物聯網架構的管廊綜合監控管理平臺

楊 常 華

(山西省信息產業技術研究院有限公司，山西 太原 030012)

近年來我國部分省市綜合管廊陸續建成并投入使用，地下管廊的建設不僅避免了路面重復開挖造成城市交通擁堵和資金浪費問題，還極大方便了電力、電信、燃氣、給排水、熱力等市政設施的擴容和檢修。在管廊的運營維護中為能夠隨時、準確、全面地掌握管廊各環節的運行狀態，確保人員、環境、設備的安全，需要建設多維度、全方位的可視化監控管理平臺，以實現對管廊的實時監測，預警報警、綜合調度、應急指揮等綜合管理。

1 平臺系統概況

管廊綜合監控管理平臺是采用SOA結構，由環境與設備監控系統、安全防范系統、通信系統、預警與報警系統、地理信息系統等多個子系統集成的統一管理信息平臺，主要通過對各子系統數據的采集、分析和交互處理，將管廊內各種設備的運行情況以及預警報警等信息上傳到監控中心綜合數據處理平臺和綜合信息顯示平臺，以GIS+BIM模式實現管廊設備位置坐標和詳細信息的可視化追蹤及監控管理。

管廊綜合監控管理平臺是由多個不同功能的系統組成的綜合性非常強的管控系統，平臺不僅需要兼顧環境與設備監控、通信聯絡、地理信息等需求，還要兼顧事故預警、安全防范等方面對視頻監控的需求，同時還需要考慮火災報警、門禁、消防、廣播等配套系統的集成以及聯動。但是，由于每個系統的設備是由不同的設備廠家提供，各個系統設備之間技術標準不一，數據格式、通信協議各異，從而導致相互難以兼容，信息無法交互。為解決系統集中管理、多級聯網、信息共享、互聯互通、多業務融合等問題，綜合監控管理平臺系統采用基于TCP/IP協議，統一標準接口的物聯網系統設計。

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發展階段。其英文名稱是:“Internet of Things(IoT)”。顧名思義，物聯網就是物物相連的互聯網。這有兩層意思:其一，物聯網的核心和基礎仍然是互聯網，是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡；其二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信，也就是物物相息。物聯網通過智能感知、識別技術與普通計算等通信感知技術，廣泛應用于網絡的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。

從技術架構上來看，物聯網可分為三層：感知層、網絡層和應用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，感知層的作用相當于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經末梢，它是物聯網識別物體、采集信息的來源，其主要功能是識別物體，采集信息；網絡層由互聯網、有線和無線通信網、網絡管理系統和云計算平臺等組成，相當于人的神經中樞和大腦，負責傳遞和處理感知層獲取的信息；應用層是物聯網和用戶(包括人、組織和其他系統)的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用。

2 平臺系統結構

基于物聯網的管廊綜合監控管理平臺就是利用物聯網對地下管廊環境和設備進行感知和識別，通過網絡互聯，進行數據采集、傳輸、計算、處理和信息交互，實現對地下管廊的實時在線監測、精準控制、科學管理。系統自下而上分為感知層、網絡傳輸層和處理應用層。綜合管廊監控管理平臺結構圖見圖1。

2.1 感知層

感知層作為數據采集的終端是系統的基礎部分，擔負著原始數據的采集與分析、故障報警與初級故障診斷等任務，主要包括：環境和設備監控、安全防范、預警和報警、通信等系統單元。系統單元主要由前端傳感器、監控探頭、處理單元等組成。前端傳感器負責采集現場基礎設備的狀態信息，監控探頭用于采集監控管廊內的人員、設備、照明、通信和警報等實時視頻圖像，處理單元對采集的環境信息和設備狀態信息進行預處理并上傳服務器同時接收服務器指令。

2.2 傳輸層

傳輸層采用工業光纖雙環網組網結構，將視頻數據與監控數據(如環境參數和設備狀態數據等)進行分隔，前端系統設備采集的監控和視頻數據分別接入各環網工業以太網交換機并通過光纖、無線傳輸網絡傳輸至監控中心核心交換機，做到視頻、監控數據互不影響，從而保證系統網絡的穩定運行，實現數據的高效傳輸。傳輸層設備主要由工業以太網交換機、核心交換機、光纖傳輸、無線傳輸設備等組成。

2.3 應用層

應用層是整個系統的核心，主要由服務器、工作站、打印機、智能模擬顯示屏、交換機和聲光報警器等設備組成。能夠將管廊內全部監測數據、設備工作狀態和監控視頻進行分級分層的管理并在大屏幕上實時顯示，實現集中監控，預警報警、歷史查詢、綜合調度和應急指揮等功能，達到綜合管理的目的。

3 系統功能

3.1 環境與設備監控系統

根據運營管理要求，環境與設備監控系統的功能是對管廊內的溫度/濕度，氣體(O2,H2S,CH4)濃度、集水井內液位、煙感、感溫光纖和入廊管線等參數進行監測，監測數據通過相應的通信網絡或多功能無線基站向監控管理平臺傳送；監控平臺對接收的參數和狀態信息進行實時監視和超閥值報警；根據警情自動或接受監控平臺指令啟動對管廊內的排水泵、照明、風機、風道閥門、聲光報警等設備的單點或聯動控制，以保證管廊運行安全。

3.2 安全防范系統

安全防范系統的功能是實時監視管廊各艙段內設備運行情況，防范非工作人員和異物的非法進入，保證管廊內各設備的運行安全。包括視頻監控、入侵監測、門禁、電子巡更等子系統。

1)視頻監控：采用低照度高清數字攝像機結合視頻服務器、硬盤錄像機實現管廊內所有重要節點、防火分區內視頻的實時監視、手動/自動切換、錄像查詢、移動偵測、聯動控制等功能。2)入侵監測：在管廊內人員出入口、投料口、通風口、引出段等重要節點設置紅外微波探測器和聲光報警器，對出入人員進行監測，一旦有非法入侵，系統自動進行識別、判斷、報警、視頻聯動和記錄。3)門禁：出入口門禁系統可對進出管廊重要區域的人員進行記錄和權限控制，具有聯動控制功能，當有火警時，門禁系統根據應急預案，遠程控制打開消防區域電動門鎖，以便人員及時疏散。4)電子巡更:采用可視化巡檢系統，能夠將沿路巡檢畫面、重點部位和設備的巡檢情況通過WIFI無線網絡實時上傳到監控中心并接受監控中心指令，實現對工作人員巡更工作的有效管理。

3.3 預警與報警系統

根據規范要求應在綜合管廊含有電力電纜的艙室和其他有火災風險的艙室設置火災自動報警系統；在含有天然氣管道的艙室設置可燃氣體探測報警系統。

1)火災自動報警系統：系統在每個防火分區段內設置手動按鈕、感煙感溫探測器、感溫光纖、報警控制器、聲光報警器等設備。

2)可燃氣體探測報警系統：系統在每個防火分區段內設置可燃氣體報警控制器、天然氣探測器、聲光報警器等設備。

聯動功能：利用各種火災探測設備實時報警監測；報警時聯動控制視頻切換、照明、排煙/氣、聲光報警系統、緊急廣播系統并按照火警預案啟動消防滅火裝置。

3.4 通信系統

通信系統功能是實現巡檢人員之間、巡檢人員與監控中心之間的有線及無線實時通話。系統采用基于TCP/IP網絡的數字化音頻對講廣播系統，可以實現單呼、群呼、多點同時對話、通話錄音、對講與視頻聯動等功能并可根據情況啟動即時廣播和播放應急廣播。

3.5 地理信息系統

地理信息系統(GIS)功能是對管廊、管廊內環境監測設備、入廊管線、巡檢人員、安全防范、通信等設備的地理位置坐標及形態分布的數據信息進行采集、存儲、管理和分析，并將數字信息通過圖形化在綜合信息顯示屏上統一展現。系統應用GIS+BIM融合交互技術，在同一個監控平臺實現二三維無縫交互，通過全息信息采集，由“一張圖”多維度、全方位的顯示管廊內設備位置，運行狀態、視頻監控、處理操作等場景，實現管廊監控管理數字化、可視化。

3.6 平臺綜合功能

管廊綜合監控管理平臺通過基于物聯網網絡架構，實現環境與設備監控系統、安全防范系統、通信系統、預警與報警系統、地理信息系統等系統的集成化統一管理；集成系統之間的數據信息交換、應用和共享；系統的預警、報警、聯動控制；事件的存儲和查詢；建立統一的權限管理體系，為各子系統提供完善的安全支撐。

4 系統特性

4.1 高可靠性

本系統前端傳感器采用數字化設備，或通過模數轉換將信號全部轉換為數字信號，實現基于TCP/IP網絡的數字化傳輸，并采用有線與無線相結合的冗余通信網絡，提高了管廊內數據采集、融合、傳輸等過程的可靠性。

4.2 高擴展性，適用性

通過統一標準接口、通信協議，便于系統集成及擴展，如可增加智能軌道式巡檢機器人等；系統的軟、硬件采用模塊化設計，組態化設計，可以方便地進行容量的擴充和功能的維護升級；同時，系統建設基于Web，B/S結構，軟件設置開放性網絡接口，通過權限設定，平臺各類信息可供各級主管部門和單位瀏覽和調取。

4.3 高安全性

通過統一的標準體系，建立網絡安全傳輸機制，定期進行安全驗證，確保數據完整性和安全性，設定監控平臺訪問控制權限，建立統一的權限管理體系，提高了系統的安全性。

5 總結與展望

基于物聯網的管廊監控管理平臺利用物聯網先進的傳感、傳輸技術，并融合GIS+BIM等技術，通過“一個網、一張圖、一個平臺”全面感知管廊環境和設備信息，對影響管廊正常運轉的事故進行預警、智能聯動和調度管理，有效的降低了管廊的安全隱患、保證了管廊環境和設備的安全。隨著城市建設的不斷發展，越來越多的城市管廊將投入使用，對管廊運維管理的要求也在不斷增加，今后監控管理平臺可以借助云計算、大數據等先進技術，主動為管廊的運維決策提供有效信息，將管廊建設成“管、控、營”一體化的智慧管廊。