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

摘 要：為保持地下綜合管廊良好的運行環(huán)境，需對管廊環(huán)境與設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。鑒于此，設(shè)計并實現(xiàn)了一種高效、可靠的針對管廊環(huán)境與設(shè)備的智能化監(jiān)控方法。該方法通過對環(huán)境參數(shù)的實時可靠采集，對設(shè)備有效控制以及智能聯(lián)動和模式控制，實現(xiàn)對管廊環(huán)境與設(shè)備的高效、智能化管理與控制。將此方法應(yīng)用到實際管廊中，可對管廊環(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：TP23""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號：1671-0797（2025）02-0060-05

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

0""" 引言

隨著計算機(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，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。綜合管廊對電力、燃?xì)狻⑺畡?wù)、通信等管線進(jìn)行統(tǒng)一的鋪設(shè)和管理，可有效減少路面開挖，節(jié)省建設(shè)經(jīng)費，提高管理水平[1]。

綜合管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)是對綜合管廊和管廊內(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)，其對管廊內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行實時檢測，并對異常情況進(jìn)行報警，保障管廊的正常運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)境會影響管廊內(nèi)設(shè)備和管線的正常運行，對入廊人員的人身安全造成威脅。因此，對管廊內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測和實時調(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)不同工況自動切換不同的聯(lián)動控制模式，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)測集水坑液位可實時了解廊內(nèi)集水狀況，判斷是否有淹水，淹水對廊內(nèi)設(shè)備和管線有致命傷害，因此實時監(jiān)視集水狀態(tài)，并在水位過高時自動排水對保證管廊安全正常運行十分必要。

天然氣艙和污水艙中需要對CH4氣體濃度進(jìn)行檢測，燃?xì)馀撝泄懿娜毕荨⒔宇^損壞、腐蝕環(huán)境中長期腐蝕導(dǎo)致管道或管道閥門破損，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[3]。

對污水艙還需要進(jìn)行H2S有毒氣體監(jiān)測，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)測設(shè)備，實時監(jiān)測艙內(nèi)有毒氣體濃度，一旦檢測到有毒氣體，立即報警開啟風(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)測的環(huán)境參數(shù)如表1所示。

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

因此，管廊內(nèi)風(fēng)機(jī)、水泵等附屬設(shè)備的正常運行，對保證管廊內(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)計與實現(xiàn)

2.1""" 總體實現(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)，實現(xiàn)設(shè)備的運行狀態(tài)實時監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、報警管理、設(shè)備運行維護(hù)管理等功能，對電力系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程測量與控制，對全管廊實現(xiàn)電力調(diào)度自動化，從而達(dá)到整個系統(tǒng)自動化、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)與報警信息，通過監(jiān)控主干網(wǎng)上傳到監(jiān)控中心進(jìn)行監(jiān)視，同時ACU完成該管轄區(qū)域的設(shè)備控制、聯(lián)動，并接收監(jiān)控中心的控制指令操作對應(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、氧氣檢測信號、有毒氣體檢測儀（通過總線方式）；

2）各區(qū)段集水坑水位超聲波液位計（總線）、浮球液位計信號；

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；

4）各區(qū)段配電系統(tǒng)的運行情況。

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的控制功能包括設(shè)備（照明燈、排水泵、排風(fēng)機(jī)等）的運行狀態(tài)實時監(jiān)測，運行模式監(jiān)測，手動/自動狀態(tài)監(jiān)測，故障檢測，運行維護(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，實現(xiàn)管廊智能化運行；對電力系統(tǒng)進(jìn)行電力監(jiān)控、能耗管理、用電統(tǒng)計分析，實現(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ACU的IO模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，另一種是通過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，需要給每個傳感器單獨敷設(shè)控制線纜，并且需要多路IO口，雖然數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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。

因此這里采用總線方式，將一個艙室或多個艙室傳感器手拉手方式連接，如圖1所示。給每個傳感器分配一個總線地址，ACU控制器通過總線協(xié)議循環(huán)與每個傳感器進(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，實時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)不單獨組建網(wǎng)絡(luò)，而是通過管廊內(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)場檢測儀表由屏蔽電纜通過總線通信模塊接入本系統(tǒng)，各監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)、控制信號等由IO模塊接入本系統(tǒng)。ACU實現(xiàn)環(huán)控數(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，通過監(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)，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控和設(shè)備控制以及設(shè)備聯(lián)動和預(yù)警報警。

2.3""" 系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1""" 設(shè)備控制

管廊中環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的被控對象是風(fēng)機(jī)、水泵等各種設(shè)備。根據(jù)ACU實時采集的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，對風(fēng)機(jī)和排水泵實現(xiàn)啟停、狀態(tài)監(jiān)測、聯(lián)動等操作，實現(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：就地手動模式、遠(yuǎn)程手動控制模式、遠(yuǎn)程自動聯(lián)動模式。上述模式中就地和遠(yuǎn)程的切換是由設(shè)備現(xiàn)場控制箱上的切換開關(guān)來控制的。

“就地”操作模式：具有最高優(yōu)先級，在設(shè)備現(xiàn)場通過設(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）上手動操作實現(xiàn)設(shè)備啟/停；遠(yuǎn)程模式下由ACU根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，自動控制機(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""" 報警聯(lián)動

自動報警及智能聯(lián)動系統(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)實時監(jiān)測管廊中的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài)，一旦環(huán)境參數(shù)超出正常范圍，馬上生成報警信號，并聯(lián)動相關(guān)設(shè)備自動調(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)的報警條件和報警事件以及聯(lián)動控制如表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營模式，正常模式又包含大小通風(fēng)模式、巡檢模式、維護(hù)模式等，異常模式包含停車模式、事后時間表通風(fēng)模式、火災(zāi)模式等。異常模式是在管廊運行異常時自動觸發(fā)，并在異常情況恢復(fù)后進(jìn)行事后處理，從而能達(dá)到正常運行狀態(tài)。

各模式定義如下：

1）正常自動控制：根據(jù)環(huán)控參數(shù)自動控制。

2）大小通風(fēng)模式：打開一個或兩個風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)。

3）時間表通風(fēng)模式：設(shè)定風(fēng)機(jī)的啟停時間，自動循環(huán)運行。

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)入到手動模式。

6）停車模式：在遇到緊急情況時手動緊急停止運行。

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

8）火災(zāi)模式：不能手動觸發(fā)，由火災(zāi)報警器信號觸發(fā)，必須等火災(zāi)信號消除后，才可退出。

3""" 實際應(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，可實時準(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，自動產(chǎn)生報警，并聯(lián)動相應(yīng)的設(shè)備動作；在不同的模式設(shè)置下，能根據(jù)模式的設(shè)定自動運行。實際應(yīng)用結(jié)果顯示，本文方法能實時監(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

管廊環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控在管廊運維中是非常重要的一個子系統(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，可在管廊實際運維過程中應(yīng)用，能實時、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)動和切換模式，確保管廊環(huán)境健康和設(shè)備正常運行，實現(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

作者簡介：黃江波（1989—），男，湖北天門人，工程師，主要從事電氣工程與自動化工作。