智慧管廊信息化建设探讨

曹茂春，张东霞

CAO Mao-chun，ZHANG Dong-xia

（太极计算机股份有限公司）

（Taiji Computer Corporation limited）

智慧管廊信息化建设探讨

曹茂春，张东霞

CAO Mao-chun，ZHANG Dong-xia

（太极计算机股份有限公司）

（Taiji Computer Corporation limited）

论文给出了智慧管廊定义，在分析智慧管廊信息化建设两种方案基础上，提出了智慧管廊信息化建设思路、目标和总体架构，并介绍了智慧管廊信息化建设的主要内容。

智慧管廊；信息化建设；统一管理平台；管廊监控系统

1 智慧管廊综述

在智慧城市和智慧园区大规模建设内生需求和国内急需打造经济发展新动力外在要求的推动下，智慧管廊建设在国内大面积展开，管廊建设方对地下管廊主体结构建造已没有任何技术障碍，但是对智慧管廊的特征、范围、内涵、外延以及信息化建设国内还处于初探阶段。

智慧管廊目前没有统一定义，本文认为智慧管廊是传统管廊在智慧城市建设过程中提出的新要求，是数字管廊信息化发展的高级阶段, 是智慧城市大动脉和智慧城市建设的重要组成部分。套用智慧城市说法，智慧管廊是以城市地下管廊为研究对象，运用空间信息（GIS）、建筑信息模型（BIM）、自动化控制、物联网、云计算、大数据、人工智能、知识管理等新一代信息技术，实现管廊规划、设计、建设、运营和维护等全方位的智慧化管理和运营。

智慧管廊信息化建设目前主要有基于工业控制和基于管道信息化两种解决方案。基于自动化控制的解决方案主要由西门子、施耐德等自动化控制厂家发起，以PLC/RTU/IPCamra/NVR等硬件为核心，通过上下位软件编程，采集管廊的环境、设施、安全等过程和安全等数据，按照控制策略控制管廊现场执行机构，其信息化平台是基于象WinCC、组态王这样上位软件的二次开发，是上位软件的功能延展。上位软件具有开发快、效率高 、成本低等优点，但是上位软件也有其局限性，主要表现在系统的封闭性、数据共享难及功能受限于开发平台，目前国内大多数已建和在建的管廊信息化都是基于工业控制的上位软件开发，并以此为智慧管廊统一管理平台。基于管道信息化的解决方案主要由ArcGIS、MapGIS、GeoGlobe等GIS厂家发起，以各种GIS平台为依托，采集管廊实体空间数据，建立管廊空间模型，融入实体属性数据、过程数据和安全数据等，实现管廊可视化管理，其信息化核心是基于GIS平台二次开发。该方案优点是界面友好、直观，但有建模周期较长、需开发大量接口以及对电脑性能要求高等缺点。除上述两种解决方案，还有1种自行独立重新开发方案，周期更长，难度更大。

本文结合《城市综合管廊工程技术规范》GB 50838—2015以及太极公司近年在智慧管廊方面的实践，提出智慧管廊信息化的一些探讨。

2 智慧管廊信息化建设思路、目标和总体架构

2.1 思路与目标

智慧管廊信息化建设宏观思路概括为“五统四化三集中”，也就是在信息化建设中必须遵循“统一规划、统一设计、统一建设、统一管理、统一运营”原则，在软件构建时注重“标准化、集约化、智能化、协同化”，实现“资源集中、数据集中、运营集中”的目的。

智慧管廊信息化建设微观思路可以

套用太极智慧城市“六个一”思路，即“构建一个开放的体系架构、构建一个安全的基础网络、建设一个通用的功能平台、建立一个统一的管廊数据体系、建立一个高效的管廊运行中心、建立一套完整的管廊信息化标准体系”。

智慧管廊是个复杂的巨系统，其信息化建设目标与城市管廊建设规模、纳入管线的种类以及管廊建、运、管理模式等密切相关，但最终要以安全、可靠、可维护性、可拓展性为依据，以服务管廊智慧化运营和管理为主线，同时满足智慧城市未来的地上地下一体化、管廊空间信息二三维一体化、建管运一体化以及平战一体化等要求。

2.2 总体架构

智慧管廊信息化总体架构如图1所示，可以概括为：“111”。

——1：1个地下管廊空间实体。

——1：1套可视化的管廊监控系统。

——1：1套科学合理的智慧管廊运营保障体系。

其中地下管廊空间实体是按照《城市综合管廊工程技术规范》GB 50838—2015等相关建设规范，完成地下管廊实体总体设计、结构设计、附属设施设计以及纳入综合管廊的专项管线设计，提供管廊空间实体构筑物及设施。

运营保障体系包括标准体系、建设模式、运营维护体系，本文不赘述。

智慧管廊信息化重点是可视化的管廊监控系统，其可以分为3层：

——现场层

统筹规划地下管廊空间及附属设施、管线本体及管线本体设备监控，建设分区科学、传感器/执行器、主控器和系统配置合理的感知体系，实现地下管廊空间全面感知和控制。

——资源层

提供机房环境、云计算设施以及共性支持平台，以支持管廊数据存储、运算、交换以及大数据分析等功能。资源层还有1个很重要的任务是管廊地理空间数据等信息资源建设。

图1 智慧管廊信息化总体架构

——管控层

提供国标规定统一管理平台和国标之外拓展管理平台。管线权属单位监控平台，可以看作是管控层的一部分，一般不由管廊建设方建设，但要注意其双向通讯数据接口，各专业管线单位应将本专业管线运行信息、会影响到管廊本体安全或其他专业管线安全运行的信息，送至统一管理平台；统一管理平台应将监测到的与各专业管线运行安全的有关信息，送至各专业管线权属公司监控平台。

国标规定，统一管理平台集成监控与报警系统各子系统，实现实时监控、报警处置、联动控制等综合处理功能。该平台还提供数据通讯接口，与管线权属单位监控系统或平台双向连通。国标之外拓展管理平台可根据城市管廊建设实际需求、投资情况进行拓展。

基于上述架构，本文给出1个基于云化的管廊信息化拓扑架构，如图2。

为了适应大城市未来有多个管廊和

多个管廊建设运营方，本文再给出1个城市多个管廊运营方拓扑构架，单个管廊运营单元通过接入层区域级管廊运营中心、区域级管廊运营中心通过汇聚层交换机接入城市级管廊运营单元，如图3所示。

图2 云化的智慧管廊拓扑架构

3 智慧管廊信息化建设的主要内容

3.1 现场层建设

现场层主要由传感器/执行器、主控器和系统构成，实现地下管廊空间环境、附属设施、管线本体及管线设备全面感知和控制。感知数据有管廊环境数据、附属设施监控数据、管线本体监测和管线设施数据、空间数据、通讯数据、安全数据、火灾报警数据等。

环境感知通过温度、湿度、液位、氧气、甲烷、硫化氢等传感器采集，附属设施监控主要对象有消防、通风、供电、照明、排水等设施I/O信号，管线本体通过漏电、漏水、漏气等传感器采集，管线本体设施如阀门、在线仪表监控可以通过现场采集或通过第三方交换得到，以上过程数据可以通过PLC上传至系统。安全数据可以通过IP摄像头、门禁等实现现场采集，通过视频主机、门禁主机进行监控。现场层感知／监控主要对象如图4所示。

现场层系统主要有安全防范系统、环境与设备监控系统、火灾报警系统、通信系统、标识系统和其他系统，这些子系统原则上应该独立运行，不会因为其他系统崩溃而影响各自功能。由于篇幅原因，本文简述安全防范系统、环境与设备监控系统两个系统的主要功能。

安全防范系统建设的主要功能如下：

1)视频监控：监控人员可以直接对地下管廊内情况进行实时监控；

2)入侵报警：通过设置在人员出入口、逃生口、吊装口、进风口和排风口前端探测器对非法进入城市管廊进行及时报警；

3)电子巡更：用于管理人员对管廊内的重要设施进行定时巡检；

4)出入口控制：在人员出入口设置门禁系统，对进入管廊人员进行有效管理；

5)语音对讲：通过管廊内的对讲分机与控制中心进行及时沟通；

6)人员定位及管理：结合GIS系统可以直观看到进入管廊的人员具体位置，配合视频监控系统可以对人员活动情况进行监控。

环境与设备监控系统建设的主要功能如下：

1)对综合管廊内环境参数进行监测与报警；

2)对通风设备、排水泵、电气设备等附属设施进行状态监测和控制；

3)对管线本体及管线上设备进行状态监测和控制。

3.2 资源层建设

资源层建设主要包括IT基础设施资源、信息资源和平台资源建设等。IT基础设施资源建设包括机房环境、计算、存储、网络以及安全等数据中心资源建设，数据中心可以“云计算”的方式予以建设，在城市设置智慧管廊云计算中心，也可以和已有智慧城市云数据中心共用，通过虚拟化和集群化完成智慧管廊所需IT资源的自动化调度。

管廊信息资源主要包括以下数据：

1)基础类数据：管线本体数据、管线三维数据、管线普查数据；

2)监控类数据：环境监控数据、设备监控数据、管网运行监控数据等；

3)业务类数据：业务审批数据、工程档案数据等；

4)管理类数据：城市基础数据、城市规划数据、管线规划数据、管线审批

数据、管线竣工数据等；

5)其他数据：报警数据、视频数据等。

图3 大型城市智慧廊三级拓扑架构

图4 现场层监控对象

信息资源的建设主要以上述数据入库，入库的方式可以是在线、交换、合成或人工录入。其中管廊空间信息、管线本体空间信息数据库建立，是工作量很大的工作。信息资源的建设还必须高度重视各子系统数据采集、数据传输、数据存储、数据交换等数据格式的标准和规范建设，形成城市智慧管廊信息资源标准。

平台资源建设是将物联网接入平台、GIS支撑平台、统一视频管理平台、数据共享交换平台、云服务平台、大数据分析平台等各种共性平台集中建设，以便节省资源和投资，提高智慧管廊云计算中心功能及复用价值。这些共性平台可以按照项目实施情况予以分期实施。

3.3 管控层建设

管控层包括国标规定的统一管理平台和国标之外的拓展应用。国标规定统一管理平台主要集成监控与报警系统的各子系统，实现实时监控、报警处置、联动控制等，并应具有数据通信、信息采集和综合处理功能。

智慧管廊统一管理平台建设的主要功能有：

1)平台通用服务功能：包括环境监测服务、设备监控服务、安防监控服务、报警监视服务、数据处理、数据分析以及安全权限、系统参数设置等功能。

2)监控模块功能：综合管廊运行展板、综合实时监控、综合报警管理、数据分析、趋势分析以及报表生成及打印。

3)报警联动服务功能：包括警情分级、联动预案编辑、联动控制执行、联动预案调试和报警预案管理等功能。

4)提供数据通讯接口，与专业管线监控系统或平台连通。

国标之外拓展管理平台

国标之外拓展应用可根据城市管廊建设实际情况和需求进行拓展，目前主要有如下应用。

1)基于GIS的智慧管廊应用

基于GIS应用整合地下管线数据资源，实现地下管线的可视化管理、存储、查询、分析、定位，更重要的是运用GIS技术将各类地下管线资源更有效地融入到城市地下综合管廊工程从规划、设计、施工、采购、竣工到运营维护的全生命周期。典型应用有：管线数据管理系统、管线监测管理系统、管线综合

管理系统等。

2)基于BIM的智慧管廊应用

BIM应用和GIS类似，也可以贯穿城市地下综合管廊工程从规划、设计、施工、采购、竣工到运营维护的全生命周期，基于BIM应用的非常多，可参考BIM相关文献。

3)应急管理系统

综合管廊安全运行关系到1个城市正常运转，由于其重要性、复杂性和连锁性，因此，智慧管廊必须配置1套应急管理系统，一旦出现紧急情况，可以利用应急管理系统降低或避免损失扩大化。应急管理系统主要有应急值守、风险隐患监测、综合预测、预案知识库管理、应急保障管理、指挥调度、模拟演练等功能。

4)运营管理系统

综合管廊运营主要功能有：值班排班管理、资产管理、档案管理、请求管理、变更管理、任务管理、设备管理、备件管理、知识库管理、人员管理、巡检管理、统计报表、能耗分析、管理考核、合同管理、收费管理、工单管理、运营成本分析、智能诊断、查询分析、系统维护和诊断、运行统计报告等功能。

5)移动应用系统

利用手机、平板等智能终端实现检修定位、工单回传、一键救援、预案联动、综合信息查询、标示管理和作业指导等功能。

4 总结

智慧管廊信息化建设是1个渐进过程，初期建设重点应该是监控和报警系统，后期逐步拓展GIS/BIM应用、运营管理系统、应急指挥系统等应用，并逐步拓展信息化在管廊规划、设计、建设、运营、维护、智慧城市接口等全方位的应用。随着国内各城市管廊建设落地和运营，智慧管廊信息化建设将愈加完善，其建设内容也愈加丰富全面。

[1]曹茂春，张春光. 智慧校园建设探讨[J] .智能建筑与城市信息，2015（12）：75-78.

[2]曹茂春. 智慧园区总体规划和设计[J]. 智能建筑, 2015（8）：41-44.

[3]曹茂春，洪劲飞. 智慧园区建设探讨[J].智能建筑, 2014（9）：34-39.

[4]曹茂春，齐雄. 智慧城市的探讨与实践[J]. 智能建筑与城市信息，2013（10）：94-100.

The Probe of Smart Utility Tunnel Informatization Construction

The definition of smart utility tunnel is given, on the basis of the analysis of the two solutions for the information construction of smart utility tunnel. The idea, goal and overall architecture of the information construction of smart utility tunnel are presented. Finally the main contents of the information construction of smart utility tunnel are put forward.

smart utility; informatization construction; uniform management platform; monitor system of utility tunnel