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，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)工程技術標準》的相關條款要求，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，通過本次系統(tǒng)的技術研究，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

綜合管廊監(jiān)控報警與運維管控系統(tǒng)架構設計分為四層結構，包含驅動層、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。軟件架構依據(jù)數(shù)據(jù)封裝的層級可以分為一層驅動層、二層數(shù)據(jù)層、三層服務層和四層應用層。

驅動層：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、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換為能夠導入管理平臺的管理模型，包括格式轉換、輕量化處理、模型坐標轉換、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、結構健康監(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、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。相關技術研發(fā)人員，也應該加大技術研發(fā)力度，進一步推陳出新，應用相關技術推動城市發(fā)展。

參考文獻

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【2】GB50838-2015，城市綜合管廊工程技術規(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