物联网架构的管廊综合监控管理平台

杨 常 华

(山西省信息产业技术研究院有限公司，山西 太原 030012)

近年来我国部分省市综合管廊陆续建成并投入使用，地下管廊的建设不仅避免了路面重复开挖造成城市交通拥堵和资金浪费问题，还极大方便了电力、电信、燃气、给排水、热力等市政设施的扩容和检修。在管廊的运营维护中为能够随时、准确、全面地掌握管廊各环节的运行状态，确保人员、环境、设备的安全，需要建设多维度、全方位的可视化监控管理平台，以实现对管廊的实时监测，预警报警、综合调度、应急指挥等综合管理。

1 平台系统概况

管廊综合监控管理平台是采用SOA结构，由环境与设备监控系统、安全防范系统、通信系统、预警与报警系统、地理信息系统等多个子系统集成的统一管理信息平台，主要通过对各子系统数据的采集、分析和交互处理，将管廊内各种设备的运行情况以及预警报警等信息上传到监控中心综合数据处理平台和综合信息显示平台，以GIS+BIM模式实现管廊设备位置坐标和详细信息的可视化追踪及监控管理。

管廊综合监控管理平台是由多个不同功能的系统组成的综合性非常强的管控系统，平台不仅需要兼顾环境与设备监控、通信联络、地理信息等需求，还要兼顾事故预警、安全防范等方面对视频监控的需求，同时还需要考虑火灾报警、门禁、消防、广播等配套系统的集成以及联动。但是，由于每个系统的设备是由不同的设备厂家提供，各个系统设备之间技术标准不一，数据格式、通信协议各异，从而导致相互难以兼容，信息无法交互。为解决系统集中管理、多级联网、信息共享、互联互通、多业务融合等问题，综合监控管理平台系统采用基于TCP/IP协议，统一标准接口的物联网系统设计。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是:“Internet of Things(IoT)”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思:其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普通计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息；网络层由互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息；应用层是物联网和用户(包括人、组织和其他系统)的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

2 平台系统结构

基于物联网的管廊综合监控管理平台就是利用物联网对地下管廊环境和设备进行感知和识别，通过网络互联，进行数据采集、传输、计算、处理和信息交互，实现对地下管廊的实时在线监测、精准控制、科学管理。系统自下而上分为感知层、网络传输层和处理应用层。综合管廊监控管理平台结构图见图1。

2.1 感知层

感知层作为数据采集的终端是系统的基础部分，担负着原始数据的采集与分析、故障报警与初级故障诊断等任务，主要包括：环境和设备监控、安全防范、预警和报警、通信等系统单元。系统单元主要由前端传感器、监控探头、处理单元等组成。前端传感器负责采集现场基础设备的状态信息，监控探头用于采集监控管廊内的人员、设备、照明、通信和警报等实时视频图像，处理单元对采集的环境信息和设备状态信息进行预处理并上传服务器同时接收服务器指令。

2.2 传输层

传输层采用工业光纤双环网组网结构，将视频数据与监控数据(如环境参数和设备状态数据等)进行分隔，前端系统设备采集的监控和视频数据分别接入各环网工业以太网交换机并通过光纤、无线传输网络传输至监控中心核心交换机，做到视频、监控数据互不影响，从而保证系统网络的稳定运行，实现数据的高效传输。传输层设备主要由工业以太网交换机、核心交换机、光纤传输、无线传输设备等组成。

2.3 应用层

应用层是整个系统的核心，主要由服务器、工作站、打印机、智能模拟显示屏、交换机和声光报警器等设备组成。能够将管廊内全部监测数据、设备工作状态和监控视频进行分级分层的管理并在大屏幕上实时显示，实现集中监控，预警报警、历史查询、综合调度和应急指挥等功能，达到综合管理的目的。

3 系统功能

3.1 环境与设备监控系统

根据运营管理要求，环境与设备监控系统的功能是对管廊内的温度/湿度，气体(O2,H2S,CH4)浓度、集水井内液位、烟感、感温光纤和入廊管线等参数进行监测，监测数据通过相应的通信网络或多功能无线基站向监控管理平台传送；监控平台对接收的参数和状态信息进行实时监视和超阀值报警；根据警情自动或接受监控平台指令启动对管廊内的排水泵、照明、风机、风道阀门、声光报警等设备的单点或联动控制，以保证管廊运行安全。

3.2 安全防范系统

安全防范系统的功能是实时监视管廊各舱段内设备运行情况，防范非工作人员和异物的非法进入，保证管廊内各设备的运行安全。包括视频监控、入侵监测、门禁、电子巡更等子系统。

1)视频监控：采用低照度高清数字摄像机结合视频服务器、硬盘录像机实现管廊内所有重要节点、防火分区内视频的实时监视、手动/自动切换、录像查询、移动侦测、联动控制等功能。2)入侵监测：在管廊内人员出入口、投料口、通风口、引出段等重要节点设置红外微波探测器和声光报警器，对出入人员进行监测，一旦有非法入侵，系统自动进行识别、判断、报警、视频联动和记录。3)门禁：出入口门禁系统可对进出管廊重要区域的人员进行记录和权限控制，具有联动控制功能，当有火警时，门禁系统根据应急预案，远程控制打开消防区域电动门锁，以便人员及时疏散。4)电子巡更:采用可视化巡检系统，能够将沿路巡检画面、重点部位和设备的巡检情况通过WIFI无线网络实时上传到监控中心并接受监控中心指令，实现对工作人员巡更工作的有效管理。

3.3 预警与报警系统

根据规范要求应在综合管廊含有电力电缆的舱室和其他有火灾风险的舱室设置火灾自动报警系统；在含有天然气管道的舱室设置可燃气体探测报警系统。

1)火灾自动报警系统：系统在每个防火分区段内设置手动按钮、感烟感温探测器、感温光纤、报警控制器、声光报警器等设备。

2)可燃气体探测报警系统：系统在每个防火分区段内设置可燃气体报警控制器、天然气探测器、声光报警器等设备。

联动功能：利用各种火灾探测设备实时报警监测；报警时联动控制视频切换、照明、排烟/气、声光报警系统、紧急广播系统并按照火警预案启动消防灭火装置。

3.4 通信系统

通信系统功能是实现巡检人员之间、巡检人员与监控中心之间的有线及无线实时通话。系统采用基于TCP/IP网络的数字化音频对讲广播系统，可以实现单呼、群呼、多点同时对话、通话录音、对讲与视频联动等功能并可根据情况启动即时广播和播放应急广播。

3.5 地理信息系统

地理信息系统(GIS)功能是对管廊、管廊内环境监测设备、入廊管线、巡检人员、安全防范、通信等设备的地理位置坐标及形态分布的数据信息进行采集、存储、管理和分析，并将数字信息通过图形化在综合信息显示屏上统一展现。系统应用GIS+BIM融合交互技术，在同一个监控平台实现二三维无缝交互，通过全息信息采集，由“一张图”多维度、全方位的显示管廊内设备位置，运行状态、视频监控、处理操作等场景，实现管廊监控管理数字化、可视化。

3.6 平台综合功能

管廊综合监控管理平台通过基于物联网网络架构，实现环境与设备监控系统、安全防范系统、通信系统、预警与报警系统、地理信息系统等系统的集成化统一管理；集成系统之间的数据信息交换、应用和共享；系统的预警、报警、联动控制；事件的存储和查询；建立统一的权限管理体系，为各子系统提供完善的安全支撑。

4 系统特性

4.1 高可靠性

本系统前端传感器采用数字化设备，或通过模数转换将信号全部转换为数字信号，实现基于TCP/IP网络的数字化传输，并采用有线与无线相结合的冗余通信网络，提高了管廊内数据采集、融合、传输等过程的可靠性。

4.2 高扩展性，适用性

通过统一标准接口、通信协议，便于系统集成及扩展，如可增加智能轨道式巡检机器人等；系统的软、硬件采用模块化设计，组态化设计，可以方便地进行容量的扩充和功能的维护升级；同时，系统建设基于Web，B/S结构，软件设置开放性网络接口，通过权限设定，平台各类信息可供各级主管部门和单位浏览和调取。

4.3 高安全性

通过统一的标准体系，建立网络安全传输机制，定期进行安全验证，确保数据完整性和安全性，设定监控平台访问控制权限，建立统一的权限管理体系，提高了系统的安全性。

5 总结与展望

基于物联网的管廊监控管理平台利用物联网先进的传感、传输技术，并融合GIS+BIM等技术，通过“一个网、一张图、一个平台”全面感知管廊环境和设备信息，对影响管廊正常运转的事故进行预警、智能联动和调度管理，有效的降低了管廊的安全隐患、保证了管廊环境和设备的安全。随着城市建设的不断发展，越来越多的城市管廊将投入使用，对管廊运维管理的要求也在不断增加，今后监控管理平台可以借助云计算、大数据等先进技术，主动为管廊的运维决策提供有效信息，将管廊建设成“管、控、营”一体化的智慧管廊。