綜合管廊環(huán)境與設(shè)備智能監(jiān)控方法的研究與設(shè)計(jì)

摘 要：為保持地下綜合管廊良好的運(yùn)行環(huán)境，需對(duì)管廊環(huán)境與設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。鑒于此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高效、可靠的針對(duì)管廊環(huán)境與設(shè)備的智能化監(jiān)控方法。該方法通過(guò)對(duì)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)可靠采集，對(duì)設(shè)備有效控制以及智能聯(lián)動(dòng)和模式控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊環(huán)境與設(shè)備的高效、智能化管理與控制。將此方法應(yīng)用到實(shí)際管廊中，可對(duì)管廊環(huán)境和設(shè)備的監(jiān)控達(dá)到很好的效果。

關(guān)鍵詞：綜合管廊；環(huán)境與設(shè)備；智能；監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP23""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：1671-0797（2025）02-0060-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.015

0""" 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，智慧城市的建設(shè)成為一種新趨勢(shì)，而綜合管廊作為城市生命線，是智慧城市建設(shè)中必不可少的一部分。綜合管廊對(duì)電力、燃?xì)?、水?wù)、通信等管線進(jìn)行統(tǒng)一的鋪設(shè)和管理，可有效減少路面開(kāi)挖，節(jié)省建設(shè)經(jīng)費(fèi)，提高管理水平[1]。

綜合管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)綜合管廊和管廊內(nèi)納入的管線進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控和管理的綜合性系統(tǒng)，是保證管廊安全可靠運(yùn)行的有效手段。而綜合管廊環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是綜合管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)中重要的一環(huán)，其對(duì)管廊內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，保障管廊的正常運(yùn)行和入廊人員的安全[2]。

綜合管廊中的環(huán)境參數(shù)，包含溫濕度、氧氣濃度、可燃?xì)怏w/有毒氣體含量、集水坑液位、結(jié)構(gòu)位移等。惡劣的管廊環(huán)境會(huì)影響管廊內(nèi)設(shè)備和管線的正常運(yùn)行，對(duì)入廊人員的人身安全造成威脅。因此，對(duì)管廊內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)調(diào)控是非常必要的。本文提出了一種管廊環(huán)境與設(shè)備智能化監(jiān)控方法，根據(jù)不同工況自動(dòng)切換不同的聯(lián)動(dòng)控制模式，確保管廊內(nèi)環(huán)境保持在最佳狀態(tài)。

1""" 綜合管廊環(huán)境和設(shè)備

綜合管廊環(huán)境包含溫濕度、氧氣濃度、甲烷/硫化氫氣體含量、集水坑液位、結(jié)構(gòu)位移等參數(shù)，其中溫濕度、氧氣濃度、集水坑液位是所有艙室都需要監(jiān)測(cè)的變量。溫濕度、氧氣濃度是管廊艙室內(nèi)基本環(huán)境參數(shù)，通過(guò)溫濕度、氧氣濃度可初步判斷管廊內(nèi)是否有火災(zāi)、給水泄漏等突發(fā)事件，且確保溫濕度和氧氣濃度正常是巡檢和維修人員進(jìn)入管廊的基本前提。監(jiān)測(cè)集水坑液位可實(shí)時(shí)了解廊內(nèi)集水狀況，判斷是否有淹水，淹水對(duì)廊內(nèi)設(shè)備和管線有致命傷害，因此實(shí)時(shí)監(jiān)視集水狀態(tài)，并在水位過(guò)高時(shí)自動(dòng)排水對(duì)保證管廊安全正常運(yùn)行十分必要。

天然氣艙和污水艙中需要對(duì)CH4氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，燃?xì)馀撝泄懿娜毕?、接頭損壞、腐蝕環(huán)境中長(zhǎng)期腐蝕導(dǎo)致管道或管道閥門(mén)破損，很容易造成天然氣泄漏，并擴(kuò)散到其他艙室，引發(fā)爆炸危險(xiǎn)[3]。

對(duì)污水艙還需要進(jìn)行H2S有毒氣體監(jiān)測(cè)，污水管道中可能存在種類繁多、成分復(fù)雜的有毒、腐蝕和易燃易爆氣體，H2S是其中最主要的有毒氣體，一旦管道出現(xiàn)破損或發(fā)生爆管事故，管道內(nèi)的有毒氣體會(huì)迅速擴(kuò)散到管廊內(nèi)，污染廊內(nèi)空氣環(huán)境，嚴(yán)重威脅廊內(nèi)巡檢人員的人身安全[4]。因此，在污水艙中設(shè)置H2S氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)艙內(nèi)有毒氣體濃度，一旦檢測(cè)到有毒氣體，立即報(bào)警開(kāi)啟風(fēng)機(jī)通風(fēng)，并通知廊內(nèi)人員撤離。

依據(jù)GBZ/T 205—2007《密閉空間作業(yè)職業(yè)危害防護(hù)規(guī)范》的規(guī)定，綜合管廊不同艙室內(nèi)需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)如表1所示。

環(huán)境監(jiān)控除了對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視外，還通過(guò)控制風(fēng)機(jī)、水泵等自動(dòng)化設(shè)備對(duì)廊內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。當(dāng)溫濕度過(guò)高、氧含量過(guò)低或有毒氣體泄漏時(shí)，通過(guò)排風(fēng)機(jī)通風(fēng)換氣調(diào)節(jié)環(huán)境狀態(tài)。當(dāng)集水坑液位過(guò)高時(shí)，通過(guò)水泵排水降低液位。

因此，管廊內(nèi)風(fēng)機(jī)、水泵等附屬設(shè)備的正常運(yùn)行，對(duì)保證管廊內(nèi)的環(huán)境良好非常重要，良好的管廊環(huán)境才能保證入廊管道的正常運(yùn)作，另外適宜的環(huán)境才能保證入廊人員的安全以及舒適的工作環(huán)境，因此需要對(duì)管廊內(nèi)的環(huán)境和附屬設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控，以保證管廊處于良好的狀態(tài)。

2""" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1""" 總體實(shí)現(xiàn)方法

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的主要作用是針對(duì)管廊內(nèi)和變電所內(nèi)的各種用電設(shè)備，采集管理所需的各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警管理、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理等功能，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量與控制，對(duì)全管廊實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度自動(dòng)化，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化、節(jié)能，環(huán)境控制科學(xué)管理、合理應(yīng)用等目的。

在每個(gè)防火分區(qū)和變電所各設(shè)置一套區(qū)域控制單元ACU，ACU采集各種傳感器、智能儀表、電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)與報(bào)警信息，通過(guò)監(jiān)控主干網(wǎng)上傳到監(jiān)控中心進(jìn)行監(jiān)視，同時(shí)ACU完成該管轄區(qū)域的設(shè)備控制、聯(lián)動(dòng)，并接收監(jiān)控中心的控制指令操作對(duì)應(yīng)的設(shè)備。

區(qū)域控制器ACU采集和控制的參量主要包含：

1）各區(qū)段溫濕度信號(hào)、氧氣檢測(cè)信號(hào)、有毒氣體檢測(cè)儀（通過(guò)總線方式）；

2）各區(qū)段集水坑水位超聲波液位計(jì)（總線）、浮球液位計(jì)信號(hào)；

3）各區(qū)段照明、風(fēng)機(jī)、排水泵等機(jī)電設(shè)備的控制及狀態(tài)信號(hào)；

4）各區(qū)段配電系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制功能包括設(shè)備（照明燈、排水泵、排風(fēng)機(jī)等）的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，運(yùn)行模式監(jiān)測(cè)，手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，故障檢測(cè)，運(yùn)行維護(hù)記錄以及設(shè)備與溫度、濕度、氧含量、甲烷、硫化氫氣體等管廊環(huán)境參數(shù)值之間的智能聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管廊智能化運(yùn)行；對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行電力監(jiān)控、能耗管理、用電統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)節(jié)能綠色環(huán)保生態(tài)管廊。

2.2""" 通信

2.2.1""" 采集通信

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中溫濕度、氧氣等傳感器數(shù)據(jù)的采集有兩種方法：一是通過(guò)ACU的IO模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，另一種是通過(guò)總線通信模塊采集數(shù)據(jù)。

ACU柜放置在管廊上方的設(shè)備夾層，管廊內(nèi)傳感器在各艙室分散布置，與ACU柜距離較遠(yuǎn)，采用IO模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，需要給每個(gè)傳感器單獨(dú)敷設(shè)控制線纜，并且需要多路IO口，雖然數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性得到了保證，但是設(shè)備和布線成本有所增加，也增加了故障點(diǎn)。

因此這里采用總線方式，將一個(gè)艙室或多個(gè)艙室傳感器手拉手方式連接，如圖1所示。給每個(gè)傳感器分配一個(gè)總線地址，ACU控制器通過(guò)總線協(xié)議循環(huán)與每個(gè)傳感器進(jìn)行通信，獲取傳感器數(shù)據(jù)。總線方式減少了布線，降低了故障率，實(shí)時(shí)性和可靠性都有保障。

2.2.2""" 網(wǎng)絡(luò)通信

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)不單獨(dú)組建網(wǎng)絡(luò)，而是通過(guò)管廊內(nèi)監(jiān)控環(huán)網(wǎng)接入監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心由綜合監(jiān)控系統(tǒng)深度集成。

如圖2所示，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，總共分為三層：區(qū)域控制層、主干環(huán)網(wǎng)層和控制中心層。區(qū)域控制層由管廊內(nèi)每個(gè)分區(qū)設(shè)備間的區(qū)域控制器的總線網(wǎng)絡(luò)以及該分區(qū)的交換機(jī)組成，主干環(huán)網(wǎng)層由廊內(nèi)的匯聚交換機(jī)與控制中心的核心交換機(jī)組成環(huán)網(wǎng)，監(jiān)控中心層由監(jiān)控中心核心交換機(jī)、擴(kuò)展交換機(jī)和監(jiān)控設(shè)備組成。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表由屏蔽電纜通過(guò)總線通信模塊接入本系統(tǒng)，各監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)、控制信號(hào)等由IO模塊接入本系統(tǒng)。ACU實(shí)現(xiàn)環(huán)控?cái)?shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及環(huán)境設(shè)備的智能控制等功能。

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)視數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，通過(guò)監(jiān)控主干網(wǎng)接入控制中心，控制中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控和設(shè)備控制以及設(shè)備聯(lián)動(dòng)和預(yù)警報(bào)警。

2.3""" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1""" 設(shè)備控制

管廊中環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的被控對(duì)象是風(fēng)機(jī)、水泵等各種設(shè)備。根據(jù)ACU實(shí)時(shí)采集的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)機(jī)和排水泵實(shí)現(xiàn)啟停、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、聯(lián)動(dòng)等操作，實(shí)現(xiàn)管廊環(huán)境智能調(diào)節(jié)。

管廊內(nèi)的機(jī)電設(shè)備（風(fēng)機(jī)、水泵等）具有三種控制模式：就地手動(dòng)模式、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模式、遠(yuǎn)程自動(dòng)聯(lián)動(dòng)模式。上述模式中就地和遠(yuǎn)程的切換是由設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制箱上的切換開(kāi)關(guān)來(lái)控制的。

“就地”操作模式：具有最高優(yōu)先級(jí)，在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)設(shè)備控制箱直接控制設(shè)備。

“遠(yuǎn)程”操作模式：在人機(jī)界面（HMI）上手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)設(shè)備啟/停；遠(yuǎn)程模式下由ACU根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)，自動(dòng)控制機(jī)電設(shè)備的啟/停。

雙速風(fēng)機(jī)和水泵的控制流程圖如圖3、圖4所示。

2.3.2""" 報(bào)警聯(lián)動(dòng)

自動(dòng)報(bào)警及智能聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)是管廊中環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)最主要的功能之一。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管廊中的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，一旦環(huán)境參數(shù)超出正常范圍，馬上生成報(bào)警信號(hào)，并聯(lián)動(dòng)相關(guān)設(shè)備自動(dòng)調(diào)節(jié)，使管廊環(huán)境保持在正常范圍內(nèi)，確保人員、管線和設(shè)備的安全。

系統(tǒng)中各環(huán)境參數(shù)的報(bào)警條件和報(bào)警事件以及聯(lián)動(dòng)控制如表2所示。

2.3.3""" 系統(tǒng)模式

為環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)設(shè)不同的工作模式，使系統(tǒng)更加智能、高效、可靠。不同的工況下設(shè)置為不同的模式，使設(shè)備運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

系統(tǒng)分為正常模式和異常模式兩種主要運(yùn)營(yíng)模式，正常模式又包含大小通風(fēng)模式、巡檢模式、維護(hù)模式等，異常模式包含停車(chē)模式、事后時(shí)間表通風(fēng)模式、火災(zāi)模式等。異常模式是在管廊運(yùn)行異常時(shí)自動(dòng)觸發(fā)，并在異常情況恢復(fù)后進(jìn)行事后處理，從而能達(dá)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

各模式定義如下：

1）正常自動(dòng)控制：根據(jù)環(huán)控參數(shù)自動(dòng)控制。

2）大小通風(fēng)模式：打開(kāi)一個(gè)或兩個(gè)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)。

3）時(shí)間表通風(fēng)模式：設(shè)定風(fēng)機(jī)的啟停時(shí)間，自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行。

4）巡檢模式：確保管廊內(nèi)的含氧量及其他環(huán)控參數(shù)在正常范圍內(nèi)，確保人員安全。

5）維護(hù)模式：設(shè)備進(jìn)入到手動(dòng)模式。

6）停車(chē)模式：在遇到緊急情況時(shí)手動(dòng)緊急停止運(yùn)行。

7）事后時(shí)間表通風(fēng)模式：火災(zāi)事故后自動(dòng)通風(fēng)模式。

8）火災(zāi)模式：不能手動(dòng)觸發(fā)，由火災(zāi)報(bào)警器信號(hào)觸發(fā)，必須等火災(zāi)信號(hào)消除后，才可退出。

3""" 實(shí)際應(yīng)用

將本文中的環(huán)境與設(shè)備智能監(jiān)控方法應(yīng)用到某管廊的監(jiān)控系統(tǒng)中，如圖5所示，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取管廊環(huán)境數(shù)據(jù)以及各環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，能可靠控制環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備；當(dāng)環(huán)境參數(shù)超標(biāo)時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備動(dòng)作；在不同的模式設(shè)置下，能根據(jù)模式的設(shè)定自動(dòng)運(yùn)行。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果顯示，本文方法能實(shí)時(shí)監(jiān)控并智能控制管廊環(huán)境，取得了良好的效果。

4""" 結(jié)束語(yǔ)

管廊環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控在管廊運(yùn)維中是非常重要的一個(gè)子系統(tǒng)，直接關(guān)系到管廊中人員、設(shè)備及入廊管線的安全。本文提出的管廊環(huán)境與設(shè)備智能監(jiān)控方法，可在管廊實(shí)際運(yùn)維過(guò)程中應(yīng)用，能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地獲取環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)環(huán)境參數(shù)智能聯(lián)動(dòng)和切換模式，確保管廊環(huán)境健康和設(shè)備正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)管廊環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控智能化。

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收稿日期：2024-09-03

作者簡(jiǎn)介：黃江波（1989—），男，湖北天門(mén)人，工程師，主要從事電氣工程與自動(dòng)化工作。