罗雨秋, 金 勇, 张 洋, 裘是寅, 耿 攀

(上海海事大学, 上海 201306)

0 引 言

目前,地下综合管廊时常发生渗透水、电缆起火、燃气泄漏等安全事故,存在入廊管线事故和舱室所附属设备故障,造成交通功能瘫痪,威胁生命、财产的安全[1-4]。此外地下综合管廊的运营和入廊成本非常大,管理水平尚需提高。本文以提高监控和监测水平为出发点、智能管理和现代化升级为导向,设计了一套地下综合管廊风险分析预警系统。

1 系统实现

1.1 系统总体实现

系统总体实现框图如图1所示。甲烷、氧气、温/湿度传感器和烟雾传感器分别测量管廊实时环境数据,并将采集到的数据发送至CC2650子控制器;CC2650总控制器汇总数据,若其中有数据异常达到或超过预警值,将触发相应的水泵、风机和警示灯等执行器进行相应处理和预警;通过软件定义网络(SDN)网关控制器将环境数据、各舱室运行情况和预警信息等实时信息在物联网智能管控平台、华为云可视化平台发布和共享。

图1 系统总体实现框图

1.2 感知层部分实现

1.2.1 传感器网络部分

根据GB 51354—2019《城市地下综合管廊运行维护及安全技术标准》[5]的要求,除了对管廊各舱室所处环境的温度、湿度和其他设备的运行情况监控外,还需要对氧气和甲烷气体进行监测。环境参数监测内容如表1所示。环境数据监测标准如表2所示。

表1 环境参数监测内容

表2 环境数据监测标准

(1) 温/湿度检测与调节。电缆长期在地下管廊中,容易造成电缆表面温度过高,导致烧毁绝缘层而造成短路情况,故需对地下管廊的温度进行检测。若管廊中含水汽过多,线路容易导致水浸短路的情况,故需对地下管廊进行湿度检测。

(2) 氧气浓度检测。城市综合管廊建设于地下且主要用于容纳城市工程管线,如果在通风效果不佳或长期半封闭状态下,氧含量受环境影响容易比大气中稀薄,对处置报警问题的相关人员来说比较危险;氧气浓度大于某个特定值时,易结合可燃气体发生爆炸、火灾等安全事故,故需对地下管廊进行氧气含量检测。

(3) 甲烷浓度检测。城市污水、管廊积水坑内的污水如果长期发酵,可能产生一定数量甲烷,形成爆炸性混合气体而直接威胁到管廊安全;燃气管中一旦燃气泄漏,易产生易燃气体,其中甲烷占大多数,在满足一定浓度情况下会发生爆炸,故需对管廊(特别是含污水管和燃气管的舱室)进行甲烷气体检测。

1.2.2 远程监控

为了对管廊进行集中管理,系统通过远程监控终端的形式将管廊参数发送给监控设备,达到远程管理的目的。将PC机作为监控主机,管理人员能够在控制室中对管廊环境和运行情况有直观了解,同时还对管廊通风、降温等情况进行远程控制,避免危险情况的发生;利用监控终端发送调节环境参数的指令给检测终端,实时控制管廊各种执行设备进行环境温、湿度调节[6-7]。

1.2.3 执行终端设备

多种执行终端设备如图所示2所示。当管廊某环境参数超过事先设定的阈值后将触发相应警情联动,相应执行终端设备将开始工作。例如当管廊中可燃气体浓度超标时,将触发报警灯和风机开始工作;当湿度超过阈值时,将触发绿色预警灯和水泵开始工作。

图2 多种执行终端设备

1.3 网络层部分实现

1.3.1 SDN自组网的实现

物联SDN自组网络实现示意图如图3所示,终端节点与数据采集传感器连接,实现环境信息的接收与发送。

系统通过SDN网络实现对管廊环境的实时监测,其传感器网络由多个终端节点和一个协调器组成,通过SDN技术建立协调器与传感器以及各舱室之间的双向通信,实现管廊到达指定节点完成环境监测的功能。同时,管廊内终端节点实现对各类传感器的数据采集,并将其发送至协调器,实现信息反馈,达到地下综合管廊集中监测的目的。

图3 物联SDN自组网络实现示意图

1.3.2 紧急备用线路的实现

针对管廊特殊环境,可能会出现有线网络通信不畅甚至中断的情况,此时系统将启用基于ZigBee模块和4G-DTU的无线传输通路。无线传输通路实现框图如4所示,可在紧急情况时实现感知层到应用层之间短时的数据传输任务,同时系统警情联动机制仍然不受影响,数据也可以正常上传至云平台和数据库。

图4 无线传输通路实现框图

1.4 应用层部分实现

1.4.1 华为云IoT平台

为方便汇总管廊中所有传感器采集到的数据并进行后续的数据处理和可视化,系统将底层传输来的数据通过API接入华为云IoT平台,在其中建立数据库,便于存储相关数据,为管廊管理人员远程监测管廊安全情况提供便利。管廊管理人员需要使用密码登录监测系统,通过管廊环境监测界面查看管廊当前环境情况(包含环境监测、一键控制、历史查询等功能)。

可视化系统主要为建设维护方人员和市政监管方人员提供可视化页面的入口,建设维护人员进入物联网智能管控平台,而市政监管方人员进入华为云可视化平台[8-9]。

1.4.2 物联网智能管控平台

物联网智能管控平台主要为管廊建设方人员使用,主要由预警界面、设备清单、阈值设置和远程控制4个界面组成,直观显示管廊的环境状态和设备状态,便于地下综合管廊的管理和运营,以及碰到意外情况时紧急的手动远程控制。

地下综合管廊风险分析预警界面如图5所示。概览部分显示管廊当前的运行安全情况,主要通过健康度等级、安全运行天数体现;设备实时上报信息主要进行各舱室设备发生预警的信息提示,便于建设方派出巡检人员前往实地抢修、排除预警;各传感器实时数据能够直观显示当前各舱室环境数据;管廊能耗情况、设备状态和预警汇总也同样显示,方便建设方对其中发生故障的设备加强巡检力度。此外,设备清单界面主要显示地下综合管廊风险分析预警系统设备的各种主要信息,阈值设置界面显示系统所测的环境数据触发报警阈值,远程控制界面显示通过远程电脑端使相关预警设备运行或者停止的信息,统计数据界面显示历史数据的查询和图表等。

图5 地下综合管廊风险分析预警界面

1.4.3 华为云可视化显示

华为云可视化显示界面如图6所示,主要由预警信息、安全等级显示、管廊区域分布图、各舱室监控界面和各舱室运行情况等部分组成。

图6 华为云可视化显示界面

预警信息部分显示各种预警信息占比、每个月预警信息总数变化趋势和实时预警信息;安全等级显示部分主要显示当前管廊系统整体安全等级和每个舱室实时安全等级;管廊区域分布图显示当前区域内地下管廊的分布;紧急情况逃生路线显示当管廊出现危险情况时相关巡检人员的逃生路线,确保以最快速度逃离危险区域;各舱室运行情况显示对应舱室的环境数据和运行日志。预警平台可以清晰直观显示各舱室运行情况和预警信息,能让市政监管方人员及时掌握管廊的所有情况,尤其能够对预警信息做出快速反应并实时记录处理状态,使管理效率大大增加。

2 系统优势

2.1 SDN通信技术在管廊系统中的应用

系统以SDN思想为核心,针对不同的用户、部署场景、设备特性、业务目标等,采用最精准的协议通信方式,同时兼容任意的物联网协议(协议无关性),为用户提供最优的部署成本及业务需求对接物联网解决方案,实现数据传输的实时性、可靠性和安全性。

SDN系统架构如图7所示。

图7 SDN系统架构

系统通过在物联网通信控制技术中应用SDN系统架构,可以对整个系统的控制层和数据转发层进行分离,从而达到协议无关的目的。再加上边缘计算技术,可很好地适应地下综合管廊这一特殊环境,确保系统安全性;事故发生时,确保系统响应的实时性与可靠性。

2.2 多场景的实时监测分析可视化平台

系统采用温/湿度传感器、烟感探测器和相关气体传感器等组成的传感器网络,实现对地下综合管廊环境的全方位监测,可及时预防管廊内自燃、挥发和自爆等情况的发生;基于采集的数据通过数据处理和分析,建立地下综合管廊的可视化管理界面,为管廊建设方和市政监管方根据不同需求设计2种可视化大屏,实时了解当前管廊的环境情况、各设备运行情况和安全情况。

2.3 危险发生时的警情联动机制

针对不同警情的发生,系统设计完备的警情联动机制,包括多终端机组的联合运行等。地下综合管廊发生危险往往都是在一瞬之间,因此应急防护动作必须及时。传感器检测的环境数值传至华为云平台,通过设置相应的事件触发规则可以实现对相应事件的处理,如控制除湿机、风扇、灭火系统等进行相应的事件处理,同时通过动态修改监测阈值可实现对同一舱位不同时期不同管廊环境的实时监测。当有危险信号发生时,可在执行端进行最快处理,无需上传至监控平台人工进行判断并处理,能够最大程度地保障管廊舱室的安全。

3 结 语

设计的地下综合管廊风险分析预警系统可以准确、可靠地实现所设计的功能,实用性较高,实现地下综合管廊的自动化采集、智能化传输和信息化管理。目前,建立监测、定位、安全、共享为一体的地下综合管廊智慧管控平台,实现综合管廊技术、资源集成应用和数据共享,可以有效应对和解决当前管廊行业的安全和管理效率低下问题。