智慧管廊方案.docx

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智慧管廊方案

城市智慧管廊

方案设计

1项目背景

2015年，继国务院办公厅发布《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》、住建部修订GB50838《城市综合管廊工程技术规范》和印发《城市地下综合管廊工程规划编制指引》后，10大试点城市及其他各省市相继出台了“综合管廊规划建设管理办法”等政策文件。

2016年在第十二届全国人民代表大会第四次会议上，李克强总理的政府工作报告中指出，今年将开工建设城市地下综合管廊2000公里以上。

自此，城市管廊建设从过去的探索阶段正式步入政府调控、多方融资、统一规划和总体运营的平稳发展道路上来。

城市地下综合管廊建设实现了包括供水、排水、燃气、热力、电力、通信、广播电视、工业等多个城市重要管线的有序入廊，解决了以往多政府部门、多辖区、多使用单位的管理混乱难处，也最大程度改善了城市内涝、“马路拉链”式工程和地下空间资源利用率低等问题。

根据财政部、住房城乡建设部《关于开展中央财政支持地下综合管廊试点工作的通知》（财建〔2014〕839号）和《关于组织申报2015年地下综合管廊试点城市的通知》（财办建〔2015〕1号），财政部、住房城乡建设部公布10个城市进入2015年地下综合管廊试点范围：

包头、沈阳、哈尔滨、苏州、厦门、十堰、长沙、海口、六盘水、白银。

图1国内综合管廊建设案例

国办发〔2015〕61号《国务院办公厅关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》中对城市管廊建设做了统筹规划。

《指导意见》指出管廊配套系统应具有智能化管理水平，满足运营维护需要。

而在GB50838-2015《城市综合管廊工程技术规范》中，则具体框定了该类系统的建设要求。

2需求分析

城市地下管廊是指城市范围内供水、排水、燃气、热力、电力、通信、广播电视、工业等管线及其附属设施，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。

《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》中指出,要把加强城市地下管线建设管理作为履行政府职能的重要内容，统筹地下管线规划建设、管理维护、应急防灾等全过程，综合运用各项政策措施，提高创新能力，全面加强城市地下管线建设管理。

要求各城市及相关主管部门要借鉴已有的成功经验，结合地区特点，鼓励管道权属单位开发、应用地下管线监控预警技术，实现智能监测预警、有害气体自动处理、自动报警、防爆、井盖防盗等功能，提高地下管线安全管理效能，减少各类事故的发生。

建设目标:

（1）业务流程的统一整合：

管廊是一个综合建筑体，包含众多的复杂的业务流程，包括智能监控、管网运行、设备维修、应急作业、运维调度、隐患管理，等等，这些业务流程需要统一整合到管廊综合管控方案中。

（2）软硬件新技术融合：

管廊综合管控方案中将利用到大量的最新的软硬件技术，例如设备监控技术、物联通讯技术、智能终端技术、数据挖掘技术、智能报表技术、数据仓库技术，等等。

（3）数据集成与智慧决策：

管廊综合管控方案是一个数据集成与智慧决策系统，包括大量的、多种类的数据集成，保证数据的完整性，各系统之间的数据关联性，利用专家库实现知识挖掘，利用大量的预案实现智慧决策。

（4）系统的开放与扩展：

由于管廊系统管理设备众多，监控内容庞杂，系统规模逐渐扩大，由现场监控系统到区域分监控中心到主控中心各层级逐步建设，因此对系统的开放性和扩展性要求很高，要求系统架构可灵活配置、监测设备可灵活配置、外围系统接口可灵活添加修改、功能模块可灵活添加、网络层级可延伸扩展，等等。

3功能分析

智慧管廊既要实现系统的安全、稳定运行，又要实现对供电、消防、照明、通风、排水等系统的“集中管理”。

本系统按照《GB50838-2015城市综合管廊工程技术规范》设计：

感知层：

应用数据采集技术，实现电力、给水、通信、能源等的数据采集系统。

传输层：

由环网光纤，无线传输模块提供有线、无线通信等可靠传输。

处理层：

通过一个“集中监控信息平台”集成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、地理信息系统等五大中心模块实现系统的分布式应用和纵向深入。

应用层：

应用主流的web架构实现互联网门户服务系统。

由于政府管理部门和相关管线单位（给水、电力、燃气、通信、供热）的本专业管线运行信息会影响到管廊本体安全或其它专业管线安全运行，因此在应用层要对相关管线单位提供通信接口，以实现信息的共享和联动。

3.1综合监控系统

城市智慧管廊综合监控系统，其监控范围全面涵盖了地下管廊内的管线运行安全以及管廊空间、附属设施等的状态，为城市“生命线”的可靠运行提供了全面的技术保障手段，构建适合城市快速发展的安全、高效、智慧的地下管网系统。

图4综合监控系统

3.1.1资产设备监控系统

3.1.1.1电力电缆监测系统

运行温度是电缆的一个重要参数。

当电缆在额定负荷下运行时，线芯温度达到允许值。

电缆一旦过载，线芯温度降急剧上升，加速绝缘老化，甚至发生热击穿。

在电力电缆的选型和敷设阶段，由于不可能对实际运行环境进行全面的考虑，通常都是根据标准环境温度进行的，这样将导致电缆在环境温度高时运行于过热状态，减少运行寿命。

实际工作时为了避免出现这种情况，通过适当保留负载能力的方法来解决，但这却使得电缆的使用不经济。

因此，如果能够根据实际运行状态和运行环境，实时地对电缆的负荷进行调度和调整，不仅能够保证电缆的运行安全，使其带负荷能力得到充分发挥，而且在有些情况下海可以解决电力调度中紧急情况下的电力供应问题。

对电力电缆的监测包括：

缆表温度、接头温度、动态载流量、接地电流、局部放电。

3.1.1.1.1缆线温度监测

本综合监控系统采用分布式光纤测温技术，将光纤作为测温传感器，通过敷设在电缆表面或内置在电缆中，实现对电缆表面温度、电缆接头温度以及环境温度的实时监测，及时发现电缆运行过程中出现的问题以及运行电缆周围环境的突变。

图5缆表温度监测

分布式光纤测温技术，完全分布式测量，以精密间隔探测全线温度，定位精度达1米；测量速度快，4千米的距离只需要3秒；能够做到多级报警，并具备定温、差温、峰值等多种报警方式，报警分区间隔最小为1米。

3.1.1.1.2动态载流量监测

图6动态载流量模型DCR

图7分布式光纤测温优点

动态载流量分析系统的核心算法为动态载流量模型DCR（DynamicCableRating），它基于国际电工委员会标准IEC60287和国际大电网会议CIGRE动态热路模型开发，可以实现电缆导体温度和电缆负荷的监测。

3.1.1.1.3接地电流监测

电缆护层接地电流监测系统通过在电缆接头的接地线上安装电流监测装置，实时监测接地电流瞬变、突变情况，实现对电缆接地故障快速预警和准确定位，为线路抢修提供先决条件。

图8高压电缆护层电流监测系统拓扑图

3.1.1.1.4局放监测

电缆局放在线监测系统能够实时检测电缆内部发生的局部放电信号，有效地去除干扰信号。

检测到的局部放电信号通过光缆传输到变电站监控中心，通过分析系统对局部放电的类型和局部放电水平进行分析判断，从而评估局部放电的影响，判断设备绝缘状态，并给出相应设备维护维修指导方案。

图9电缆局放在线监测拓扑图

以上四个监测项，载流量、接地电流和局部放电三项监测，可以考虑直接从电力公司获取数据。

3.1.1.2通信光缆监测系统

对通信光纤的监测包括：

断纤、故障监测。

基于OTDR的自动监听技术可进行光纤的传输衰减、故障定位、光纤长度、接头衰减的测量。

OTDR对光纤断点测量又有很强的鲁棒性，在电力通信网的光纤监测中有着广泛的应用。

光纤监测通常包括在线监测和离线监测：

1，在线监测方式

采用与工作波长不同的测试波长通过WDM设备，合波在同1根光纤通道中运行在远端利用滤波器将测试波长滤掉，让工作波长通过。

但是在监测实施时必须断开工作光路,只让监测光路通过,此时将对用户通信造成通信间断的影响,对于实时性要求不高的通信网络可以采用此种监测方式。

2，离线监测方式

在施工中通过增加两条备用光纤作为监测通道,这种监测系统构建容易实现且对用户不会造成影响。

系统架构清晰简单，利于维护，但是必须占用监测专用通道。

这种监测方案监测的光纤是与通信光纤并排的光纤，并不是实际应用的通信光纤。

离线监测实时性高，可在施工过程中预留2芯作为监测光纤，1芯用于光功率计实时监控，1芯用于OTDR测试。

光纤功率计和OTDR共同完成对光纤的监测功能。

光纤监测的两种方法各有优缺点，在实际正式施工中鉴于离线监测不影响通信，建议使用离线监测方式。

3.1.1.3给水管线监测系统

通过对供水系统输配管线压力、流量、水质等情况进行实时在线监测，有效提高供水调度工作的质量和效率，实现供水自动化管理。

对给水管线的监测包括：

压力、流量、水质。

（当前给水管线中不做水质监测）。

3.1.1.4热力管线监测系统

对热力管线的监测包括：

泄露。

热力管线泄漏监测：

通过分布式光纤温度监测系统，实时在线监测热力管线泄漏的发生，并通过后台泄漏监测软件实时读取温度、压力、流量等需要的热力数据。

感温光纤作为热力管道泄漏监测的传感器系统，使用寿命长达30年。

投资成本低、测量精度高、能够将泄漏位置准确定位在1米范围内。

3.1.1.5天然气管线监测系统

对天然气管线的监测包括：

泄露。

天然气管道在各种复杂因素的影响下，常常会出现管道泄漏的情况，泄漏的气体很容易引起火灾，严重时会带来爆炸。

天然气主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷等，因此通过监测天然气敷设沿线空间环境的甲烷浓度，可有效发现天然气泄漏。

3.1.2环境监测系统

地下管廊装有各种线信号线、热力管、燃气管、电信管道、给水管道、电力管道等等，是一个多种信号与传输对象交汇的场所，为了充分保障管廊内环境安全，需要对其内部环境进行监测，以达到实时、自动监测地下管廊内的环境，其重要性不言而喻。

舱室容纳、管线类别

给水管道、再生水管道、雨水管道

污水管道

天然气管道

热力管道

电力电缆、通信线缆

温度

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●

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湿度

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水位

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氧气

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硫化氢

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甲烷

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●

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▲

表格1环境监测参数

注：

●应检测，▲宜监测

系统主要是对管廊内的温度，湿度，CO、CH4、H2S等有害气体浓度、空气含氧量、水位等环境参数进行实时监测，并通过区域控制器与管廊内排水系统、通风系统、照明系统进行联动。

通过在地下管廊配置相应的传感器及报警器，并通过通信将监测信号从投料口引出到地面上，并通过无线通信（GPRS）传输到监控中心，通过配套的综合管理软件对数据进行分析。

通过软件对每个测点的地理位置、测量值或工作状态进行连续采集，如出现异常，系统会自动生成报警（声光报警、短信报警、邮件报警可选），第一时间通知到相关人员，将可能出现的险情消灭在萌芽状态，避免造成大的经济损失及影响管廊的正常工作。

图11环境监测系统

由于管廊较长，需要选择合适的距离来设置监测点：

  1、对于温湿度数据可以对参考200米一个测点。

2、对于燃气报警则要针对实现情况选择布的距离要大大缩短（或者选择可能会发生报警的特殊区域）。

 3、对于积水报警则选择集水坑水位监测方式。

 4、对于有害气体监测，则要判断具体是什么气体为主，为何产生，如果产生了积水（污水）可能会产生恶臭气体等。

图12环境监测设备

3.1.3管廊监测系统

3.1.3.1管廊防外破监测系统

城市综合管廊属于地下隐蔽设备，常常由于市政建设需要，大型机械会在管廊周边持续、频繁的施工，对管廊结构造成极大的影响，严重时还会导致地表坍塌等重大事故。

针对第三方破坏导致电缆隧道结构损坏的现象，可通过管廊防外破监测系统对地下设施周边一定范围内的土壤振动信息进行连续监测和分析，从而实现地下管廊安全预警，有效防止第三方破坏。

图13防外破监测系统

3.1.3.2管廊结构沉降监测系统

城市综合管廊建于地壳表层下，其结构一般为衬砌结构，经过长时间运营，隧道段与隧道段的接缝处会产生相对位移，这种相对位移分为水平方向和垂直方向的位移，而发生在垂直方向的位移会导致地表沉降，严重时会导致隧道坍塌等重大事故，因此对管廊结构的沉降情况进行连续监测，及时对管廊结构沉降状态和变形趋势作出判断和预警，有效保障城市综合管廊的安全运营。

图14管廊结构沉降监测系统

3.1.4现场通信总线

现场主通信采用2+2方式：

2芯光纤组成基于光纤现场工业以太网，可供所有监测系统复用，2芯电源线统一提供电源接口，可供所有监测系统复用。

图15供电回路

图16供电单元

图17ACU

对于整条综合管廊，建议以150~200米为间隔划分为多个独立的控制区，每个区域的ACU（AreaControlUnit区域控制单元都由不同的BUP电源单元，BUT通讯单元，GCS2000采集单元等组成）。

防爆箱内部可安装电源、通讯、数据采集等电子设备。

可用于恶劣环境中的各种传感器设备、采集设备的统一安装，便于规范化施工作业。

图18ACU安装现场

图19ACU现场安装

3.1.5安防系统

安防系统的重要职能：

应急指挥，多系统联动。

当有入侵目标出现时，系统会立即发出报警，并联动该区域摄像机进行自动跟踪、切换显示相关现场图像画面以及自动启动录像功能、拨打110等。

图20安防系统间关系

图21安防联动

3.1.5.1电子井盖监控系统

管廊电子井盖监控系统通过对管廊投料口或与外界相通的出入口处的电子盖板状态进行实时监测和远程控制，有效控制非法进入地下管廊进行偷盗、破坏等行为，保障地下管线的安全稳定运行。

图22电子井盖

3.1.5.2视频监控系统

管廊视频监控系统通过在管廊内各个重要监测点安装枪机摄像机（鉴于管廊自身的形状特点），可使值班人员在监控室就能远程及时了解管廊内管线以及附属设备等的运行状况，同时还可直观监控管廊内的人员活动情况，从而保证管廊内管线及附属设备的运行安全。

图23视频监控系统

3.1.5.3应急对讲广播系统

当管廊内发生重大灾害（火灾、煤气泄漏）时，迫切需要将险情迅速大范围传播出去。

应急对讲广播平台可提供一种迅速快捷的讯息传输渠道，在第一时间把灾害消息或灾害可能造成的危害传递给管廊内人员，让其在第一时间知道发生了什么事情，指导工作人员安全撤离、避险，从而将生命财产损失降到最低。

通过在廊道内安装紧急对讲广播系统可实现廊道内人员与监控中心人工坐席、外部人员以及廊道内其他分机之间的通话；发生紧急情况时，监控中心可向管廊内人员发起广播提醒人员紧急疏散，从而有效杜绝上述情况的发生。

图24对讲广播系统

应急对讲广播平台涵盖现有广播体系的所有功能，并提供对讲、录音、监听等附加功能。

平台可接入各类广播终端（音箱、音柱、高音喇叭、收扩机），无缝融合各类通信终端和视频终端（互联网、数字电视网、数字电视播控平台、卫生广播），并可灵活接入各级应急指挥中心，为应急指挥部门和公众沟通提供迅速快捷的信息传输渠道。

3.1.5.5门禁管理系统

门禁管理子系统主要由电锁控制器、电控锁、读卡器、出门按钮等组成。

门禁系统通过门禁控制，对监控中心和管廊出入口等处实施出入管理，强化管廊安全防范功能。

该子系统是新型现代化安全管理系统，集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术等诸多新技术。

图25门禁管理系统

3.1.6.6入侵报警系统

管廊入侵报警系统采用可靠稳定的红外探测器，并安装在管廊每个投料口和通风口或与外界相通的入口处，以实时监测管廊出入口处的人员入侵情况。

系统可对防范区域进行自动布防和撤防，在监控平台可进行远程手动布防和撤防。

当有入侵目标出现时，系统会立即发出报警，并联动该区域摄像机进行自动跟踪、切换显示相关现场图像画面以及自动启动录像功能、拨打110等。

图26入侵报警系统

3.1.6电子巡检管理系统

3.1.6.1巡检方式

巡检包括人工巡检和机器人巡检。

机器人巡检可以代替维护人员进出管廊内部场所，更适合于危险场所。

（考虑机器人过防火墙，怎么解决）

不管是人工巡检还是机器人巡检，都可以在监控中心实时获取巡检数据、监控巡检情况。

巡检数据持久化到数据库中，在综合管理平台上作统计分析。

管廊电子巡查管理系统主要由以下几部分组成：

巡更采集器（巡更棒）、巡更点卡、巡更员卡、和电脑管理软件。

无需布线、安装简易，巡查范围广。

在关键检测点处各安装一个巡更点信号卡。

使用时，将巡更采集器靠近里程标志卡即可，巡更员工号、巡查时间和位置信息均会自动记录到内存。

图27电子巡检系统

采集器内的数据可采用硬盘存储和实时传输两种处理方式。

实时传输可采用：

1，用专用电缆（RS232）将巡更采集器与电脑相连，巡更采集器中记录会根据设置条件自动上传至电脑，同时采集器内存中数据会自动清空；2，采集器内置无线传输设备，已上传的数据在采集器内自动清空。

3.1.6.2巡检内容

该部分需要根据实际情况再考虑。

主要是智能监测的补充。

3.1.6.3主要功能

智能巡检系统应用GPS卫星定位技术、GIS地理信息技术、GPRS/3G网络通信技术、LBS基站定位技术及互联网传感等技术实现针对管网运行进行的维护与管理。

它能够有效满足管廊的安全技术及输配管理部门，对日常安全设施的巡视检查及维修人员的任务监管、实时跟踪、隐患问题汇报，及调度派工等信息化管理方面的需求。

使巡检的质量、管线的健康、设施的安全、供给的稳定运行得到持续保证。

1，实时跟踪、记录与监管：

实时统计掌握与记录所有人员的所在，出勤情况与工作状态，包括计划工作完成情况、手持终端电量、通讯状态等；支持长期数据的保存与备份，提供历史的轨迹回放、工作情况等的重现与可追溯；随时可调阅历史资料，进行各项工作的过程重现、轨迹回放等分析统计与周期考核。

2，隐患实时上报与管理：

发现隐患实时上报、系统配有闪烁与音效提示管理者处理与调度；图文并茂的展现隐患现场情况与工单打印；结合GIS地图图资，掌握隐患分布，调整区域巡查力度，掌握维安工作重点，并可设置隐患高发区域单独进行分析管理。

3，手持终端状态监测，可查看手持终端各时间点的工作状态、GPS状态、通讯状态及电量等。

4，规划设定巡更路线，安排有效巡更时间，设置巡更采集器的时钟，根据巡更记录自动分析处理员工巡更工作情况，生成工作记录及统计报表。

。

5，各项数据分析报表：

自动生成巡检日报、巡检月报、排班计划表、报修工单及管理所需的人员考勤表、隐患类型分析表、隐患趋势分析表等，并提供以EXCEL导出加工应用。

3.1.7智能管控系统

综合监控系统中,管廊内的各子系统状态均可在后台指挥中心统一展示。

通过管廊综合管控系统提供的远程监控功能，能够将管廊现场的监控站建设成为无人值守监控站。

可以远程实现排水设备、配电房、消防设施、通风系统、照明系统等的实时远程监控、控制。

图28管廊设备监控

综合监控系统的操作员能够通过网页浏览器、智能手机、平板电脑等多种方式浏览监控系统的画面、了解系统运行情况，并能在需要的时候进行控制。

3.1.8消防系统

综合管廊内设置防火分区，应有利于火灾时有效阻止火灾蔓延。

综合管廊内一般可每隔200m设置防火墙，形成防火分区。

防火墙上设常开式甲级防火门。

各类管线穿越防火墙处用不燃材料封堵，缝隙处用无机防火堵料填塞，以防止烟火穿越分区。

在管廊内设置光纤测温探测器和烟感探测器，光纤测温探测器采用分布式光纤传感器对管廊环境温度进行实时监测。

消防联动控制装置分别与探测器、手动报警按钮、警铃以及管廊视频监控系统、管廊排风系统等附属设备配套使用，当光纤测温探测器或烟感探测器发生报警时，火灾报警主机通过消防联动控制装置使相关设备执行相应的动作。

目前，电力仓、燃气仓需要部署消防系统。

图29消防系统

3.2统一管理控制平台

管廊中使用的设备种类多、数量大、且需要定期检修和维护，以保证管廊的正常运行。

管道养护，制定养护计划、现场巡查管理、养护报告收集、养护完成情况统计、历史资料汇总查询、养护统计上传、积水点管理、排放点管理，等等。

管廊使用的所有设备的厂家、型号、采购日期、检修记录等信息的存储分析。

设备运行时间、故障时间等信息，设备运行时的报警和故障进行分析。

提醒管廊运行维护人员定期对设备检修或更换备品备件，实现统一的设备维护及管理。

操作员也能够在管廊综合管控系统中根据需要查询到任何一个设备的相关信息。

管廊内发生险情时，需要统一的已经指挥平台。

以上一系列功能均融合在统一管理软件平台。

并部署在统一指挥中心。

3.2.1平台架构

管廊综合管控方案中将利用到大量的最新的软硬件技术，包括设备监控技术、物联通讯技术、智能终端技术、数据中心技术、智能报表技术、数据挖掘分析技术、数据仓库技术。

提供统一的数据存储平台，并在大数据的基础上，应用数据挖掘技术实现智慧决策。

图30综合管理平台架构图

综合软件平台采用分布式结构，各子系统：

分布式光纤传感系统、光纤光栅传感系统、数据记录系统等共享数据库。

图31综合管理平台拓扑图

综合管理软件平台提供组态、电子地图、AR场景等多种可视化监控方式，具备数据存储、设备管理、远程控制、报警提醒等功能，具有“集成管理、分布式控制、全面监控、安全联动、监控组态”等众多特色。

图32综合软件平台

3.2.2功能展示

3.2.2.1设备控制

设备控制功能主要包括:

设备控制、循环控制、最佳启停、趋势运行记录、异常报警灯。

以下为当前系统已实现的功能界面，对管线的数据采集，以及设备运行状态做了直观的展示。

图33设备控制1

管线监测

图34管线监测1

图35管线监测2

图36管线监测3

3.2.2.2设备维护

提供设备的设备部件和设备参数、设备文档的管理；可处理各种设备变动业务，包括原值变动、设备状态变动、安装位置调整等变动。

实现设备信息共享、风险管理。

图37设备维护

3.2.2.3视频管理

视频管理主要包括视频画面的基本设置、视频画面的调整与控制、视频回放。

图38视频画面的调整与控制

3.2.2.4告警管理

当设备出现异常时，平台可根据配置给相关人员发送告警短信、拨打告警电话、发送告警邮件，后台产生一条异常记录。

系统提供异常的查询、导出与处理。

图39告警查询与导出

3.2.2.5报表分析

系统提供多维度的历史数据查询与导出。

主要包括：

开关量、模拟量、状态量、中继输出量、分布式数据、视频数据流、音频数据流、电子门禁等数据类型。

图40选择报表维度

图41报表展示

图42报表展示

3.2.3三维虚拟漫游系统

三维场景虚拟漫游技术是虚拟现实技术的一个重要内容,它通过人机交互,使得用户能够自由观察和体验虚拟环境。

系统提供了三维场景漫游功能，该功能提供了手动飞行和自动飞行两种模式。

手动飞行就是根据鼠标的滚动来爬行、旋转、后退等，场景模式同CS。

在飞行过程中，管道沿线的传感器及当前的参数会实时展现。

图43三维场景

3.2.1AR增强技术

通过AR（增强现实）技术还原现实、超越现实，实现综合管廊隐蔽工程穿透式地下数据查询与展现，使得城市地下地上信息一体化。

人在地面上感觉像在管廊内，景随人动。

图44AR展示

3.2.5大数据

图45大数据架构

平台层：

为大数据存储