淺談城市管廊智慧配電能效管理平臺應用

摘要：通過(guò)對城市地下綜合管廊智慧化運營(yíng)管理的論述，闡述如何通過(guò)信息化技術(shù)手段將綜合管廊及其附屬設施、廊內管線(xiàn)包含周?chē)h(huán)境中一些模型的參數和資料，以及設備運行狀態(tài)的數據進(jìn)行采集和運算，實(shí)現管廊相關(guān)數據從二維數據、宏觀(guān)及微觀(guān)數據到三維立體化、可視化轉變，為管廊綜合管控一體化平臺的開(kāi)發(fā)提供理論依據和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：綜合管廊；智慧化；BIM GIS；運營(yíng)管理

引言

2016年，針對中國城市規劃建設管理中存在的突出問(wèn)題，在國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見(jiàn)》中明確提及，到2020年中國要建成一批在國際上具有先進(jìn)水平的地下綜合管廊并投入運營(yíng)，要明顯改善反復開(kāi)挖地面的問(wèn)題，要明顯提升管線(xiàn)安全水平以及防災抗災能力，逐步消除城市主要街道上空的蜘蛛網(wǎng)式架空線(xiàn)，要明顯提升城市地面景觀(guān)面貌。

近幾年來(lái)，國內的地下綜合管廊建設呈現蓬勃發(fā)展態(tài)勢。綜合管廊已日漸成為較有效的用來(lái)解決城市地下?tīng)顩r與地下管網(wǎng)問(wèn)題的方式，得到了業(yè)內的普遍認可，也代表著(zhù)城市基礎設施未來(lái)發(fā)展的必然路徑和全新模式[1]。但是，當下對城市地下綜合管廊的研究仍然主要聚焦在開(kāi)發(fā)利用的規劃、設計和施工階段，而較少關(guān)注綜合管廊后期的運營(yíng)管理，特別是在智慧化技術(shù)應用進(jìn)行后期日常維護運營(yíng)方面。

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)、大數據、VR、AI、虛擬仿真等技術(shù)的出現和不斷發(fā)展，如何運用數字化手段通過(guò)資源共享和信息互通實(shí)現對城市地下綜合管廊的智慧化維護運營(yíng)，對提高管廊運營(yíng)管理的效率和服務(wù)質(zhì)量都將起到積極的作用。

1、城市地下綜合管廊簡(jiǎn)介

城市地下綜合管廊又叫管溝、共同管道、共同溝（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“綜合管廊"）。它的定義如下：在城市道路下面集中建造很多管線(xiàn)的共同管道，包括電力線(xiàn)、通信線(xiàn)、廣播電視線(xiàn)、供水線(xiàn)、雨水線(xiàn)、污水線(xiàn)、中水線(xiàn)、熱力線(xiàn)、燃氣線(xiàn)等。在統一規劃、建設、管理的指導下，較大化、較優(yōu)化利用地下空間和資源。目前綜合管廊根據所收容的管線(xiàn)性質(zhì)主要劃分為干線(xiàn)管廊、支線(xiàn)管廊、纜線(xiàn)管廊和干支混合管廊4種類(lèi)型。

1.1發(fā)展簡(jiǎn)史

綜合管廊建設已有180余年的發(fā)展歷史。綜合管廊在1833年由法國巴黎興建，較早興建的這條管廊是以排放雨水和污水為主的重力流管線(xiàn)系統，管網(wǎng)縱橫，排污口、蓄水池眾多，后來(lái)進(jìn)一步在管廊內鋪設了供水管、煤氣罐、通訊電纜等市政公用管道。1861年，英國在倫敦建設了一個(gè)綜合管廊，斷面是12m×7.6m的半圓形，內部敷設了供水管、污水管、燃氣管、電力線(xiàn)纜和電信線(xiàn)纜，直到現在，倫敦市區的管廊數量達20條之多。前蘇聯(lián)在莫斯科、列寧格勒、基輔等地于1933年修建了地下共同溝。迄今為止，莫斯科地下有130km的綜合管廊，除煤氣管外，各種管線(xiàn)均有，只是截面較小，內部通風(fēng)條件也較差。日本的綜合管廊建設較早始于1926年，當時(shí)在東京市中心的九段地區干線(xiàn)道路地下建設了國內的綜合管廊，將電力線(xiàn)纜、電話(huà)線(xiàn)路、供水管線(xiàn)、燃氣管線(xiàn)等市政基礎設施集中敷設在里面。目前，日本無(wú)論是在綜合管廊的建設速度上，還是在規劃能力、法規體系建設、工程技術(shù)等方面都是較先進(jìn)的國家之一。中國綜合管廊建設的起步相對國外其他國家較晚。1958年，在天安門(mén)廣場(chǎng)地下建設了一條長(cháng)度為1076m的地下綜合管廊。1993年，上海浦東新區張揚路鋪設了地下管廊，那是中國意義上的現代綜合管廊。

1.2運營(yíng)管理存在的問(wèn)題

綜合管廊運營(yíng)管理中普遍存在廊內環(huán)境差、設備維護水平低、管理技術(shù)落后、管廊安全預警和應急響應滯后等問(wèn)題，具體如下：①智能化程度不足。對于較早建成并投入運營(yíng)的綜合管廊，電子巡檢系統、標簽定位系統等子系統未加入建設清單。②監控單一獨立化。各監控系統單獨存在，如電力、熱力管線(xiàn)監測等都是來(lái)自于生產(chǎn)廠(chǎng)家的監控系統。廠(chǎng)家持續致力于自身專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內的管線(xiàn)監測較多，但對其他專(zhuān)業(yè)管線(xiàn)監控沒(méi)有經(jīng)驗，甚至沒(méi)有考慮監測設備，加大了監控系統平臺兼容其他管線(xiàn)監測系統的難度。③可視化與精細化運營(yíng)管理程度不高。BIM（BuildingInformationModeling）技術(shù)應用不足，只可確定管廊內設備與人員的具體位置，不可確定空間位置，導致綜合管廊可視化程度不高；另外，由于入廊管線(xiàn)產(chǎn)權單位眾多，數據壁壘現象嚴重，專(zhuān)業(yè)化運營(yíng)管理難度大。④環(huán)境監測相關(guān)技術(shù)應用不足。運營(yíng)中管廊照明系統實(shí)行遠程及實(shí)地手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，可能會(huì )出現監控中心值班人員遠程控制不及時(shí)、管廊出入人員忘記關(guān)燈等現象，導致電力被浪費。如何更好地聯(lián)動(dòng)照明系統與環(huán)境監控系統，如利用人體感應控制、光照度控制、定時(shí)控制技術(shù)等使照明燈自動(dòng)亮起或熄滅，是未來(lái)管廊運營(yíng)管理中需要思考的問(wèn)題。

2、城市智慧管廊綜合管理平臺

將BIM技術(shù)和GIS（GeographicInformat*tem）技術(shù)基于模型管理的思想運用于城市智慧管廊綜合管理平臺中，采用三維立體模式仿真地下綜合管廊，將綜合管廊及其附屬設施、廊內管線(xiàn)包含周邊環(huán)境模型信息和設備運行狀態(tài)數據進(jìn)行集成，把大量、分散的設備和傳感器數據轉換為系統的管理數據，讓管理人員可以實(shí)時(shí)查看采集到的監測數據及周邊環(huán)境圖像，實(shí)現對二維數據、宏觀(guān)及微觀(guān)數據的三維立體化、可視化、精細化、智慧化管理，提高綜合管廊運維水平、應急能力和經(jīng)營(yíng)管理水平，從而助力地下綜合管廊有效運行和快速發(fā)展。

平臺基于SOA（面向服務(wù)的架構）設計，采用3層結構，即應用層、中間層及數據層，如圖1所示。應用層，即面向對象的應用，包括基于GIS的信息化管理門(mén)戶(hù)網(wǎng)站、通風(fēng)管理子系統、供電管理子系統、排水管理子系統、安全防范子系統、通訊應用管理子系統、預警與報警子系統、消防管理子系統、照明管理子系統、地理信息管理子系統、BIM子系統等。同時(shí)，提供基于B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式的電腦、手機等客戶(hù)端軟件。

中間層，即提供各種應用服務(wù)支撐，采用標準接口協(xié)議，可供第三方開(kāi)發(fā)。包括數據訪(fǎng)問(wèn)、消息管理、安全服務(wù)等基礎性服務(wù)，是整個(gè)綜合監控平臺的應用基礎。

數據層，負責數據庫的訪(fǎng)問(wèn)。而不需要關(guān)注具體的數據采集、數據傳輸和數據解析等操作，也不需要關(guān)注不同廠(chǎng)家、不同制式、不同類(lèi)別終端設備的物理接口和拓撲方式。

圖1城市智慧管廊綜合管理平臺結構

2.1平臺特征

平臺特征充分利用BIM連接管廊全生命周期不同階段的數據、過(guò)程和資源，注重微觀(guān)領(lǐng)域中管廊內部的設計和實(shí)現的特點(diǎn)以及GIS處理和分析宏觀(guān)地理環(huán)境中的地理數據的能力，通過(guò)對BIM技術(shù)和GIS技術(shù)的綜合運用和深度應用，讓管廊的宏觀(guān)、微觀(guān)管理功能和可視化功能很好地結合起來(lái)，再將各類(lèi)數據及各個(gè)操作流程進(jìn)行整合，打造集智能控制、降耗節能、智慧運營(yíng)于一體的城市智慧管廊綜合管理平臺。

平臺具有以下幾方面的特征：①充分利用BIM和基礎地理信息公共平臺提供的各種資源，使平臺的基礎地理數據、BIM模型在政府部門(mén)、管線(xiàn)權屬單位和管廊運營(yíng)公司之間得到統一。②建立覆蓋城市地下綜合管廊的數據庫，實(shí)現數據集成統一管理及管線(xiàn)數據動(dòng)態(tài)更新統一管理；完善地下管線(xiàn)框架體系及地下管線(xiàn)動(dòng)態(tài)更新機制，建設多種類(lèi)、多時(shí)相、更新及時(shí)的綜合管廊管線(xiàn)管理體系，提高綜合管廊管線(xiàn)數據多層次服務(wù)能力。③建立綜合管廊共享服務(wù)和數據交換機制，打造一個(gè)城市地下管線(xiàn)安全生態(tài)圈，滿(mǎn)足政府部門(mén)、各個(gè)管線(xiàn)權屬單位、管廊運營(yíng)公司的在線(xiàn)應用需求，破解城市地下空間“信息孤島"難題。④提供安全開(kāi)放的服務(wù)接口，構建綜合管廊信息資源開(kāi)發(fā)和綜合利用的整體、統一框架。⑤建立綜合管廊信息化的規范標準體系、政策法規與管理制度，建立健全綜合管廊管線(xiàn)動(dòng)態(tài)更新機制、共享標準體系和政策制度體系；實(shí)現數據采集、處理、建庫、發(fā)布、共享等的標準化和制度化，建立綜合管廊管線(xiàn)信息共享的長(cháng)效機制。⑥通過(guò)綜合管廊管線(xiàn)信息共享服務(wù)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)數字化轉型，使得各管線(xiàn)權屬單位能夠在此基礎上整合自身業(yè)務(wù)數據構建滿(mǎn)足自身需要的專(zhuān)題管線(xiàn)運營(yíng)管理平臺。

2.2平臺功能框架設計

2.2.1軟件架構

平臺軟件架構設計基于BIM GIS技術(shù)的綜合運用，并采用“管 控"的一體化規劃設計理念。將平臺中不一樣的應用系統中類(lèi)似的模塊規劃設計放在一塊，讓平臺更可靠、更好維護，也讓管廊的承載能力更容易管理，同時(shí)，又降低了建設成本、維護成本等。所謂的類(lèi)似的地方包括統一的數據傳輸平臺，適配各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)終端的模塊化接入設備，構建數據倉庫，建立標準化的數據格式。城市智慧管廊綜合管理平臺軟件結構如圖2所示。

圖2城市智慧管廊綜合管理平臺軟件結構

2.2.2硬件架構

平臺將依據監控的具體規范要求，在要求的點(diǎn)位安裝各類(lèi)傳感采集終端，并對各類(lèi)采集終端的點(diǎn)位、數據傳輸狀態(tài)、在網(wǎng)狀態(tài)等數據等進(jìn)行比對分析，規劃處出較合理的采集終端選點(diǎn)，然后對這個(gè)選點(diǎn)、數終端數據上傳到數據中心后，系統軟件平臺會(huì )呈現采集現場(chǎng)的實(shí)時(shí)工作情況，根據以往的歷史數據，加以比對分析，為系統預警研判提供一些算法模型。城市智慧管廊綜合管理平臺硬件結構如圖3所示。

圖3城市智慧管廊綜合管理平臺硬件結構

2.2.3實(shí)時(shí)GIS地圖

基于實(shí)時(shí)GIS地圖搭建的綜合管廊GIS管理系統，作為整個(gè)監控調度系統的基礎平臺，可實(shí)時(shí)查看管廊本體及廊內設備和周邊附屬設施的動(dòng)態(tài)運行數據，實(shí)實(shí)時(shí)工況，為集中調度和科學(xué)決策提供重要依據。

2.2.4環(huán)境監測數據

作為管廊安全系統的感知神經(jīng)，它是來(lái)自自動(dòng)化控制設備的監測，可將各種情況實(shí)時(shí)傳遞給監控中心，讓中心管理及相關(guān)責任人員隨時(shí)掌控各種狀況，保證廊內管線(xiàn)及附屬設施處于正常工作狀態(tài)，如果有突發(fā)事故發(fā)生，能做到迅速預警并觸發(fā)相應資源處理。

2.2.5BIM視頻漫游

提前設置BIM漫游路線(xiàn)，系統自動(dòng)漫游并且顯示相應艙室視頻畫(huà)面。另外，BIM技術(shù)的應用支撐下可以達到以下要求：對管廊重要節點(diǎn)、監控中心內外部結構、裝飾等進(jìn)行三維建模和數據仿真分析，用于對設計效果、方案優(yōu)化等進(jìn)行提前模擬演練；進(jìn)行管線(xiàn)碰撞檢查；將設計圖紙和現場(chǎng)進(jìn)行的勘察資料通過(guò)BIM技術(shù)進(jìn)行三維建模，篩選出樁端持力層、巖面等關(guān)鍵性工程隱蔽節點(diǎn)，提前制定施工管控措施；通過(guò)對建筑結構、地下管線(xiàn)的綜合三維模型和專(zhuān)業(yè)軟件的虛擬場(chǎng)景漫游，進(jìn)行可視化能力的技術(shù)交底，實(shí)時(shí)評估施工過(guò)程中安裝管線(xiàn)的工作狀況和效果，及時(shí)進(jìn)行修正；實(shí)時(shí)掌握物資價(jià)格、工程進(jìn)度等信息，以便較優(yōu)化調配資源，較大限度保證工程進(jìn)度。

2.2.6異常報警

當環(huán)境監測異?；蛘甙l(fā)生非法入侵之時(shí)，通過(guò)模擬顯示屏顯示出入侵的區段及進(jìn)出人數，并實(shí)時(shí)記錄入侵的時(shí)間、地點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)報警設備發(fā)出報警信號，能夠查看提示詳情，并通過(guò)彈出的BIM模型界面，進(jìn)行相應操作。如緊急情況時(shí)，管理人員可啟用一鍵報警，全廊固定電話(huà)響鈴，廊內人員接聽(tīng)電話(huà)。從而實(shí)現面臨突發(fā)事故快速做出應急指揮，引導管理人員進(jìn)行科學(xué)決策、有序處理。

2.2.7應用子系統

根據不同層級的管理人員所持有賬號分配相應權限，主要包括人員出入廊子系統、設備健康子系統、日常巡檢子系統、系統管理子系統、應急處置子系統及移動(dòng)端APP子系統。

人員出入廊子系統：包含門(mén)禁卡開(kāi)辦、外來(lái)人員、權屬單位人員、運維人員管及管線(xiàn)出入廊5個(gè)部分。從管線(xiàn)的前期入廊進(jìn)場(chǎng)施工、中期入廊和后期巡檢維護維修，都可以在這個(gè)系統上實(shí)現線(xiàn)上辦理。

設備健康子系統：包含設備養護、維修、添加、檢測標定、替換記錄、備品備件及統計分析7個(gè)部分。對初次進(jìn)場(chǎng)設備的名稱(chēng)、型號、參數、點(diǎn)位等按照統一編號規則編號，并與BIM和GIS系統數據進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

日常巡檢子系統：包含2個(gè)部分，即巡檢區域和巡檢記錄，巡檢區域的分區是按照巡檢工作的任務(wù)要求，結合線(xiàn)路連貫性的要求，在地圖上基于GIS功能劃分的，防止繞路或重復巡檢造成人力物力浪費。

系統管理子系統：系統包含登錄賬號管理、日志、排班、記錄查詢(xún)和警情匯總5個(gè)部分。

應急處置子系統：系統包含演練、記錄、信號復位、會(huì )商和聯(lián)絡(luò )薄5個(gè)部分。

移動(dòng)端APP子系統：如有工作人員入廊作業(yè)，可借助手機等移動(dòng)終端對人員進(jìn)行定位、通信，也可以實(shí)現接收任務(wù)、上報結果及門(mén)禁開(kāi)啟等功能。

2.2.8交接班提示

基于實(shí)時(shí)工作記錄錄入、手機掃描交接班等，系統自動(dòng)創(chuàng )建新工作記錄構建交接班全過(guò)程閉環(huán)管理，從而讓數據完整沉淀、責任明確到人。同時(shí)，平臺能醒目顯示交接班時(shí)的未盡事宜或重要通知，以保障交接班時(shí)間安全運營(yíng)。

2.2.9值班監督

通過(guò)設置值班“打卡"功能，如通過(guò)每隔3min“打卡"與否判斷值班人員是否在崗，作為對值班人員的考核依據。同時(shí)，支持利用視頻監察系統結合視頻監控系統的視頻分析技術(shù)，對于檢測到值班人員的離崗睡崗，系統將自動(dòng)計入視頻監察記錄中，包括離崗人員、離崗時(shí)間、睡崗人員、睡崗時(shí)間，都會(huì )進(jìn)行詳細的記錄；并且視頻進(jìn)行留痕保存，當值班人員有疑義時(shí)可查看離崗、睡崗時(shí)的監控錄像，進(jìn)行視頻的調取和查看。

3、 AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺

3.1平臺概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監測于一體，為建立可靠、安全、有效的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網(wǎng)絡(luò )、系統架構、聯(lián)動(dòng)控制和綜合數據服務(wù)等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過(guò)程中存在內部干擾性強、使用單位多及協(xié)調復雜的根本問(wèn)題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環(huán)境和設備的使用和恢復效率。

3.2平臺組成

安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統是一個(gè)深度集成的自動(dòng)化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所環(huán)境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門(mén)監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器、手機APP獲取數據，通過(guò)一個(gè)平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監控、統一管理、統一調度，同時(shí)滿(mǎn)足管廊用電可靠、安全、穩定、有效、有序的要求。

3.3平臺拓撲

3.4平臺子系統

3.4.1電力監控

電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進(jìn)行保護和監控，對0.4kV出線(xiàn)配置多功能計量?jì)x表，用于測控出線(xiàn)回路電氣參數和用能情況，可實(shí)時(shí)監控高低壓供配電系統開(kāi)關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

3.4.2環(huán)境監測

環(huán)境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門(mén)禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時(shí)也可接入管廊艙室內的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機等設備集成的第三方系統完成管廊環(huán)境綜合監控。

3.4.3電氣安全

AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門(mén)狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，發(fā)生異常時(shí)通過(guò)聲光、短信、APP及時(shí)預警。

3.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單

3.5.1電力監控及配電室環(huán)境監控系統

4、結束語(yǔ)

在充分利用基礎地理信息公共平臺、管廊BIM模型提供的各種服務(wù)的基礎上，采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)和智慧化手段，將管廊運營(yíng)中的人員、設備、事件等要素與BIM模型和GIS三維空間模型進(jìn)行數據關(guān)聯(lián)，通過(guò)這2種模型搭建的數字孿生體對設備進(jìn)行遠程控制。并對運維過(guò)程中采集的數據進(jìn)行人工智能、大數據、云計算等分析比對，為綜合管廊的有效運營(yíng)和安全運營(yíng)保駕護航，提供理論依據和方案參考，實(shí)現智慧化、科學(xué)化、精細化、標準化的全生命周期運維管理。

參考文獻

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[2]劉雅莉，孟曉強.城市地下城綜合管廊智慧化運營(yíng)管理論述.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05

作者簡(jiǎn)介：魏健輝，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智慧管廊監控研究發(fā)展。