羅雨秋, 金 勇, 張 洋, 裘是寅, 耿 攀

(上海海事大學(xué), 上海 201306)

0 引 言

目前,地下綜合管廊時(shí)常發(fā)生滲透水、電纜起火、燃?xì)庑孤┑劝踩鹿?存在入廊管線事故和艙室所附屬設(shè)備故障,造成交通功能癱瘓,威脅生命、財(cái)產(chǎn)的安全[1-4]。此外地下綜合管廊的運(yùn)營和入廊成本非常大,管理水平尚需提高。本文以提高監(jiān)控和監(jiān)測水平為出發(fā)點(diǎn)、智能管理和現(xiàn)代化升級為導(dǎo)向,設(shè)計(jì)了一套地下綜合管廊風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。甲烷、氧氣、溫/濕度傳感器和煙霧傳感器分別測量管廊實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù),并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至CC2650子控制器;CC2650總控制器匯總數(shù)據(jù),若其中有數(shù)據(jù)異常達(dá)到或超過預(yù)警值,將觸發(fā)相應(yīng)的水泵、風(fēng)機(jī)和警示燈等執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)處理和預(yù)警;通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)網(wǎng)關(guān)控制器將環(huán)境數(shù)據(jù)、各艙室運(yùn)行情況和預(yù)警信息等實(shí)時(shí)信息在物聯(lián)網(wǎng)智能管控平臺、華為云可視化平臺發(fā)布和共享。

圖1 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖

1.2 感知層部分實(shí)現(xiàn)

1.2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)部分

根據(jù)GB 51354—2019《城市地下綜合管廊運(yùn)行維護(hù)及安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]的要求,除了對管廊各艙室所處環(huán)境的溫度、濕度和其他設(shè)備的運(yùn)行情況監(jiān)控外,還需要對氧氣和甲烷氣體進(jìn)行監(jiān)測。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測內(nèi)容如表1所示。環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表1 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測內(nèi)容

表2 環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)

(1) 溫/濕度檢測與調(diào)節(jié)。電纜長期在地下管廊中,容易造成電纜表面溫度過高,導(dǎo)致燒毀絕緣層而造成短路情況,故需對地下管廊的溫度進(jìn)行檢測。若管廊中含水汽過多,線路容易導(dǎo)致水浸短路的情況,故需對地下管廊進(jìn)行濕度檢測。

(2) 氧氣濃度檢測。城市綜合管廊建設(shè)于地下且主要用于容納城市工程管線,如果在通風(fēng)效果不佳或長期半封閉狀態(tài)下,氧含量受環(huán)境影響容易比大氣中稀薄,對處置報(bào)警問題的相關(guān)人員來說比較危險(xiǎn);氧氣濃度大于某個(gè)特定值時(shí),易結(jié)合可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸、火災(zāi)等安全事故,故需對地下管廊進(jìn)行氧氣含量檢測。

(3) 甲烷濃度檢測。城市污水、管廊積水坑內(nèi)的污水如果長期發(fā)酵,可能產(chǎn)生一定數(shù)量甲烷,形成爆炸性混合氣體而直接威脅到管廊安全;燃?xì)夤苤幸坏┤細(xì)庑孤?易產(chǎn)生易燃?xì)怏w,其中甲烷占大多數(shù),在滿足一定濃度情況下會發(fā)生爆炸,故需對管廊(特別是含污水管和燃?xì)夤艿呐撌?進(jìn)行甲烷氣體檢測。

1.2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控

為了對管廊進(jìn)行集中管理,系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的形式將管廊參數(shù)發(fā)送給監(jiān)控設(shè)備,達(dá)到遠(yuǎn)程管理的目的。將PC機(jī)作為監(jiān)控主機(jī),管理人員能夠在控制室中對管廊環(huán)境和運(yùn)行情況有直觀了解,同時(shí)還對管廊通風(fēng)、降溫等情況進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,避免危險(xiǎn)情況的發(fā)生;利用監(jiān)控終端發(fā)送調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)的指令給檢測終端,實(shí)時(shí)控制管廊各種執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行環(huán)境溫、濕度調(diào)節(jié)[6-7]。

1.2.3 執(zhí)行終端設(shè)備

多種執(zhí)行終端設(shè)備如圖所示2所示。當(dāng)管廊某環(huán)境參數(shù)超過事先設(shè)定的閾值后將觸發(fā)相應(yīng)警情聯(lián)動,相應(yīng)執(zhí)行終端設(shè)備將開始工作。例如當(dāng)管廊中可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)時(shí),將觸發(fā)報(bào)警燈和風(fēng)機(jī)開始工作;當(dāng)濕度超過閾值時(shí),將觸發(fā)綠色預(yù)警燈和水泵開始工作。

圖2 多種執(zhí)行終端設(shè)備

1.3 網(wǎng)絡(luò)層部分實(shí)現(xiàn)

1.3.1 SDN自組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

物聯(lián)SDN自組網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)示意圖如圖3所示,終端節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集傳感器連接,實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的接收與發(fā)送。

系統(tǒng)通過SDN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對管廊環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測,其傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器組成,通過SDN技術(shù)建立協(xié)調(diào)器與傳感器以及各艙室之間的雙向通信,實(shí)現(xiàn)管廊到達(dá)指定節(jié)點(diǎn)完成環(huán)境監(jiān)測的功能。同時(shí),管廊內(nèi)終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對各類傳感器的數(shù)據(jù)采集,并將其發(fā)送至協(xié)調(diào)器,實(shí)現(xiàn)信息反饋,達(dá)到地下綜合管廊集中監(jiān)測的目的。

圖3 物聯(lián)SDN自組網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)示意圖

1.3.2 緊急備用線路的實(shí)現(xiàn)

針對管廊特殊環(huán)境,可能會出現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)通信不暢甚至中斷的情況,此時(shí)系統(tǒng)將啟用基于ZigBee模塊和4G-DTU的無線傳輸通路。無線傳輸通路實(shí)現(xiàn)框圖如4所示,可在緊急情況時(shí)實(shí)現(xiàn)感知層到應(yīng)用層之間短時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù),同時(shí)系統(tǒng)警情聯(lián)動機(jī)制仍然不受影響,數(shù)據(jù)也可以正常上傳至云平臺和數(shù)據(jù)庫。

圖4 無線傳輸通路實(shí)現(xiàn)框圖

1.4 應(yīng)用層部分實(shí)現(xiàn)

1.4.1 華為云IoT平臺

為方便匯總管廊中所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和可視化,系統(tǒng)將底層傳輸來的數(shù)據(jù)通過API接入華為云IoT平臺,在其中建立數(shù)據(jù)庫,便于存儲相關(guān)數(shù)據(jù),為管廊管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)測管廊安全情況提供便利。管廊管理人員需要使用密碼登錄監(jiān)測系統(tǒng),通過管廊環(huán)境監(jiān)測界面查看管廊當(dāng)前環(huán)境情況(包含環(huán)境監(jiān)測、一鍵控制、歷史查詢等功能)。

可視化系統(tǒng)主要為建設(shè)維護(hù)方人員和市政監(jiān)管方人員提供可視化頁面的入口,建設(shè)維護(hù)人員進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)智能管控平臺,而市政監(jiān)管方人員進(jìn)入華為云可視化平臺[8-9]。

1.4.2 物聯(lián)網(wǎng)智能管控平臺

物聯(lián)網(wǎng)智能管控平臺主要為管廊建設(shè)方人員使用,主要由預(yù)警界面、設(shè)備清單、閾值設(shè)置和遠(yuǎn)程控制4個(gè)界面組成,直觀顯示管廊的環(huán)境狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài),便于地下綜合管廊的管理和運(yùn)營,以及碰到意外情況時(shí)緊急的手動遠(yuǎn)程控制。

地下綜合管廊風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)警界面如圖5所示。概覽部分顯示管廊當(dāng)前的運(yùn)行安全情況,主要通過健康度等級、安全運(yùn)行天數(shù)體現(xiàn);設(shè)備實(shí)時(shí)上報(bào)信息主要進(jìn)行各艙室設(shè)備發(fā)生預(yù)警的信息提示,便于建設(shè)方派出巡檢人員前往實(shí)地?fù)屝?、排除預(yù)警;各傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能夠直觀顯示當(dāng)前各艙室環(huán)境數(shù)據(jù);管廊能耗情況、設(shè)備狀態(tài)和預(yù)警匯總也同樣顯示,方便建設(shè)方對其中發(fā)生故障的設(shè)備加強(qiáng)巡檢力度。此外,設(shè)備清單界面主要顯示地下綜合管廊風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備的各種主要信息,閾值設(shè)置界面顯示系統(tǒng)所測的環(huán)境數(shù)據(jù)觸發(fā)報(bào)警閾值,遠(yuǎn)程控制界面顯示通過遠(yuǎn)程電腦端使相關(guān)預(yù)警設(shè)備運(yùn)行或者停止的信息,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)界面顯示歷史數(shù)據(jù)的查詢和圖表等。

圖5 地下綜合管廊風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)警界面

1.4.3 華為云可視化顯示

華為云可視化顯示界面如圖6所示,主要由預(yù)警信息、安全等級顯示、管廊區(qū)域分布圖、各艙室監(jiān)控界面和各艙室運(yùn)行情況等部分組成。

圖6 華為云可視化顯示界面

預(yù)警信息部分顯示各種預(yù)警信息占比、每個(gè)月預(yù)警信息總數(shù)變化趨勢和實(shí)時(shí)預(yù)警信息;安全等級顯示部分主要顯示當(dāng)前管廊系統(tǒng)整體安全等級和每個(gè)艙室實(shí)時(shí)安全等級;管廊區(qū)域分布圖顯示當(dāng)前區(qū)域內(nèi)地下管廊的分布;緊急情況逃生路線顯示當(dāng)管廊出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)相關(guān)巡檢人員的逃生路線,確保以最快速度逃離危險(xiǎn)區(qū)域;各艙室運(yùn)行情況顯示對應(yīng)艙室的環(huán)境數(shù)據(jù)和運(yùn)行日志。預(yù)警平臺可以清晰直觀顯示各艙室運(yùn)行情況和預(yù)警信息,能讓市政監(jiān)管方人員及時(shí)掌握管廊的所有情況,尤其能夠?qū)︻A(yù)警信息做出快速反應(yīng)并實(shí)時(shí)記錄處理狀態(tài),使管理效率大大增加。

2 系統(tǒng)優(yōu)勢

2.1 SDN通信技術(shù)在管廊系統(tǒng)中的應(yīng)用

系統(tǒng)以SDN思想為核心,針對不同的用戶、部署場景、設(shè)備特性、業(yè)務(wù)目標(biāo)等,采用最精準(zhǔn)的協(xié)議通信方式,同時(shí)兼容任意的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(協(xié)議無關(guān)性),為用戶提供最優(yōu)的部署成本及業(yè)務(wù)需求對接物聯(lián)網(wǎng)解決方案,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性和安全性。

SDN系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 SDN系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)通過在物聯(lián)網(wǎng)通信控制技術(shù)中應(yīng)用SDN系統(tǒng)架構(gòu),可以對整個(gè)系統(tǒng)的控制層和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層進(jìn)行分離,從而達(dá)到協(xié)議無關(guān)的目的。再加上邊緣計(jì)算技術(shù),可很好地適應(yīng)地下綜合管廊這一特殊環(huán)境,確保系統(tǒng)安全性;事故發(fā)生時(shí),確保系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。

2.2 多場景的實(shí)時(shí)監(jiān)測分析可視化平臺

系統(tǒng)采用溫/濕度傳感器、煙感探測器和相關(guān)氣體傳感器等組成的傳感器網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對地下綜合管廊環(huán)境的全方位監(jiān)測,可及時(shí)預(yù)防管廊內(nèi)自燃、揮發(fā)和自爆等情況的發(fā)生;基于采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理和分析,建立地下綜合管廊的可視化管理界面,為管廊建設(shè)方和市政監(jiān)管方根據(jù)不同需求設(shè)計(jì)2種可視化大屏,實(shí)時(shí)了解當(dāng)前管廊的環(huán)境情況、各設(shè)備運(yùn)行情況和安全情況。

2.3 危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)的警情聯(lián)動機(jī)制

針對不同警情的發(fā)生,系統(tǒng)設(shè)計(jì)完備的警情聯(lián)動機(jī)制,包括多終端機(jī)組的聯(lián)合運(yùn)行等。地下綜合管廊發(fā)生危險(xiǎn)往往都是在一瞬之間,因此應(yīng)急防護(hù)動作必須及時(shí)。傳感器檢測的環(huán)境數(shù)值傳至華為云平臺,通過設(shè)置相應(yīng)的事件觸發(fā)規(guī)則可以實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)事件的處理,如控制除濕機(jī)、風(fēng)扇、滅火系統(tǒng)等進(jìn)行相應(yīng)的事件處理,同時(shí)通過動態(tài)修改監(jiān)測閾值可實(shí)現(xiàn)對同一艙位不同時(shí)期不同管廊環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)有危險(xiǎn)信號發(fā)生時(shí),可在執(zhí)行端進(jìn)行最快處理,無需上傳至監(jiān)控平臺人工進(jìn)行判斷并處理,能夠最大程度地保障管廊艙室的安全。

3 結(jié) 語

設(shè)計(jì)的地下綜合管廊風(fēng)險(xiǎn)分析預(yù)警系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、可靠地實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的功能,實(shí)用性較高,實(shí)現(xiàn)地下綜合管廊的自動化采集、智能化傳輸和信息化管理。目前,建立監(jiān)測、定位、安全、共享為一體的地下綜合管廊智慧管控平臺,實(shí)現(xiàn)綜合管廊技術(shù)、資源集成應(yīng)用和數(shù)據(jù)共享,可以有效應(yīng)對和解決當(dāng)前管廊行業(yè)的安全和管理效率低下問題。