管廊火災監測與報警系統設計研究

更新時間：2024-03-13 點擊次數：1233

0引言

綜合管廊全稱地下城市管道綜合走廊，即在城市地下建造一個隧道空間，將給水、電力、熱力、通訊等各類工程管線集于一體，地上附著物為出裝口及通風口等設備，是保障現代化城市安全運行的重要基礎設施。隨著我國經濟的高速發展，城市化進程也在不斷地加快，與之配套的基礎設施建設卻相對滯后，為了統籌各類市政管線規劃、建設和管理，解決反復開挖路面、架空線網密集、管線事故頻發等問題，保障城市安全、完善城市功能、美化城市景觀，提高城市綜合承載能力和城鎮化發展質量，綜合管廊的建設近年來得到了飛速發展。由于綜合管廊深埋地下，各類管線復雜交錯，一旦出現火災事故，則必然對社會以及經濟秩序的發展造成嚴重影響，甚至造成人員傷亡，因此對于綜合管廊內的火災監測與報警系統的設計研究具有重要的現實意義。

1系統總體設計方案

該系統設計以實現城市綜合管廊火災監測與報警為目標，對城市綜合管廊內的消防安全進行管控設計。該設計主要包括系統硬件設計、CAN網絡的組建以及上位機軟件設計，系統總體架構圖如圖1所示。該系統終端（管廊內各防火分區）配有多種類型的采集模塊以實現融合監測，這些采集模塊與ESP-12F單片機相連，ESP-12F通過自身搭載的ESP8266模塊與上一層的區域子控制器（GD32處理器搭載ESP01WiFi模塊）相連，區域子處理器使用CAN總線技術與本地服務器連接，本地服務器進行數據處理后通過互聯網發送至云平臺。監測人員可以通過手機、電腦等設備實時查看、處理相關數據。

圖1系統總體架構圖

2系統硬件設計

該系統的硬件設計主要包括終端采集模塊以及區域子控制器的設計。終端采集模塊控制器的中控芯片選擇的是I/O口較多、類型豐富的ESP-12F單片機，它擁有兩個全雙工的串行通信接口，可以與WiFi模塊間進行數據的交換傳輸，能充分滿足組網的要求。ESP-12F單片機連接感溫模塊、感煙模塊，以便實時將相關信息傳送出去。感煙模塊選擇的是能耗較低的MQ2感煙模塊，具有探測范圍廣、靈敏度高、穩定性好、壽命長等優點。感溫模塊采用的是DS18B20數字溫度傳感器，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高的優點。所有探測器均根據GB50116―2013《火災報警系統設計規范》以及GB50838―2015《城市綜合管廊工程技術規范》中的要求進行敷設。

區域子控制器在該系統中起到承上啟下的作用，它的核心選用了實用性強、價格低廉的國產GD32F103CBT6單片機。電路部分主要包括電源電路、濾波電路、復位電路以及ESP01電路等子電路。區域子控制器與管廊內各防火分區的終端采集模塊建立通信，完成數據傳輸后通過CAN總線將數據上傳到本地服務器。

3 CAN網絡的組建

完成該系統設計的關鍵是解決系統內部間的數據傳輸問題，該設計主要是針對城市綜合管廊的火災監測與報警而提出，因此設計時要充分考慮到管廊內的復雜情況。例如某些綜合管廊的跨度很大，是否會影響通信的穩定性。而CAN總線的*通信距離能夠達到10km，足以滿足大部分管廊的通信問題。因此選擇利用CAN總線解決通信問題。CAN總線又叫控制器局域網總線，是一種用于實時應用的串行通訊協議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號。由于管廊覆蓋面積廣，所以需要布置大量的區域子控制器，而CAN總線上的*節點數可達110個，能充分滿足大量區域子控制器的數據傳輸。

在區域子控制器設計了CAN總線通信電路來實現它與本地服務器之間的通信。通信電路的核心是TJA1050，TJA1050是一款高速CAN信號收發器，可將單片機信號轉換為CAN總線收發器所需的CAN電平。收發器共有8個引腳，引腳示意圖如圖2所示。

圖2 TJA1050芯片管腳示意圖

4上位機軟件設計

4.1軟件總體設計

該設計使用了VisualStudio2022作為上位機軟件的開發環境，它是Windows平臺應用程序的集成開發環境，也是開發人員常用的開發工具之一。USB-CAN的接口卡選的是北京愛泰公司的產品，型號為USBCAN-I+，因此需要安裝北京愛泰公司USBCAN驅動才能使用它。上位機程序通過調用北京愛泰公司提供的usbcan.dll動態鏈接庫文件，便可以實現對USBCAN-I+的開啟、關閉，讀取和發送CAN數據等功能，實現上位機軟件到控制器硬件之間的數據通信。同時上位機程序利用數據庫提供的動態鏈接庫MySql.Data.dll進行操作，實現了上位機軟件連接阿里云數據庫，對阿里云數據庫進行增刪查改等操作，完成本地主機和阿里云平臺之間的數據傳輸交換。上位機界面和接收數據流程圖如圖3所示。

圖3上位機界面示意圖

打開軟件運行程序后，首先會進入初始化環節，進行USBCAN設備的檢測，當檢測到設備后，開啟設備并獲取設備參數，沒有檢測到設備時，需要等待設備連接，連接后點擊連接按鍵開啟設備讀取參數，緊接著開啟接收數據中斷，程序正常運行。程序從USBCAN設備讀取數據并將數據傳送至阿里云數據庫。軟件接收數據流程圖如圖4所示。首先程序會定時查詢USBCAN設備有無數據傳來，直到檢測到數據，進行數據接收、處理數據，上位機軟件顯示數據，同時將數據通過編寫C#命令發送至阿里云數據庫。

圖4軟件接收數據流程圖

4.2三邊測量定位算法

綜合管廊深埋地下，內部空間狹小且情況復雜，難免會發生各類故障問題，因此管廊內部經常有維修人員或運維員工的出入，當發生火災時，首先要保障人員的生命安全，因此提出使用三邊測量定位算法來確定人員位置進而實施救援。利用ESP8266模塊作為節點，用于測得節點與管廊內人員的距離。因為使用的是三邊測量定位算法，所以需要三個節點與人員之間的距離信息。具體測量方法：假設測得三個節點與人員的位置信息，三個節點位置分別為（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），被困人員距離節點的距離分別為R1、R2、R3，代入方程組：

求解方程組解得的（xm，ym）為m時刻人員所在位置的二維坐標，隨著不斷的采集，信息的不斷完善，控制室便可根據人員的位置信息的移動，繪出人員的移動軌跡，從而確定人員的*位置，保障被困人員的生命安全。

5 AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺

5.1平臺概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控制、環境監測于一體，為建立可靠、安全、*的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網絡、系統架構、聯動控制和綜合數據服務等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內部干擾性強、使用單位多及協調復雜的根本問題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環境和設備的使用和恢復效率。

5.2平臺組成

安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統是一個深度集成的自動化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所環境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進行進行集中監控、統一管理、統一調度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩定、*、有序的要求。

5.3平臺拓撲

5.4平臺子系統

5.4.1電力監控

電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

5.4.2環境監測

環境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內的水泵和通風排煙風機等設備集成的三方系統完成管廊環境綜合監控。

5.4.3電氣安全

AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門狀態傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

5.5相關平臺部署硬件選型清單

5.5.1電力監控及配電室環境監控系統

應用場合（10KV）		產品	型號	功能
	10KV進/饋線		AM6-L	相間電流速斷保護，相間電流速斷保護（可帶低壓閉鎖），相間過電流保護（可帶低壓閉鎖），兩段式零序過流保護，反時限相間過流保護（可帶低壓閉鎖），零序反時限過流保護，過負荷保護，控制回路異常告警。
	10/0.4KV變壓器		AML-S	分合閘位置、手車工作/試驗位置、接地刀閘位置、硬接點信號(保護跳閘、裝置告警、控制回路斷線、裝置異常、未儲能、事故總等)、報文(過流、過負荷、超溫報警、過溫報警、裝置告警、PT斷線、CT斷線、對時異常等)、遙控開關、故障波形分析(故障錄波、故障波形、故障記錄、跳閘、故障電流電壓)等。
	智能操控裝置		ASD500	一次回路動態模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、自動溫濕度控制及顯示（標配一路強制加熱）、遠方/就地旋鈕、分合閘旋鈕、儲能旋鈕、人體感應、柜內照明控制、RS485接口、高壓柜內電氣接點無線測溫。
	10KV計量		PZ72L- E4/UT	該儀表采用交流采樣技術，能分別測量電網中的電流、電壓、功率、功率因數和電能等參數，可通過面板薄膜開關設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協議;也可將電量信號轉換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關量輸入/輸出，繼電器報警輸出等功能。具有許昌開普研究院有限公司、繼電保護及自動化設備質量監督檢驗*檢測合格的型式檢驗報告證書和電磁兼容檢驗證書，產品防護等級均達到IP65，符合管廊綜合監控系統中對相關產品功能、防護等級及電磁兼容的要求。
應用場合（0.4KV）		產品	型號	功能
	0.4KV進/出線		PZ72L- E4/UT	該儀表采用交流采樣技術，能分別測量電網中的電流、電壓、功率、功率因數和電能等參數，可通過面板薄膜開關設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協議;也可將電量信號轉換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關量輸入/輸出，繼電器報警輸出等功能。具有許昌開普研究院有限公司、繼電保護及自動化設備質量監督檢驗*檢測合格的型式檢驗報告證書和電磁兼容檢驗證書，產品防護等級均達到IP65，符合管廊綜合監控系統中對相關產品功能、防護等級及電磁兼容的要求。
	無功補償		ARC	測量I、U、Hz、cosΦ，具備過電壓保護、欠流鎖定、電網諧波過大保護功能,可控制電容器的投切，RS485/Modbus協議
			ANSVC	ANSVC低壓無功功率補償裝置并聯在整個供電系統中，能根據電網中負載功率因數的變化通過控制器控制電力電容器投切進行補償,無功功率補償裝置采用散件組成方案，主要以電容電抗、投切開關、控制器等組成。
			ANSVG	補償方式:線性補償，全響應時間<5ms，瞬時響應時間≤100us;補償效果:≥0.99，可補償容性無功和感性無功，濾除5、7、9、11、13次以內的諧波;自身損耗:≤2%，效率:>98%;監控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過PC機實時監控;具有人性化的人機交互界面，可通過該界面看到系統和本體的實時電能質量信息，操作簡單，可以遠控，也可以本控;標準模塊化設計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。
	溫濕度控制器		WHD72- 11/UT	智能型溫濕度控制器以數碼管方式顯示溫濕度值，有加熱器、傳感器故障指示、變送功能、帶有RS485通訊接口可供遠程監控，用戶可通過按鍵編程自行設定系統參數。該儀表集測量、顯示、控制及通訊于一體，精度高、測量范圍寬，是一種適合于各個行業和領域的溫濕度測量控制儀表。具有許昌開普研究院有限公司、繼電保護及自動化設備質量監督檢驗*檢測合格的型式檢驗報告證書和電磁兼容檢驗證書，產品防護等級均達到IP65，符合管廊綜合監控系統中對相關產品功能、防護等級及電磁兼容的要求。
智能網關			Anet系列	8個RS485串口2kV隔離，2個以太網接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通訊協議設備的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上傳協議、支持多*不同數據服務要求，支持斷點續傳，裝置電源:220VAC/DC。
應用場合（配電室）		產品	型號	功能
環境監測	溫濕度		/	用于配電房溫度和濕度。工作電源：AC/DC85～265V工作溫度：-40.0℃～99.9℃工作濕度：0%RH～99%RH
	煙霧		/	光電式煙霧傳感;電源正極（DC12V）：+12V，繼電器輸出：常開觸點
	水侵		/	接觸式水浸傳感器，監測變電所、電纜溝、控制室等場所積水情況，工作電源：DC10-30V工作溫度：-20℃~+60℃工作濕度：0%RH~80%RH響應時間：1s繼電器輸出：常開觸點
	局方檢測		/	監測變壓器、開關、開關柜的局部放電
	門禁		/	常開型；感應距離：30-50mm材質：鋅合金，銀灰色電度干接點輸出
	攝像機		/	視頻監控
	開關量模塊		ARTU-KJ8	8路開關量輸入,8路繼電器輸出
智能網關			ANet-2E4SM	4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴展模塊，485擴展模塊,可擴展16路。

5.5.2電氣火災監控系統

應用場合		產品	型號	功能
各變電所	0.4KV出線		ARCM200 系列	用于檢測TN-C-S、TN-S及局部TT系統中的剩余電流、溫度等電氣參數，從而預防電氣火災的發生。
各艙室	末端配電箱		ARCM300 系列	用于檢測TN-C-S、TN-S及局部TT系統中的剩余電流、溫度等電氣參數，從而預防電氣火災的發生。
區域變電所	區域分機		Acrel-6000/B3	接收電氣火災監控探測器信號，實現對被保護電氣線路的報警、監視、控制與管理，采用485通訊
主變點所監控*	控制主機		Acrel-6000/B	接收電氣火災監控探測器信號和各區域分機數據，實現對被保護電氣線路的報警、監視、控制與管理，可采用485通訊。
配套附件
配套附件	0.4kV電流互感器		AKH-0.66	測量型互感器，采集交流電流信號。

5.5.3消防設備電源監控系統

應用場合		產品	型號	功能
消防設備電源電壓監控			AFPM3-2AVM	監測兩路三相交流電壓，二總線通訊。
區域變電所	區域分機		AFPM100/B3	接收消防設備電源監控探測器信號，實現對被保護電氣線路的報警、監視、控制與管理，可采用二總線通訊。
主變點所監控*	控制主機		AFPM100/B1	接收消防設備電源監控探測器信號和各區域分機數據，實現對被保護電氣線路的報警、監視、控制與管理，可采用二總線通訊。

5.5.4防火門監控系統

應用場合		產品	型號	功能
普通艙室配電室	常開防火門		AFRD-CK(YT)-65 AFRD-CK(YT)-85 AFRD-CK(YT)-120	監測常開防火門的開閉狀態。
普通艙室配電室	常閉防火門		單扇：AFRD-CB1(YT) 雙扇：AFRD-CB2(YT)	監測常閉防火門的開閉狀態。
防爆艙室	常開/常閉防火門		AFRD-MC	監測常開、常閉防火門的開閉狀態。
防爆艙室	監測模塊		AFRD-CK/CB	接收AFRD-MC的狀態信息同步傳輸至防火門監控主機。
區域變電所	區域分機		AFRD100/B3	接收防火門監控模塊和防火門一體式探測器的信號，實現對防火門開閉狀態的報警、監視、控制與管理，采用二總線通訊。
主變點所監控*	控制主機		AFRD100/B	接收防火門監控模塊和防火門一體式探測器的信號以及各區域分機的實時數據，實現對防火門開閉狀態的報警、監視、控制與管理，采用二總線通訊。

5.5.5消防應急照明和疏散指示系統

應用場合		產品	型號	功能
各變電所和非防爆艙室	集中電源集中控制型消防應急標志燈具（高防護）		A-BLJC-1LROEII1W-A431H(單面安全出口)	防護等級：IP67 設備尺寸：14540015 安裝方式：壁掛
	集中電源集中控制型消防應急標志燈具（高防護）		A-BLJC-1LROEII1W-A431H(單面疏散出口)	防護等級：IP67 設備尺寸：14540015 安裝方式：壁掛
	集中電源集中控制型消防應急照明燈具（高防護）		A-ZFJC-E*W-A604T8單管式應急照明燈具	防護等級：IP67 設備尺寸：Φ26L400、Φ26L600、Φ26*L1200 安裝方式：吸頂、吊掛設備功率：3、6、9、12、15W
			A-ZFJC-E*W-A603HC高防護應急照明燈具	防護等級：IP67 設備尺寸：Φ175*H60 安裝方式：吸頂、壁掛設備功率：3、6、9、12、15W
			A-ZFJC-E*W-A603HE高防護應急照明燈具	防護等級：IP67 設備尺寸：1989855 安裝方式：吸頂、壁掛設備功率：3、6、9、12、15W
	消防應急燈具電源		A-D-0.3KVA-A200L A-D-0.5KVA-A200L A-D-0.75KVA-A200L A-D-0.1KVA-A200L	防護等級：IP65 設備尺寸：500400200、600480230 安裝方式：壁掛設備功率：0.3、0.5、0.75、1KVA 回路數量：8路
防爆艙室	集中電源集中控制型消防應急防爆標志燈具		A-BLJC-1LROEI1W-A431EX（防爆單面出口)	防護等級：IP65 防爆等級：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 設備尺寸：16537565 安裝方式：壁掛
	集中電源集中控制型消防應急防爆標志燈具		A-BLJC-1LROEI1W-A431EX（防爆單面左向)	防護等級：IP65 防爆等級：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 設備尺寸：16537565 安裝方式：壁掛
	集中電源集中控制型消防應急防爆照明燈具		A-ZFJC-E*W-A630EX	防護等級：IP65 防爆等級：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 設備尺寸：25624378 安裝方式：壁掛設備功率：3、6、10W
	集中電源集中控制型消防應急防爆照明燈具		A-ZFJC-E*W-A632EX	防護等級：IP65 防爆等級：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 設備尺寸：Φ135mm*H168mm 安裝方式：吊管安裝設備功率：3、6、9、12、15W
	消防應急燈具電源(防爆)		A-D-0.3KVA-A200EX A-D-0.5KVA-A200EX A-D-1KVA-A200EX	防護等級：IP43 設備尺寸：904702220、1354702220 安裝方式：壁掛設備功率：0.3、0.5、1KVA 回路數量：8路
區域變電所	區域分機		A-C-A100/B3	區域分機通過總線網絡實時監控各個終端，在險情發生時，自動將信息指令發布到每個終端，終端收到指令之后自動開始工作，如頻閃、變向、開、滅燈等工作，實時指示安全的疏散路線。
區域變電所	中繼器		CAN轉光纖中繼	通過CAN轉光纖中繼實現把CAN總線傳輸轉換至光纖傳輸延長通訊距離增加方案多樣性。
主變電所監控*	監控主機		A-C-A100	監控主機通過總線網絡實時監控各個終端，在險情發生時，自動將信息指令發布到每個終端，終端收到指令之后自動開始工作，如頻閃、變向、開、滅燈等工作，實時指示安全的疏散路線。

6結束語

城市綜合管廊是城市基礎設施的重要組成部分，綜合管廊的火災監測與報警的重要性不言而喻，管廊中任何一個分段發生事故都可能造成部分城市發生功能性癱瘓，甚至威脅到人們的生命安全。本文設計的城市綜合管廊火災監測與報警系統，充分利用嵌入式技術，通過各個傳感器節點對管廊內部實時情況的上傳、匯總，實現了運維人員對整個管廊的監控與管理。通過對該系統的軟件與硬件的仿真、調試，驗證了該系統的可行性，達到火災監控與報警的目的。

參考文獻

[1]孫偉俊.城市地下綜合管廊火災危險控制技術研究[D].西安：西安建筑科技大學，2017.

[2]劉釩，陳偉利.城市綜合管廊火災監測與報警系統設計研究

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05

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