地下综合管廊监测技术方案.docx
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地下综合管廊监测技术方案
地下综合管廊监测技术方案
同方威视技术股份有限公司
（内部资料，严谨外传）
一、综合管廊简介
用途
综合管廊主要用于：
电力线缆、通讯线缆、有线电视线缆、给水管线、中水管线、供冷管线、供热管线、燃气管线、排水管渠、路灯线缆、垃圾真空系统、输油管线等市政民生工程项目。
分类
综合管廊宜分为干线综合管廊、支线综合管廊及缆线管廊。
干线综合管廊：
用于容纳城市主干工程管线采用独立分舱方式建设的综合管廊；支线综合管廊：
用于容纳城市配给工程管线采用单舱或双舱方式建设的综合管廊；缆线管廊：
采用浅埋沟道方式建设，设有可开启盖板但其内部空间不能满足人员正常通行要求，用于容纳电力电缆和通信线缆的管廊。
图3.1综合管廊分类示意图
经济成本
综合管廊盾构成本最高，一般为1亿元/公里；普通施工亿元/公里。
综合管廊内基本都是市政民生工程，不利于提高收费，否则会影响老百姓基础生活成本，影响物价稳定；同时综合管廊建成后只是方便市政管线和线缆的综合管理，消除公路拉链现象，不会有其它盈利途径。
综合管廊建设的一次性投资常常高于管线独立铺设的成本。
据统计，日本、台北、上海的综合管廊平均造价（按人民币计算）分别是50万元/米、13万元/米和10万元/米，较之普通的管线方式的确要高出很多。
但综合节省出的道路地下空间、每次的开挖成本、对道路通行效率的影响以及环境的破坏，综合管廊的成本效益比显然不能只看投入多少。
台湾曾以信义线公里的综合管廊为例进行过测算，建综合管廊比不建只需多投资五亿元新台币，但75年后产生的效益却有2337亿元新台币。
国内外发展状况
在国外，地下综合管廊是综合利用地下空间的一种手段，一些发达国家已实现了将市政设施的地下供、排水管网发展到地下大型供水系统、地下大型能源供应系统、地下大型排水及污水处理系统，与地下轨道交通和地下街相结合，构成完整的地下空间综合利用系统。
?
欧美是地下综合管廊的发源地。
世界上第一条管廊在巴黎建成，随之该理念推广到欧美各国。
?
日本是当今管廊技术最成熟的国家，这个和日本地域有很大关系，规划建设一致沿用1964年制定的相关措施条例，各在野党执政期间一致延续该条例不断完善。
由于日本是多地震国家，一旦遇到地震破坏，恢复期大部分经历及费用都要放在开挖及回填过程中，如果将综合管线放置在管廊内，管道与管廊侧壁变为柔性连接，管道抗震补偿措施可以更大范围的使用，基本不受地震时土体的位移影响，如果维修的话也是区域更换及系统性能检查，对管廊上交通无影响。
?
中国仅有北京、上海、深圳、苏州、沈阳等少数几个城市建有综合管廊，据不完全统计，全国建设里程约800公里，综合管廊未能大面积推广的原因不是资金问题，也不是技术问题，而是意识、法律以及利益纠葛造成的。
住建部会同财政部开展中央财政支持地下综合管廊试点工作，确定包头等10个城市为试点城市，计划到2018年建设地下综合管廊389公里（2015年开工190公里），总投资351亿元。
根据测算，未来地下综合管廊需建8000公里，若按每公里亿元测算，投资规模将达1万亿。
试点的10个城市总投资351亿元，其中中央财政投入102亿元，地方政府投入56亿元，拉动社会投资约193亿元。
“我们的思路是以试点示范带动全国建设地下综合管廊的积极性。
全国共有69个城市在建地下综合管廊约1000公里，总投资约880亿元。
”
二、本方案依据标准
GB50838-2015《城市综合管廊工程技术规范》
CECS333-2012《结构健康监测系统设计标准》
GA_T1217-2015《光纤振动入侵探测器技术要求》
GB50394-2007《入侵报警系统工程设计规范》
GB50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》
三、系统总体架构
层次架构
地下综合管廊监测主要分为应用层、传输层和展示层。
其中应用层包括管廊监控单元、管道监测单元、线缆监测单元、通讯单元和照明单元，每个单元由前端传感器或探头、以及监控单元组成单个智能前端设备，前端传感器负责采集现场基础设备的状态信息，探头用于管廊内的照明、通讯、警报等，监控单元对采集的设备状态信息进行预处理、上传服务器和对联动设备下达命令；
传输层主要包括服务器、传输网络，服务器用于前端设备状态信息的多信息融合处理、数据存储和输出、报警信息发布、前端探头联动命令下达、现场设备状态上传至监控子站和监控中心，传输网络可以是现场无源的光网络、也可以是工业级无线网络；
展示层主要包括监控子站区域设备状态信息展示、监控中心全局设备状态信息展示、声光报警、短信报警和打印输出等。
图3.1综合管廊运行监控系统总体架构图
逻辑架构
综合管廊运行监控系统从逻辑上讲包括五大部分：
综合管廊运行监控管理平台、地理信息系统、信息管理系统、安全监控系统、通讯照明系统（如图所示）。
其中综合管廊运行监控管理平台是用于面向用户的最终界面，将人性化展示综合管廊状态信息，根据客户需求可以是平面展示，也可以是三维立体360°全景展示（线缆、管道、仪表、管廊），实现更直观简洁的综合管廊运行状态的虚拟巡检。
并设有监控子站和监控中心两个级别展示，监控子站主要是展示该管控区域内的综合管廊状况，监控中心用于全局综合管廊状态展示。
地理信息系统是一种专门用于采集、存储、管理、分析和表达空间数据的信息系统，它既是表达、模拟现实空间世界和进行空间数据处理分析的“工具”，也可看作是人们用于解决空间问题的“资源”，同时还是一门关于空间信息处理分析的“科学技术”。
它将直观展示出综合管廊空间三维的信息，还可以立体展示管廊内部设施的布设，结合监测单元的传感器和探头，显示管廊内部设备的状态信息。
信息管理系统涉及经济学、管理学、运筹学、统计学、计算机科学等很多学科，它除了具备信息系统的基本功能外，还具备预测、计划、控制和辅助决策特有功能。
（1）数据处理功能。
包括数据收集和输入、数据传输、数据存储、数据加工和输出，用于安全监控系统和通讯照明系统上传的数据管理、上传显示和打印报警；
（2）预测功能。
运用现代数学方法、统计方法和模拟方法，根据过去的数据预测未来的情况，用于将管廊内部的状态信息（多传感器信息）融合，预测管道寿命、管道腐蚀速率、电缆载流量、结构健康寿命等；（3）计划功能。
根据企业提供的约束条件，合理地安排各职能部门的计划，按照不同的管理层，提供不同的管理，提供相应的计划报告；（4）控制功能。
根据各监测单元提供的数据，对综合管廊基础安防设备进行联动控制，查明并消除危险源，例如灭火装置联动、视频联动等；（5）辅助决策功能。
采用各种数学模型和所存储的大量传感数据，及时推导出有关问题的最优解或满意解，辅助各级管理人员进行决策，以期合理利用人财物和信息资源，取得较大的经济效益。
安全监控系统主要功能是监测并保护综合管廊内部设备财产安全，包括管廊本身的监控、各种油气管道和水管的监控、各种线缆的监控。
通讯照明系统主要是用于有人员（巡检人员、偷盗人员）在综合管廊内部时，方便巡检人员正常工作的门禁、照明、通讯、在岗巡查等，同时对于偷盗人员进行监听、警示。
图3.2综合管廊运行监控系统模块图
综合管廊运行监控系统根据现场情况，有可能采取多种不同技术手段的融合，为确保各技术信息相容性，必须考虑该系统的通信组网能力。
如图所示，我们采用开放式接口将各底层监控单元数据汇合，然后经过协议判定器进行通信协议判断，之后用协议转换器进行通信协议的统一化，然后按照行业标准通讯模型将数据上传。
该功能还可方便客户自行增加监测设备，不至于产生不兼容问题。
图3.3综合管廊运行监控系统通讯逻辑示意图
四、监测内容及实施
基础设施结构健康监测
基础设施结构健康监测主要包括综合管廊本身的位移沉降、裂缝、倾斜、渗漏、振动、表面应力应变、土体压力压强等监测，还有管道水泥墩、线缆支架的应力应变、压力压强、振动、倾斜等监测。
名称
技术原理
关键技术指标
厂家
位移沉降计
光纤光栅
量程：
100mm、200mm、400mm
分辨率：
精度：
±1mm
温度范围：
-80℃～+150℃
北京希卓、北京达卡、上海波汇
表面应变计
光纤光栅
量程：
±2000με
分辨率：
≤1με
精度：
±1％.
工作温度范围：
-80～＋150℃
北京希卓、北京达卡、上海波汇
埋入式应变计
光纤光栅
标准量程：
±2000με
精度：
％.
灵敏度：
％.
工作温度范围：
-80～＋150℃
北京希卓、北京达卡、上海波汇
渗压计
光纤光栅
标准量程（MPa）：
，，1，2，5，7，10，15，30，60
分辨率：
%F?
S
灵敏度：
％.
工作温度范围：
-30～＋80℃
北京希卓、北京达卡、上海波汇
加速度传感器
光纤光栅
量程：
（1，5，10）g可选
频响范围：
分辨率：
＜％
测量精度：
＜％.
上海铂珏、深圳太辰、北京达卡
土压力计
光纤光栅
量程（kPa）：
50～34500
准确度：
15%
工作温度：
-40～120℃
北京希卓、北京达卡、上海波汇
裂缝计
光纤光栅
量程：
15、30、60、100mm
分辨率：
＜％.
精度：
＜％.
工作温度范围：
-50～80℃
上海拜安、北京达卡、上海波汇
索力计
光纤光栅
承载力（KN）：
223～4450
北京希卓、北京达卡、上海波汇
静力水准仪
光纤光栅
量程：
50mm、100mm、200mm、400mm
分辨率：
精度：
±1mm
温度范围：
-80℃～+150℃
北京希卓、北京达卡、上海波汇
压力传感器
光纤光栅
标准量程（MPa），1，，，10，25，50，60
精度：
%F·S
灵敏度：
%％.
工作温度范围：
-30～＋80℃
北京希卓、北京达卡、上海波汇
钢筋计
光纤光栅
标准量程：
拉伸：
0～400Mpa；压缩：
0～320Mpa
测量精度：
%F?
S
分辨率：
%
工作温度范围：
-20～＋80℃
北京希卓、北京达卡、上海波汇
倾角传感器
电子类
量程：
0~±180°（可选）
分辨率：
°
精度：
°
无锡迈科传感、无锡慧联信息、北微传感
光纤陀螺
光纤传感
方位测量范围量程：
0°～360°
精度：
±°
北微传感、陕西航天长城测控
BOTDA
布里渊散射
测量距离：
5-100km
温度范围：
-190～700℃
温度精度：
±1℃
应变测量范围：
-4000～6000微应变
应变精度：
±20微应变
浙江中欣动力、上海拜安、威海北洋、宁波诺驰光电、江西旭锋光电、加拿大OZ、无锡亚天
1）光纤光栅
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。
当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。
图4.1光纤光栅传感原理示意图
由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。
2）光纤陀螺
光纤陀螺的工作原理是基于萨格纳克（Sagnac）效应。
萨格纳克效应是相对惯性空间转动的闭环光路中所传播光的一种普遍的相关效应，即在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。
图4.2光纤陀螺仪原理图
若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线，相对惯性空间存在着转动角速度，则正、反方向传播的光束走过的光程不同，就产生光程差，其光程差与旋转的角速度成正比。
因而只要知道了光程差及与之相应的相位差的信息，即可得到旋转角速度。
3）BOTDA
光在光纤中传输时，由于光纤材料的密度、折射率等存在不均匀性，入射光会产生散射现象。
布里渊散射是光波和声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程。
当环境温度变化或光纤产生形变时，光纤中声速和光的折射率都会随之变化，从而使布里渊频移发生变化，并且布里渊频移变化量与温度和应变成线性关系。
BOTDA基于受激布里渊散射效应，利用泵浦光pump、探测光probe和声波的相互作用，使得后向布里渊散射信号不断放大。
对泵浦光pump和探测光probe的频率差进行连续扫描，可确定光纤不同位置的布里渊频移，从而获得整根光纤的温度、应变分布信息。
图4.3BOTDA原理示意图
4）倾角传感器
倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。
工作原理：
理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。
如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。
所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。
当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。
重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。
环境监测
环境监测主要有三方面功能，一方面是综合管廊内部的温度、湿度、风速风向、监测，另一方面是保证巡检人员安全的氧气含量、有毒气体、易燃气体和淹积水监测，第三方面是监测天然气管道是否泄漏。
最终形成综合管廊内部环境状况的实时报告系统，对综合评估管廊内部问题，并指导管廊基础设施的检修工作，确保管廊内部设备和进入管廊的人员的安全。
名称
技术原理
关键技术指标
厂家
温度计
光纤光栅
量程：
-50～+120℃
测量精度：
±℃
北京希卓、北京达卡、上海波汇
湿度计
电子类
湿度精度：
典型值±%RH
温度精度（BFSL）：
±℃（典型值）
工作温度范围：
-40℃至100℃
响应时间：
6s
长期稳定性：
±%RH保持5年
工作湿度范围：
0%RH至100%RH
霍尼韦尔、广州奥松电子、河南驰诚电气
温湿度变送器
电子类
准确度：
≤±℃，±3%RH@20%-80%RH，25℃
温度范围：
-20～+70℃
北京九纯健科技、北京达卡、北京昆仑海岸传感、广州奥松电子
风速风向仪
电子类
启动风速：
≤s
分辨率：
风速：
s风向：
线性度%
量程：
风速：
0～70m/s风向：
0～360度
武汉中科能慧、北京达卡、清胜电子
监测仪
电子类
量程：
0-80μg/m3误差：
±2%预热时间：
1分钟
北京浩开科技、北京聚道合盛、康姆德润达（无锡）测量技术
氧气
电子、化学、光学
量程选择：
0-10/100/1000/10000ppm；0-5/10/25/30/100%VOL
准确度：
≦±2%FS
安帕尔、北京达卡、河南驰诚电气
硫化氢
电子类
量程：
50、200、1000ppm
分辨率：
1ppm
响应时间：
≤30秒
河南驰诚电气、深圳市鑫海瑞、安帕尔
甲烷
红外
测量范围：
0-2000ppm、5000ppm、10000ppm、5%VOL、10%VOL、20%VOL、50%VOL、100%VOL（可选，未列出量程可订制）
分辨率：
1ppm（10000ppm以内）、%VOL（5%VOL-100%VOL）
精度：
≤±1%
山东中煤工矿、北京达卡、深圳市鑫海瑞、河南驰诚电气
天然气
气敏元件
报警浓度：
8%LEL
工作环境：
0-55℃；相对湿度≦95%RH
北京九纯健科技、安帕尔、深圳市吉顺安
二氧化碳
红外
量程选择：
0-2000/5000ppm;0-1%/2%/5%10%20%50%100%VOL
北京达卡、安帕尔、深圳市矢量联合、武汉中科能慧
淹积水
电子类
工作环境：
-10～50℃，10%RH～90%RH
北京九纯健科技、北京赛斯尔自控、深圳市宏电技术、基康
火灾监测
综合管廊内部布设有很多线缆，它们都属于易燃物品，并且电缆的局部放电、人为点火破坏及各种意外都会引起管廊内部发生火灾，因此监测管廊内部火灾，并与消防设备联动进行自动灭火的技术显得很有必要。
火灾监测技术主要从管廊内部温度异常、红外线和紫外线强度异常、烟雾浓度异常等角度来监测，同时将监测结果送至服务器处理，若有异常现象发生，服务器会给灭火设备下达指令，启动起火位置处的灭火设备进行灭火，视频也会集中关注起火位置。
综合调研着火的方方面面特征，我们针对各种火灾着火的初期、中期进行实时监测，采用温度异常、烟雾异常、红外线和紫外线辐射异常的情况综合判断火灾发生发展过程，预判火势发展趋势，综合调动现场视频和灭火设备，对现场火灾进行实时监控，并有的放矢的进行灭火程序，以期将火灾破坏降到最低。
名称
技术原理
关键技术指标
厂家
温度传感器
光纤光栅
量程：
-50～+120℃
测量精度：
±℃
北京希卓、北京达卡、上海波汇、深圳太辰、武汉理工光科
温度传感器
DTS
探测距离：
最长10km
?
响应时间：
<10s
?
测温精度：
1℃@2km
?
定位精度：
1m
测温范围可高达350~700℃
同方威视、浙江中欣动力、北京诺可电子、威海北洋、上海华魏、宁波诺驰光电、江西旭锋光电、无锡亚天
烟雾报警器
光电式
工作温度：
-10℃～+50℃
相对湿度：
≤95%RH（40℃±2℃）
监测面积：
20平方米
灵敏度等级：
1级
深圳市宏达瑞斯
烟感器
红外光电管
工作温度：
-10℃—50℃
环境温度：
≤95%RH
北京九纯健科技
红外火焰探测器
红外感应
视角范围：
90°
探测距离：
燃烧物火源大小探测距离
正庚烷×50米
汽油×50米
柴油×45米
煤油×45米
酒精×45米
甲烷×30米
纸张×30米
响应特性：
燃烧物火源大小响应时间
汽油×＜10s
汽油×＜5s
灵敏度等级：
5级灵敏度（通过磁棒设定）
工作温度：
-40℃～70℃
工作湿度：
≤95%RH（不结露）
济南东山仪器、西安众安电子、北京翼捷世纪
紫外火焰探测器
紫外感应
响应的光谱范围：
185nm~260nm
响应时间：
5s
灵敏度：
1-5级可调
视角范围：
≥90°
最大探测距离：
50m（条件：
1100cm2，高5cm的正庚烷火）
环境温度：
-10~55℃
济南东山仪器、西安众安电子、北京翼捷世纪
灭火设备
首安工业消防、北京京盾消防设备、浙安消防科技有限公司
技术原理简介
DTS简介：
DTS技术同时用单根光缆实现温度监测和信号传输，综合利用光纤拉曼散射效应（Ramanscattering）和光时域反射测量技术（OpticalTime-DomainReflectometry，简称OTDR）来获取空间温度分布信息。
其中光纤拉曼散射效应（Ramanscattering）用于实现温度测量，光时域反射测量技术（OpticalTimeDomainReflectometer）用于实现温度定位，DTS技术是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高科技技术，它能够连续测量光纤沿线的温度分布情况，测量距离在可达30公里，空间定位精度达到米的数量级，能够进行不间断的自动测量，特别适宜于需要长距离、大范围多点测量的应用场合。
视频监测
综合管廊智能监控系统具备视频监视与控制功能，视频监控系统管理软件能够对管廊内部环境、管廊出入口等重要位置处实时全方位的图像监控，使监控中心值班人员清楚了解管廊现场实际情况，并及时获得以外情况的图像信息。
监控中心可随时调取网络摄像机的实时视频信号和历史回放图像，并投放到显示大屏上。
综合管廊内设备集中安装地点、人员出入口、变配电间和监控中心等场所应设置摄像机。
管廊每个防火分区中间设置带红外的网络像机实时采集图像信息。
投料口、通风口和转弯等处根据实际情况设置。
采集到的视频信号通过工业以太网交换机、通讯光纤上传至监控中心视频监控系统服务器经数据处理，视频监控画面都实现全范围实时显示，并且可在监视器上切换显示各分区的监视画面。
现场由于摄像机与接入层交换机之间距离较长，所以可采用光电结合的方式进行信号传输。
视频监控系统架构图如图所示。
图4.4视频监控系统架构图
注：
当综合管廊线路过长，含大量视频数据时，对交换机要进行VLAN划分，控制数据与视频数据要隔离开来。
防止视频数据影响正常系统采集与监控，从而增加系统安全性，减少广播风暴，缩小冲突域的功能。
综合管廊内设备集中安装地点、人员出入口、变配电间、监控中心可根据需要设置多套彩色转黑白一体化低照度高清网络固定摄像机。
视频信号通过超五类线与千兆以太网交换机连接。
在每个防火分区内每个仓设置2套彩色转黑白一体化低照度红外高清网络摄像球机，视频信号通过超五类线传输至区域控制单元ACU，区域控制单元ACU可利用监控系统光缆环网将信号送至硬盘录像机NVR。
入侵防盗监测
综合管廊入侵防盗监测分两步三步实施，首先在入口（如通风口、检修口）安装入侵报警系统，在第一时间探测到入侵人员时间和地点；然后在关键设备上安装防盗报警系统，探知入侵人员入侵目的和位置；最后对管廊壁进行监测，事实探知管廊壁的振动情况，以防破坏分子凿壁入侵，以及挖掘机无意破坏而侵入管廊。
该系统并与视频监控联动，从而在最短时间捕捉入侵人员的样貌和行为的图像，同时启动声光报警设备进行警告入侵人员。
名称
技术原理
关键技术指标
厂家
防区型周界安防报警系统
迈克尔逊干涉仪
单防区最大长度2km，防区数量可定制
同方威视
长距离定位型入侵监测报警系统
Φ-OTDR
监测距离：
40Km
定位精度：
10m
同方威视
脉冲电子围栏
脉冲高压
输出电压：
约3000-8000V
脉冲间隔：
脉冲持续时间：
环境温度：
-10～+55℃
北京国林创安、杭州锐盾、成都海德克、深圳市安通瑞达、深圳市宏安科智能科技、深圳市华俊信科技
红外对射
红外感应
监测距离：
室外：
50～250m
室内：
150～750m
深圳市艾礼安安防设备、北京亿安和科技、宁波恒博通讯设备、
张力围栏
张力感应
触发力度：
施加15～30kg力并持续2秒，即可触发报警
误报率：
每公里每3个月最多1次
温度范围：
-40℃~72℃
Magal、杭州锐盾、深圳市安通瑞达
埋地泄漏电缆
磁场感应
每台处理器可防护长达800米的周界
可将入侵者的位置精确在±1米内，置信度95%
Magal、杭州锐盾、成都海德克、深圳市宏安科智能科技、北京国林创安
振动电缆
振动感应
处理器可连接两根感应电缆，每根电缆最长305米。
定位精度3米
环境温度：
-40C°~+70°
Magal、杭州锐盾、成都海德克、北京国林创安
静电感应周界报警探测器
静电感应
单个防区周界为300米以内
环境温度：
-40℃～+55℃
工作相对湿度：
93%
成都海德克、杭州锐盾、深圳市宏安科智能、深圳市安通瑞达
微波入侵探测系统
微波感应
探测范围：
3～150m
爬行探测：
最小5cm/s
工作温度：
-40℃~+66℃
Magal、北京聚速微波技术
视频入侵报警
图像
热成像仪性能：
车辆目标：
（mxm），探测距离-6900mT=2℃，识别距离-大于2300mT=2℃；
人员目标：
（mxm），探测距离-大于2766mT=2℃，识别距离-大于922mT=2℃；
工作温度：
-40℃~+60℃
Magal、深圳市宏安科智能科技、海康威视、
升级会员 