工成本與巨大的施工隱患。綜合管廊是以集約化設(shè)計(jì)作為規(guī)劃理念，可對(duì)于市政管線進(jìn)行統(tǒng)一化管理，城市規(guī)劃中地下綜合管廊建設(shè)可滿足城市對(duì)于新道路的功能要求，有利于市政管線的維護(hù)與保養(yǎng)，強(qiáng)化城市的綜合承載力，也大大提升城市的服務(wù)水平。一旦綜合管廊結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形無法及時(shí)修復(fù)時(shí)，將會(huì)影響內(nèi)部管網(wǎng)的正常應(yīng)用，導(dǎo)致管線出現(xiàn)損壞大大增加火災(zāi)、爆炸等安全事故的發(fā)生概率。城市綜合管廊環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，能夠大大提升管線安全運(yùn)行效率，大大降低安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率。

1 項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)述

LP 地下綜合管廊工程項(xiàng)目全長(zhǎng)供給3km，共分為三艙分別是電力艙、熱力水信艙以及天然氣艙。環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)放置在分控中心，對(duì)于各個(gè)區(qū)域進(jìn)行管控的設(shè)備放置在風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)。LP 地下綜合管廊工程內(nèi)所收容的管線種類相對(duì)較多，且大部分的管道具備危險(xiǎn)性特征，在應(yīng)用期間極易出現(xiàn)觸電、有毒有害氣體泄漏以及爆炸性氣體泄漏的情況，影響綜合管廊的安全應(yīng)用，因此，環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的安全對(duì)于安全事故的預(yù)防有著重要的意義。

1.2 綜合管廊病害特征

地下綜合管廊作為城市生命線工程項(xiàng)目，對(duì)于整個(gè)城市發(fā)展均有著極大的影響，但LP 地下綜合管廊工程的管廊跨度大、軸向剛度低，在運(yùn)行過程中極易受到地質(zhì)條件與外界環(huán)境的影響，因此極易引發(fā)次生災(zāi)害的出現(xiàn)，繼而給LP 地下綜合管廊工程項(xiàng)目帶來極大的利益損傷。

（1）不均性沉降。LP 地下綜合管廊工程修建于淺層地下，廊體狹長(zhǎng)且采取分段拼接方法鋪設(shè)完成，極易受到水文地質(zhì)條件以及周邊人類活動(dòng)的影響，繼而導(dǎo)致廊體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均性的沉降。

（2）裂縫。LP 地下綜合管廊工程主要采取多段管廊拼接的施工方法，一旦管廊出現(xiàn)廊體剛度分布不均勻，繼而產(chǎn)生裂縫。同時(shí)，在水體以及其他類型腐蝕性物質(zhì)的影響下，廊體也將會(huì)出現(xiàn)腐蝕裂縫。

（3）收斂變形。管廊隧道在開挖掘進(jìn)期間，挖掘區(qū)域周邊土地將會(huì)出現(xiàn)地應(yīng)力重分布，隧道表面土地向隧道洞收攏變形，這一變形趨勢(shì)也被稱為管廊收斂。LP地下綜合管廊工程的收斂變形程度受到管廊尺寸、巖體成分以及挖掘方法等因素的影響。

2 環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)施工技術(shù)應(yīng)用

2.1 管廊環(huán)境監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

管廊環(huán)境主要包含濕度、溫度、有害氣體、水泵、風(fēng)機(jī)等相關(guān)內(nèi)容，環(huán)境監(jiān)控主要是對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行檢測(cè)。管廊內(nèi)部本身是相對(duì)封閉的空間，能夠設(shè)置的逃生出口有限，只有保證管廊內(nèi)部有害氣體、溫度以及濕度等內(nèi)容的安全性，才能允許檢查維護(hù)人員進(jìn)入管廊內(nèi)部。監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用能給確保管廊環(huán)境的安全性，當(dāng)廊內(nèi)氧氣過低以及溫度濕度過高的情況下，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)并開啟通風(fēng)設(shè)備，并強(qiáng)行進(jìn)行換氣處理，讓積水坑的水位過高時(shí)也會(huì)發(fā)出警報(bào)，并立刻停止排水泵的運(yùn)行。

2.2 火災(zāi)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

火災(zāi)監(jiān)控技術(shù)主要應(yīng)用光纖測(cè)溫機(jī)以及感溫光纖等作為管廊的火災(zāi)檢測(cè)裝置。測(cè)溫光纖主要負(fù)責(zé)確定火災(zāi)發(fā)生的具體位置，并將相關(guān)信息直接傳輸給光纖測(cè)溫主機(jī)。測(cè)溫光纖主機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用的任務(wù)主要是將火災(zāi)的發(fā)生位置、溫度以及報(bào)警型號(hào)直接傳輸給火災(zāi)報(bào)警裝置，而火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)再發(fā)動(dòng)消防聯(lián)動(dòng)信號(hào)。同時(shí)，在部分管廊內(nèi)部設(shè)置感溫光纖測(cè)溫的火災(zāi)監(jiān)測(cè)裝置，感溫裝置能夠感受阻燃與耐火的電力電纜。

2.3 傳輸主干網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

為了能夠構(gòu)建一個(gè)安全可靠的通信通道，可將管廊內(nèi)部的PLC 控制器、門禁監(jiān)控系統(tǒng)以及巡更管理系統(tǒng)等與監(jiān)控中心構(gòu)建傳輸主干網(wǎng)，充分結(jié)合綜合管廊的特點(diǎn)與走向，設(shè)置兩個(gè)千兆光纖環(huán)網(wǎng)的傳輸主干網(wǎng)，同時(shí)，需要設(shè)置兩臺(tái)S9700 的核心層交換機(jī)，在項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置120 臺(tái)的S2700 接入層交換機(jī)，并創(chuàng)建安全可靠的通信通道。

2.4 安防技術(shù)應(yīng)用

在綜合管廊項(xiàng)目的投料口以及機(jī)械通風(fēng)口位置設(shè)置防入侵系統(tǒng)，借助傳感器技術(shù)以及電子信息技術(shù)進(jìn)行探測(cè)，針對(duì)非法進(jìn)入以及意圖非法進(jìn)入設(shè)防區(qū)域行為進(jìn)行指示，及時(shí)處理報(bào)警信息、發(fā)出警報(bào)。同時(shí)也可在投料口以及機(jī)械通風(fēng)口設(shè)置紅外對(duì)射探測(cè)器，幫助系統(tǒng)自動(dòng)事兒別非法侵入的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過探測(cè)器的準(zhǔn)確判斷后，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息直接創(chuàng)術(shù)給報(bào)警控制系統(tǒng)，繼而發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。此外，入侵的片段也會(huì)直接傳送至指揮調(diào)度中心的模擬顯示器，詳細(xì)化記錄入侵時(shí)間與地點(diǎn)，而報(bào)警信息也能直接傳送至指揮調(diào)度中心，自動(dòng)在中心顯示屏內(nèi)顯示入侵區(qū)域的視頻信號(hào)。

2.5 聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用

排風(fēng)機(jī)自動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用可根據(jù)市場(chǎng)溫度自行開啟通風(fēng)機(jī)，在24h 內(nèi)自動(dòng)完成通風(fēng)工作。自控系統(tǒng)可在人員進(jìn)入管廊內(nèi)部自動(dòng)提前通風(fēng)換氣，最大程度保障技術(shù)人員的個(gè)人安全。與此同時(shí)，也能根據(jù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)以及燃?xì)馓綔y(cè)報(bào)警系統(tǒng)的各項(xiàng)需求，自動(dòng)化控制通風(fēng)排風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行，如若發(fā)生排風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)同時(shí)作用的情況下，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)將會(huì)優(yōu)先動(dòng)作。

在進(jìn)行集水坑位運(yùn)行管控方面，消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)可在集水坑內(nèi)安裝壓差液位計(jì)，集水坑位的具體水位信息、排水泵啟、停、故障等狀態(tài)可顯示在監(jiān)控中心的顯示屏中。排水泵自動(dòng)系統(tǒng)也具備自動(dòng)控制與現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制能力，而照明開關(guān)與聲光報(bào)警信號(hào)的主要價(jià)值作用是在防火分區(qū)報(bào)警與其他報(bào)警裝置響起后，該裝置也會(huì)自動(dòng)打開該區(qū)域的照明裝置，同時(shí)利用自控系統(tǒng)向監(jiān)控中心發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)，借由遠(yuǎn)程控制措施來開關(guān)電控井蓋。

2.6 燃?xì)馓綔y(cè)報(bào)警技術(shù)應(yīng)用

綜合管廊項(xiàng)目中的燃?xì)馓綔y(cè)報(bào)警技術(shù)主要設(shè)置在燃?xì)獗O(jiān)控工作站以及燃?xì)馓綔y(cè)報(bào)警主機(jī)，管廊中的燃?xì)鈧}(cāng)需要設(shè)計(jì)氣體報(bào)警系統(tǒng)、聲光報(bào)警系統(tǒng)、燃?xì)馓綔y(cè)器等部分構(gòu)成。燃?xì)鈧}(cāng)每個(gè)防火分區(qū)擁有一臺(tái)探測(cè)儀控制箱，在其中布置氣體報(bào)警控制器，收集現(xiàn)場(chǎng)燃?xì)馓綔y(cè)器的信息充分顯示出現(xiàn)。每個(gè)探測(cè)器以及控制器均有自動(dòng)報(bào)警裝置，在燃?xì)馓綔y(cè)器檢測(cè)值燃?xì)鉂舛冗_(dá)到報(bào)警要求后，將會(huì)立即發(fā)出警報(bào)信號(hào)，監(jiān)控中心可收到報(bào)警信息與檢測(cè)燃?xì)鉂舛戎怠?/p>

氣體報(bào)警控制器運(yùn)行流程，為天然氣管艙內(nèi)的天然氣濃度值達(dá)到可預(yù)報(bào)值時(shí)，管理系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)燃?xì)馐鹿蕝^(qū)域以及相鄰區(qū)域的排風(fēng)機(jī)以及送風(fēng)機(jī)，有效降低天然氣濃度，同時(shí)也可將報(bào)警信號(hào)直接傳輸至火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的控制器。燃?xì)馓綔y(cè)器與聲光報(bào)警系統(tǒng)需要按照總線連接至分區(qū)氣體的報(bào)警控制器，同時(shí)，在燃?xì)夤艿赖倪B接區(qū)域以及閥門區(qū)域等安裝燃?xì)馓綔y(cè)器，每間隔15m安裝探測(cè)器。聲光探測(cè)器需要安裝防火分區(qū)，兩端的距離需要低于15m，且每間隔30m 安裝聲光報(bào)警器。

2.7 消防聯(lián)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用

自動(dòng)狀態(tài)下所設(shè)計(jì)的消防安全系統(tǒng)，能夠借助火災(zāi)檢測(cè)裝置在檢測(cè)到火災(zāi)的第一時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)事先編制好的消防方案，積極開展消防設(shè)備的管理工作，如果切斷非消防電源時(shí)，需要先啟動(dòng)排風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙并開啟滅火裝置。在手動(dòng)狀態(tài)下相關(guān)人員則需要在確定火災(zāi)具體情況后啟動(dòng)消防員，有效管控消防設(shè)備，手動(dòng)控制相關(guān)報(bào)警設(shè)備與消防設(shè)備的開關(guān)。

3 城市綜合管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

城市綜合管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用階段，施工人員需要在管廊結(jié)構(gòu)布設(shè)智能傳感器，對(duì)于結(jié)構(gòu)主體以及管廊主要構(gòu)件收斂變形、裂縫開展以及不均勻沉降等病害信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，借助數(shù)據(jù)采集終端以及通信技術(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)化采集與傳輸。云端可結(jié)合管廊及其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的各類型信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，借助海量異構(gòu)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)綜合性的分析評(píng)估作業(yè)，實(shí)現(xiàn)管廊結(jié)構(gòu)全生命周期的安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可視化，在綜合管廊發(fā)生破壞前及時(shí)發(fā)布報(bào)警預(yù)警信息。城市綜合管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)包含數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸、云平臺(tái)以及數(shù)據(jù)管理應(yīng)用四個(gè)方面。

城市綜合管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 城市綜合管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)感知模塊設(shè)計(jì)

這一模塊設(shè)計(jì)主要通過各種類型智能傳感器以及檢測(cè)儀器設(shè)備，對(duì)于管廊主體結(jié)構(gòu)中可能存在的收斂變形、裂縫開展以及管片錯(cuò)動(dòng)等病害進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量，對(duì)于管廊結(jié)構(gòu)的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)感知。同時(shí)，需要結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)中的智能巡檢模塊，而日常巡檢工作人員需要借助智能巡檢模塊，而日常巡檢工作人員則可以通過應(yīng)用工業(yè)智能機(jī)并借助智能巡檢APP 任務(wù)驅(qū)動(dòng)式方法開展巡檢作業(yè)。對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)中的管廊結(jié)構(gòu)信息、管線工作情況、廊內(nèi)運(yùn)營(yíng)以及周邊環(huán)境等情況進(jìn)行無紙化記錄采集，借助照片直觀了解管廊結(jié)構(gòu)的主要損傷情況。與此同時(shí)，可通過定期利用三維激光掃描儀全面掃描管廊內(nèi)部的斷面情況，借助海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)管廊結(jié)構(gòu)的三維重建。此外，需要將各種類型的數(shù)據(jù)信息匯集至綜合數(shù)據(jù)采集儀中，利用通信模塊將監(jiān)測(cè)到的信息直接上傳至互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

這一模塊設(shè)計(jì)是將感知模塊中的各類檢測(cè)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳送至互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，繼而實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心間數(shù)據(jù)信息的全時(shí)段互聯(lián)互通?，F(xiàn)場(chǎng)傳感器主要采用Modbus 協(xié)議，將RS485 物理層與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合采集儀的有效連接，通過DTU 將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為IP 數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。從綜合管廊的工程特點(diǎn)來看，針對(duì)通信條件不佳的管段，是無法確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行耘c實(shí)效性，需要進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸模塊的通信能力。如可采取光纖光纜串聯(lián)信號(hào)中繼器的方法，將信號(hào)直接引至管廊檢測(cè)井、通風(fēng)口等地。

3.4 云平臺(tái)設(shè)計(jì)

利用海量的IT 資源池構(gòu)成的云平臺(tái)虛擬服務(wù)器，繼而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的云上搭建運(yùn)行。針對(duì)綜合管廊線路長(zhǎng)以及覆蓋面積廣泛的特征，需要憑借云平臺(tái)彈性可擴(kuò)展的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，充分滿足未來對(duì)于安全監(jiān)控系統(tǒng)中等各項(xiàng)功能增減的需求，實(shí)現(xiàn)與其他管廊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效融合。與此同時(shí)，可利用云平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算與處理能力，根據(jù)不同模型算法對(duì)各種類型的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化處理，繼而獲得直觀性、連續(xù)性的管廊結(jié)構(gòu)病害變化信息線圖，借助海量點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)可生成管廊全斷面三維模型。此外，云平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含項(xiàng)目管理、測(cè)點(diǎn)控制、預(yù)報(bào)警值設(shè)置以及巡檢記錄等功能子模塊以及自動(dòng)預(yù)報(bào)警功能。所設(shè)計(jì)的云平臺(tái)能夠?qū)Ａ繖z測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與歸檔，大數(shù)據(jù)信息檔案不僅能夠滿足管廊安全運(yùn)維日常監(jiān)控需求，幫助監(jiān)控工作人員全面性分析與評(píng)估管廊結(jié)構(gòu)。

3.5 數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)

這一模塊設(shè)計(jì)包含管廊安全可視化監(jiān)控、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)下載、信息查詢以及預(yù)報(bào)警信息等子系統(tǒng)。監(jiān)控人員可利用各種客戶端來登錄云平臺(tái)，隨時(shí)隨地了解管廊結(jié)構(gòu)的最新安全動(dòng)態(tài)，滿足管理人員快速查詢以及下載管廊安全評(píng)估所需數(shù)據(jù)信息的需求，繼而一鍵獲取圖文并茂的檢測(cè)報(bào)告。與此同時(shí)，管理人員也可在管廊結(jié)構(gòu)發(fā)生異常的第一時(shí)間內(nèi)獲取相關(guān)的預(yù)警信息，及時(shí)采取相應(yīng)的管理措施，有效防止安全事故的產(chǎn)生。此外，監(jiān)控人員也可基于項(xiàng)目檢測(cè)需求以及可能出現(xiàn)的突發(fā)狀況，繼而滿足現(xiàn)場(chǎng)感知模塊以及巡檢人員的交互需求。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，城市綜合管廊是城市建設(shè)發(fā)展的生命線，城市綜合管廊環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)可充分滿足綠色化與智能化發(fā)展趨勢(shì)，全面提升對(duì)于管廊環(huán)境、設(shè)備以及結(jié)構(gòu)的監(jiān)管效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市綜合管廊的智能化管理。