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综合管廊监控与预警系统研究

发表时间：2021/6/16 来源：《建筑科技》2021年4月上作者：张良

[导读] 综合管廊在建设过程中，为了保证其安全可靠性，需要建立一套完整的监控系统，包括多个子系统地下管廊环境实时监测系统、红外报警实时视频监测系统、地下管廊管道设备监控系统等。本文主要分析综合管廊监控与预警系统研究。

湖北武汉天河国际机场动力能源保障部张良 430302

摘要：综合管廊在建设过程中，为了保证其安全可靠性，需要建立一套完整的监控系统，包括多个子系统地下管廊环境实时监测系统、红外报警实时视频监测系统、地下管廊管道设备监控系统等。本文主要分析综合管廊监控与预警系统研究。
关键词：综合管廊;监控;预警系统
        引言
        通过软硬件结合，本地和远程的连接，能够比较完整地实现了综合管廊系统的监测与控制，能够有效地解决后期管理中存在的各项不便，在今后的工作中还需要继续进行研究和系统的完善。
        1、系统硬件设计
        1.1控制器电路设计与实现
        区域控制器是整个3层体系的核心。(1)控制芯片的选择。本次根据市场上常见的运用成本低、性能高、成熟的单片机嵌入式系统。经过筛选确定了本系统采用的核心芯片是ST公司生产的STM32F103ＲCT6。(2)电源模块的选择。结合综合管廊系统内部的供电方式，系统采用交流220/380V的交流电源。但是位于现场的设备需要以及主控芯片的供电电压较小，所以需要电路转换以满足不同的设备供电需求。(3)系统必不可少的时钟电路和复位电路。(4)存储模块。结合综合管廊的位置特殊性，距离长、设备多，需要存储所有的实时监测数据，对内存的容量需求比较大，在设计时采用STM32F103ＲCT6芯片。
        1.2显示电路
        在综合管廊内部也需要设置采集数据后的显示平台，这样工作人员进入内部检测才能够实时的判断其内部是否正常。除此之外还可以实现历史数据的查询、报警记录查询等维护工作功能。
        1.3通信模块
        在系统的三层结构框架中，根据方案设计采用的通信方式是CAN通信以及ＲS485通信。选择CAN总线方式能够帮助实现底层数据采集与控制器之间信息传输功能。并且需要设计串口通信来解决传感器接口的问题。区域控制器与远程监测中心之间选用以太网通信模块。
        2、系统软件设计
        在进行系统硬件电路的设计之后，下位机的软件设计主要由数据采集、CAN接口、现场信息显示、声光报警等任务组成。软件系统是基于搭建好的STM32硬件平台，应用μc/os-Ⅱ操作系统，在基于微控制器软件开发平台KeiluVision5开发软件下，C语言编程，实现以下功能。进行本机初始化和初始化参数掉电保护功能，具有CAN接口、485接口以及以太网通信，实现数据收发传输的功能，能够接受并储存上级计算机的命令，通过液晶显示屏显示各项数据内部环境信息采集并报警，整个软件系统的实现通过下面的流程进行:底端的传感器采集到的数据通过CAN总线传送给区域控制器，进行一定的处理后，在用以太网进行传输到管理机之间，这样即可实现主机界面的显示，分机的显示作用则是在管廊内部进行显示。
        3、城市综合管廊结构安全监控系统的设计
        3.1监控系统的设计总则与各功能子层的搭建
        结合结构健康监测的概念，城市综合走廊结构安全监测系统在走廊结构上布设智能传感器，实时监测收集其结构主体和主要构件的汇聚变形、裂缝发展、不均匀沉降等典型病害信息，通过数据采集终端、通信技术进行数据采集在云中，可以与管廊其他监控系统收集的各种信息数据进行联合集成。通过对大量异构数据信息的综合分析评价，实现全面有效的走廊结构全生命周期的安全监测和监测数据的实时可视化，在破坏和危险发生前及时发布报警报警信息。城市综合走廊结构安全监控系统的结构包括数据感知、数据传输、云平台、数据管理与应用4个功能子层。
        3.2监控系统的应用测试
        为了测试本文设计的监控系统的有效性，本系统将武汉中心城区地下综合走廊项目的某个已完成屏蔽区间选为其应用试验区间。

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该区间线路沿地面标高4.30~9.05m，走廊隧道采用预制混凝土平板型管片衬砌，衬砌环外径6000mm，内径5400mm，管片宽度1500mm，厚度300mm，装配时产生错误的间隙目前，该走廊相邻的地铁站正在进行基坑开挖工作，既有运营走廊结构发生混乱，且地铁隧道盾构施工通过后，其3号出入口和2号风亭组的建设有可能进行基坑上的管廊穿越工程，引起管廊区间的变形。为此，在管廊内适当的地方选取3个连续截面进行监测系统的应用测试，以监测管廊相邻地铁站基坑开挖和施工混乱等因素对管廊结构的影响。利用监测系统自动监测汇聚变形、裂缝扩展、不均匀沉降3种典型走廊结构病害，在断面的两腰和走廊底部设置激光测距传感器监测走廊结构的汇聚变形，在相邻两个管片的交界处设置振动式缝隙传感器进行分割通过在连续两个断面同一侧的高耸走廊体腰各设置一个静力水平传感器，实现了断面走廊体不均匀沉降情况的监测。综合数据采集器自动采集各传感器测量的数据，通过DTU实时上传到云平台，云上的监控系统计算、处理数据信息，将结果保存到云服务器，相关监控和现场巡检员在客户端实时上传该管廊监测断面不均匀沉降变化的监测数据，可以稳定、一致、及时地反映监测参数的变化情况，从而掌握相邻各断面的沉降情况和变化趋势，并且各测量值是安全允许的变化
        3.3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。
        3.4专用通信系统
        专用通信系统是为应对公共通信手段无法实现管廊内外实时通信而设置的，根据实际需求设置有线通信、无线通信等不同通信手段，无线通信主要通过无线对讲机满足综合管廊内人员间的通信需求，有线通信通过在控制中心设置VOIP交换机，用于VOIP电话的数据交换，VOIP交换机与PSTN市话进行连接，以此保证综合管廊内的VOIP电话通讯及与控制中心的联系。
        3.5三维可视化监控技术
        BIM技术1 ) BIM三维设计的优越性。 BIM理念自20世纪70年代提出以来，在可视化、量化分析、工程效率的提高上发挥了显著的作用。对于综合管廊这样的大型线性工程来说，利用BIM软件进行三维建模将为监控系统的构建提供以下便利。 a、协同操作设计快速、方便、信息共享三维模型的构建； b、综合管廊三维模型可以可视化监测，直观反映问题。 2 ) BIM模型的轻量化。如果复合管BIM模型需要通过不同的软件传递或在Web浏览器中查看，则复合管BIM模型需要很长时间才能打开，因此需要减轻复合管廊BIM模型的重量。在此次管廊监控系统中，BIM模型服务器采用B/S结构方式，B/S结构中采用WebGL实现管廊BIM模型的轻量化处理。 WebGL是基于OpenGLES2.0标准的跨平台API，主要使用三角形面片构建3d几何模型，并在Web浏览器中绘制和渲染3d图形。综合管廊BIM三维模型的轻量化有两个方面。 a .管廊三维模型的轻量化表示主要通过结合图形，即通过算法根据权重排除对应的顶点或面，达到轻量化效果。 b .将综合走廊的原始模型文件压缩为轻量化模型文件，转换为stl、obj、3ds、json等文件格式，快速实现综合走廊三维模型的渲染和操作。
        结束语
        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。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。
参考文献：
［1］孙小勇．浅谈地下综合管廊的建设［J］．建材发展导向(上)，2020(12):1-2．
［2］郭晋．城市地下综合管廊智能弱电系统设计要点［J］．建材发展导向(上)，2020(12):1-2．
［3］熊红华．Internet应用培训教程［M］．电子工业出版社，2019．
［4］住房城乡建设部．《城市综合管廊工程技术规范》GB50838—2015．
［5］张继辉，赵雨欣．综合管廊与地铁共建之供配电系统设计［J］．建筑工程技术与设计，2018(32):1081-182