姬 衛(wèi) 東

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司, 上海 200063]

0 引 言

從2015年開始,住建部組織進(jìn)行了第一、第二批綜合管廊試點城市,掀起了建設(shè)綜合管廊的高潮。截至2022年6月底,全國279個城市、104個縣,累計開工建設(shè)管廊項目1 647個、長度5 902 km,形成廊體3 997 km。目前,大多數(shù)綜合管廊進(jìn)入了運營階段。在運營過程中,逐漸暴露出許多涉及到綜合化管廊的安全問題,其中,出現(xiàn)綜合管廊環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)運行不可靠,甚至失效,使運維人員無法管控等現(xiàn)象,且不是個案,所以有必要總結(jié)問題,并提出相應(yīng)解決方案。

《城市安全風(fēng)險綜合監(jiān)測預(yù)警平臺建設(shè)指南(試行)》明確指出:主要對廊內(nèi)環(huán)境及其附屬設(shè)施運行風(fēng)險進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測廊內(nèi)溫度、濕度、氧氣濃度等參數(shù),以及接入管線壓力、流量、有毒和可燃?xì)怏w濃度等監(jiān)測信息。綜合管廊監(jiān)測依據(jù)GB/T 51274—2017《城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 51354—2019《城市地下綜合管廊運行維護(hù)及安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 38550—2020《城市綜合管廊運營服務(wù)規(guī)范》等國家標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。

目前,與綜合管廊環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)有GB 50838—2015《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》、GB/T 51274—2017《城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 51354—2019《城市地下綜合管廊運行維護(hù)及安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。嚴(yán)格執(zhí)行這三項國家標(biāo)準(zhǔn),能最低限度確保綜合管廊本體及入廊管線運行安全,以及確保運維人員的人身安全。本文用參與提升改造的綜合管廊項目作為案例,來說明國內(nèi)綜合管廊在運營中存在的普遍問題。

1 案例分析及建議

某采用盾構(gòu)開挖的管廊全長十多千米,穿過老城區(qū),管廊路徑相距200～500 m有一個井,用于通風(fēng)及分變電站。地下管廊采用雙洞建筑結(jié)構(gòu),開挖直徑為6.2 m,管廊內(nèi)徑為5.4 m,分隔為上、下兩艙。一側(cè)管廊下半部敷設(shè)中水管線、給水管線,上半部敷設(shè)10 kV電力管線和緊急逃生通道。與其平行的另一側(cè)管,下半部敷設(shè)供熱管線、熱力管線,上半部敷設(shè)天然氣管道和緊急逃生通道。各井設(shè)備間有ACU區(qū)域控制器。

1.1 環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

隨機(jī)抽查相鄰的兩口井。檢查方法是使用模擬信號發(fā)生器分別模擬硫化氫、甲烷、氧氣、溫度和濕度等傳感器信號,按照正常、預(yù)警、報警3種情況調(diào)整信號大小,記錄不同狀況給出信號的時間,并檢查風(fēng)機(jī)聯(lián)動情況,最后回到監(jiān)控中心,核對平臺記錄的報警及聯(lián)動歷史記錄。具體檢查中存在如下問題。

(1) 風(fēng)機(jī)起停缺少本地自動控制。溫度信號達(dá)到報警閾值時,會觸發(fā)風(fēng)機(jī)起動,當(dāng)溫度信號恢復(fù)正常時,風(fēng)機(jī)不能自動停止。GB/T 51274—2017中第5.3.2條明確要求對附屬設(shè)備控制方式宜采用就地手動、就地自動和遠(yuǎn)程控制……建議現(xiàn)場控制器增加風(fēng)機(jī)系統(tǒng)本地自動控制邏輯,在監(jiān)控中心統(tǒng)一管理平臺或通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時,亦能保證區(qū)域自動控制正常運行。

(2) 相鄰兩井之間存在網(wǎng)絡(luò)環(huán)網(wǎng)斷線問題,但底層設(shè)備層和監(jiān)控中心均無報警。建議增加網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng),及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障點;現(xiàn)場存在大量傳感器失效;相鄰兩井的甲烷報警閾值設(shè)定不一致,另標(biāo)注的甲烷、硫化氫單位與標(biāo)準(zhǔn)列出的單位也不一致,容易造成讀數(shù)混亂。建議統(tǒng)一配置傳感器報警閾值;傳感器選型需考慮合理的測量范圍,氧氣檢測儀測量范圍:0～25%VOL;甲烷檢測儀測量范圍:3～100%LEL;硫化氫氣檢測儀測量范圍:0～2×10-5;溫濕度檢測儀測量范圍:溫度-20～60 ℃,濕度:0～100%RH。

(3) 平臺對風(fēng)機(jī)的控制具有人工控制和聯(lián)動策略控制兩種方式,由于不區(qū)分模式,造成在監(jiān)控中心人工操作風(fēng)機(jī)運行時,會被自動操作替換,無法保持手動操作結(jié)果。建議增加環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)監(jiān)控工作站,對本系統(tǒng)所有設(shè)備健康狀況進(jìn)行全面監(jiān)控,完成系統(tǒng)統(tǒng)一配置、設(shè)備管理功能,保證該系統(tǒng)安全、可靠運行。

1.2 監(jiān)控中心機(jī)房設(shè)備

監(jiān)控中心機(jī)房設(shè)備主要對服務(wù)器、數(shù)據(jù)備份、視頻監(jiān)控存儲和上屏等性能和功能進(jìn)行檢查。具體檢查問題如下:檢查所有的服務(wù)器,其中4臺服務(wù)器為單CPU、單條16 G內(nèi)存、單塊硬盤、單電源在運行,另外2臺為單CPU、單條16 G內(nèi)存、雙硬盤(未做冗余)、雙電源運行。如果其中任意一個模塊發(fā)生故障,即刻會造成該服務(wù)器崩潰。檢測中發(fā)現(xiàn),有部分服務(wù)器內(nèi)存占用率長時間在80%以上,因服務(wù)器為單條內(nèi)存在運行,系統(tǒng)錯誤會導(dǎo)致內(nèi)存運行發(fā)生故障,直接導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。建議根據(jù)公共安全數(shù)據(jù)中心服務(wù)器要求,必須配置為雙CPU,至少4條以上內(nèi)存(保證有故障的情況下,其他內(nèi)存還能繼續(xù)使用),硬盤至少3～4塊組RAID5,最好有1塊熱備,雙電源配置。

(1) 所有服務(wù)器與交換機(jī)僅1路網(wǎng)線連接。筆者建議服務(wù)器與核心交換機(jī)連接采用網(wǎng)線配置冗余。

(2) 所有服務(wù)器系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、存儲資料、系統(tǒng)等未有日常備份功能,在系統(tǒng)崩潰或硬盤故障時,數(shù)據(jù)會即刻丟失。建議服務(wù)器應(yīng)做冗余;增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份功能。

(3) 視頻監(jiān)控NVR錄像機(jī)中,部分硬盤已經(jīng)出現(xiàn)故障。

(4) 視頻監(jiān)控系統(tǒng)中多畫面上墻顯示性能不足,同時顯示畫面超過4～8畫面即卡頓。

2 主要問題

2.1 沒有本地自動化功能

附屬設(shè)備控制方式宜采用就地手動、就地自動和遠(yuǎn)程控制,并應(yīng)以就地手動控制為最高控制優(yōu)先級;ACU之間不能數(shù)據(jù)交換。通風(fēng)工藝示意圖如圖1所示。

圖1 通風(fēng)工藝示意圖

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)控制運行策略混亂

沒有定時起?？刂?不能根據(jù)管廊內(nèi)外環(huán)境空氣參數(shù),確定合理的運行工況間歇運行。

(1) 排除余熱通風(fēng)工況。綜合管廊內(nèi)設(shè)計溫度≤40 ℃,為保證設(shè)備及電纜安全,當(dāng)綜合管廊內(nèi)某防火分區(qū)溫度≥38 ℃時,自動開啟該防火分區(qū)排風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng),待該防火分區(qū)溫度降至35 ℃,自動關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

(2) 巡視檢修通風(fēng)工況。當(dāng)巡視檢修人員需進(jìn)入管廊時,巡視開始前30 min,由控制中心或現(xiàn)場手動開啟進(jìn)入?yún)^(qū)段的風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng),以確保工作人員健康安全,完成后關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

(3) 滅火后排煙排風(fēng)工況。當(dāng)管廊內(nèi)某段發(fā)生火災(zāi)時應(yīng)自動關(guān)閉發(fā)生火災(zāi)防火分區(qū)及相鄰分區(qū)的通風(fēng)設(shè)備。待事故完畢,經(jīng)人工確認(rèn)后,開啟區(qū)段內(nèi)所有風(fēng)機(jī),進(jìn)行災(zāi)后通風(fēng),排除廢氣。

(4) 事故通風(fēng)。污水艙硫化氫最大容許溶度為10 mg/m3,超過此濃度開啟事故分區(qū)及相鄰分區(qū)的事故通風(fēng)機(jī)及補風(fēng)機(jī)。事故通風(fēng)與燃?xì)馀撔孤﹫缶到y(tǒng)聯(lián)動。

(5) 氣體監(jiān)測和報警。能對綜合管廊內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與報警,氣體(O2、CH4、H2S等)報警設(shè)定值應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GBZ/T 205—2007《密閉空間作業(yè)職業(yè)危害防護(hù)規(guī)范》。

2.3 傳感器選型不合理

量程范圍和檢測精度不匹配。對于硫化氫檢測,由于儀表量程為0～2×10-3,而報警閾值僅為6.6×10-6,遠(yuǎn)小于2%FS(滿量程)的精度。

計量單位不統(tǒng)一。預(yù)警、報警閾值設(shè)置隨心所欲,甲烷在達(dá)到50%LEL時報警,不符合標(biāo)準(zhǔn)的1%(V/V)閾值(即20%LEL),不理解報警值的意義。

2.4 統(tǒng)一管理平臺問題

目前的綜合管廊的運維管理,由于依靠環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控、安全防范、通信等多個不同功能的系統(tǒng),系統(tǒng)中牽涉的設(shè)備較多,提供設(shè)備的廠家也較多,協(xié)議以及控制方式相對復(fù)雜。在數(shù)據(jù)交換中沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),因此造成接口眾多、訪問性差,容易形成一個個“信息孤島”,主要體現(xiàn)在各系統(tǒng)單獨運行,功能單一。各系統(tǒng)主要采用人工管理模式,運營管理成本高;出現(xiàn)緊急事故時不能及時聯(lián)動處理;各系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)類別不一。

平臺對風(fēng)機(jī)的控制有人工控制和聯(lián)動策略控制兩種方式,由于不區(qū)分模式,造成在監(jiān)控中心人工操作風(fēng)機(jī)運行時,會被自動操作替換,無法保持手動操作結(jié)果。

3 控制系統(tǒng)解決方案

實現(xiàn)單井本地聯(lián)動風(fēng)機(jī)功能,通過環(huán)境監(jiān)控平臺軟件實現(xiàn)相鄰兩井氣體聯(lián)動相鄰分區(qū)風(fēng)機(jī)功能,達(dá)到就地控制和子系統(tǒng)控制要求。方案主要包括項目前期設(shè)備接線整改階段、環(huán)境及自控設(shè)備檢查階段、ACU主站升級合并配置階段、環(huán)境監(jiān)控平臺安裝配置階段以及總體功能驗證階段。

3.1 接線整改緣由

實現(xiàn)ACU本地聯(lián)動功能,聯(lián)動的相關(guān)設(shè)備配置需在同臺ACU的主站上,現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控部分每井設(shè)置兩臺主站,相關(guān)氣體以及風(fēng)機(jī)配置分設(shè)在不同主站上,無法實現(xiàn)跨ACU主站實施本地聯(lián)動控制。

3.2 解決措施

更改ACU接線方式,將之前相互隔離兩臺ACU的從站連接為整體。用網(wǎng)線做跳線,將其中一臺ACU末端從站的“OUT”口,與另一臺ACU主站接入的第一臺從站“IN”口連接。整改后的ACU接線方式如圖2所示。

圖2 整改后的ACU接線方式

原先兩臺主站上配置相互分開需合并到同臺主站上,兩臺ACU主站配置合并主要涉及到AI、DI、DO等點位配置。按照艙室進(jìn)行配置本地聯(lián)動,根據(jù)氣體傳感器所在艙,聯(lián)動該艙內(nèi)相關(guān)風(fēng)機(jī),艙內(nèi)多個氣體可同時對應(yīng)艙內(nèi)同個風(fēng)機(jī)做聯(lián)動配置。當(dāng)本體氣體傳感器報警時風(fēng)機(jī)起動,同艙內(nèi)多個氣體報警并按報警前后聯(lián)動,風(fēng)機(jī)已運行的情況下不受影響。在監(jiān)控中心增加環(huán)控工作站,搭建數(shù)據(jù)庫環(huán)境并配置聯(lián)動報警策略。

3.3 實現(xiàn)功能

單井單艙驗證所在井位置氣體傳感器報警時,聯(lián)動本地風(fēng)機(jī)起動,報警取消本地風(fēng)機(jī)關(guān)閉。雙井單艙驗證所在井位置氣體傳感器報警時,聯(lián)動相鄰兩井風(fēng)機(jī)起動,報警取消相鄰兩井風(fēng)機(jī)關(guān)閉。

4 網(wǎng)絡(luò)通信解決方案

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要承載工業(yè)控制、無線、傳輸網(wǎng)絡(luò)、消防等多種業(yè)務(wù)功能。由于終端部分采用ACU設(shè)備組成環(huán)網(wǎng),部分網(wǎng)絡(luò)因終端配置連接而形成環(huán)路,導(dǎo)致該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的安防監(jiān)控系統(tǒng)不穩(wěn)定,出現(xiàn)丟失畫面、長時間畫面無響應(yīng)等現(xiàn)象。為了保證上述系統(tǒng)在運行過程中的可靠性、穩(wěn)定性,要求本項目中核心網(wǎng)絡(luò)部分采用雙聯(lián)路設(shè)計,接入網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)設(shè)計,改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。解決措施如下。

圖3 改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

4.1 交換機(jī)

將現(xiàn)有的接入交換機(jī)升級為具備萬兆上行接口及IRF功能,可以將設(shè)備兩兩組成虛擬交換機(jī)從而降低單點故障引發(fā)網(wǎng)絡(luò)中斷的可能。

4.2 生成樹協(xié)議

所有交換機(jī)啟用生成樹協(xié)議。由于有些廠家的ACU區(qū)域控制器僅支持RSTP生成樹協(xié)議,因此,所有交換機(jī)配置為RSTP生成樹。核心交換機(jī)設(shè)置為生成樹根橋(優(yōu)先級4096),所有匯聚交換機(jī)的生成樹優(yōu)先級全部設(shè)置為8192,為備份根橋。修改連接同一環(huán)網(wǎng)的兩個端口的優(yōu)先級,保證兩個端口的優(yōu)先級不同,從而在網(wǎng)絡(luò)層面進(jìn)行破環(huán)。降低網(wǎng)絡(luò)形成閉合環(huán)路的可能性。

4.3 環(huán)路保護(hù)功能

在所有接入交換機(jī)上的所有端口開啟環(huán)路保護(hù)功能,從而在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)環(huán)路時能夠及時進(jìn)行環(huán)路報警并進(jìn)行環(huán)路的阻斷,從而降低因網(wǎng)絡(luò)環(huán)路導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障的事件發(fā)生。

4.4 網(wǎng)管軟件

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)缺少整體網(wǎng)絡(luò)管理軟件,無法實時上傳各系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)及服務(wù)器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作狀態(tài)。

網(wǎng)管軟件能夠快速地發(fā)現(xiàn)企業(yè)中二層和三層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,并根據(jù)設(shè)備之間的關(guān)系自動生成全局的二層或三層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。運維管理系統(tǒng)自動發(fā)現(xiàn)時使用ICMP、SNMP、HSRP、STP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)管理人員能夠看到整個運營網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),包括各個分布地區(qū)的子網(wǎng)、各個子網(wǎng)之間的網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系及其每一子網(wǎng)上的資源。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成后,能直觀地看到各個資源的狀態(tài)變化。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時,自動發(fā)現(xiàn)引擎能夠迅速地發(fā)現(xiàn)并及時調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,保證與實際網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)保持一致。

配置好監(jiān)控策略后,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備已被系統(tǒng)監(jiān)控,可通過統(tǒng)一展現(xiàn)平臺來查看設(shè)備當(dāng)前的性能狀態(tài)和可用性狀態(tài)。運維管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理模塊除可以實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自身的CPU利用率、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)存利用率、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口通斷等自身的指標(biāo)外,還可以從更低層次、更細(xì)粒度來監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口的情況,包括端口的名稱、操作管理狀態(tài)、接口發(fā)送接收速率、端口的ICMP包率、端口的通斷信息、端口的發(fā)送接收包率等,并產(chǎn)生報表,以各種方式展現(xiàn)。運維管理系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可用性監(jiān)控以紅、綠、黃、灰狀態(tài)燈展示,管理員可以一目了然地看到發(fā)生故障的設(shè)備及當(dāng)前接口的性能。

5 機(jī)房改造方案

選用RoseHA雙機(jī)系統(tǒng),使兩臺服務(wù)器(主機(jī))都與磁盤陣列(存儲)系統(tǒng)直接連接,用戶的操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和RoseHA高可用軟件分別安裝在兩臺主機(jī)上,數(shù)據(jù)庫等共享數(shù)據(jù)存放在存儲系統(tǒng)上,實時監(jiān)測應(yīng)用資源運行狀態(tài),實現(xiàn)資源故障時自動切換,解決軟、硬件的單點故障,從而保障業(yè)務(wù)系統(tǒng)不間斷運營,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(如系統(tǒng)宕機(jī)、HA進(jìn)程/應(yīng)用進(jìn)程被殺掉、RS-232、SCSI、光纖、網(wǎng)絡(luò)線纜斷開),RoseHA將確定故障原因,采取相應(yīng)對策,并將這些應(yīng)用切換到備份服務(wù)器上。而故障服務(wù)器中未受影響的應(yīng)用不會被切換,即不會受任何影響,不需要系統(tǒng)管理員干預(yù)。RoseHA雙機(jī)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 RoseHA 雙機(jī)系統(tǒng)

6 統(tǒng)一管理平臺迭代

目前統(tǒng)一管理平臺無相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)做規(guī)范。各平臺開發(fā)商按照自己對項目的理解去開發(fā),運營時統(tǒng)一管理平臺不能完全準(zhǔn)確反映管廊內(nèi)的客觀情況,會產(chǎn)生誤報、漏報現(xiàn)象;統(tǒng)一管理平臺不能直觀地發(fā)現(xiàn)管廊內(nèi)發(fā)生的異常情況,不能對各類報警迅速提供彈窗和聲光報警,以及不能將各子系統(tǒng)有效地聯(lián)動;不具備輔助決策功能,僅有數(shù)據(jù)統(tǒng)計,最多數(shù)據(jù)可視化,但缺乏數(shù)據(jù)挖掘趨勢分析功能;不能把收集到的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù),加工為定期維護(hù)或更換組件的信息,降低了平臺使用價值。

解決的方案是:考慮到統(tǒng)一管理平臺的復(fù)雜性,有必要降低平臺宕機(jī)風(fēng)險,增加環(huán)境控制工程師工作站,對本系統(tǒng)所有設(shè)備健康狀況進(jìn)行全面監(jiān)控,完成系統(tǒng)統(tǒng)一配置、設(shè)備管理功能,保證該系統(tǒng)安全、可靠運行。

7 結(jié) 語

綜合管廊環(huán)境與設(shè)備控制系統(tǒng)是綜合管廊主要系統(tǒng),該系統(tǒng)可靠運行,能為城市地下管線提供了一個工況環(huán)境適宜的空間,保護(hù)管廊內(nèi)設(shè)備、管線的安全。集成該系統(tǒng),必須依照GB/T 51274—2017《國家標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,以及GB 51354—2019《城市地下綜合管廊運行維護(hù)及安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,結(jié)合工藝及運營需求做好風(fēng)機(jī)水泵等就地自動化控制邏輯,依靠SCADA系統(tǒng),及時、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)廊內(nèi)異常事件,依據(jù)統(tǒng)一管理平臺的輔助決策,正確下達(dá)指令,這對綜合管廊運營是非常有價值的。