城市综合管廊的环境监控系统研发

摘要

　　随着社会不断发展进步，城市建设不断推进，国内掀起一股城市综合管廊建设的 热潮。城市综合管廊实现了包括供水、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，是保障城市运行的重要基础设施和"生命线". 但城市综合管廊是处于地下的密闭空间，且城市综合管廊内部集结多种管线，所以城 市综合管廊内部的环境安全问题至关重要。

　　本文分析了国内外城市综合管廊的环境监控系统的发展现状，完成了以下工作。

　　本文分析了系统功能需求，设计了基于 STM32 的综合管廊环境监控子系统。子 系统以 STM32F103C8T6 芯片为主控模块，实现温度、湿度、甲烷气体浓度的采集。 子系统软件移植了 FreeRTOS 系统、FreeModbus 协议栈，实现数据的实时传输，将 采集数据通过 Modbus 通信传输到 PLC 控制器，PLC 控制器通过程序编写判断综合 管廊内环境的温度、湿度、甲烷气体浓度是否在正常范围内，以此控制综合管廊内通 风机的启停。 为用户能方便地通过 PC 端的浏览器访问该系统，本文采用 B/S 模式，采用 JavaBean+Struts+Jsp 搭建 Web 前端的基础框架，利用 Struts MVC 设计模式分离事务 处理与页面显示，Tomcat 作为后台服务器，部署整个系统的软件设计，MySQL 作为 数据存储服务器，实现系统的数据整个系统存储、读取。

　　本系统的人机交互界面采用 Web 前端页面，设计了管廊分区管理页面、参数管理页面、设备管理页面等，实现环 境参数的实时显示和远程控制。

　　本文所设计的系统要实现环境监控子系统能通过传感器采集城市综合管廊的环 境参数，并能将环境参数实时、动态在 Web 前端页面展示给管廊巡检人员，同时实 现对综合管廊内设备的远程控制。 完成了系统的软硬件设计及系统测试。试验结果表明，本系统各模块正常工作， 实现了对综合管廊内部环境的监控，达到了预期设计目标。

　　关键词：城市综合管廊；环境监控；Web

Abstract

　　Nowadays,with the continuous development of society, the advancement of urban construction is also accelerating,there has set off a wave of urban utility tunnel construction in China.Uurban utility tunnel is joint-use underground facility that may contain multiple utilities such as water supply,sewerage,gas,central heating,electrical power,communications, and industry in various combinations or in some cases all together.It is an important infrastructure and "lifeline" for ensuring urban operation.However, urban utility tunnel is a closed space under the ground, which contains a variety of pipelines and other electrical equipment,it's essential for the environmental safety issues within the urban utility tunnel.

　　This paper analyzes the development and research status of the environmental monitoring system of urban utility tunnel in domestic and foreign and completes the following work.

　　This article analyzes the system functional requirements and designs an integrated utility tunnel environment monitoring subsystem based on STM32.The subsystem uses the STM32F103C8T6 chip as the main control module to realize the collection of temperature, humidity and methane gas concentration.The subsystem software transplants FreeRTOS system and FreeModbus protocol to complete the real-time transmission of collected data, then transmitted to the PLC controller through Modbus communication.The PLC controller determines whether utility tunnel ambient temperature, humidity, methane gas concentration is in the normal range or not,abnormal will turn on the fan

　　This paper applies the B/S design pattern so that users could easily access the system through the browser on the computer,using JavaBean+Struts+Jsp to build the basic framework of the Web front end,utilizing Struts MVC design pattern to separate transaction processing and display page,deploying the software design of the entire system on Tomcat server, storing and reading the entire system data in MySQL server.The human-computer interaction interface of this system adopts the web front-end page, and designs the utility tunnel partition management page, parameter management page, and equipment management page, so as to implement remote control and the real-time display of environmental parameters .

　　The system designed in this paper should accomplish that environmental monitoring subsystem collects environmental parameters of urban utility tunnels by sensors, then

　　display the environmental parameters in real-time and dynamic on the Web front-end page , at the same time,complete the remote control of equipment.

　　Finished the design and testing of the hardware and software of system. The test results show that the modules of the system work normally, achieve the monitoring of the internal environment of urban utility tunnel and the expected design goals.

　　Keywords:urban utility tunnel; environment monitoring; Web

目录

　　1 绪论

　　1.1 研究背景及意义

　　时代在发展，人们的生活水平不断提高，对生活各方面所需要的物质种类也在不 断增多，这也导致在城市建设的过程中，需要铺设的市政管线种类变得繁多。传统的 解决方案是管线直埋，但一旦其中一根管线需要维护，即需要挖开道路，容易造成道 路反复开掘现象。同时路边随处可见高空架设强弱电线，这不但影响城市美观，更有 可能在马路坍塌时发生连锁反应，加重事故损害后果。 城市综合管廊建设由此应运而生，城市综合管廊（Yang C et al.,2016）（Hunt D V L et al.,2015）是指在城市兴建地下隧道空间，然后将各种市政管线集中入廊，统 一进行规划、设计、施工和运营维护，其中的市政管线包括了供水、排水、供热、通 信、电力、燃气、有线电视等。如图 1 所示。

　　城市综合管廊建设高效的利用了城市地下空间，解决了以往多政府部门、多辖区、 多使用单位的管理混乱的难处，有利于市政管线的维护和检修，也最大程度改善了城 市内涝、"马路拉链"式工程、"高空蜘蛛网"现象等问题。 最近几年，国内出台了一系列政策加大城市综合管廊建设的执行度，包括各种有 关城市综合管廊建设的指导意见以及相应的财政支撑，并强调城市综合管廊建设的目 标。2013 年，国务院发布的《关于加强城市基础设施的意见》，指出要加大城市管 网建设和改造力度；2014,国务院发布的《关于加强城市地下管线建设管理的指导意 见》，指出要建立综合管理信息系统；2015 年，国务院发布的《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》，提出到 2020 年管线安全水平和防灾抗灾能力明显提升 （余常俊，2016）。 城市综合管廊建设最重要的是城市综合管廊管线安全水平和防灾抗灾能力，城市 综合管廊是铺设在地下的隧道空间，密闭性较强，且内部集结了电力、供热、通信、 给排水、燃气等多种市政管线，受气候、天气影响，管廊内各种设备运行过程中可能 会产生各种有害或可燃气体，管廊内部温度、湿度、集水坑液位等发生变化，会极大 的影响城市综合管廊的运营和后期维护以及巡检安全（杨琨，2013）（杨超，2016）， 因此对城市综合管廊的内部环境进行实时、自动监控极为重要。

　　1.2 国内外研究现状

　　1.2.1 城市综合管廊国内外发展现状

　　法国巴黎是世界上最早修建城市综合管廊的城市，巴黎很早就开始修建排水系统 （王长祥等，2019），随着城市发展，1832 年，巴黎市规划了市区下水道系统网络， 并在管道中收容了自来水、电信电缆、压缩空气管及交通信号电缆等五种管线（Wang et al.,2018）（Yanget al.,2016）；日本是当今世界上城市综合管廊建成规模最长、 技术最为完善的国家（白海龙，2015），日本的城市综合管廊建设起步于 1923 年， 目前日本的城市综合管廊内的管线包含了通信、电力、燃气、上水管、工业用水、下 水管、供热管、废物输送管等多种设施（施卫红，2015）；其他国家，如西班牙、美 国、加拿大、新加坡、瑞典、芬兰等国家也纷纷开始投入大量资源开始建设城市管廊。 由于国内城市综合管廊建设的起步较晚，目前国内城市的综合管廊建设在整体上 来看还处于技术不够成熟但发展规模直线上升的阶段。国内城市管廊建设最早是 1958 年在天安门广场下铺设了 1000 多米的城市管廊（于晨龙，2015）；1994 年上海 浦东新区建成国内第一条规模较大、距离较长的城市城市综合管廊，城市综合管廊内 包括给水、通信、电力、燃气四条管道和相应附属设施（贾志恒等，2016）；2003 年广州大学城城市城市综合管廊开始动工兴建，主要布置供电、供水、供冷、电讯、 有线电视 5 种管线（侯文俊等，2005），并为后续城市综合管廊建设预留了部分管孔 空间。

　　2015 年，国务院发布《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》，该意见 指出要全面贯彻落实党的十八大和十八届二中、三中、四中全会精神，按照《国务院 关于加强城市基础设施建设的意见》（国发〔2013〕36 号）和《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》（国办发〔2014〕27 号）有关部署，适应 新型城镇化和现代化城市建设的要求，把地下综合管廊建设作为履行政府职能、完善 城市基础设施的重要内容，在继续做好试点工程的基础上，总结国内外先进经验和有效做法，逐步提高城市道路配建地下综合管廊的比例，全面推动地下综合管廊建设。

　　1.2.2 城市综合管廊环境监控系统国内外发展现状

　　早期的城市综合管廊内管线种类少且缺乏相关监控设备，大多采用人工巡检管理 模式，容易发生意外事故，大大限制了城市综合管廊的发展规模。随着科技的发展， 信息技术不断进步，可运用于环境监控的科学技术不断推陈出新，这也为智能化城市 综合管廊监控技术提供了强有力的科技基础。 法国巴黎从 1991 年开始计划更新第一期下水道修复工程，并建设地下水道网络 管理信息化系统对下水道网络进行管理，该系统到 2006 年时已更新了 5 次，能够对 地下水管网中水流量及降水状况进行实时监控（刘华等，2011）。新加坡 CPG 集团 FM 团队针对城市综合管廊的运维管理设计开发了一套智慧运维平台，保证综合管廊 安全运行，其中对管廊内部环境监测分为环境监测、空气质量监测、施工条件监测等， 对综合管廊进行系统化、精细化管控（王曦等，2018）。

　　然而在国内，城市综合管廊建设正在新兴奋起发展阶段，目前国内关于城市综合 管廊的研究主要集中于管廊建筑建设及其附属设施建设等方面，应用于城市综合管廊 监控系统的研究不多，查阅文献资料，城市综合管廊监控系统主要包括以下相关的研 究。李双凤等人在浅谈综合管廊的内部环境特点及安全隐患一文中指出城市综合管 廊安全良好的内部环境是各类专业管线及附属设施设备安全运行的保障，由于目前入 廊管线多为全新管线、城市综合管廊运营时间短，暂未发生管道泄漏等问题，但受各 地气候及管廊内部密闭潮湿的影响，人们越来越多地着眼于城市综合管廊内部环境的 监控（李双凤等，2018）。

　　朱雪明在世博园区综合管廊监控系统的设计中介绍了上海世博园内的城市综合 管廊监控系统，根据世博园区城市综合管廊监控系统的运营管理需求、附属设备监控 需求、安全防灾需求分别设置各自监控子系统，以全面实现城市综合管廊内环境监测、 附属设备监控、灾害报警和安全防范（朱雪明，2011）。 周亮在城市地下综合管廊安全监测系统建设关键技术研究中设计了一种城市综 合管廊安全监测与报警系统，该系统通过传感器对管廊内的环境、管廊自身变形进行 实时化、自动化、智能化的监测（周亮，2016）。 季文献等人在综合管廊智能监控系统设计一文中为解决城市综合管廊内干扰性 强、使用单位多以及协调管理难度大等问题，为提高系统的可靠性、维护性，主要从 以下四个方面对系统进行设计：（1）传感器数据采集；（2）通讯网络系统架构；（3） 智能联动控制；（4）综合数据服务（季文献等，2014）。

　　罗家木等人在基于 5G 无线传感网络的智慧管廊综合监控系统设计一文中将基于5G 的无线传感网络应用于智慧管廊综合监控系统，该系统可实现对城市综合管廊的 全面实时监控，有效降低管廊的安全隐患（罗家木等，2017）。 童丽闺等人在基于物联网与 GIS 的地下综合管廊环境监测系统中设计了一种基 于物联网、地理信息系统技术的城市综合管廊环境监测系统，通过在城市综合管廊内 部部署多种环境监测传感器，获取海量温度、湿度、水位、氧气等数据，并与地理信 息数据关联，实现管廊环境监测和预警（童丽闺等，2017）。

　　1.3 本文主要研究内容

　　1.3.1 本文研究目标

　　目前市面上使用的城市综合管廊运维监控系统本质上是通过对传统工业监控进 行升级改装来实现其功能，即更新部分传统的工业监控系统设备，再将其套入适用的 城市综合管廊环境。因此本文的研究目标有：

　　（1）传统的工业监控大多采用人工巡检管理模式，这不仅会提高运营管理的成 本，同时也易发生意外事故，且不能有效保证高效的管理水平、管理质量，更不能追 溯事故发生原因及过程，因此更需要通过信息化技术手段，保障城市综合管廊的信息 流透明化，便于管理人员进行监控，及时发现问题排除故障；

　　（2）监控数据类别多样化，因此管廊运维监控系统的设计打破信息孤岛，致力 于信息融通，为人工智能和大数据奠定信息基础。

　　1.3.2 本文研究内容

　　第 1 章：绪论。本章节主要阐述城市综合管廊的研究背景及意义，介绍了城市综 合管廊在国内外的研究现状以及城市综合管廊的环境监控系统在国内外的研究现状， 说明本文的章节安排及研究内容。

　　第 2 章：系统总体设计及关键技术介绍。本章节对系统需求和功能进行分析，然 后提出了系统的总体设计方案，包括系统的硬件设计、软件开发，并介绍本系统设计 开发过程中涉及到的部分关键技术。

　　第 3 章：系统硬件设计及实现。本章节主要介绍本系统的硬件设计、选型及实现。

　　第 4 章：系统软件设计及实现。本章节主要介绍系统的软件设计，包括环境监控 子系统的软件设计、PLC 程序设计、数据库表设计、Web 端页面设计。

　　第 5 章：系统测试。依据本系统的总体设计方案，分别对城市综合管廊的环境参 数采集功能、远程/自动控制功能进行测试。

　　第 6 章：总结与展望。总结了论文所开展的研究工作，并指出了本论文中的不足 之处，然后针对如何深入研究提出了一些建议。

　　2.系统总体设计与关键技术介绍
　　2.1系统需求及性能分析
　　2.2系统的总体设计方案

　　2.3远程监控系统常用模式
　　2.3.1 c/s模式
　　2.3.2 BVS模式
　　2.4通信技
　　2.4.1 Modbus通讯协议
　　2.4.2 Modbus TCP通信协议

　　2.5远程监控系统中WEB程序开发技术
　　2.5.1 Struts2 MVC.
　　2.52 JavaBean和JSP.
　　2.6 JDBC访问数据库技术
　　2.6.1 JDBC简介
　　2.6.2 JDBC驱动
　　2.6.3 JDBC接
　　2.6.4 JDBC访问MySql数据库的步骤
　　2.7本章小结

　　3系统硬件设计及实现
　　3.1系统硬件整体设计
　　3.2环境监控子系统硬件设计
　　3.2.1主控模块
　　3.2.2温湿度检测模块
　　3.2.1主控模块
　　3.2.2温湿度检测模
　　3.2.3甲烷检测模块
　　3.3 PLC控制器
　　3.4本章小结

　　4系统软件设计及实现
　　4.1环境监控子系统的软件设计
　　4.1.1 FrecRTOS简…
　　4.12基于FreeModbus协议栈实现的Modbus RTU服务
　　4.13传感器模块
　　4.2 PLC程序设计
　　4.3数据库表设计

　　4.4 Web瑞页面设计
　　4.4.1登录页面设计
　　4.4.2管廊分区管理页面设计
　　4.4.3设备管理页面设计
　　4.4.4参数管理页面设计…_.
　　4.5本章小结

　　5系统测试
　　5.1系统测试环境搭建
　　5.2环境监控子系统测试
　　5.3Web前端测试
　　5.3.1登录功能测试
　　5.3.2参数管理功能测试
　　5.4本章小结

6 总结与展望

　　6.1 本文总结

　　城市综合管廊作为现代化城市建设的基础设施，解决了高空架线复杂、土地资源 利用率低、城市管线管理难等问题。城市综合管廊内部管线繁多，空间密闭潮湿，因 此城市综合管廊的环境安全问题尤为重要。本系统根据环境参数选择合适的传感器， 将监测数据传送给 PLC 控制器，实现远程信息展示、手动/自动控制。由于国内的城 市综合管廊仍在新兴发展阶段，经过翻阅大量参考资料，本系统主要分为两个模块： 城市综合管廊内部环境监控子系统、Web 前端展示，本文从软件和硬件两个方面分别 介绍该系统功能及实现。本文首先针对系统设计需求进行分析，确定了系统的总体设 计方案，接着介绍了硬件各个模块的功能，针对硬件各模块进行相应的软件设计开发， 然后远程在人机交互界面展示。 本文所做的工作主要有以下几点。

　　（1）阐述了本文的研究背景及意义。通过翻阅大量参考文献，简要的说明国内 外环境监控的发展现状，确定本文的研究内容及目标。

　　（2）对系统的功能需求进行分析，设计本系统的总体方案，对比远程监控 C/S、 B/S 模式的优缺点，确定系统采用 B/S 模式进行设计，并介绍了该系统设计开发过中 涉及到一些关键技术。

　　（3）系统硬件设计及实现。根据系统实际需求实现系统硬件的各模块的设计及 选型，系统硬件分为：主控模块、温湿度检测模块、甲烷气体浓度检测模块；然后介 绍了 PLC 控制器，阐述 PLC 控制器实现的功能。

　　（4）系统软件设计及实现。环境监控子系统的软件部分使用 C 语言在 Keil uVision5 开发环境下完成各个子模块的程序设计，实现数据采集并通过 Modbus RTU 通信传输到 PLC 控制器；PLC 程序设计使用西门子的 STEP 7 MicroWIN SMART 软 件进行开发，实现城市综合管廊内部运维设备的启停控制；Web 前端使用 Java 语言 在 Eclipse 开发环境下完成各个子模块的程序设计，实现温度、湿度、甲烷气体浓度 的接收、存储、展示，实现城市综合管廊的远程管控。

　　（5）系统测试。分步搭建好系统硬件模块和软件平台后进行总体调试，并对系 统功能进行测试。试验结果表明，本系统各模块正常工作，能够实现预期设计的各项 功能指标。

　　6.2 展望

　　本系统的设计开发涉及到的知识面比较庞大，因此还存在着以下几点需要完善改 进的地方。

　　（1）本系统是根据系统需求进行设计开发的，相对已有的大型项目而言，本系 统逻辑简单，可能会存在并发访问性能差的问题。

　　（2）本系统中对于风机的启停控制方法过于简单，后期研究时，可考虑多传感 器数据融合来建立更为全面的城市综合管廊的环境评估系统，更进一步，则可考虑通 过大数据对城市综合管廊环境安全进行预估、预防。

　　（3）本系统的人机交互界面设计的不够美观，环境监控子系统设计还不全面， 后期应该考虑到集水坑液位监测、视频监控等功能。

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致谢

　　光阴似箭，日月如梭，三年的研究生生涯即将走近尾声，这段时光让我收获了成 长、自信，甚至给我今后的人生带来更深远的影响，在此，本人希望对所有给予我关 心和帮助的老师、同学、家人、朋友们表达我最真挚的感谢。 首先，由衷的感谢我的导师陈褒丹老师。

　　在我三年的研究生生涯中，陈褒丹老师 给予了我非常多的帮助与支持。陈褒丹老师给我提供良好的科研环境，还为我提供了 技术培训的机会，拓宽了我的知识面。陈褒丹老师他知识面广博、治学严谨、待人慈 祥和蔼，非常荣幸能成为陈褒丹老师的学生，我从陈褒丹老师身上学到的对工作认真 严谨，对人温和有礼，这些将成为我人生宝贵的财富。

　　衷心的感谢任佳老师，任佳老师给我提供了参与到项目课题的机会，给了我许多 建议指导，为我指明方向，让我在科研的道路上更进一步。任佳老师以身作则，给我 们树立了榜样，引领着我们学习和进步。 更要感谢张育老师、易家傅老师的付出，张育老师以他丰富的技术经验，认真严 谨的工作态度，带领着我们攻克许多难关；易家傅老师在嵌入式开发方面有着非常丰 富的经验，还非常有耐心的带我入门，教我硬件电路、芯片手册、调试代码，为我解 疑答惑；感谢崔亚妮老师给我的耐心指导，希望老师们今后的科研路顺畅，身体健康。

　　感谢戴晶帼师姐，感谢刘琨师兄，感谢黄智雯师姐、邹嫣然师姐、贾倩雯师姐给 我辅导，引着我入手项目课题，感谢彭潜、钱帆、唐立、华黎明、王天龙、汪炼，正 是因为有了你们这群可爱的小伙伴，让我的研究生生涯更加的充实，感谢你们这三年 以来的陪伴、支持、鼓励、帮助。

　　这三年，我们一起奋斗，闲暇聚餐、游玩，一起挨 批，一起学习，共同进步，共同成长。感谢舍友们对我的包容、体谅，感谢你们为熬 夜的我留的灯。 最后由衷的感谢我的家人。感谢我的父母一直在我背后默默的付出和支持，希望 我能让你们因为我而感到骄傲。同时，感谢金浩一直以来的陪伴，因为有你，生活更 加丰富多彩，更让我意识到我是独一无二的。

　　这三年的研究生生涯将是我人生中美好而珍贵的一段回忆，感谢每一位帮助过我 的老师、同学、家人，正因为有你们，才给了我这么美好的三年。祝福大家，希望大 家事业有成，身体健康。

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