淺談BIM+GIS在管廊機電監(jiān)控與運維管控系統(tǒng)中的應用

摘要：本文提出了一種城市綜合管廊監(jiān)控與報警集成管控平臺的架構(gòu)，并對以BIM+GIS為核心的系統(tǒng)功能進行了研究和分析，通過GIS實現(xiàn)對管廊整體及設備設施的全局定位及管理，利用BIM實現(xiàn)對管廊設備的空間定位，二者相互融合，創(chuàng)造性的提出了多種基于BIM\GIS集成的功能應用，全面實現(xiàn)對綜合管廊設備設施的可視化管控，大大提升了綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)的可交互性。

關(guān)鍵詞：BIM；GIS；SCADA；綜合管廊；監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)

1研究背景

根據(jù)《GB50838-2015城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》及《GBT51274-2017城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)工程技術(shù)標準》的相關(guān)條款要求，城市綜合管廊監(jiān)控報警系統(tǒng)用于對綜合管廊內(nèi)的設備運行狀態(tài)及參數(shù)、實時環(huán)境信息、出入口狀態(tài)等進行在線監(jiān)控，保障管廊內(nèi)環(huán)境、設備、運維人員安全，實現(xiàn)綜合管廊監(jiān)控與運維的自動化和智能化，但一般基于SCADA的綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)只實現(xiàn)了設備監(jiān)控報警及簡單的運維管理功能，沒有將當前主流的物聯(lián)網(wǎng)、BIM、GIS、SCADA、大數(shù)據(jù)等技術(shù)進行整體集成，難以對管廊內(nèi)部場景及設備設施運行狀況進行可視化、集中化、全息化展示。

因此，為了實現(xiàn)可視化的監(jiān)控技術(shù)，通過本次系統(tǒng)的技術(shù)研究，基于SCADA軟件接口進行二次開發(fā)，利用主流的消息隊列軟件實現(xiàn)設備監(jiān)控實時數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)與業(yè)務數(shù)據(jù)、GIS空間數(shù)據(jù)及BIM模型數(shù)據(jù)的融合處理，再綜合管廊不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口協(xié)議，初步建立了以管廊監(jiān)控預警、運維管理、應急指揮、輔助決策為主要功能的綜合管廊監(jiān)控與運維平臺,在此基礎上可根據(jù)不同管廊的運維管理及需求，實現(xiàn)管廊管理可視化、安全監(jiān)管精細化、運維管理自動化、數(shù)據(jù)分析全局化、應急響應智能化，建立智慧化的綜合管廊管控體系。

2系統(tǒng)架構(gòu)

綜合管廊監(jiān)控報警與運維管控系統(tǒng)架構(gòu)設計分為四層結(jié)構(gòu)，包含驅(qū)動層、數(shù)據(jù)層、平臺層和應用層。感知層屬于硬件系統(tǒng)，負責對現(xiàn)場監(jiān)控硬件設備的數(shù)據(jù)采集和控制功能。軟件架構(gòu)依據(jù)數(shù)據(jù)封裝的層級可以分為一層驅(qū)動層、二層數(shù)據(jù)層、三層服務層和四層應用層。

驅(qū)動層：數(shù)據(jù)采集平臺負責通過通訊協(xié)議從前端感知層獲取綜合管廊監(jiān)測監(jiān)控實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的業(yè)務邏輯處理，寫入監(jiān)測監(jiān)控實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，并可直接通過消息隊列向上層應用推送；同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還可以通過消息隊列接收上層應用發(fā)出的控制指令，下發(fā)至感知層，實現(xiàn)對設備的控制。

數(shù)據(jù)層：主要負責綜合管廊空間數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務屬性數(shù)據(jù)的存儲，包括監(jiān)測監(jiān)控實時和歷史數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、三維模型庫、視頻數(shù)據(jù)庫、專業(yè)管線數(shù)據(jù)庫、管廊設施數(shù)據(jù)庫、管廊運維庫等。其中，監(jiān)測監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)庫由于數(shù)據(jù)量龐大，采用分布式數(shù)據(jù)庫進行存儲。

服務層：包括數(shù)據(jù)服務平臺和數(shù)據(jù)融合服務兩部分，數(shù)據(jù)服務平臺以成熟的應用平臺為基礎實現(xiàn)綜合管廊業(yè)務應用層所需功能服務，包括應用集成、實時消息推送、移動互聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、BIM、地理信息。數(shù)據(jù)融合服務以綜合管廊平臺所涉及的各專業(yè)數(shù)據(jù)為基礎，對數(shù)據(jù)進程提取、分析、融合更工作，從而做到及時、有效、便捷的溝通和決策。

應用層：包括綜合集成與管控模塊、管廊運維管理模塊、應急管理模塊、管廊運營管理模塊組成，并可以通過平臺層進行應用系統(tǒng)模塊的接入實現(xiàn)管廊綜合管控數(shù)據(jù)的利用。應用層的功能模塊為綜合管理平臺提供監(jiān)控與預警、聯(lián)動控制、運維、應急搶險、運營管理和數(shù)據(jù)分析挖掘的應用。

3BIM/GIS數(shù)據(jù)處理

為了解決不同類源、異構(gòu)、動態(tài)及分散的數(shù)據(jù)集成難度大的問題，在開展管廊本體及設備設施的BIM建模前，明確BIM建模標準及精度要求，包括設備設施類型及名稱、施工圖編號、里程位置等，并要明確BIM模型設備對象、應用數(shù)據(jù)庫設備對象以及SCADA設備對象的映射關(guān)系，從而實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)集成及應用展示。具體BIM模型數(shù)據(jù)處理流程如圖2。

其中模型處理環(huán)節(jié)為復雜，是將由設計軟件建立的設計模型轉(zhuǎn)換為能夠?qū)牍芾砥脚_的管理模型，包括格式轉(zhuǎn)換、輕量化處理、模型坐標轉(zhuǎn)換、模型合并、設備信息處理等，后將處理過后的模型導入應用數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)與其它數(shù)據(jù)的集成融合。

GIS數(shù)據(jù)處理主要是利用TerrainPush軟件對管廊所在地理區(qū)域的高程DEM數(shù)據(jù)和影像DOM數(shù)據(jù)進行處理生成地形文件，并與地圖標注數(shù)據(jù)疊加組成三維場景，基于該場景能夠進行二維和三維模型瀏覽、地圖信息瀏覽。

4系統(tǒng)功能

根據(jù)綜合管廊監(jiān)控及運維需求，包括管廊環(huán)境及設備監(jiān)控需求、日常運維管理需求、應急處理需求、入廊人員定位及安全管理需求等，利用BIM/GIS可視化技術(shù)的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)以下實用的功能或建立以下應用場景：

4.1一張圖監(jiān)控

通過集成BIM及GIS展示控件，可以在系統(tǒng)首頁一張圖的方式展示綜合管廊在地圖上的位置及線路、各個艙室分區(qū)的沿線分布，同時還可以對管廊當前各類重要實時數(shù)據(jù)進行展示，如當前入廊人數(shù)、設備報警數(shù)等，并在GIS地圖中顯示報警設備的位置定位，點擊分區(qū)圖標和設備報警圖標都可以從全局位置定位進入到設備所在艙室BIM模型的內(nèi)部，實現(xiàn)2D到3D的快速切換。

4.2設備報警及定位處理

在日常運維值守時，一般都停留在一張圖的GIS監(jiān)控首頁，在管廊內(nèi)部有設備實時報警時，地圖會立即顯示當前報警設備所在的艙室分區(qū)，并且分區(qū)圖標不停閃爍，點擊分區(qū)圖標則可以定位到報警設備，從而對報警設備進行各種操作，如安排排查、維修或者啟動應急預案等。

4.3可視化檢索

由于綜合管廊一般都要安裝環(huán)控、安防、火災及可燃氣體報警、通訊、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等多種獨立子系統(tǒng)，并且各個子系統(tǒng)的設備均分布在不同的艙室，由于分區(qū)長度不可能一樣，所以設備數(shù)量均有區(qū)別，如果利用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢功能進行展示，用戶無法直觀了解其分布情況。因此，利用BIM/GIS進行可視化檢索則可以大大提高系統(tǒng)的可交互性，如在一張圖首頁以圖標方式展示所集成的子系統(tǒng)，點擊各個子系統(tǒng)則列出該系統(tǒng)所包含的設備類型，選中一種或某種設備類型后，則立即在地圖以特定圖標顯示管廊全線選中設備類型的分布情況，適用于用戶想快速查看管廊某一段區(qū)域某些類型設備運行情況的場景。

4.4人員定位及軌跡

綜合管廊監(jiān)控運維過程中，除了要確保設備設施的運行安全外，還要對進入管廊的各類人員進行實時監(jiān)控，要及時了解人員所處的位置，以免在發(fā)生應急突發(fā)情況時及時救援，確保入廊人員的安全。目前綜合管廊內(nèi)部有多種室內(nèi)定位技術(shù)用于人員定位，本次研究通過利用管廊內(nèi)安裝的無線AP進行人員定位，并在GIS地圖上實時顯示入廊人員在管廊全線的分布情況，點擊定位圖標則可以擴展多項實用功能，如入廊行走軌跡查詢、移動通話、查看人員附近視頻、查看附近逃生口等，發(fā)生應急突發(fā)情況時，大大提高了入廊人員的安全保障以及監(jiān)控人員的應急響應效率。

4.5入廊管線管理

在傳統(tǒng)的管廊監(jiān)控系統(tǒng)中，一般都是通過數(shù)據(jù)錄入和查詢的方式維護當前管廊入廊管線的信息，即使系統(tǒng)通過BIM插件集成了BIM模型，但是在建模初期，建模人員本不掌握也不可能掌握未來管廊的入廊管線信息，因此，大部分BIM模型建模時要么均不建立管線模型，要么把設計標準把所有要入廊的管線全部建好，并且管線沒有任何屬性信息，導致后期BIM模型導入系統(tǒng)后，根本無法真實反應管線入廊情況。

所以，在建模初期，一定要考慮到后期運維需求，將所有管線BIM模型建好，并且要對每一根管線創(chuàng)建屬性信息，包括管線類型、空間位置、是否顯示、顏色、所在艙室分區(qū)、起止里程等，在后期進行模型處理時，將所有屬性信息導入應用數(shù)據(jù)庫后，將其與入廊管線的業(yè)務數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)起來，可以讓系統(tǒng)BIM模型反映管廊內(nèi)部的真實管線情況，為實現(xiàn)后續(xù)的漫游巡檢及應急模擬功能提供支撐。

4.6漫游巡檢

在BIM模型構(gòu)造與真實管廊一致時，本次研究基于VR虛擬仿真的思想，在系統(tǒng)的BIM模型中創(chuàng)建了一個虛擬的動畫人物，該人物可以按照用戶在系統(tǒng)中設定的巡檢路線（即艙室的起止里程）進行漫步行走，在行走過程中，周圍所有的監(jiān)控設備均會顯示設備運行信息卡并嵌套在模型中，仿佛監(jiān)控人員在管廊內(nèi)部巡檢一樣，主要是計算并存儲了管廊全線各個艙室的BIM模型的空間坐標點，確保用戶可以自定義任何巡檢路徑。在目前用戶厭倦對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢條目化展示的情況下，大大提升了系統(tǒng)交互性和科技感。

4.7應急模擬

綜合管廊日常運維工作中，應急預案的編制及演練是一項重要的工作，包括爆管、燃氣泄露、火災等發(fā)生幾率較大的危險事件的應急處理流程。本次研究創(chuàng)新性地將應急預案的處理通過借助BIM/GIS技術(shù)實現(xiàn)了智能化和可視化，將應急預案的流程劃分為工作步驟，并利用工作流引擎進行特定的處理，后利用動畫編制程序進行應急處理過程的動畫演示，可推廣用于每年應急預案演練、新人培訓以及管廊對外接待，能有效提高管廊運維管理水平。

5AcrelEMS-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(jiān)控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監(jiān)測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數(shù)據(jù)支持，從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡、系統(tǒng)架構(gòu)、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)服務等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內(nèi)部干擾性強、使用單位多及協(xié)調(diào)復雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環(huán)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(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)、變電所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能馬達監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)、消防設備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，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(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

5.3平臺拓撲

5.4平臺子系統(tǒng)

5.4.1電力監(jiān)控

電力監(jiān)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(jiān)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(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報警及記錄等。

5.4.2環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)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(diào)、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內(nèi)的水泵和通風排煙風機等設備集成的三方系統(tǒng)完成管廊環(huán)境綜合監(jiān)控。

5.4.3電氣安全

 AcrelEMS-UT能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)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(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

5.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單

5.5.1電力監(jiān)控及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

5.5.2電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

5.5.3消防設備電源監(jiān)控系統(tǒng)

5.5.4防火門監(jiān)控系統(tǒng)

5.5.5消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)

6結(jié)語

綜上所述，城市綜合管廊基礎設施建設對城市發(fā)展起到非常積極的促進作用。相關(guān)部門及工程建設單位，應該在認識到科技產(chǎn)品應用對綜合管廊建設重要性的基礎上，積極采取有效措施，以改善綜合管廊建設環(huán)境，提高其應用效率。在充分了解物聯(lián)網(wǎng)融合通信系統(tǒng)后，繼續(xù)尋找創(chuàng)新突破之法，將該系統(tǒng)技術(shù)更加有效地應用于城市建設工程中，使其發(fā)揮大效用，對民眾的生產(chǎn)生活起到更大的促進作用。相關(guān)技術(shù)研發(fā)人員，也應該加大技術(shù)研發(fā)力度，進一步推陳出新，應用相關(guān)技術(shù)推動城市發(fā)展。

參考文獻

【1】GB/T51274—2017，城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)工程技術(shù)標準[S].

【2】GB50838-2015，城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范[S].

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05

【4】張緒偉.BIM+GIS在城市綜合管廊監(jiān)控報警與運維管控系統(tǒng)中的應用