城市综合管廊智能监控与报警系统

资料来源:网络

一、概述

城市综合管廊是指将电力、通信、燃气、给排水、热力等市政公用管线集中敷设在同一地下建造的隧道空间内,进行综合开发利用,以节约城市建设用地,便于统一管理规划,美化城市的景观。城市综合管廊内部整合了维持城市功能的自来水、煤气、电力、通信管线,管廊自身功能使用的动力、照明、排水等设备繁多,无论纳入管线出现故障,还是自身附属设备出现故障,都将造成沿线城市功能的瘫痪甚至发生灾害性事故,因此城市综合管廊监控系统必须与综合管廊的建设统一规划、同步建设。监测的主要内容有:管廊内环境温、湿度,有害气体浓度,通风、水泵设备状态,集水坑液位,入侵监测,视频监控等。当监测到灾害及异常情况时,及时发出预警或报警信息至相关工作和管理人员,便于及时防范、指挥处理,对预防及减少管廊内灾害事故起着重要的作用。

本系统方案就是综合利用目前最先进的光纤环网技术、环境监测技术、分布式光纤传感器技术、通信技术、安全防范监控技术、地理信息技术以及系统集成技术,将地下管廊各类安全信息进行综合监控。

二、系统构成

城市综合管廊监控与报警系统分为环境与设备监控子系统、安全防范子系统、通信子系统、预警与报警子系统、地理信息子系统、统一管理信息平台、管线温度实时监测系统和电力电缆在线监测。本系统方案不仅从软件上通过数据中间件技术进行了数据接口的集成(不是简单的提供链接按钮方式),还从硬件设计上做到了从对环境多参数数据集成采集到多系统的接入集成。极大地减少设备的布线,不仅减少了投资,而且提高整个系统的稳定性,便于安装和维护,做到了真正意义上的“综合监控”。

2.1 环境与设备监控子系统

环境与设备监控子系统主要由本质安全型的自带液晶显示及声光报警功能的多参数(O2、CH4、H2S、CO、温度、湿度传感元件按需要自由组合)智能组合检测仪、设备开停传感器、水位传感器、风速传感器、烟雾传感器、本质安全型综合网络分站(内置光纤网络交换机,自带液晶显示屏和声光报警功能,能接入十六路模拟量/开关量/数字型传感器,可接十六路读卡器,具有八路控制输出)、本质安全型控制器、隔爆兼本安型不间断电源、地面监控主机及环境与设备监控系统软件等组成。

2.2安全防范子系统

安全防范子系统主要包含视频监控系统、防入侵系统和门禁系统三部分。

2.2.1 视频监控系统

在廊道中安装视频摄像头对廊道内的环境、异常情况和设备进行实时监视。实现对廊道的可视监管和远程巡检。摄像设备通过系统设置可与报警信息进行联动控制,当报警发生时自动转向和录制报警设备信息,且监控中心人员可远程调节摄像头。

2.2.2防入侵系统

• 红外入侵报警探测

• 通风口防入侵监测

• 管廊异常监测

2.2.3 门禁系统

管廊出入口设置门禁系统。根据现场情况还需要对进入管廊内的入口进行门禁控制管理,采用门禁控制器(TCP/IP型网络门禁控制器+电控锁+读卡器)的方式实现门禁现场及中心系统远程集中管理。

2.3 通讯系统

通信子系统主要由广播对讲基站、WIFI无线手机和语音调度服务器等设备组成。

通信子系统的功能是实现管理、巡检和施工人员的通信联络,管廊配备各区间工作人员之间、现场工作人员与监控中心之间保持信息通畅,确保前端巡检人员信息及时上报,监控中心命令及时下达。

2.4 预警与报警系统

预警与报警系统的功能是实现对综合管廊的全程监测,系统将预警和报警信息通过多综合分站、分布式光纤测温系统、光纤环网交换机及时、准确地传输到监控中心,实现灾情预警、报警、处理及疏散,同时通过广播系统,向综合管廊内的工作人员广播,使他们及时撤离现场,保证人身安全等功能。预警与报警系统由火灾报警系统和可燃气体探测报警系统两部分组成。

2.4.1火灾报警系统

火灾报警系统主要由多参数组合检测仪、烟雾传感器、分布式光纤测温系统(含系统软件、主机、测温光纤)、综合分站和智能广播基站等设备组成。

在每段防火分区内设置含CO、O2、温度探头的组合检测仪(自带声光报警器)、烟雾传感器、分布式测温光纤、手动报警按钮、火灾电话、多功能广播基站等设备。手动报警按钮设置在卸料口两边的防火门处。基站与基站之间采用可插拔光纤连接。光纤测温主机连接多条线性测温光缆,测温光缆主要监测管廊内电力电缆的温度是否在正常的范围内运行,对于管廊内110kv及以上的电力电缆,每根配置一条测温光缆监测其温度的变化;对于10kv的电力电缆,每层桥架上敷设如正弦波般走向的测温光缆。该系统温度监测精度为0.1℃,监测距离可达30km,定位精度可达1m,可任意设置多级温度报警值。在监控中心设置火灾报警屏,通过总线回路巡检、接收、显示每个报警点的工作情况。当火灾发生时,启动整个管廊内声光讯响器。

2.4.2可燃气体探测报警系统

可燃气体探测报警系统主要由多参数组合检测仪(含CH4检测探头)、分布式测温光纤、综合分站、远程控制器和智能广播基站等设备组成。

为使系统有效工作,在每段防火分区内设置多参数组合检测仪、手动报警按钮、报警电话、多功能广播基站和声光报警器等设备。多参数组合检测仪设置间距为10m;手动报警按钮设置在卸料口两边的防火门处。

监控中心可按需设定天然气报警浓度的上限值(小于其爆炸下限值的20%),多参数组合检测仪接入综合分站,当天然气管道舱天然气浓度超过报警浓度设定上限值时,由综合分站自动启动天然气舱事故段分区及其相邻分区的事故通风设备,并通过远程控制器切断施工动力电源,且紧急切断浓度设定的上限值要小于其爆炸下限值的25%,如果天然气管道发生泄漏,高压气体的体积膨胀将引起漏点附近温度的下降,分布式光纤测温系统同样可通过温度异常点的探测,发现并定位天然气管道的泄漏情况。并通过可燃气体报警系统解决燃气泄漏或危险气体累积带来的爆炸隐患,确保燃气管廊设施正常、稳定运行。

2.4.3联动功能

(1)消防联动:探测器发出检测信号,报警装置联动视频系统,跳出该防区的视频画面,确认报警。

(2)联动排烟/气系统:每段防火分区设置有排风及排烟/气系统,正常时用于排风。当确认探测到火灾/可燃气体时,监控中心可通过多功能基站传输指令实现远程启动风机排烟/气。

(3)联动电源:灾情探测信息确认后,监控中心可通过多功能基站进行指令传输以切断非消防电源。

(4)联动广播系统:灾情探测信息确认后,监控中心启动广播切换模块进行灾情信息广播,特别针对灾情确认区、相邻分区进行广播疏散。

(5)联动电话系统:监控中心可启动专用模块与任一广播基站通话;现场任一广播基站或电话通过监控中心确认后实现与调度主机通话录音。

2.5 地理信息子系统

地理信息子系统通过最先进的GIS地图方式对综合管廊进行地理标注和各类设备运行数据及状态信息展示。同时通过三维虚拟现实技术,渲染出逼真高效的地下综合管廊三维环境,可实现三维漫游功能,巡检功能,三维定位功能,设备或资源信息查询功能,交互操作功能等。系统能实时对数据采集系统的数据在模型上进行展示,直观的反应设备的工作状况,并能对告警等作出不同的状态展示。系统具有综合管廊和内部各专业管线基础数据管理、图档管理、管线拓扑维护、数据离线维护、维修与改造管理、基础数据共享等功能。显示内容大致可以分为2D地图显示和3D虚拟展示。

2.6 统一管理信息平台

综合管廊统一管理信息平台就是将以上环境与设备监控子系统、安全防范子系统、通信子系统、预警与报警子系统、地理信息子系统的信息通过统一的数据接口,由统一管理信息平台控制软件在一个界面上进行集成显示或管理切换,是监控中心的主要工作界面,对全部管廊的监测数据进行分级分层的展示,并实现预报警管理、联动控制操作应急处置等功能,以达到综合监控的目的。统一管理信息平台包括综合数据支撑平台和综合信息显示平台两大部分。

2.7 管线温度实时监测系统

管线温度实时监测系统主要以光纤测温传感技术,对温度的变化进行报警,主要解决电缆着火和热力管道泄漏的安全隐患。本系统利用分布式光纤传感器对热力管道泄漏进行实时监测,当热力管道发生泄漏或管道附近的机械施工和人为破坏等事件产生的振动、压力或温度变化信号作用于光纤时,光波在光纤中传输时产生的损耗具有不同的信号特征,分布式光纤传感器可以同时获取损耗的空间分布及其随时间的变化;在入射端利用光时域反射技术和在输出端利用光功率检测,可实现光纤上各点静态与动态损耗的测量和定位;计算机通过对数据进行分析和融合,根据信号特征判断并准确定位管道泄漏等事件的发生,提高热力管道的监测水平。

2.8 电力电缆在线监测

电力电缆在线监测预警系统是基于前端传感技术、无线网络技术、计算机技术、大数据分析的整体解决方案。通过建立地下电力管沟综合数据库、电力管沟地理信息系统平台、电力管沟综合管理平台、电力管沟三维分析系统、电力管沟巡检管理系统和电力管沟动态监控系统,最终实现电力管沟数据的查询、统计、分析、设计、竣工验收、预警、应急处理等一整套解决方案。


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市政综合管廊智能监控管理系统

1.      系统设计

城市地下综合管廊安全监控预警系统,该系统通过实时综合监控平台,实现将XXX地下综合管廊内供电、电信、电视的运行情况以及供气、供热、供水管道泄漏的实时监测、报警与定位,综合管廊内智能视频监控,风机、水泵、阀门等的远程自动控制,为地下综合管廊的安全运行、应急处置提供先进的网络远程管理手段。

系统中将所有集水井的高液位数据和分布式管线测温系统的数据上传至监控中心,通过软件接口获实时数据。实现供热及供水管道分段控制,一旦发生泄漏时,及时发出声光报警,启动决策人员和管理人员应急预案,第一时间远程自动/手动控制分段控制泄漏管段,关断供热/供水阀门,并抑制倒灌回流,方便后期工作人员的维护,最大程度减少停止供热/水面积。

2.      系统组成

该系统主要由自动化系统、电气系统、消防系统、弱电系统组成。其中自动化系统包括环境检测、设备监测、电气管理等;电气系统包括供配电系统、照明系统等;弱电系统包括视频监控系统、预警系统、对讲系统等。

3.      系统架构

6.1.    系统架构图

环网是链接各区域集中器的以太网络,将多个集中器采集到的实时监测数据保存到监控中心的数据服务器,各电气控制设备主要由整体开关型电动执行器、数字量I/O模块、光纤交换机、以太网交换机、路由器、服务器、上位管理平台等组成。

从网路结构划分为:传感器信号采集段,该段采用RS485方式或DP总线模式;区域集中器通过光纤环网进行联网,并最终与管理平台服务器联网。

6.2.    监测层

6.2.1. 地下管廊环境监测概述

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。

6.2.2. 地下管廊环境监测系统功能

主要涉及到管廊内的温湿度、燃气泄露、火险、有害气体、积水监测等,据实际情况,还可能涉及到其它监测。

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引到区域信号集中器,区域信号集中器再通过光纤环网传输到监控中心,通过配套的综合管理平台软件对数据进行存储、显示、分析等,并进行应用;通过软件平台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线的正常运行。

6.2.3. 地下管廊环境监测系统测点说明

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低洼或易积水区域监测。

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。

5、 对于火情报警,按消防标准的话,会很密集,具体到管廊按什么标准,需要另行考虑。

6.3.    区域集中层

(1)热力运行监控

热力运行监控部分实现热力管网运行设备的远程控制功能,分为日常控制模式和报警处理控制模式。通过测温光纤,发现热力管线泄漏,监控中心控制系统可根据预设方案,自动或人工发送控制信号给现场控制器,完成热力调节阀门的远程控制。

(2)管线温度监视

能够实时监测热力管线运行情况,按不同区域、不同管线,用不同展示方式显示正在运行和未运行的管线。辅助相关人员进行控制决策。

(3)管线阀门控制

通过测温光纤,发现热力管线泄漏,监控中心控制系统可根据预设方案,自动或人工发送控制信号给管沟现场控制器,实现热力调节阀门的远程控制,阀门开关状态实时显示。

(4) 给水运行控制

给水运行控制部分实现给水管网运行设备的远程控制功能。通过绘制各管线工艺流程图,实时展示线路运行数据,显示阀门开关状态。当集水井高液位报警,监控中心控制系统可根据预设方案,自动或人工发送控制信号给管沟现场控制器,完成给水阀门的远程控制。

(5)集水井高液位监视

通过在各分控站给水工艺流程图上标记集水井位置,并监控集水井高液位报警,当发生高液位报警时实现弹窗报警提醒。

(6)管线阀门控制

通过集水井水位情况,分析管线故障,及时发现给水管线泄漏,监控中心控制系统可根据预设方案,自动或人工发送控制信号给现场控制器,实现给水线路阀门的远程控制,阀门开关状态实时显示。

(7)通风风机控制

通过检测管廊内的空气质量,根据检测到的有害气体及氧气得得浓度,分析管廊内空气质量是否符合人员生存条件,及时发现可能存在的隐患,监控中心控制系统可根据预设方案,自动或人工发送控制信号给现场控制器,实现给通风风机的远程控制,风机运行状态实时显示。

6.4.    网络层

网络层包括以太网交换机,光纤附件、执行单元、数字量I/O模块、光纤收发器等。网络层实现了区域集中器与管理层的一个数据交换,区域集中层可以通过网络层对执行层的设备发放指令,控制其现场各类电气设备的启停等,现场执行层并且把信号状态反馈给区域集中层设备。

6.5.    执行层

执行层的主要功能汇总本执行过程层的实时数据信息,实施对一次设备的控制功能,对现场电气设备的打开与关闭等控制,并把现场电气设备的反馈信号实时的反馈给区域集中层设备,使其在工程师站可以有效的观察到现场设备的一个状态。

4.      系统功能

XX综合管廊专业管线运行监控系统通过分布式布置的温湿度监测系统实现对现场管廊温湿度的采集,同时对现场电气设备的控制与反馈状态信号的采集,实现了对现场排水、排风及照明系统等的控制。

7.1.    系统主界面

包含供水、蒸汽、热水管路图,防区位置信息,电气设备位置信息,总站及分站位置信息,防区内报警信息等。

7.2.    防区监控画面

包含防区附近的摄像头视频画面,温湿度,照明等基础信息,防入侵信息和火灾报警信息。

7.3.    电气控制界面

实现对防区电气设备的远程控制。

5.      视频监控系统

视频监控系统可以实现综合管廊全域内人员的监控,便于中控室值班人员及时发现现场问题,排除故障以及对警情的及时处理,保证管沟内正常运行。

监控系统通过系统前端监控点摄像机采集图像信息,系统主机处理后在相连的监视器上反映监控场景;综合管廊每X米为一段防火分区,共有X个防火分区,每段防火分区设置1台工业交换机,在每段防火分区内设置X台摄像机(区段出入口),分别监测任何进入防火分区内的人员情况及内部环境情况。

所有的视频监控画面都可以通过媒流体服务器控制、显示,实现全范围监控并且可在监视器上切换显示各防火分区的监视画面。

6.      火灾报警系统

火灾自动报警系统的功能是实现对综合管廊的全程监测,将火灾报警信息及时、准确地传输到监控中心,实现火情预警、火灾报警、火灾处理及疏散,同时通过广播系统,向综合管廊内的工作人员广播,使他们及时撤离现场,保正人身安全等功能。

系统设计:

为使系统安全有效地进行工作,在每段防火分区内设置智能感烟探测器、手动报警按钮、火灾电话、火灾广播扬声器、声光报警器、分布式测温光纤等设备。系统采用总线连接,感烟探测器设置间距为10米;手动报警按钮设置在卸料口,两边的防火门处。

光纤测温主机连接多条线性测温光缆,测温光缆主要监测管沟内电力电缆的温度是否在正常的范围内运行,对于管沟内110kV的电力电缆,每根配置一条测温光缆监测其温度的变化;对于10kV的电力电缆,每层桥架上敷设如正弦波般走向的测温光缆。该系统温度监测精度为1°C,可任意设置多级温度报警值,光纤测温主机可提供一组继电器输出报警信号。

消防联动:

探测器发出检测信号,火灾报警装置联动视频监控系统,跳出该防火分区的视频画面,确认报警。

联动排烟系统:每段防火分区设置有排风及排烟系统,正常时用于排风,火灾时通过火灾联动控制器启动风机排烟。

联动电源:火灾确认后,通过火灾联动控制器切断非消防电源。

联动消防广播系统:火警时,监控中心启动广播切换模块进行消防广播,特别针对报警的防火分区、相邻的防火分区进行广播疏散。

联动消防电话系统:控制中心可启动消防专用模块与任一电话分机通话,现场任一分机或电话插孔处话机,通过火灾报警控制器确认后与消防主机通话录音。

7.      专用以太网络系统

网络系统建设:本工程局域网采用千兆位以太网技术,整个网络采用自适应以太技术,网络拓扑结构采用环型结构,在中心控制室通过控制系统和视频监控系统的中心交换机实现两系统的连接及数据交换,火灾报警系统控制站接入控制系统交换机,火灾报警装置接入视频监控系统,实现控制中心各系统的集成及关联互动。

网络操作系统:采用windows2003 Advanced Server作为应用系统的网络操作系统以及Internet/Intranet服务和数据库服务器的操作平台。

交换机:控制系统及视频监控系统的中心交换机采用千兆交换机。

网络安全:网络操作系统限制网络的非法访问为网络系统安全提供了基本的保证;组网方式采用采用网络分段(物理分段和逻辑分段);设置防火墙。

 


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综合管廊监控系统建设,如何选择一家可靠的施工企业?

来源:网络

如今针对综合管廊监控系统建设,必须要挑选一家靠谱优质的施工企业,才能确保整个系统的建设可以秉承安全有序、规范化的操作。现在不同城市当中都有着很多综合管廊监控系统建设企业,相关单位在挑选过程当中,如何快速挑选出最为优质可靠的施工公司呢?

综合管廊监控系统施工企业选择可以说是相当关键的,现在市面上涌现了很多不同品牌、规模大小不一的施工企业,建议大家选择口碑好、信誉佳、知名度较高的公司。这样不仅能够确保该公司拥有较强的施工技术以及施工力量,最重要的就是所提供的管廊设备与管线品质、性能都拥有更为可靠的保障,还能获得更为齐全的种类选择。

想要让综合管廊监控系统建设更加安全有效,针对不同监控设备的选择可以说是相当关键的,因为每个型号的综合管廊监控设备都有着自己的性能特色以及相关优势,可能在操作以及设置上也有所不同,也可能在基本参数上存在差异。这个时候,建议相关人员多多结合管廊当中的实际环境以及运行条件来挑选。

可以尝试询问一下其他消费者群体的评价以及信誉、口碑问题,要知道管廊监控系统的施工质量直接影响到了后期管廊运营效果,没有什么比咨询这家施工企业其他客户更来的可靠了。

选择一家专业正规、技术力量雄厚的综合管廊监控系统施工企业,可以为整个监控系统的施工工程带来可靠的保障,确保大家在后期使用过程当中更为顺畅,通常专业正规的企业都会有着自己完整的质量管理体系以及施工操作体系,使得整个综合管廊监控系统的建设更加稳定、安全。

这家综合管廊监控系统施工公司的服务体系是否完善,也可以衡量出该企业是不是正规优质,因为一个完善的服务体系,可以在客户遇到问题的第一时间给予有效的解决方案,并且针对现有的管廊环境,设计好相应的综合管廊监控系统建设施工方案。

在价格方面,我们可以发现如今综合管廊监控系统建设施工价格,在不同地区以及每家公司给予的报价上都存在了一定的差异。并且很多因素的存在,也直接影响了综合管廊监控系统建设的报价,大家不要执着于价格高低,注重施工技术力量以及整个工程质量才是关键。


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基于BIM的综合管廊运维管理系统

引言

近年来,BIM技术在国内建筑行业得到了广泛的应用,特别是在设计、施工阶段,BIM技术的使用得到了包括业主、设计院、施工总包在内的项目各参与方的一致肯定,产生了巨大的经济效益。但BIM技术的价值并不仅仅局限于建筑的设计与施工阶段,在运营维护阶段,BIM同样能产生极其巨大的价值。BIM模型中包含的丰富信息可以为运营维护决策和实施提供有力的信息支撑。据某国外研究机构对办公建筑全生命周期的成本费用分析,设计和建造成本只占到了整个建筑生命周期费用的20%左右,而运营维护的费用占到了全生命周期费用的67%以上。在运营维护阶段,充分发挥利用BIM的价值,不但可以提高运营维护的效率和质量,而且可以降低运营维护费用,基于BIM的空间管理、资产管理、设施故障的定位排除、能耗管理、应急处理等功能实现,在可视化、智能化、数据精确性和一致性方面都大大优于传统的运维软件。BIM与云、大数据、移动应用、室内定位、GIS、传感器、智能机器人等新技术的集成应用(BIM+),也是智慧化运维的必然趋势。

1.综合管廊及其运维的业务范围

1.1 综合管廊的发展

综合管廊是地下城市管道综合走廊。即在城市地下建造一个隧道空间,将电力、通讯,燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体,设有专门的检修口、吊装口和监测系统,实施统一规划、统一设计、统一建设和管理,是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。

国外发达国家,如德国、法国、日本等,从上个世纪已经系统日趋完善的同时其规模也有越来越大的趋势

我们国家从2015年起,住房城乡建设部要求,用3年左右时间,在全国36个大中城市全面启动地下综合管廊试点工程。当年,确定包头、沈阳、哈尔滨、苏州、厦门、十堰、长沙、海口、六盘水、白银为第一批10个试点城市。2016年,广州、石家庄、四平、青岛、威海、杭州、保山、南宁、银川、平潭、景德镇、成都、郑州、合肥、海东15个城市入选国家第二批综合管廊试点城市。

从时间上看,我们国家的综合管廊建设才刚刚开发。

1.2综合管廊运维的业务范围

按照国际设施管理协会(IFMA)最新的定义,设施管理(FM)是一种包含多种学科,综合人、地方、过程及科技以确保建筑物环境功能的专门行业。它以保持业务空间高品质的生活质量和提高投资效益为目的,以最新的技术对人类有效的生活环境进行规划、整合和维护管理工作,它将物质的工作场所与人和机构的工作任务结合起来。
设施管理的任务是通过简化企业的日常营运流程,协助企业达到大幅降低成本和提高营运效益的目的。它致力提供全面的一站式服务,为企业管理房地产、设施及其他非核心业务,以达成既定的业务计划和策略性的发展目标。
从设施管理的发展来看,现代设施管理的业务范围已超越了物业维修和保养的工作范畴,覆盖设施的全生命周期,其职能范围包括维护运营、行政服务、空间管理、建筑工程设计和工程服务、不动产管理、设施规划、财务规划、能源管理、健康安全等。它从建筑物业主、管理者和使用者的利益出发,对业务运营涉及到的所有设施与环境进行全生命周期的规划、管理,对可预见性风险进行规避和控制。设施管理注重并坚持与新技术应用同步发展,在降低成本、提高效率的同时,保证了管理与技术数据分析处理的准确,促进科学决策,为核心业务的发展提供服务和支撑。
保持管理的井井有条和高效率的设施对其业务的成功是必不可少的。尤其是新技术的发展、环保意识的普及以及对人的健康的关心,使设施管理行业和设施管理专业人员更显得重要。设施管理不单延长了设备设施的使用年限,确保其功能的正常发挥,扩大收益、降低运营费用,也提高了企业、机构的形象,改善和促进了用户核心业务的发展,使工作流程更加合理化和简洁化。

我们国家由于管廊建设才刚刚开始,管廊运维基本上还在概念阶段,大多数业主及管廊公司设立了相关管廊运维部门及工作岗们,但实际的工作还没开展起来或仅仅是开始。

1.3信息技术在管廊运维中的应用

目前移动互联、物联网、BIM技术、云计算技术已经得到了广泛的应用,这些技术对综合管廊运营维护在可视化管理、效率和质量方面会产生积极的影响。在综合管廊试点城市中80%的管廊项目都应用了BIM技术,60%以上的项目正在考虑采用BIM。BIM具有强大的整合能力,很多建筑项目完全使用BIM来完成。BIM,全称建筑信息模型(Building Information Modeling),是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础,进行建筑模型的建立,通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有可视化,协调性,模拟性,优化性和可出图性五大特点。对设施运维管理来说,BIM模型可以提供以下方面的支持。

空间定位:
建筑中包含给排水系统、照明系统、消防系统、空调系统等。相关设备设施在BIM模型中以三维模型的形式表现,从中可以直观地查看其分布的位置,方便管廊维护者或业主对于这些设施设备的定位管理。

设备维护:
BIM模型的非几何信息在施工过程中不断得到补充,竣工后可导入运维系统的数据库中,相关设备的信息如生产日期、生产厂商、可使用年限、维修保养手册等可直接查询到,不需要花额外的时间翻阅查找纸质文件或电子文档,依据BIM模型信息可自动生成设备维护方案,遇到故障时可快速定位或更换。

综合监控与能耗管理:

将建筑中各类传感器、探测器、仪表等测量信息与BIM模型构件相关联。可直观展示获取到的能耗数据(水、电、燃气等)及监控信息,依靠BIM模型可按照区域进行统计分析,更直观地发现能耗数据异常区域,管理人员有针对性地对异常区域进行检查,发现可能的事故隐患或者调整能源设备的运行参数,以达到排除故障、降低能耗维持建筑的业务正常运行的目的。

2.基于BIM的综合管廊运维管理系统的设计

2.1 技术路线

通过三维BIM图形平台构建综合管廊BIM模型、BIM机电模型、施工资料、运维资料、设备信息、监控信息、规范信息等图形及信息数据。在三维图形平台基础上,采用云、移动应用、物联网、大数据等技术,基于SOA体系进行设计开发,实现基于BIM的三维可视化运维管理(FM)系统。

2.2系统架构

系统总体架构包括应用层、平台层、数据层和设施层四个层次,相互形成一个有机的整体。
应用层:是系统的直接面向客户的应用部分,系统的主要功能都集中在这一层。
平台层:即整个系统应用的支撑平台,包含:三维图形及BIM信息支撑平台、楼宇自控、安防视频监控平台等。
数据层:是整个系统的数据来源基础。包括BIM模型数据、设备参数信息、设备运维信息、运维知识库等,视频监控、能耗监测及楼宇自控等数据是需要集成的数据,可调用设备商提供的数据访问接口。
设施层:基础软硬件支撑,是前面几层的基础,是系统24*7无故障运行的保证基础。

2.3综合管廊运维管理系统功能

2.3主要功能介绍

漫游定位与设备信息查看:

在BIM模型中可漫游查看相关设施,并可即点即查设施的相关资料和信息,通过传感装置也可实时获取和展示采集到的监控信息。系统对对具体设备的BIM模型浏览是双向的,用户既可以通过在模型视图中选择相对应的设备模型构件,也可以通过输入设备名和设备型号等属性的方式进行查询浏览。无论采用何种方式,一旦选中了某一具体设备,在界面上就会出现与该设备相关的设备信息(包括设备的名称、型号、技术参数、生产厂家等)供用户查看,同时用户也可以通过点击关联标签,查看“设备说明书”、“维修保养资料”、“供应商资料”、“应急处置预案”、“历史维护信息”等各种与设备相关的文件及信息资料。

在三维场景中对建筑内的各种资源进行分类管理和空间查询,点击查询结果快速定位到具体位置,并显示资源的相关属性信息和关联的图纸资料等内容。包括按关键词模糊查询、组合条件查询、空间查询、缓冲区查询、点选查询等多种查询方式。

设备保养与维护:

设备维护维护分为及时性故障派修和计划性保养维护。在BIM维护模型建立时就会对设备进行标准化分类和编码,并把各类设备的保养维护周期和程序、以及与设备维护承包商的维护合约及设备保险等内置到系统中。
对于计划性维护,系统会根据内置规则自动生成运维计划表。检修人员可按计划对设施或设备进行日常维护,并更新维护状态。在发现故障时,可通过手持设备扫描设备标签上的二维码,进行设备定位,登记故障。并可生产派工单,检修过程中可查看故障构件的相关图纸、历史维修信息、维修知识资料等,辅助问题解决,完成后可记录维护日志,更新状态。
维修人员在巡检过程中,发现设备故障时,可直接通过手持设备扫描二维码进行故障登记。并可在系统中查询设备的厂家、型号、维修等设备属性信息和库存备件情况。

通过查看BIM设备信息中的“关联资料”,可以查看关联到设备信息中的图纸、使用手册、维护规程等信息。也可以查询到该设备的上下游构件情况,这些资料可以帮助维护人员快速完成设备的维护工作

设备运行监控:

 基于BIM模型可以进行设备检索、运行和控制功能,通过点击BIM模型中的设备,可以查阅所有设备信息,如供应商、使用期限、联系电话、维护情况、所在位置等;可以对设备生命周期进行管理,比如对寿命即将到期的设备及时预警和更换配件,防止事故发生;通过设备名称,或者描述信息,可以查询所有相应设备在虚拟建筑中的准确定位;管理人员或者领导可以随时利用3维BIM模型,进行建筑设备实时浏览。

 设备运行和控制。所有设备是否正常运行在BIM模型上直观显示,例如绿色表示正常运行,红色表示出现故障对于每个设备,可以查询其历史运行数据;另外可以对设备进行控制,例如某一区域照明系统的打开、关闭等

资料管理:

 资料管理可以对综合管廊全生命周期中产生的资料进行管理,包括设施设备资料、项目信息资料、设计图纸、施工图纸、竣工图纸、培训资料、操作规程等,资料信息基于数据库存储,提供增加、删除、修改及检索功能。软件按照图形信息资料的用途以及所属的专业进行分类管理,同时实现了图纸与构件的关联,能够根据设备快速的找到构建的图纸。实现三维视图与二维平面图的关联。用户通过选择专业以及输入图纸相关的关键字,可以实现快速检索和打开。

安全管理:

 系统提供与视频监控设备、消防报警设备的接口,可以实时在三维运维平台中采集查看监控这些信息,在设备报警时可以做到及时处理,防患于未然。此外,系统还可以对采集的数据进行统计分析,如统计设备报警情况等

能耗管理:

通过能耗分析软件与实时采集数据相结合,可以协助技术人员拟定节能计划和节能方案。

统计报表:

系统通过对BIM模型信息和运维中产生和采集的数据,可以提供各类信息的查询统计报告,为资源盘查、配件采购,财务预算等提供数据参考。故障分析处理统计表、设备资产统计表、设备损毁分析表、备件情况表、维修费用统计表、空间利用情况统计表


有正公司为客户提供地下综合管廊BIM咨询服务,综合管廊监控系统、管廊运维管理平台。欢迎致电400-029-3382咨询。

有正智慧管廊设计方案实例(3)—环境与设备监控系统

2.4、环境与设备监控系统

2.4.1系统目标

为全方位的自动化还为智慧管廊管理提供统一的技术环境,这主要包括:统一的数据管理、统一的通信、统一的组态和编程软件。

以及时、稳定、可靠的网络通讯系统为桥梁,在总控室进行集中监控管廊设备监控系统,供电检测系统,红外对射防入侵监测系统,实现了设备闭锁和联动控制,并可将系统采集到的各项数据实时传送到管理系统平台。

在现有工业综合自动化以及管廊监控系统成功经验的基础上,大胆创新,“好上加好,优上加优”,做出城市综合管廊监控系统的典范;

2.4.2系统的设计原则与依据

GB50838-2015      《城市综合管廊工程技术规范》

GB/T 14285-2006   《继电保护和安全自动装置技术规程》

GBT 14598.300-2008《微机变压器保护装置通用技术要求》

DL/T 5430-2009    《无人值班变电站远方监控中心设计技术规程》

GBT 13729-2002    《远动终端设备》

DL/T634.5101-2002 《远动设备及系统第5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准》

DL/T634.5104-2009 《远动设备及系统第5-104部分:传输规约采用标准传输规约集的IEC60870-5-101网络访问》

GB/T 2887-2011    《计算机场地通用规范》

GB50052-2009      《供配电系统设计规范》

Q/GDW 231-2008    《无人值守变电站及监控中心技术导则》

GBT 14598.8-2008  《电气继电器第20部分:保护系统》

GB50062-2008     《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》

DL/T 814-2002     《配电自动化系统功能规范》

DL5003-2005      《电力系统调度自动化设计技术规程》

DL/T5002-2005    《地区电网调度自动化设计技术规程》

GB/T13730-2002   《地区电网调度自动化系统》

GB/T 50063-2008   《电力装置的电测量仪表装置设计规范》

《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》

GB50396          《出入口控制系统工程设计规范》

GB50395          《视频安防监控系统工程设计规范》

GBZ/T20520       《密闭空间作业职业危害防护规范》

GA/T75-94 《安全防范工程的程序与要求》

ONC-TB201 《安全防范工程的设计、安装与开通程序》

YD5078-98 《通讯工程电源系统防雷技术规定》

IEEE802.3 《总线局域网标准》

GBJ42-8    《工业企业通信设计规范》

GBJ232-82  《中国电气装置安装工程施工及验收规范》

14050-93   《系统接地的形式及安全技术要求》

IEEE电气及电子工程学会《民用建筑闭路监视电视系统工程技术规范》

GA28-92,1992-01-01《场所风险等级和安全防护级别的规定》

GYT253-88  《建筑电器安装工程质量检验评定标准》

2.4.3系统的设计思路

从安全的角度考虑

目前,综合管廊主要存在以下四大问题: 一是人的不安全行为(违章)造成的人员安全问题,二是物的不安全状态(隐患)导致的设备安全问题,三是环境的不安全条件(隐患)诱发的环境安全问题,四是组织的不安全因素(管理漏洞)导致的管廊安全问题。

以上四大核心因素共同诱发能量的不正常传递,从而造成管廊事故。因此,系统必须对这四个核心因素进行管控,以实现对人的不安全行为、物的不安全状态和环境的不安全因素等迅速、灵活、正确地理解(预测)和解决(启动安全设备或报警),从而实现地下管廊的本质安全。

(1)针对人员安全:通过人员标识卡、便携式巡检仪、人员探测计数器等管控人的不安全行为,使巡检人员达到可视化管理、无关人员实现防范入侵管理。

(2)针对环境安全:通过多功能监测基站和智能传感器对管廊温度、湿度、水位、氧气、H2S、CH4等环境要素实时监控,实现危险源管理、辨识、评估和控制,从而消除环境的不安全因素。

(3)针对设备安全:通过智能传感器、仪表和多功能监测基站对监控设备、排水设备、通风设备、通信设备、消防设备、照明设备、电缆温度等进行实时在线感知、报警联动、远程控制和指挥调度,使之始终处于安全状态。

(4)针对管理安全:通过建立安全机制和预警管理体系,实现现场可视化、问题可视化和隐患的可视化,达到管理无失误、指挥无失误、操作无失误,在此基础上实现未雨绸缪、超前预报,防患于未然。

城市综合管廊的建设目标是在信息化管理的基础上,逐步实现自动化,用智慧覆盖整个管廊运行管理的全过程,实现高效、节能、安全、环保的“管、控、营”一体化智慧型管廊。

从物联网的角度考虑

本系统利用先进的物联网技术,通过数据采集、数据传输、数据分析实现对地下管廊的属性信息和状态信息运行透彻的显示,通过实时采集获取人员、设备、环境、流程制度等在内的一切数据,实现地下管廊管理的可视化,提高管廊安全性和用户满意度。

 

管廊内所有的信息都要通过设备数据标准化传到平台监控中心,而监控中心的各种控制命令则要传输到各段管廊的各种设备上。

这些信息主要有:

(1)监控摄像机的视频信号和控制信号;

(2)人员位置信息和人员报警信息;

(3)环境传感器和设备传感器的模拟量数据;

(4)风机、水泵等设备的开关量数据;

(5)IP 电话的语音信息和无线对讲信息;

(6)管廊的各种属性信息和状态信息;

(7)管理指令和流程信息等。

我们采用基于物联网的整体解决方案化解以上所有问题。系统基于物联网的标准接口,用户可以很顺利的处理来自不同设备及环境的数据,满足末端设备扩展需求。利用物联网对地下管廊进行感知和识别,通过网络互联,进行传输、计算、处理和数据挖掘,实现对地下管廊的实时控制、精确管理和科学决策。

2.4.4系统结构

环境与设备监控系统网络采用三层网络模型:设备层、控制层和信息层。在设备层采用工业现场总线,控制层采用工业以太网,信息层采用管廊现有的工业环网。由于控制层和信息层采用统一的网络,将原先按功能垂直划分的系统,变革为网状的或矩阵结构,消除了各系统信息交换的瓶颈,形成一个贯穿整个管廊生产、运营各环节的数字神经。

信息层

采用以太网,用于全管廊的数据采集和程序维护,可接入管廊的资源管理系统,将管廊各方面的资源充分调配,平衡和控制,通过柔性的生产计划实现全面、实时控制业务过程、信息支持决策以及支持创新体系。

信息层网络是基于1000Mbps以太网的开放网络技术,拥有广泛的厂商支持。所有的网络介质和附件(交换机、集线器、线缆、接头、工具等)能够从第三方购得而非厂商专有。

连接在以太网上的个人终端能够以WEB浏览器的方式获得他权限以内的数据。连接在以太网上的工程师站通过赋予一定权限后可通过网关进入控制层,对控制系统进行监控。信息管理系统能够支持远程登录进行数据存取。

速度:10/100/1000Mbps自适应网络

介质:骨干网连接必须通过交换机进行,连接介质选用光纤;各控制分站以太网设备采用五类双绞线接入交换机。

网络服务:系统能够在同一介质链路上同时支持数据采集、编程上/下载,I/O控制等功能。

自动化控制层

主要采用工业以太网,局部根据实际情况配以现场控制网、设备网和第三方通讯技术,通过实时I/O控制、控制器互锁和报文传送,实现全系统的高效集成。

控制层网络部分由PLC现场控制系统站、远程I/O站、现场操作员站、就地和中央控制站等组成。提供实时I/O控制、数据采集和编程下载等功能。作为管廊监控的控制主干网,该主干网能在任何节点接入网络,而不需要更改从前的站号和配置,并充分考虑了今后扩展的方便性。

开放性:控制网具有完全开放的,符合国际公认的网络标准IEC61158,具备成熟的第三方连接能力。

实时I/O服务:对于远程I/O数据和控制器间互锁信息的传输,网络具备高度的确定性和可重复性,网络的刷新时间、I/O数据的传送时间是可预知的、有保证的,系统一旦启动,数据传输的性能随网络距离、节点数量的增删、网络通讯量的变化而变化;允许用户对不同的控制设备如不同的开关量、模拟量、控制器等分别指定不同的刷新速率,满足工艺要求。

信息传输服务:控制层设备提供了方便的接入端口,无论从任何一点接入,都能方便地支持编程上传/下载、系统诊断和数据采集功能,且不需要复杂的编程或特殊的软硬件支持,同时不影响实时信息传输性能。

网络模式:控制层按照管廊监控系统及地理分布,采用复合型冗余工业ETHERNET网络结构。

(图略)

工作模式:支持主从、对等、多主等多种灵活的数据通讯结构。数据块传送和报文发送都可通过组态完成,不需额外的复杂编程。

网络速度:1000Mbps,且速度不随网络长度和网络上的站点数量变化而变化;

网络节点数:单一网络可提供多达254个站点的连接能力,并根据应用需要,支持灵活的网络分段以及相应的隔离或者桥接方案;

网络介质:可支持双绞线和光纤连接,根据实际需要提供灵活的电缆形式,如铠装、地埋、高柔性等电缆形式;

本质安全:控制层网络能够支持本质安全的I/O,以便将远程I/O延伸到可能的防爆区域,且同时保持通讯的一致性和高性能实时通讯。

组态:拥有现成的灵活的网络组态工具和强大的网络诊断功能。

冗余:系统通过环形拓扑实现控制网络冗余连接,即控制网上任何一点的单一链路连接意外断开,系统都能通过环网的反方向提供后备链路,保证系统可用性的同时兼顾经济性,环网主干链路全部采用单模光纤,保证故障切换时间均<50ms。

设备层

采用设备网,用于底层设备的低成本、高效率信息集成,达到减小费用和方便安装之功效。

现场设备层网络用以连接底层现场设备,减少现场接线,提高系统信息化和智能诊断水平,符合开放网络要求,易于安装、实施和维护。基于现场设备的多样性及特点的不同,允许有多种现场设备总线,分别提供普通底层设备和过程仪表的连接能力。但是网络的种类和层次应尽可能少,而且应当与控制层总线协议模式保持一致性,并都能够提供现成的、成熟可靠的通讯接口,能够通过控制层任意一点接入,实现对设备层网络完整的组态、诊断、控制和数据采集,所有这些功能的实现应尽可能简单、无需编程或者任何复杂的网关设备。

开放性:设备网是符合国际标准的现场总线,该总线在国内有良好的接受程度,被证实是先进的、可靠的、符合未来发展方向的主流现场总线。

拓扑:总线-分支线结构,同时支持灵活的树型、星型、雏菊链等结构,最大网络拓扑范围500米,单个网段连接节点数可多达64个;

速度:最低网络速度不低于125Kbps,最高可达500Kbps;

工作模式:支持主从、对等、多主等多种灵活的数据通讯结构。在报文传输方面,提供查询、逢变则报、周期性发送、选通等多种灵活高效的通讯方式。

供电:采用总线供电方式,所有通讯接口模块无需额外的电源。采用+24V直流供电方式,电源的分布根据网络具体情况可以灵活布置。

2.4.5系统功能介绍

ACU主控制管理工作站负责对分站ACU系统的维护和管理,接收综合管廊内H2S、CH4、O2、温度和湿度检测仪检测数据,以及红外对射器、电力检测仪和电力漏电火灾报警器的数据,生成控制指令,并提供人工操作界面。系统有四种控制方式:

(1) 就地控制

(2) 远程集中控制(调度员控制每个设备解锁单独开停)

(3) 按程序流程自动控制(调度员发出启动命令,或各流程上的设备按照启动条件自动启动,按流程闭锁关系自动闭锁停止设备)

(4) 检修试验控制

四种控制方式之间有严密的闭锁关系

日常每天计划内排风由人机界面设定,并定时执行排风计划,同时联动诱导风机。

运维人员进入管廊,可安排临时排风计划,启动排风机并联动诱导风机,确保廊内空气质量

当水位超过设定的警戒高度,水泵电控箱联动排污泵排水,监控系统进行远程污水井液位监测,并可远程强制开启。

环境联动:当O2<19,温度>39,湿度>90,H2S>10mg/m3,CH4>0.1%时,启动风机。

实时检测环境参数、设备(包括风机、水泵)运行参数、红外对射防入侵监测系统以及供电监测系统:

检测的电气参数:分区配电箱内如变压器温度、配电的电压、电流、频率、功率因素、有/无功电量等电力参数等。

监控组态软件选用国内或国际知名公司产品,产品需定位于国内高端HMI/SCADA自动化市场及应用,是企业信息化的有力数据处理平台。需要历经多年多行业的开发和深入的行业应用,在楼宇IBMS及管廊系统等行业有应用事例,具备大量的行业图形控制组件,适合专业行业自动化软件工程的快速构建,HMI界面可以满足各个行业特殊的需要。

互联网时代的骄傲提供在Internet/Intranet上通过IE浏览器以“瘦”客户端方式来监控工业现场的解决方案;支持通过PDA掌上终端在Internet实时监控现场的生产数据,支持通过移动GPRS、CDMA、GSM网络与控制设备或其它远程节点通讯;面向国际化的设计,同步推出英文版和繁体版,保证对多国语言版的快速支持与服务;软件内嵌分布式实时数据库,数据库具备良好的开放性和互连功能,可以与MES、SIS、PIMS等信息化系统进行基于XML 、OPC、ODBC、OLE DB等接口方式进行互连,保证生产数据实时地传送到以上系统内。

强大的移动网络支持通过移动GPRS、CDMA网络与控制设备或其它远程节点通讯,移动数据服务器与设备的通讯为并发处理、完全透明的解决方案,消除了一般软件采用虚拟串口方式造成数据传输不稳定的隐患,有效的流量控制机制保证了远程应用中节省通讯费用。

完整的网络冗余及软件容错解决方案作为大型SCADA、DCS软件,软件需支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器(双机)冗余、监控网络冗余、监控客户端冗余等多种系统冗余方式。软件支持控制设备冗余如SIEMENS公司的S7-1500H,GE的GE9070系列PLC的冗余模式,支持普通的232、485、以太网等控制网络的冗余,支持控制硬件的软冗余切换和硬冗余切换。

稳定的通讯处理是一个完全集成的工业控制软件产品,完全兼容微软的32/64位Windows XP、Windows 7及Windows Server 2008操作系统,通过提供可靠、灵活、高性能的监控系统平台,极大地提升了客户的投资回报率。通过其提供的简单易用的配置工具和强大的功能使您能够针对各种规模的应用进行快速开发并部署。支持通过RS232、RS422、RS485、电台、电话轮循拨号、以太网、移动GPRS、CDMA、GSM网络等方式和设备进行通讯。支持离线诊断,在开发环境下可以诊断是否正常通讯。支持不同协议的设备在一条通讯链路进行通讯。支持在大型SCADA系统中的远程通道冗余通讯。

支持主流的DCS、PLC、DDC、现场总线、智能仪表等3000个以上的IO设备的通讯驱动程序,支持通过RS232\RS422\RS485、电台、电话轮巡拨号、以太网、移动GPRS、CDMA、GSM、Zigbee网络等方式与远程现场设备进行通讯,支持与国内外主流的PLC、SCADA软硬件、DCS、PAC、IPC等设备通信与联网。监控组态软件ForceControl V6.1在6.1版本基础上对IO通讯驱动库进一步进行了丰富,新增了诸多工业市场上当前流行的设备,比如:ABB的AC500、西门子S7-1200系列以太网驱动、菲尼克斯ILC300\RFC400系列PLC通讯驱动、贝加莱X20系列PLC通讯驱动、GE PACSystems RX7i和RX3i系列以太网通讯驱动、BACNet/IP驱动。以及针对使用MODBUS协议的PLC开发的专有驱动,包括:ABB的AC500、施耐德Modicon系列支持M218\M238\M258、和利时LK\LM系列等。4.3.4  丰富的图形处理能力方便、灵活的开发环境,提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式(BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等)的图片,方便画面制作,大大降低了组态开发的工作量;强大的分布式报警、事件处理,支持报警、事件网络数据断线存储,恢复功能;支持操作图元对象的多个图层,通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏;强大的ActiveX控件对象容器,定义了全新的容器接口集,增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能,通过脚本可调用对象的方法、属性;全新的、灵活的报表设计工具:提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制,包括:脚本调用和事件脚本,可以提供报表设计器,可以设计多套报表模板,报表文件格式兼容Excel工作表文件,支持图表显示自动刷新,可输出多种文件格式: Excel、TXT、PDF、HTML、CSV等。

优秀的交互式容器监控组态软提供多个数据接口及强大的交互式容器,可以很好的和第三方软件结合。数据库开放了C、C++、COM、OPC、ODBC、OLEDB等主流数据交互接口,使用户可以进行相应的系统扩展来满足不同的需求。软件自身就是一个标准ActiveX控件的容器,可以在软件中使用一个或多个ActiveX控件。软件与.NET技术可无缝集成,用户可以用WinForm窗体技术或WPF技术,方便设计出炫丽的应用组件,添加到软件中。对于逻辑简单而界面效果要求较高的程序,.NET在开发上更简单高效,演示效果更加炫丽。

优化的组件通讯机制监控组态软件新增多个后台组件,如报警中心、历史数据中心专门用来处理系统中的报警和历史数据。以前组件需要直接向实时数据库请求报警数据和历史数据,增加了实时库的通讯压力,现在通过复合组件与后台的绑定,后台统一处理这些请求,明显降低了实时库的负荷,增强了处理实时数据的性能。并且,通过这种机制的优化,增加了软件开发的灵活性,针对行业客户某些定制化的需求,提供了一条新的解决路径。

图表曲线功能提供了实时趋势、历史趋势、x-y曲线、历史报表、万能报表、内置数据表等丰富的图表功能,方便进行实时数据及历史数据的曲线显示、灵活的数据报表定义和输出,方便班组统计、成本核算等的管理。

简单、方便快速的报表生成工具,能进行日报、月报、季报、年报的生成,对数据存储的时间范围、间隔、起始时间可进行任意指定,并可以根据存储的时间进行历史数据查询。简单、方便快速的报表生成工具,能进行日报、月报、季报、年报的生成,对数据存储的时间范围、间隔、起始时间可进行任意指定,并可以根据存储的时间进行历史数据查询。强大的多媒体支持,播放各种格式的视频、音频文件,如Flash、幻灯片等,可以有效的集成视频监控。

报警与事件系统提供多种报警检查方式,支持传统的声光报警、语音文件报警,支持操作人员报警确认管理机制,使您轻松构建报警系统。支持电话语音报警、E-mail通知方式报警,支持GSM方式短信报警,生产出现问题的时候,通过移动网络可以将报警信息及时的发送到管理者的手机上。软件在运行时自动记录系统状态变化、操作过程等重要事件,一旦发生事故,可就此作为分析事故原因的依据,为实现事故追忆,提供基础资料;操作人员可以根据生产需要将生产重要画面、曲线实时抓拍并存放到本地保存;报警和事件记录可以存放关系型数据库中,便于分析、查询和统计;支持内部自诊断,对IO通讯故障、网络通讯故障都可以进行报警提示;

  1. 系统对电力隧道内有害气体、空气含氧量、温湿度、风机、照明、水泵、井盖等环境参量进行监控,有效实时的监测隧道内情况。
  2. 系统实时监测隧道内的氧气、一氧化碳、甲烷、硫化氢等气体含量,当气体含量超过一定标准时,系统立即报警,并可在自动模式下联动相应区域风机进行强制换气。
  3. 系统实时监测隧道集水井水位超限信号,并根据水位超限信息进行水泵控制操作,即当水位超过设定标准时立刻启动或者停止水泵。
  4. 系统实时监测管廊内水管上电动阀,根据水管的水流量情况以及是否漏水情况,控制电动阀,保证水管内水流量的充足,同时也能根据水管漏水情况对电动阀进行调节。
  5. 系统具备环境参量超标自动告警功能,并通过监控平台以图形、语音、短信等方式进行报警与通知相关人员。
  6. 隧道环境监测系统检测到气体、湿度异常报警等时,可联动相关区段的风机进行强制换气。

当工作员站(集中监控平台)接收到非法入侵报警或者其他监测系统报警,需要辅助摄像头做现场确认时,可远程开启管廊现场照明设备。

1)水位监测

水位传感器体积小,反应灵敏,安装方便。可以实时监控积水井内液位情况。测得的液位数据可经ACU上传至综合监控平台,实现集中管控。

配置原则:管廊内有水管一侧仓内,每个监控区内地势最低的两点(一般在集水坑处)各安装一个水位传感器。

2)温湿度监测

在密闭管廊内气体湿度过高会导致非金属材料霉变老化、金属材料锈蚀等,极大缩短设备、电缆使用寿命,造成安全隐患。

安装在管廊现场的湿度检测仪实时感知现场空气湿度信息,并通过屏蔽控制电缆接入当前区间ACU,传输至控制中心的综合监控平台。

    配置原则:每个区段内通风最不利的地方(一般为通风口与投料口的中间点位置,具体也可视现场实际情况做调整)配置一套湿度检测仪。

温湿度监测仪技术要求(表略)

3)气体监测

封闭管廊内由于空气流通性差,常出现氧气含量过低,有害、可燃气体含量过高等情况。运维人员贸然进入容易因缺氧晕厥或有害气体中毒,对人员安全造成很大威胁。可燃气体含量过高会导致火灾、爆炸事故。

此项目中对氧气含量、一氧化碳、甲烷、硫化氢含量等进行监测。现场传感器将实时监测到的气体含量信息通过屏蔽控制电缆接入当前区间ACU,传输至控制中心的综合监控平台。

配置原则:每个监控区段内通风最不利的地方(一般为通风口与投料口的中间点位置,具体也可视现场实际情况做调整)配置一套气体传感器。

安装位置指导要求(图略)

4)水泵控制

电力隧道综合监控平台软件可通过以太环网系统控制现场水泵开启、关闭。控制信号由现场ACU输出。当水位传感器检测到积水坑内积水位太高,发出异常,综合监控平台软件会自动控制开启排水泵,排出过多积水;水位降低至某一设定的允许值之后,综合监控平台软件自动控制关闭排水泵,停止排水作业。

5)风机控制

当环境监测系统检测到气体、湿度异常报警等时,可联动相关区段的风机进行强制换气。当火灾报警系统发出火情警报时,可联动确保相关区段的风机关闭。此外还可根据GB50838-2015《城市综合管廊工程技术规范》中对通风系统的要求:“正常通风换气次数不应小于2次/h,事故通风换气次数不应小于6次/h”,在综合监控软件中提前设置好开启、关闭风机的程序,实现系统定时自动进行隧道换气。

6)照明控制

综合管廊综合监控平台软件通过以太环网系统控制管廊现场的照明设备启闭。当工作员站(集中监控平台)接收到非法入侵报警或者其他监测系统报警,需要辅助摄像头做现场确认时,远程开启管廊现场照明设备,控制信号由当前区段ACU输出。

7)设备控制说明

设备控制主要包括隧道现场防火门、风机、排水泵、照明等设备的控制,隧道现场相应设备配有各自的控制设备,系统能通过现场区域控制单元对控制设备发出相应控制信号,控制信号可以是RS485总线的MODBUS协议信号或者干接点信号。

8)气体传感器技术参数

(表略)

9)电力监测

综合管廊的消防设备、监控与报警设备、应急照明设备应按现行国家标准

《供配电系统设计规范》GB50052 规定的二级负荷供电。

天然气管道舱的监控与报警设备、管道紧急切断阀、事故风机应按二级负荷供电,且宜采用两回线路供电;当采用两回线路供电有困难时,应另设置备用电源。

其余用电设备可按三级负荷供电。

综合管廊内针对供电系统的监控,一般通过RS485通信方式,并遵从IEC870-5-103通信规约,以信号总线方式将高压配电柜中智能中继保护模块和低压智能测控模块连接成电力监控现场网络,对电力系统进行遥控、遥信和遥测功能,能对全管廊实现电力调度自动化。

供配电系统的监测应符合下列规定:

(1) 应对变电所、配电单元的进线开关、主要馈线开关的状态、故障跳闸报警信号进行监测;

(2) 宜对变电所、配电单元的进线电量和失压、过电压、过电流报警信号进行监测;

(3) 宜对变压器的运行状态和高温报警信号进行监测;

(4) 应对EPS、UPS运行状态及故障报警信号进行监测。

2.4.6系统配置说明

PLC主控制管理工作站负责对分站PLC系统的维护和管理,接收综合管廊内H2S、CH4、O2、温度和湿度检测仪检测数据,生成控制指令,并提供人工操作界面。每个分区设置1套PLC控制器(安装于PLC控制箱内,详见视频监控与入侵报警系统平面图),利用1000M工业级以太网络为传输平台,PLC控制器通过RJ45口就近接入同分区内的设备控制以太网络环网交换机。各分区PLC控制负责接收H2S、CH4、O2、温度和湿度检测仪、风机污水泵电控箱及污水井液位数据,负责各分区风机、水泵的控制。H2S、O2、温度和湿度检测仪输出信号为4~20mA,采用ZR-RVV-2X1.5mm2电缆接入同分区内PLC,CH4信号通过可燃气体报警主机接入PLC,供电电缆采用ZR-RVV-2X1.5mm2,从同分区内PLC控制箱内取电。H2S、CH4、湿度检测仪器安装位置距离出风口10米左右,距离投料口20米左右,彼此安装间距为0.2米,沟内吸顶安装;O2离地1.6~1.8米安装。

对综合管廊内环境参数进行监测与报警。环境参数检测内容应符合表3.1-1的规定,含有两类及以上管线的舱室,应按较高要求的管线设置。气体报警设定值应符合国家现行标准《密闭空间作业职业危害防护规范》GBZ/T20520的有关规定。

H2S、CH4、O2、温度和湿度检测仪应设置在管廊内人员出入口和通风口处。表3.1-2环境参数200米检测内容中数量为2个的检测仪均为出入口处安装;水位检测仪安装在相应的集水坑内;燃气舱内H2S和O2检测仪除了出入口处各安装1个外,还有1个安装在分区中间通风口处,CH4检测仪3个安装在出入口和中间通风口,剩余2个安装在通风口和出入口之间。

应对通风设备、排水泵、电气设备等进行状态监测和控制;设备控制方式宜采用就地手动、就地自动和远程控制。

每个200米防火分区的点位预统计为(表略)

PLC应采用应采用先进、可靠、稳定的国际知名产品,例如西门子、欧姆龙、AB、ABB等国内应用较多的知名厂家,PLC的所有模块的平均无故障时间(MTBF)均应达到或超过20万小时,PLC站(包括远程I/O站或分布式I/O站),要求I/O模块、通讯模块等均应与CPU模块是同一系列的产品,并严格保持同等的规格等级和尺寸大小。

工作温度:0~60°C

储存温度:-40~85°C

使用环境湿度:5~95%无凝露

抗振动:5 g @ 10~500 Hz

主站PLC为大型控制系统,扫描速度0.03us/字节,支持热插拔,单处理器I/O能力为256000点数字量、8000点模拟量,背板采用Producer/ Consumer通讯技术,具有TUV的SIL2的安全等级认证。

主从站CPU应提供充足的内存以满足应用本身和未来扩充的需要,CPU内置的用户内存应不小于2兆(不包含扩展内存),并提供不小于1GB的闪存。程序区和用户数据区采用完全的自动内存分配机制,也可由开发人员任意分配系统内存,分别用于系统运行,存储应用逻辑程序和存储工程应用文件;

控制系统通讯模块、特殊模块等均应与CPU模块严格保持同等的档次、尺寸及设计规格等,是同一系列的产品。

控制系统必须能够提供包括梯形图、功能图块、顺序功能图和结构化文本等在内的符合IEC61131-3标准的灵活的编程语言支持。

控制器应为基于变量或标签(Tag)的控制器,数据的标记和引用方式应该是具有自说明性质的标签。要求程序下载过程中标签本身的信息不能丢失,从而保证用户程序良好的可读性和可维护性。

控制系统支持快速内存升级技术,处理器、I/O模块、网络模块都应能够在现场通过软件升级至最新版本;

系统没有定时器和计数器的数量限制,也没有PID回路数的限制。

控制系统处理器和输入输出模块应是完全的软件可配置,包括模块信息刷新时间、模拟量工程标定、上下限报警、斜率限制等;

环境条件:

工作温度  0℃到60℃

储存温度  -40℃到85℃

相对湿度  5% 至 95%(无冷凝)

冲击:11ms,15G

振动:10 至 500Hz 2g峰值加速度

控制系统电源要求:工作电压:85~265VAC/47~63HZ;或18~32VDC

控制系统电源要求:

工作电压:85~265VAC;

频率范围:47~63HZ;

工作温度:0~60摄氏度;

保存温度:-40~85摄氏度;

相对湿度:5~95%;

控制系统系统安全

为保证整个控制系统系统的安全,控制系统应满足以下安全方面的考虑:

1) 密码保护

2) 程序文件/数据表保护

3) 存储器数据文件覆盖/比较/改写保护

4) 强制保护

5) 钥匙开关

电源模块

工作电压:85~265VAC;

频率范围:47~63HZ;

工作温度:0~60摄氏度;

保存温度:-40~85摄氏度;

相对湿度:5~95%;

开关量输入模块

故障报告和现场级的诊断检测;

完全软件可配置;

模块密度不超过32点;

故障锁定功能;

认证 Class I/Division 2, UL, C-Tick,EC ATEX ;

环境条件:

工作温度:0 to 60°C (-4 to 131°F)

储存温度:-40 to 85°C (-40 to 185°F)

相对湿度:5 to 95% 无冷凝

开关量输出模块

点级的故障报告和现场级的诊断检测;

完全软件可配置;

模块密度不超过32点;

故障锁定功能;

故障时标功能;

在编程和模块故障时软件可设定模块输出状态;

认证 Class I/Division 2, UL, C-Tick,EC ATEX ;

环境条件:

工作温度:0 to 60°C (-4 to 131°F)

储存温度:-40 to 85°C (-40 to 185°F)

相对湿度:5 to 95% 无冷凝

模拟量输入模块

定标、报警完全软件可配置;

模块分辨率:12位;

模块密度不超过8个通道

故障锁定功能;

开路检测功能;

输入过载保护功能;

认证 Class I/Division 2, UL, C-Tick,EC ATEX ;

环境条件:

工作温度:0 to 60°C (-4 to 131°F)

储存温度:-40 to 85°C (-40 to 185°F)

相对湿度:5 to 95% 无冷凝

模拟量输出模块

定标、报警完全软件可配置;

模块密度不超过4点;

模块分辨率:12~16位;

故障锁定功能;

输出过载保护功能;

输出短路保护功能;

认证 Class I/Division 2, UL, C-Tick,EC ATEX ;

环境条件:

工作温度:0 to 60°C (-4 to 131°F)

储存温度:-40 to 85°C (-40 to 185°F)

相对湿度:5 to 95% 无冷凝

串行通信模块

端口类型:RS232/422/485

速率:110—115.2 Kbps

通讯协议:可支持Modbus RTU/ASCII 主从站模式

控制字:超过496个字的输入输出

2.4.7系统数据库设计

支持PostgreSQL 9.2以上,可支持Mysql5.1以上、Oracle11g以上、SQL Server 2008。

2.4.8系统接口设计

标准化

l支持GB/T 28181-2011设备接入。

l支持基于国标(GB/T 28181-2011)和省标(DB33/T 629-2011)协议的平台级联。

l支持标准RTSP协议。

l支持SNMP协议的网管采集。

技术兼容

l接口后向兼容:PLC监控系统平台接口提供四个版本的后向兼容。

l操作系统兼容性,兼容Windows Server 2008 R2 SP1 / Windows Server 2012 R2 / CentOS 6.2。

l应用服务器兼容:兼容Tomcat6以上。

l浏览器兼容:支持IE8,可支持IE6、IE11。

l设备接入兼容:兼容SDK、国标、e家、Onvif、PSIA等协议。

l视频传输服务兼容支持第三方标准的RTSP协议。

l视频传输管理服务兼容支持提供RTP、PS、国标封装或者原始封装的码流。

2.4.9系统清单

(表略)

未完待续。。。。


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有正智慧管廊设计方案实例(2)

第2章 全段管廊系统设计方案

2.1项目概况

从系统层次上分为控制中心和综合管廊两部分。

控制中心

控制中心的千兆工业以太网交换机通过单模光纤与管廊现场区域控制单元(ACU)组成千兆以太环网。控制中心设置大屏显示系统,集中显示管廊监控信息。控制中心操监控平台通过以太网络与管廊内现场的区域控制单元(ACU)通讯,获取现场各设备的状态、仪表检测数据的实时数据,必要时报警;同时,监控平台还向现场设备发出控制命令,启、停相关设备。

综合管廊

管廊现场配置监控系统终端设备如监控摄像机、IP电话、通风机、排水泵、井盖、气体传感器、红外对射设备、消防报警设备等,通过现场ACU实现各种监控设备的集成、监控数据采集以及监控设备控制等。

 

2.2系统组成

(图略)

  • 综合信息管理平台

研发定制的综合管廊在线综合信息管理平台完全基于专业全面的智慧市政体系结构进行系统的架构和设计,系统以高度的开放性各类设备的物联互通和跨系统、跨平台的数据共享。

  • 管廊环境与设备监测系统

管廊内的区域控制单元(ACU)需采集管廊区间投料口及廊道的视频影像、通风机运行工况、水泵运行工况、各种采集器的实时数据等,送至综合管廊在线监控平台软件进行集中分析、管理、存储与展示。管廊区域控制单元(ACU)还可接收综合管廊在线监控平台软件或者相关报警控制设备所发来的控制指令,并根据指令要求控制管廊现场的风机、照明、井盖、水泵等设备。

  • 视频监控系统

在管廊重要部位及出入口处安装视频监控摄像机,全面覆盖附近所有敏感区域,保证监控中心24小时处于监控状态。

  • 应急通信系统

应急通信系统通过以太网可实现各电话(含控制中心处电话机管廊现场电话)之间的相互呼叫。

  • 人员定位系统

采用超高频RFID射频识别技术、计算机处理技术、互联网通信技术等信息化技术,对人员相关的位置追溯、历史行走轨迹查询、巡检计划制订与执行。

  • 地基自动化沉降在线监测系统

基于房屋周边城市建设比较多,这些基建以及重型设备对地基房屋造成一定的影响,使地基发生不同程度的沉降、错位等问题,为了防范于未然,使地基的损伤不超过临界值,我们要时时对地基的沉降、错位情况有详细的了解,以便于日常的维护。

  • 红外对射防入侵监测系统

红外对射防入侵系统主要是对非法进出入隧道的人员进行监视和管理,目的在于防止非法入侵。如遇非法入侵能够自动报警。配以视频监控能实时而直观的观察和记录现场的实际情况。

  • 电子巡查系统

电子巡查系统是对管廊现场巡查行为进行记录并进行监管和考核的系统,是安防系统的重要组成部分,能有效地对管理维护人员的巡逻工作进行管理。

  • 出入口门禁系统

通过门禁控制,对监控中心、管廊舱室和管廊出入口等处实施出入管理,强化管廊安全防范功能。

  • 电子井盖系统

通过无线云传感网通讯系统平台实现城市井盖的实时监测与管理。该系统能够稳定、可靠地监测城市井盖的状态(异常开启、维修管理、异常闭合)。

 

2.3计算机网络系统

2.3.1系统目标

所有设备务必是全连接网络,按照安全、可靠、可运营、可扩展的原则,建设一套易于管理维护、满足工业标准应用、技术领先的网络系统。

 

2.3.2系统的设计原则与依据

  • 支持11a/n/ac和802.11b/g/n标准(wlan);
  • 支持IETF 5415 CAPWAP协议(wlan);
  • 防护等级≥IP67(wlan、路由器)
  • 支持静态路由,RIP-1/RIP-2,OSPF,BGP,IS-IS,路由策略、策略路由;
  • 支持IETF标准TRILL协议、VxLan协议;

2.3.3系统的设计思路

整体网络本着以下原则进行建设:

1)先进性:采用先进的系统架构设计理念和解决方案,充分考虑未来业务的发展,系统设计和产品选择要具有前瞻性,以适应科学决策和业务发展的需求,同时也是保护投资的重要措施。

2)标准性:系统设计时,所采用的技术手段必须遵循业界标准,特别是要提供标准接口,使系统具有较高的灵活性,方便扩展及与已有的系统互联;同时,标准性也为今后的升级或引进新技术提供了保障。

  • 可扩展性:网络将来覆盖延伸方便,扩展成本小,后期新增设备可随时、简便的接入,新业务新用户接入对整体网络影响小。
  • 开放性:系统设计时,考虑提供丰富的二次开发接口,通过应用定制,其他外围系统可通过二次开发包方便的调用平台视频资源,与平台软硬件设备实时交互,实现丰富的系统集成功能。

5)可靠性与安全性:建立完善、可靠的数据传输,系统多级访问权限,备份与恢复机制,保证7*24小时稳定运行,达到高可用的要求。

2.3.4系统结构

(图略)

1)出口层,主要用于实现管廊IT核心机房与政务网、互联网的连通性和加强管廊内部IT系统的安全性。

2)核心层,用于数据中心、出口层、汇聚层设备的核心交换,支持数据中心常用的虚拟化、数据漂移的特性,能够实现未来双活数据中心。数据中心,用于管廊服务器、存储等业务的数据交换,并且提供双万兆链路到核心,以供用户访问。网络管理区,用于网管软件的使用,不光要管理传统的网络设备,而且应该能够管理服务器、存储等IT设备。无线控制器,用于管理接入层的无线AP,实现AP的漫游,保证跨AP访问时,不需要重新进行连接。

3)汇聚层,用于汇聚接入层上联的业务,由于部署位置还是在管廊里,因此汇聚层设备应是工业级的交换机。

4)接入层,用于终端层设备的接入,如:监控摄像头、物联网终端等。由于部署位置还是在管廊里,因此汇聚层设备应是工业级的交换机。

5)终端层,用于此次管廊建设的监控、探测等终端仪器。

2.3.5系统功能介绍

下面是对各个层次网络设备介绍。

2.3.5.1出口层介绍

管廊的内部网络外联互联网和政务网,有以下几个特点:

1)容易成为DDoS攻击的目标,而且一旦攻击成功,业务损失巨大。

2)对设备可靠性要求较高,需要边界设备支持持续大流量运行,即使设备故障也不能影响网络运转。

基于以上特征,此次提供的防火墙提供如下功能:

  • 将终端层、数据中心、网络管理区划分到不同安全区域,对安全区域间的流量进行检测和保护。
  • 根据对外提供的网络服务的类型开启相应的内容安全防护功能。文件服务器开启文件过滤和数据过滤,针对邮件服务器开启邮件过滤,并且针对所有服务器开启反病毒和入侵防御。
  • 外网访问建立VPN隧道,使用VPN保护公司业务数据,使其在Internet上安全传输。
  • 开启DDoS防御功能,抵抗外网主机对内网服务器进行的大流量攻击,保证企业业务的正常开展。
  • 对内外网之间的流量部署带宽策略,控制流量带宽和连接数,避免网络拥塞,同时也可辅助进行DDoS攻击的防御

6)采用双机热备部署,提高系统可靠性。单机故障时可以将业务流量从主机平滑切换至备机上运行,保证业务持续无间断的运行。

2.3.5.2核心层介绍

核心层用于数据中心、管廊终端数据接入转发的核心区域,外联互联网和政务网,实现网络管理、无线控制等功能,设计应遵从以下几点:

1)网络架构无阻塞,适应横向流量不断增加场景。

传统网络的数据流量基本上都是纵向的,横向的流量很少,很少存在多打一的流量场景,设备缓存小且无法根据流量动态分配,云数据中心服务器之间业务是全互联的,任何两个服务器节点之间都有可能建立连接并产生业务交互,这就要求在网络带宽规划时,需要做到转发性能的位置无关性,也就是通常所说的无阻塞,这就要求设备支持大缓存并且能在不同端口之间动态调度,低时延,组网上收敛比尽可能小。

2)动态打通二层网络,网络策略跟随虚拟机一起迁移。

传统方案在虚拟机迁移后,需要人工重新配置新虚拟机的IP和MAC,这会导致业务中断,给用户带来巨大影响。分布式数据中心要求虚拟机在跨数据中心迁移前,能够动态配置网络;虚拟机迁移后,网络能够感知虚拟机新的位置,并自动生成拓扑。这就要求网络支持大二层,即虚拟即迁移的过程中保证VLAN不变,IP不变,并且相应的ACL,QOS等网络策略也跟随一起动态迁移。

3)核心层实现无线控制器与接入层的无线AP的管理功能,网管对各个网络子系统(数据中心、汇聚层、接入层、出口层)的管理。

2.3.5.3汇聚层介绍

此次网络建设由于中心机房的光纤数量不够,无法全部将接入层设备通过光纤直接连核心,因此在管廊内增加一个汇聚层,对通过接入层的设备千兆上联进行汇聚,然后万兆回传到中心机房。

大致按照每两公里部署一组汇聚,共需要5套汇聚,使用双节点,共需要10台汇聚,每台汇聚下联11台接入层设备。

具备以下几个特点:

  • 满足工业级的防爆标准,普通交换机无法满足需求。

2)由于存在多个接入层设备上联情况,需要接入层设备具备多端口的接入能力和相对于接入层设备更大的处理能力。

2.3.5.4接入层介绍

管廊建设的终端层完成两个功能:一个是监控、管廊检测数据的回传,一个是wifi的覆盖。每200米部署一套工业交换机和一个室外型AP,满足每套管廊的数据回传的需求。

应具备以下几个特点:

  • 满足工业级的防爆标准,普通交换机无法满足需求。

2)由于存在多个终端层设备上联情况,需要接入层设备具备多端口的接入能力。

3)管廊内部wifi数据通道打通

 

2.3.6系统配置说明

2.3.6.1出口层

出口层应部署防火墙,上联互联网、政务网采用单模光纤,需要配置如下:

(表略)

2.3.6.2核心层

    • 核心层部署的数据中心交换机,应支持clos架构、信元交换,提高交换网板的效率,支持VxLan、Trill等大二层协议,能够平滑实现数据迁移。
    • 核心层部署的TOR接入交换机分为两种,一种是千兆TOR交换机,一种是万兆TOR交换机,用于接入GE/10GE端口服务器及存储。
    • 核心层部署的网管,应能管理机房和此次所用的网络设备包括交换机、路由器和无线AP等。
    • 核心层部署的无线控制器,应能管理所有的管廊里的无线AP,实现无线漫游。

(表略)

2.3.6.3汇聚层

此次汇聚选择的路由器,满足工业级交换机的恶劣的环境使用标准,并且提供了高密端口汇聚功能。

(表略)

2.3.6.4接入层

接入层设备选择路由器,满足工业级交换机的恶劣的环境使用标准,并且提供了高密端口接入功能。

接入层设备选择的AP,应满足工业级的恶劣的环境使用标准,采用全向天线连接方式,提升整体覆盖密度。

(表略)

2.3.7系统接口设计

支持标准POE、POE++等接口

(表略)

 

未完待续。。。。


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有正智慧管廊设计方案实例(1)

第1章 系统设计思想

1.1设计需求

管廊按不大于200米设一个防火分区,每个分区之间设一防火隔墙,隔墙设甲级防火钢安全门。电力、通信线缆穿防火墙处设组阻火圈,给水、热力管道穿防火墙处应采用不燃材料封堵。

为了便于对上述综合廊道的运行进行科学而有效地管理,增强综合廊道的安全性和防范能力,依据可靠、先进、实用、经济的原则,规划设计了综合管廊信息化管理系统。为了便于方案说明,本方案整体划分为四大部分进行介绍:

  • 全段管廊各系统设计(所有路段包括示范段需要配套的系统)
  • 示范段扩展功能设计
  • 综合管廊开发有限公司预规划大楼需要配套的设施设计
  • 地下综合管廊综合信息管理平台(后端应用系统)

其中XX城市地下综合管廊开发有限公司预规划大楼需要配套的设施设计主要包括数据中心机房建设及指挥中心建设。由于城市地下综合管廊目前还属于一门新生事物,全国处在积极探索阶段。XX市城市地下管廊建设在结合了前期各种调研与论证基础上,同时秉承积极探索、资金节约角度,拟定在示范段水信仓内扩展部分功能以探索新系统的使用价值,以便于今后管廊建设推广与利用。由于项目的特殊性,整体项目按照涉及国家秘密的信息系统分级保护技术要求参照秘密级建设。

全段管廊内主要包括以下系统

  • 计算机网络系统
  • 环境监控系统(含温湿度、气体、液位传感器以及防火门、水泵、风机和照明联动等)
  • 视频监控系统
  • 应急通讯系统
  • 人员定位系统
  • 地基自动化沉降在线监测系统
  • 红外对射防入侵监测系统
  • 电子巡查系统
  • 出入口门禁系统
  • 电子井盖系统
  • 数据存储系统
  • 网络信息安全系统

示范段管廊内(水主要包括以下系统

  • 管廊机器人系统
  • 单兵巡查系统

数据中心机房主要包括以下系统:

  • 机房装修
  • 机房空调系统
  • 机房新风系统
  • 气体消防系统
  • 机房配电系统
  • 防雷接地系统
  • UPS不间断电源系统
  • KVM系统
  • 机房环境监控系统
  • 机柜冷通道节能系统
  • 机房布线系统
  • 屏蔽机房系统
  • 监控中心建设及辅助用房建设

指挥中心建设主要包括以下系统:

  • 装修装饰工程
  • 显示系统工程
  • 坐席工位系统
  • 会议系统

综合信息管理平台主要包括以下平台

  • 管廊建设管理平台
  • 管廊日常综合管理平台
  • 管廊应急指挥平台
  • 管廊运营管理平台
  • 信息化支撑服务平台
  • 统一数据交换平台
  • 地下管廊分段管理中心平台

1.2设计目标

针对此项目的特殊要求,我司特制订如下设计目标:

  • 监控数据集中管理

综合管廊在线监控系统所配置的综合监控软件为高开放性软件,可实现对现场所有监控数据的集中管理。系统的应用软件按其功能和对象采用模块化设计,各功能模块相互独立,新增或修改应用软件模块不会影响其他应用软件和系统整体运行。综合监控软件内置国际通用的技术协议(IEC61850、Modbus TCP等),具有高度开放性,既可兼容第三方厂家,方便业主根据需求后续添加新型监控设备;又可方便的与上层其他综合管理系统实现无缝对接。

  • 集中监控界面友好、真实

以管廊组态监控管理系统和360度全景监控管理系统为基础,在监控中心监控计算机的彩色大屏幕上可以非常真实地展示管廊的整体布置平面图、管廊内各设备的分布图、GIS的地理坐标定位、360度全景真实图、仪表和设备监控的实时数据、仪表和设备的报警状态及提醒标识等,让用户实时把控现场真实情况。

  • 现场设备联动控制

当现场设备运行出现异常状况时,自动联动管廊内辅助设备,实现智能化控制。比如,根据国标GB50838-2015要求,“应对通风设备、排水泵、电气设备等进行状态奸恶和控制”;“应设置防火门监控系统”等。

1.3设计原则

  • 集中监控、统一管理:所有子系统通过光纤通讯网实时的将现场监控数据传送至综合管廊控制中心的集中监控平台上,实现集中监控、统一管理。
  • 可靠性:系统采用模块化设计,在关键环节上具有备份设计,在关键的设备上能消除单点失效,能实现系统中任何单一硬、软件故障不致引起系统功能的丧失和数据丢失。系统的应用软件按其功能和对象采用模块化设计,各功能模块相互独立,新增或修改应用软件模块不会影响其他应用软件和系统整体运行。
  • 灵活性:所有子系统,可随意裁剪,可任意扩充,软件具有高度开放性,内置国际通用的技术协议(IEC61850、Modbus TCP等),可方便与其它系统无逢对接。
  • 系统先进性:本系统在光纤测温系统中采用了7项专利技术,“远程泵浦光投送”、“受激拉曼抑制”、“采用光纤同步网实现局放精确定位”等等发明或技术都属业界重大创新,处行业领先水平。
  • 可继续开发性:系统具有硬、软件逐步升级扩充能力,可以扩充数据库而不必修改软件。当硬件扩充后,软件的互操作性和交互环境的兼容性可使软件资源得到充分保护。配置的软件应能支持新开发的应用软件,和与其他系统接口匹配。
  • 安全性:系统采用分级用户权限控制,数据库支持备份,配备系统防火墙,硬件架构上专网专用,安全防护等级高。
  • 方便性:全智能化监控,实时掌握管廊运行状态,无需定期日常巡检。
  • 降低管理成本:做到多系统的综合监控、集中管理,提高了系统的高效性,降低系统的管理成本。

1.4设计依据

  • 城市综合管廊工程技术规范(GB50838-2015)
  • 国家电气设备安全技术规范(GB19577-2009)
  • 国家电网公司电力电缆运行维护与管理规范
  • 国家电网公司电缆通道管理规范
  • 国家电网公司电力电缆运行规程
  • 线型光纤感温火灾探测器(GBT 21197-2007)
  • 电力工程电缆设计规范GB50217-1994
  • 电气和电子测量和控制仪表的安全要求(ANSI-C39.5)
  • 工业控制装置及系统的外壳(NEMA-ICS6)
  • 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范(GB50058)
  • 可燃性气体探测用电气设备(GB 20936-2009)
  • 可燃气体探测器技术要求及试验方法 (GB15322-1994)
  • 自动化仪表工程施工及验收规范(GB50093-2002)
  • 自动化仪表工程施工质量验收标准(GB50131-2007)
  • 综合布线系统设计规范(EIA/ITA568A、ISO/IEC11801、CECS72-79 )
  • 电气装置安装工程施工及验收规范(GA/T75-94 GBJ232-92 )
  • 安全防范工程技术规范(GB50348-2004)
  • 安全防范工程程序与要求 (GA/T75-94)
  • 安全防范系统验收规则(GA308-2001)
  • 火灾自动报警系统设计规范(GB50116-2013)
  • 电力系统数据标记语言—E语言规范(Q/GDW 215—2008 )
  • 电力二次系统安全防护总体方案(电监安全[2006]34号)
  • 视频安防监控系统工程设计规范(GB 50395—2007 )
  • 视频安防监控系统技术要求(GA/T367-2001)
  • 视音频编解码标准(ITU H.264 )
  • 防盗报警控制器通用技术条件(GB12663-2001)
  • 出入口控制系统工程设计规范(GB50396-2007)
  • 入侵报警系统工程设计规范(GB50394-2007)
  • 其它相关现行的国家和行业标准规范。

未完待续。。。。


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如何设计管廊环境与设备监控系统

综合管廊环境与设备监控系统,其实也是对整个综合管廊内部环境进行全方面监控的一种设置,在这种设计当中有更多的状态和参数,然而在设计的同时,同样也要对多功能基站准确及时地反映相关的信息,并且他们要把这一些信息集中到一些信息平台当中,方便值班人员从这些信息里面发现一些环境与设备问题,及时地排除故障,这样才能够保证综合管廊内部的平稳运行。

其实综合管廊环境与设备监控系统在设置的过程当中,主要由一些不同的设备组成,包括环境监控,设备监控,多功能基站,智能led显示器等等,这些设备在组成的同时,也有着严格的组成标准,根据目前整个综合管廊的环境监控的一些规范性的要求,每一个综合管廊每隔两百米的范围就应该设置一些相关的逃生口,通风口,防火门以及人员的进出口等等。

在每一个防火区域当中的出入口以及通风口当中,必须要安装一些气体的监测器,温度的检测器,水位的监测器,烟雾的监测器,同时这也要实现一些自动化控制的对接,而且要检查一下整个信号就近的附属单元,通过以太网对整个计算机进行全方位的监控。在监控的同时,把这些监控信息全部反映在一些监控中心的控制室上,然后,上面有具体的关于整个综合管廊内部的一些温度的含量,包括一些湿度的含量。

一旦整个探测器在设置的过程当中探索到了一些比较危险的气体,那么周围的一些作业人员会在第一时间看到这些警告,然后在每个防火区都会有一些信息提示,并且这些信息提示是以报警的方式来提醒周围的人群。

在整个综合管廊环境与设备监控系统当中,每一个防火区域在布置一些照明系统,风机系统,排水泵,红外线入侵这些报警装置的过程当中,他们都会对一些数据进行有效的采集,对仪表和设备进行有关的信息采集,并且监测一些报警信号,通过多功能机载平台统一的进行传送,多功能平台在接受这些命令的同时,能够有效地对所有的信息进行反应,并且,他也能够通过远程控制的方式有效地来对相应的防火分区进行照明设备的控制。来对他们的开关进行分合。


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室内定位系列(一)——WiFi位置指纹

来源:网络

摘要

GPS难以解决室内环境下的一些定位问题,大部分室内环境下都存在WiFi,因此利用WiFi进行定位无需额外部署硬件设备,是一个非常节省成本的方法。然而WiFi并不是专门为定位而设计的,传统的基于时间和角度的定位方法并不适用于WiFi。近十年来,在室内WiFi场景下的定位中,位置指纹法被广泛研究和采用。本文对WiFi位置指纹法进行综述,提出了这个领域面临的挑战,介绍最新的研究,以及提供一些实际的指导。

介绍

室内环境下的定位一直是一个很多问题未被解决的领域。由于信号的严重衰减和多径效应,通用的室外定位设施(比如GPS)并不能在建筑物内有效地工作。定位准确性也是一个问题,GPS也许可以指出移动设备在哪一个建筑物,但是室内场景下,人们希望得到更精确的室内位置,这需要更精密的地图信息和更高的定位精度。

我们可以在室内搭建一套完整的基础设施用来定位,但是这样需要很大的代价,包括定位信号占用的频谱资源、用于感知定位信号的嵌入在移动设备中的额外硬件、安装在固定位置的用来发送定位信号的锚节点。因此,大家倾向于使用那些已有的被广泛部署的无线设备去实现室内定位。

基于无线信号的定位方法首先考虑的是使用WiFi(基于IEEE802.11标准的WLAN)作为基础定位设施。现在,包括智能手机、笔记本电脑在内的大部分移动通信设备都内嵌了WiFi模块。实际上,WiFi已经被广泛地在室外定位与导航中使用(通过智能手机以及被维护的wifi热点位置与其对应的mac地址的数据库进行查找,很多公司有维护这样的数据库,包括Google、Apple、Microsoft,以及Skyhook这样的定位服务提供商等等)。其他还有一些技术,比如用蓝牙、RFID、移动电话基站信号等,也可以用来实现室内定位,但是它们不像WiFi这样到处都有,因此流行程度不如WiFi。移动电话信号并不能在所有的室内场景下都能稳定传播,使用RFID需要额外的安装硬件的花费,此外,基于超声波的定位技术使用在一些实验性的工作中,而实际利用超市波的商用设备很少,因此实际应用并不多。

WiFi广泛使用在家庭、旅馆、咖啡馆、机场、商场等各类大型或小型建筑物内,这样使得WiFi成为定位领域中一个最引人注目的无线技术。通常,一个WiFi系统由一些固定的接入点(AP)组成,它们部署在在室内一些便于安装的位置,系统或网络管理员通常知道这些AP的位置。能连接WiFi的移动设备(比如笔记本电脑、移动电话)相互之间可以直接或间接地(通过AP)通信,因此可以考虑在通信功能外同时实现定位功能。但是WiFi信号并不是为定位而设计的,通常是单天线、带宽小,室内复杂的信号传播环境使得传统的基于到达时间/到达时间差(TOA/TDOA)的测距方法难以实现,基于到达信号角度的方法也同样难以实现,如果在WiFi网络中安装能定向的天线又需要额外的花费。因此,近年来大家详细研究的主要是位置指纹方法。

本文涉及的是在室内环境下的定位,提供一些使用WiFi的接入点和移动设备进行位置指纹法定位的指导。本文包括:WiFi位置指纹法的基本概念,WiFi如何用于定位,使用WiFi的位置指纹算法,存在的挑战和性能方面的问题,以及WiFi位置指纹法中其他的一些事项。

位置指纹法的基本概念

“位置指纹”把实际环境中的位置和某种“指纹”联系起来,一个位置对应一个独特的指纹。这个指纹可以是单维或多维的,比如待定位设备在接收或者发送信息,那么指纹可以是这个信息或信号的一个特征或多个特征(最常见的是信号强度)。如果待定位设备是在发送信号,由一些固定的接收设备感知待定位设备的信号或信息然后给它定位,这种方式常常叫做远程定位或者网络定位。如果是待定位设备接收一些固定的发送设备的信号或信息,然后根据这些检测到的特征来估计自身的位置,这种方式可称为自身定位。待定位移动设备也许会把它检测到的特征传达给网络中的服务器节点,服务器可以利用它所能获得的所有信息来估计移动设备的位置(翻译存疑…),这种方式可称为混合定位。在所有的这些方式中,都需要把感知到的信号特征拿去匹配一个数据库中的信号特征,这个过程可以看作一个模式识别的问题。

位置指纹由什么组成?

位置指纹可以是多种类型的,任何“位置独特”的(对区分位置有帮助的)特征都能被用来做为一个位置指纹。比如某个位置上通信信号的多径结构、某个位置上是否能检测到接入点或基站、某个位置上检测到的来自基站信号的RSS(接收信号强度)、某个位置上通信时信号的往返时间或延迟,这些都能作为一个位置指纹,或者也可以将其组合起来作为位置指纹。下面我们介绍两种最常用的信号特征(Bahl and Padmanabhan, 2000; Pahlavan and Krishnamurthy 2002):多径结构、RSS。

多径结构

载频比较大(比如大于500Mhz)的无线电信号的传播可以近似看作是光学射线的传播(Pahlavan and Krishnamurthy 2002)。无线电信号传播时,这些“射线”可以在光滑的平面(比如建筑物的墙壁、地板)上进行反射,遇到锐利的边缘会发生衍射,遇到小型的物体(比如树叶)会发生散射。发射源发出的无线电信号可以通过多条路径传播到同一位置,因此在一个位置上会接收到多条射线,每条射线有不同的能量强度和时延。时延取决于射线传播的距离,强度取决于距离和具体的传播情况(反射、衍射等)。每条到达接收器的射线称为一个多径分量,信道的多径结构指的是这一组(多条射线)信号强度和时延。多径结构也称作功率时延分布,图1是一个典型的功率时延分布的例子,其中,有6个有效的多径分量,功率和时延分别为   

                                 

图1 功率时延分布

如果信号的带宽足够大(比如使用直接序列扩频技术或者超宽带技术),那么在接收器上可以分解和处理各个多径分量。某个位置上得到的多径结构取决于实际的环境,是独特的,能够被用来作为位置指纹。Ahonen and Eskelinen (2003)提出了这种方法定位3G UMTS网络中的手机,他们的研究结果指出,使用这样的多径结构作为位置指纹可以达到67%的情况下25m以内的定位精度,以及95%的情况下188m的定位精度,这样的定位性能满足了FCC的关于手机定位的E-911要求。

接收信号强度(RSS)

信号的RSS或者接收功率取决于接收器的位置。RSS的获取很简单,因为它是大多数无线通信设备正常运行中所必需的。很多通信系统需要RSS信息用来感知链路的质量,实现切换,适应传输速率等功能。RSS不受信号带宽的影响,没必要高的带宽(大多数通信方式的信号带宽都比较窄),因此RSS是一个很受欢迎的信号特征,并广泛应用于定位中。

假设有一个固定的信号发射源,在离它不同距离的位置上的平均RSS的衰减(in db)和距离的对数成正比,在最简单的情况下,RSS可以表示为:

     

其中, 称为路径损耗指数,   为发送功率, 

是一个取决于环境和频率的常数。RSS可以被用来计算移动设备与AP(或基站)之间的距离,那么这个提取出来的距离是否可以用来做移动设备的三边角测量从而定位呢,可以,但是定位误差可能会很大,因为RSS的变动范围可能会很大(注意上面的公式中RSS指的是某个距离的可能RSS的平均),这是由实际环境的影响造成的(称为阴影衰落)。因此这种基于RSS测距的三边角方法并不是一个好的解决方案。

然而,如果一个移动设备能接收到来自多个发射源的信号,或者固定的多个基站都能感知到同一个移动设备,那么我们也许可以使用来自多个发射源或者多个接收器的RSS组成一个RSS向量,作为和位置相联系的指纹。这个就是本文描述的典型的WiFi位置指纹。大多数WiFi的网卡可以测得来自多个AP的RSS(可能是依次测量)。现在在大多数室内场景,移动设备常常可以检测到多个AP,因此使用来自多个AP的RSS作为位置指纹是有意义的,后文以此方法为基础。

注意到RSS本身就是在一段时间内计算或测得的,因此只采集一个RSS样本是不合理的。在WiFi网络中,AP常常要发送一个beacon帧,包含了一些网络信息、服务组ID(无线网络的名字)、支持的传输速率,以及一些其它的系统信息。这个beacon帧是用在WiFi中的很多的控制帧之一,它大约100ms发送一次,RSS通常是使用这个beacon帧来测量的。beacon帧是未加密的,所以即使是一个封闭的网络(移动设备未能连接上)也能用来定位。beacon帧接近于周期性地被发送,但并不是完全周期性的,当检测到传输媒介阻塞的时候需要延迟发送,一旦检测到不阻塞的时候就发送,下一次发送还是会在之前预计的100ms时刻,即使离上一次发送还不足100ms。更进一步,如果AP工作在多个信道上,为了避免冲突,在测量RSS之前,移动设备必须花时间扫描各个信道。WiFi标准(IEEE 802.11)指定了2.4GHz频带的11个信道以及更多的5GHz频带的信道。尽管在一个地理区域中使用多个信道的情况并不罕见,但实际WiFi仅仅使用2.4GHz频带中三个不重叠的信道。关于WiFi和IEEE 802.11标准的更多细节可以参阅(Perahia and Stacey 2008)。

由测量值和指纹库估计位置

使用位置指纹进行定位通常有两个阶段:离线阶段和在线阶段。在离线阶段,为了采集各个位置上的指纹,构建一个数据库,需要在指定的区域进行繁琐的勘测,采集好的数据有时也称为训练集。在在线阶段,系统将估计待定位的移动设备的位置。接下来我们将对这两个阶段进行更详细的描述。需要注意的是,室内定位中所得到的位置坐标通常是指在当前环境中的一个局部坐标系中的坐标,而不是经纬度。

离线阶段

位置和指纹的对应关系的建立通常在离线阶段进行。最典型的场景如图2.2所示,地理区域被一个矩形网格所覆盖,这个场景中是4行8列的网格(共32个网格点),2个AP。这些AP本来是部署在这里用来通信的,也可以用来做定位。在每一个网格点上,通过一段时间的数据采样(5到15分钟,大约每秒采集一次)得到来自各个AP的平均RSS,采集的时候移动设备可能有不同的朝向和角度。这个例子中,一个网格点上的指纹是一个二维的向量     ,其中   是来自第i个AP的平均RSS。在后面会看到,我们也可以记录RSS样本的分布(或者其他的一些统计参数,比如标准差)作为指纹。简单起见,后文没有特别说明的情况下都认为指纹是RSS样本的均值。

这些二维的指纹是在每个网格点所示的区域(如图2)采集到的,这些网格点坐标和对应的指纹组成一个数据库,这个过程有时称为标注阶段(calibration phase),这个指纹数据库有时也称为无线电地图(radio map)(译者注:后面都简称为指纹库),表1是这个指纹库的一个局部。图2右边的部分在二维向量空间(后文都统一称作信号空间)中展示了这些指纹。在更一般的场景下,假设有 个AP,那么指纹 是一个 维的向量,这在信号空间中就难以画出来了。

尽管RSS样本的坐标点是实际物理空间中的直角网格点,但是位置指纹在信号空间中不会这样有规律。我们之后会看到,呈直角网格的位置点转换到信号空间中后变成了一些没有规律的模式。有些信号向量即使在物理空间中离得很远,在信号空间中却有可能很近,这会增加错误的几率。因此,指纹采集的有些部分也许没有什么用,甚至有时会对定位效果不利。

在线阶段

在在线阶段,一个移动设备处于这个地理区域之中,但是不知道它的具体位置,它甚至不太可能正好处于网格点上。假设这个移动设备测量到了来自各个AP的RSS(在图2的例子中,仅仅能测量到两个AP的RSS)。这里我们假设只测量到一个样本,当来自各个AP的RSS都被测量到的时候,RSS向量的测量值被传输到网络中。设图2中的例子中RSS向量的为     。要确定移动设备的位置,就是要找到在指纹库中找到和 最匹配的指纹 。一旦找到了最佳的匹配,那么移动设备的位置就被估计为这个最佳匹配的指纹所对应的位置。比如,如果 ,那么最匹配的样本是表1中的第一项,移动设备被定位在坐标 。在更一般的情况下,向量  维的。

以上的讨论对坐标、指纹、测量值、匹配向量  做了很多的简化。后文我们考虑一些更详细的问题。首先从匹配  的算法开始。

基于位置指纹的定位算法

基于位置指纹的定位通常分为两种类型。一种是确定性的算法,比较信号特征(比如向量 

)和存在指纹库中的预先计算出来的统计值。另一种是是概率性的算法,计算信号特征属于某个分布(存储在指纹库中)的可能性。下面介绍一些基本的方法,但并不进行详尽的综述。

确定性的定位算法

微软在2000年最早开始进行WiFi位置指纹法定位的研究工作(Bahl and Padmanabhan 2000),他们使用RSS向量 

与指纹向量 的欧氏距离去确定移动设备的位置。假设位置指纹是 维的,也就是说有 个可见的AP,M个网格点,这样指纹库里面有M个指纹。

这样的话,最简单的定位算法可以描述如下:在指纹库中的M个指纹中,找到在信号空间中与RSS观测值的欧氏距离最近的指纹,然后将它所对应的位置坐标作为移动设备的位置。这个使用欧氏距离的方法也叫做在信号空间中找到最近邻,因为目标是在信号空间中找到一个离RSS观察值最近的指纹。图2的右边展示了这个方法的基本原理,其中,五角星代表RSS观测值,圆代表信号空间中的位置指纹。决策边界可以使用泰森多边形的方法画出来,信号空间中每个泰森多边形包含的区域距离这个位置指纹最近。RSS观测值所处的泰森多边形区域中的位置指纹的位置,作为定位结果。

后文我们将看到,不是所有的位置指纹都是可靠的,一个更复杂的指纹库可能还包括了RSS的标准差信息,或者给了每个AP不同的权值,这样的话,我们可能要使用加权的欧氏距离,有时可能要对整个指纹加一个权值,有时需要对指纹的每个元素分别加一个权值。此外,其他的距离度量(比如曼哈顿距离或者马氏距离)也常常被用来做定位。

概率性的定位算法

最早的基于WiFi位置指纹的概率性定位算法是Youssef et al. (2003).提出的,基本的思路是,如果简单地使用一个RSS样本的统计量(比如RSS的均值)可能会带来误差,因为实际的RSS值应该是一个分布。因此,我们可以使用联合概率分布(有多个AP,所以是联合概率分布)来作为指纹。通过采集RSS样本获取联合概率分布并不是一个简单的事情,因为来自各个AP的RSS之间的相互关系不明显。他们假设这是独立的(这种假设是合理的),然后简单地使用RSS的边缘分布的乘积作为联合分布。假设观测到的RSS向量为         

,估计位置时将选择一个网格点,这个网格点上有最大的概率可能产生这个 。对于给定的 ,可以使用贝叶斯准则来估计移动设备的位置,计算出所有的网格点这个概率,然后选择最大概率的那个网格点作为移动设备的位置。

指纹的聚类

以上有一个问题没有考虑到,并不是所有的网格点上都总能能检测到同样的一组AP。Youssef et al. (2003)最早对这个问题进行的描述
,Swangmuang and Krishnamurthy (2008b)考虑了不同的一些聚类的方式。Youssef et al. (2003)的工作基于各个AP的平等性来给网格点分组。分享同一组AP的网格点被认为是一个簇,簇的确定是基于各个网格点上能看到这些AP的概率,因此这个方法也叫做“联合聚类”或者作者所称的JC技术。Swangmuang and Krishnamurthy在信号空间中对指纹进行聚类,可以减少指纹搜索的复杂度,因此,他假设所有的位置都能看到同样的一组AP。

其他

其他很多模式匹配算法都可以应用于WiFi位置指纹法。包括贝叶斯推理、统计学习理论、支持向量机、神经网络等。(参考文献很多,比如Battiti et al. 2002).

位置指纹法的性能

这一部分,我们考虑位置指纹法的定位性能(精度和准确度),分析指纹数据采集的工作量以及如何去减少工作量。我们首先分析为什么使用位置指纹法定位会存在误差,然后描述一些论文中报告的误差性能分析的结果。

造成误差的原因

在最理想的情况,观测RSS应该和它匹配到的指纹非常接近,同时这个指纹所对应的位置和移动设备的实际位置非常接近。但实际情况往往不是如此,有几个原因会造成显著的误差。

无线电传播的复杂性

无线电的传播很容易受到环境影响,特别是在室内区域或者城市的高楼之间。图3显示了连续测得的一组RSS样本,这个例子使用的是一个笔记本电脑,当用户正常坐着工作的时候它测得某个AP的RSS,持续几分钟。很显然,RSS随时间变化,而且有时变化得很显著。不过在五分钟内RSS的变化基本不会超过20dB。人的朝向对移动设备测量到的RSS有显著的影响。来自不同供应商的网卡计算RSS的方式也有些不同,这个也会造成RSS测量上的不一致。RSS的分布可能是不平稳的,因此,当测量到观测向量 

时,它有可能会匹配到离真实位置较远的位置指纹,这一点超过了本文要描述的RSS特性的范围。感兴趣的读者可以参考Kaemarungsi and Krishnamurthy (2004b, 2011),其中针对室内定位详细地分析了WiFi的RSS的特性。

删失数据(Censored Data)

之前提到过,并不是在所有的位置都总能检测到所有的AP。比如,在采集数据的时候,在一个网格点上只有三个AP是可见的,但是在在线定位阶段移动设备检测到了4个或5个AP。在这种情况下,增加指纹的维度是有益的,因为可以使得网格点在信号空间中互相区分开。然而有些信号的不可靠会使得定位算法这样难以准确定位。当然,指纹库也可以有AP的一些其他信息(比如每个AP的Mac地址),但是删失数据的处理并不简单。Youssef et al. (2003)尝试每次都只使用 

个AP,忽略掉其他可见的AP。这 个AP通过信号的可靠性来选择。这样,如果一旦选择了不合适的 

个AP,定位误差可能会很大。

误差分析

首先,我们总结一些文献中报导的误差性能分析的结果。大多数结论通过仿真或实验来确定。在Bahl and Padmanabhan的开创性工作中,AP个数为3,使用的是确定性的定位算法(最近邻),他们的中值误差在3m到6m之间,具体误差取决于使用的网格点的个数。Swangmuang and Krishnamurthy (2008a)使用了一个类似的确定性的定位算法,采用误差的累计分布函数来展示定位误差的可能性,在办公室区域内,25个网格点,3个可见的AP,90%的可能性定位误差小于4m。Youssef et al. (2003),采用了一个联合聚类的概率性的定位方法,实验场景的尺寸大约为68m*26m,构建指纹库共使用了110个网格点,大多数指纹是随着走廊采集的,cdf曲线显示90%的概率误差小于2.1m。

接下来讨论的问题中,对于位置指纹定位误差的分析考虑很少。最早分析位置指纹法的定位性能的是Kaemarungsi and Krishnamurthy (2004a),他们假设RSS样本服从正态分布,样本的均值就是正态分布的均值,不同AP的RSS的正态分布的方差是一样的。这种假设使得性能分析变得简单。实际中,RSS的分布不是高斯分布((Kaemarungsi and Krishnamurthy 2004b, 2011).)。图4显示了两个RSS的直方图,一个距离AP比较近,一个距离AP比较远。第一个分布是左偏的,第二个分布更加对称,可以近似建模成一个高斯分布。RSS分布的方差也并不是一样的。Kaemarungsi and Krishnamurthy 2011的工作表明:距离AP越远,方差越大。因此,上面那个简单的假设在现实中不一定有效。Kaemarungsi and Krishnamurthy 2004a的工作对(Swangmuang and Krishnamurthy 2008a)做了进一步的延伸,其中的分析结果和仿真实验的误差cdf是匹配的,特别是当定位误差为几米的时候。因此,即使这些假设做了一些简化,分析结果也可能是有用的。这些分析可以用来评估增加位置指纹的维度带来的边边际效益,以及简单场景下((Kaemarungsi and Krishnamurthy 2004a).)路径损耗指数的影响。

 

其他的一些问题

这部分我们简单地考虑一些之前没有谈到的和WiFi位置指纹法相关的其他问题,包括减少能力消耗、吞吐量问题、延迟和安全。

多种技术的使用

随着移动设备(特别是智能手机)越来越多地被安装多种无线技术(比如,有些设备同时有蓝牙、RFID、近场通信),使用多种技术来定位是合理和可行的。有一些文章考虑同时使用GSM和室内的WiFi,但在使用多种技术融合位置指纹定位中还没有全面的研究。

减少能量损耗

通过有效的通信协议来减少移动设备通信的能耗是这几年的一个研究领域(Pahlavan and Krishnamurthy 2002)。因为GPS在手机上消耗了很多的能量,最近有一些工作试图让定位过程更加节能。Paek et al. (2010)提出了智能手机的GPS速率自适应的定位,这里的想法是通过减少GPS的忙闲度,这样降低了定位准确性,但是能够节省能耗。但是GPS并不能在各种地方都能定位准确(比如,在城市区域定位精度会降低),在室内可能根本不可用。系统通过检测是否室内或城区,可以关掉GPS或者降低忙闲度来延长手机中电池的寿命。Lin et al. (2010)建议使用低能量的定位模式(比如使用WiFi而不是GPS)来减少能耗,但是同样也可能会带来准确度的降低。

吞吐量

当WiFi被用来定位的时候,移动设备要花费很多时间来扫描WiFi信号,这会暂时中断数据的传输,从而影响吞吐量。King and Kjaergaard (2008)研究发现,在用户没有移动的时候减少扫描WiFi的周期,使得吞吐量增加到了122%,丢包率为原来的73%。将扫描速度与用户是否移动联系起来,当检测到用户移动的时候,让扫描速度增加,否则设备就不扫描,因为我们假设没有检测到移动的时候用户的位置不会改变。

延迟

当有很多的定位请求的时候,WiFi定位系统的容量和延迟也是一个需要考虑的问题,但目前这个方面似乎还没有相关的研究工作。time-to-first-fix(首次定位时间)这样的度量在WiFi指纹定位中不存在(GPS定位中,首次定位时间比较长)。当请求的数量较小的时候,WiFi中粗粒度的位置估计速度比GPS快很多,GPS通常需要几秒有时甚至需要几分钟得到一个位置。

安全性

大量的设备都支持WiFi,而且WiFi信号的监控非常简单,如果为了恶意目的而创建监控这些设备的网络,则可以基于它们的MAC地址和RSS值来跟踪大量设备,这将导致严重的用户隐私问题。Husted and Myers (2010)的工作中就尝试了创建一个“恶意网络”来跟踪移动设备。


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综合管廊人员定位—WIFI定位法

来源:网格

WIFI定位方法基本上可以分为两大类:

1.不基于RSSI
TOA(time ofarrival)
TDOA(time difference of arrival)
AOA(angle of arrival)
但是这些值的获取需要特殊的wifi模块,在智能机上无法获取,因此这类方法无法使用。

2.基于RSSI

在智能手机上,可以通过系统SDK获取到周围各个AP(Access Point)发送的信号强度RSSI及AP地址,利用RSSI来定位目前看来是最可行的方法,因此下面着重介绍,基于RSSI定位主要有两个算法:三角定位算法,指纹算法。
三角定位:
如果我们已经知道了这些AP的位置,我们可以利用信号衰减模型估算出移动设备距离各个AP的距离,然后根据智能机到周围AP距离画圆,其交点就是该设备的位置。很容易发现,三角定位算法需要我们提前知道AP的位置,因此对于环境变化较快的场合不适合使用。
指纹算法
指纹算法类似于机器学习算法,分为两个阶段:
离线训练阶段
将需要室内定位区域划分网格,建立采样点(间距1~2m)
使用wifi接受设备逐个采样点采样,记录该点位置、所获取的RSSI及AP地址。
对采样数据进行处理(滤波、均值等)
在线定位阶段
用户持移动设备在定位区域移动,实时获取当前RSSI及AP地址,将该信息上传到服务器进行匹配(匹配算法有NN、KNN、神经网络等) 得到估算位置。
匹配算法有NN、KNN、神经网络等。
比较:
指纹算法相比较三角定位算法精度更高。
三角定位算法需要提前知道所有AP的位置
指纹算法需要提前绘制一幅信号Map。

总结:
智能手机基于WIFI的室内定位应用,更适合使用基于RSSI信号的指纹算法,原因在于我们不需要提前知道所有AP的位置,而且指纹算法可以应对AP位置或状态的改变。可以提前将测绘指纹数据库储存到服务器上,移动设备在定位区域将自己得到的周围AP信息实时发送给服务器,由服务器进行匹配并返回坐标位置给客户端。一旦AP状态或位置变化,只需要更新定位区域数据库而并不需要在客户端作出改变。


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