綜合管廊環境與設備智能監控方法的研究與設計

摘 要：為保持地下綜合管廊良好的運行環境，需對管廊環境與設備進行監控。鑒于此，設計并實現了一種高效、可靠的針對管廊環境與設備的智能化監控方法。該方法通過對環境參數的實時可靠采集，對設備有效控制以及智能聯動和模式控制，實現對管廊環境與設備的高效、智能化管理與控制。將此方法應用到實際管廊中，可對管廊環境和設備的監控達到很好的效果。

關鍵詞：綜合管廊；環境與設備；智能；監控

中圖分類號：TP23""" 文獻標志碼：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

隨著計算機技術和通信技術的發展，智慧城市的建設成為一種新趨勢，而綜合管廊作為城市生命線，是智慧城市建設中必不可少的一部分。綜合管廊對電力、燃氣、水務、通信等管線進行統一的鋪設和管理，可有效減少路面開挖，節省建設經費，提高管理水平[1]。

綜合管廊綜合監控系統是對綜合管廊和管廊內納入的管線進行統一監控和管理的綜合性系統，是保證管廊安全可靠運行的有效手段。而綜合管廊環境與設備監控系統是綜合管廊綜合監控系統中重要的一環，其對管廊內的環境進行實時檢測，并對異常情況進行報警，保障管廊的正常運行和入廊人員的安全[2]。

綜合管廊中的環境參數，包含溫濕度、氧氣濃度、可燃氣體/有毒氣體含量、集水坑液位、結構位移等。惡劣的管廊環境會影響管廊內設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，對管廊內的環境進行準確監測和實時調控是非常必要的。本文提出了一種管廊環境與設備智能化監控方法，根據不同工況自動切換不同的聯動控制模式，確保管廊內環境保持在最佳狀態。

1""" 綜合管廊環境和設備

綜合管廊環境包含溫濕度、氧氣濃度、甲烷/硫化氫氣體含量、集水坑液位、結構位移等參數，其中溫濕度、氧氣濃度、集水坑液位是所有艙室都需要監測的變量。溫濕度、氧氣濃度是管廊艙室內基本環境參數，通過溫濕度、氧氣濃度可初步判斷管廊內是否有火災、給水泄漏等突發事件，且確保溫濕度和氧氣濃度正常是巡檢和維修人員進入管廊的基本前提。監測集水坑液位可實時了解廊內集水狀況，判斷是否有淹水，淹水對廊內設備和管線有致命傷害，因此實時監視集水狀態，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氣體濃度進行檢測，燃氣艙中管材缺陷、接頭損壞、腐蝕環境中長期腐蝕導致管道或管道閥門破損，很容易造成天然氣泄漏，并擴散到其他艙室，引發爆炸危險[3]。

對污水艙還需要進行H2S有毒氣體監測，污水管道中可能存在種類繁多、成分復雜的有毒、腐蝕和易燃易爆氣體，H2S是其中最主要的有毒氣體，一旦管道出現破損或發生爆管事故，管道內的有毒氣體會迅速擴散到管廊內，污染廊內空氣環境，嚴重威脅廊內巡檢人員的人身安全[4]。因此，在污水艙中設置H2S氣體監測設備，實時監測艙內有毒氣體濃度，一旦檢測到有毒氣體，立即報警開啟風機通風，并通知廊內人員撤離。

依據GBZ/T 205—2007《密閉空間作業職業危害防護規范》的規定，綜合管廊不同艙室內需要監測的環境參數如表1所示。

環境監控除了對環境參數進行實時監視外，還通過控制風機、水泵等自動化設備對廊內環境進行調節控制。當溫濕度過高、氧含量過低或有毒氣體泄漏時，通過排風機通風換氣調節環境狀態。當集水坑液位過高時，通過水泵排水降低液位。

因此，管廊內風機、水泵等附屬設備的正常運行，對保證管廊內的環境良好非常重要，良好的管廊環境才能保證入廊管道的正常運作，另外適宜的環境才能保證入廊人員的安全以及舒適的工作環境，因此需要對管廊內的環境和附屬設施進行監控，以保證管廊處于良好的狀態。

2""" 系統設計與實現

2.1""" 總體實現方法

環境與設備監控系統的主要作用是針對管廊內和變電所內的各種用電設備，采集管理所需的各類數據，實現設備的運行狀態實時監控、遠程控制、報警管理、設備運行維護管理等功能，對電力系統進行遠程測量與控制，對全管廊實現電力調度自動化，從而達到整個系統自動化、節能，環境控制科學管理、合理應用等目的。

在每個防火分區和變電所各設置一套區域控制單元ACU，ACU采集各種傳感器、智能儀表、電氣設備的數據與報警信息，通過監控主干網上傳到監控中心進行監視，同時ACU完成該管轄區域的設備控制、聯動，并接收監控中心的控制指令操作對應的設備。

區域控制器ACU采集和控制的參量主要包含：

1）各區段溫濕度信號、氧氣檢測信號、有毒氣體檢測儀（通過總線方式）；

2）各區段集水坑水位超聲波液位計（總線）、浮球液位計信號；

3）各區段照明、風機、排水泵等機電設備的控制及狀態信號；

4）各區段配電系統的運行情況。

環境與設備監控系統實現的控制功能包括設備（照明燈、排水泵、排風機等）的運行狀態實時監測，運行模式監測，手動/自動狀態監測，故障檢測，運行維護記錄以及設備與溫度、濕度、氧含量、甲烷、硫化氫氣體等管廊環境參數值之間的智能聯動，實現管廊智能化運行；對電力系統進行電力監控、能耗管理、用電統計分析，實現節能綠色環保生態管廊。

2.2""" 通信

2.2.1""" 采集通信

環境監控系統中溫濕度、氧氣等傳感器數據的采集有兩種方法：一是通過ACU的IO模塊進行數據采集，另一種是通過總線通信模塊采集數據。

ACU柜放置在管廊上方的設備夾層，管廊內傳感器在各艙室分散布置，與ACU柜距離較遠，采用IO模塊進行數據采集，需要給每個傳感器單獨敷設控制線纜，并且需要多路IO口，雖然數據傳輸的實時性得到了保證，但是設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控制器通過總線協議循環與每個傳感器進行通信，獲取傳感器數據?？偩€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""" 網絡通信

環境與設備監控系統不單獨組建網絡，而是通過管廊內監控環網接入監控中心，在監控中心由綜合監控系統深度集成。

如圖2所示，系統網絡采用分層分布式結構，總共分為三層：區域控制層、主干環網層和控制中心層。區域控制層由管廊內每個分區設備間的區域控制器的總線網絡以及該分區的交換機組成，主干環網層由廊內的匯聚交換機與控制中心的核心交換機組成環網，監控中心層由監控中心核心交換機、擴展交換機和監控設備組成。

現場檢測儀表由屏蔽電纜通過總線通信模塊接入本系統，各監控設備的狀態、控制信號等由IO模塊接入本系統。ACU實現環控數據的采集、數據轉換以及環境設備的智能控制等功能。

環境與設備監控系統的監視數據和控制信號，通過監控主干網接入控制中心，控制中心綜合監控系統集成環境與設備監控系統，實現環境監控和設備控制以及設備聯動和預警報警。

2.3""" 系統設計

2.3.1""" 設備控制

管廊中環境與設備監控系統的被控對象是風機、水泵等各種設備。根據ACU實時采集的環境監測數據，對風機和排水泵實現啟停、狀態監測、聯動等操作，實現管廊環境智能調節。

管廊內的機電設備（風機、水泵等）具有三種控制模式：就地手動模式、遠程手動控制模式、遠程自動聯動模式。上述模式中就地和遠程的切換是由設備現場控制箱上的切換開關來控制的。

“就地”操作模式：具有最高優先級，在設備現場通過設備控制箱直接控制設備。

“遠程”操作模式：在人機界面（HMI）上手動操作實現設備啟/停；遠程模式下由ACU根據現場設備的狀態，自動控制機電設備的啟/停。

雙速風機和水泵的控制流程圖如圖3、圖4所示。

2.3.2""" 報警聯動

自動報警及智能聯動系統是管廊中環境與設備監控系統最主要的功能之一。

系統實時監測管廊中的環境參數和設備運行狀態，一旦環境參數超出正常范圍，馬上生成報警信號，并聯動相關設備自動調節，使管廊環境保持在正常范圍內，確保人員、管線和設備的安全。

系統中各環境參數的報警條件和報警事件以及聯動控制如表2所示。

2.3.3""" 系統模式

為環境與設備監控系統預設不同的工作模式，使系統更加智能、高效、可靠。不同的工況下設置為不同的模式，使設備運行在最佳狀態。

系統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模式、巡檢模式、維護模式等，異常模式包含停車模式、事后時間表通風模式、火災模式等。異常模式是在管廊運行異常時自動觸發，并在異常情況恢復后進行事后處理，從而能達到正常運行狀態。

各模式定義如下：

1）正常自動控制：根據環控參數自動控制。

2）大小通風模式：打開一個或兩個風機進行通風。

3）時間表通風模式：設定風機的啟停時間，自動循環運行。

4）巡檢模式：確保管廊內的含氧量及其他環控參數在正常范圍內，確保人員安全。

5）維護模式：設備進入到手動模式。

6）停車模式：在遇到緊急情況時手動緊急停止運行。

7）事后時間表通風模式：火災事故后自動通風模式。

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

3""" 實際應用

將本文中的環境與設備智能監控方法應用到某管廊的監控系統中，如圖5所示，可實時準確獲取管廊環境數據以及各環境調節設備的運行狀態，能可靠控制環境調節設備；當環境參數超標時，自動產生報警，并聯動相應的設備動作；在不同的模式設置下，能根據模式的設定自動運行。實際應用結果顯示，本文方法能實時監控并智能控制管廊環境，取得了良好的效果。

4""" 結束語

管廊環境與設備監控在管廊運維中是非常重要的一個子系統，直接關系到管廊中人員、設備及入廊管線的安全。本文提出的管廊環境與設備智能監控方法，可在管廊實際運維過程中應用，能實時、準確、可靠地獲取環境參數，并根據環境參數智能聯動和切換模式，確保管廊環境健康和設備正常運行，實現管廊環境與設備監控智能化。

[參考文獻]

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[3] 孫平，朱偉，宋瑞.城市地下管線典型事故分析及防治對策[J].城市公用事業，2012，26（2）：43-45.

[4] YE K，ZHOU X D，YANG L Z，et al.A multi-scale analysis of the fire problems in an urban utility tunnel[J].Energies，2019，12（10）：1-20.

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。