周 文，李倩楠，潘良波，楊國敬

(1.正元地理信息有限責任公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究開發(fā)中心，北京 101300;3. 北京市智慧管線安全評價及運營監(jiān)管工程技術研究中心，北京 101300)

0 引 言

隨著城市建設與城市規(guī)劃之間矛盾的日益激化，使得城市地下管線安全問題越來越突出。各地頻發(fā)的地下管線事故，如“市內(nèi)看?！薄肮艿佬孤丁薄熬w吃人”等現(xiàn)象，不斷暴漏著城市地下管線建設管理工作中的問題[1-2]。結合國外發(fā)達城市地下管線治理經(jīng)驗，綜合管廊已經(jīng)成為未來城市基礎設施現(xiàn)代化建設的必然趨向[3-4]。

綜合管廊普遍位于城市核心區(qū)或管線設施高度集中的主干道，附屬工程系統(tǒng)龐大，施工難度較高，綜合管廊建設工程設計、施工、竣工成果不一致的問題日益突出。另外，綜合管廊建設投資費用昂貴，建設完成之后，后期運營管理是重中之重，如何對已建成的綜合管廊實現(xiàn)精細、直觀、有效的運營，是必須要解決的問題。本文在深入研究BIM（建筑信息模型）和GIS的基礎上，實現(xiàn)BIM和GIS的結合，建設一套服務于綜合管廊規(guī)劃、設計、建設和后期運營管理的平臺。它將解決綜合管廊建設完工之前各階段成果不一致問題，同時提高管廊后期運營管理效率，提升運營管理水平。

1 系統(tǒng)總體設計

本文以連云港徐圩新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)基地綜合管廊智能化管理平臺建設為例，提出系統(tǒng)構建的思路及總體框架。

1.1 設計思路

BIM是通過數(shù)字信息仿真模擬構筑物所具有的真實信息集成工程設計中各種相關數(shù)據(jù)的工程信息模型，它的出現(xiàn)被認為是建筑業(yè)的又一次“革命”[5-6]！隨著BIM技術優(yōu)勢的凸顯，綜合管廊與BIM技術的結合將是未來智慧管廊發(fā)展的主流方向。

將BIM 技術應用于綜合管廊，能夠?qū)崿F(xiàn)設計過程的三維協(xié)同規(guī)劃、施工建造全過程的一體化管控和運維流程的智能化維護[7]。BIM可將設計成果隨時進行管線碰撞檢測，及時發(fā)現(xiàn)問題并進行糾偏；BIM能同步提供管廊施工仿真模擬，超前模擬設計效果；BIM技術使整個建設周期具有可視性，通過對綜合管廊廊體進行任意角度剖分，方便建模人員提前制定施工管控措施；BIM還可以提供有關資源分配以及成本、進度、設備運維等信息，方便施工進程優(yōu)化管理。

GIS（地理信息系統(tǒng)）是基于計算機的工具，三維GIS不僅能表達空間對象間的平面和垂向關系，還可以進行空間查詢、分析以及統(tǒng)計等操作[8]。基于三維GIS的綜合管廊智能化管理系統(tǒng)為管廊的全生命周期管理提供強有力的技術支撐。

三維GIS可為BIM在項目整個生命周期的實施提供三維表現(xiàn)的基礎、空間分析技術的能力以及模型溝通的平臺，BIM則可為三維GIS提供重要的數(shù)據(jù)來源，通過把微觀領域的BIM信息和宏觀領域的GIS信息進行結合，能夠?qū)崿F(xiàn)從微觀到宏觀、市內(nèi)到室外、地下到地上的一體化管理。本文通過BIM與三維GIS的結合，把城市綜合管廊的規(guī)劃設計、建設施工、運營維護等全生命周期內(nèi)不同階段的數(shù)據(jù)資料進行有效集成，以綜合管廊智能化管理平臺的形式為不同階段、不同需求的決策提供服務。其中，平臺的設計思路如下：

平臺以數(shù)據(jù)庫建設為基礎，設計開發(fā)應用支撐平臺和專項業(yè)務系統(tǒng)，解決針對徐圩新區(qū)管廊管線應用的四大問題，即看、查、管、控。

1）看：引入地理信息技術和管線數(shù)據(jù)模型，以圖形化的方式展現(xiàn)二三維管廊管線數(shù)據(jù)和相關輔助數(shù)據(jù)，做到直觀可視、精確定位、快速出圖；

2）查：采用“圖屬一體化”解決方案，支持系統(tǒng)實現(xiàn)面向業(yè)務的雙向查詢和快速定位；

3）管：建立合理的數(shù)據(jù)匯交機制、更新機制和分發(fā)共享機制，確保數(shù)據(jù)庫成果的完整性、準確性、現(xiàn)勢性和易用性；

4）控：接入重點監(jiān)管設備實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)實現(xiàn)應急預案編制、預警分析、應急指揮、災后重建等功能提供數(shù)據(jù)支撐，實現(xiàn)管線設備設施全生命周期管理。

以徐圩新區(qū)鋪設的3.8km綜合管廊的BIM建模數(shù)據(jù)為基礎，將其導入三維GIS平臺；安裝各類傳感器進行實時監(jiān)控，以三維立體模型為載體，實現(xiàn)管廊精細化三維模擬，與此同時構建監(jiān)控預警、RFID標識系統(tǒng)以及應急指揮響應等專項系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)架構

綜合管廊智能化管理平臺架構（如圖1所示）由物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)、應用支撐平臺和專題應用系統(tǒng)（包括監(jiān)控預警系統(tǒng)、綜合業(yè)務系統(tǒng)和應急指揮響應系統(tǒng)等）組成，三個層次上下連接、互為支撐。

應用支撐層建于數(shù)據(jù)層之上，為各種應用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的管理和運行維護服務，起到承上啟下的作用。應用支撐層可支持不同物聯(lián)網(wǎng)傳感數(shù)據(jù)的接入，并能在此基礎上搭建不同的專題應用系統(tǒng)。

專題應用系統(tǒng)的建設主要是對綜合管廊的運行狀況進行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控管理、日常巡查養(yǎng)護、隱患管理、預警分析與推送以及對預警事件進行日常處理和啟動應急預案綜合處置。

圖1 系統(tǒng)架構Fig.1 The system architecture diagram

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 BIM建模系統(tǒng)

利用管線探測、無人機以及激光點云、傾斜攝影等先進的陸、空、地三位一體的數(shù)據(jù)采集技術，實現(xiàn)管廊BIM建模，解決綜合管廊規(guī)劃現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取的問題；通過BIM管廊數(shù)據(jù)與GIS平臺結合，將BIM管廊數(shù)據(jù)導入到三維GIS平臺中，導入后的綜合管廊三維模型數(shù)據(jù)和其屬性數(shù)據(jù)通過唯一ID進行關聯(lián)，原有的相關屬性信息被完好保存，同時所有的管線三維模型和設備三維模型都和現(xiàn)實中管廊管線和設備模型一一對應關聯(lián)；并可與GIS地理環(huán)境共享，實現(xiàn)管廊內(nèi)各類管線的位置布局及傳導方位模擬，檢測管廊內(nèi)供水管線、供電管線及通訊管線等對彼此的影響關系。

2.2 監(jiān)控預警系統(tǒng)

運用先進的物聯(lián)網(wǎng)、GIS、云計算、在線監(jiān)測、工業(yè)自動化控制、網(wǎng)絡通信及BIM技術在內(nèi)的先進信息化技術，通過感、傳、知、用四個層次，完成對綜合管廊狀態(tài)和屬性信息的感知和應用。通過在合適地點安裝多種類型的傳感器，能夠?qū)崟r獲取溫濕度、沉降、有害氣體等多種關鍵指標，并能夠根據(jù)設定進行報警通知，實現(xiàn)綜合管廊的統(tǒng)一監(jiān)測、集中管控。監(jiān)控預警系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 監(jiān)控預警系統(tǒng)Fig.2 The monitoring and early-warning system

1）三維展示

利用BIM 和三維GIS等技術手段，系統(tǒng)能夠以三維模擬的形式為石化管廊的管道及管架提供生動直觀的展示途徑。三維展示模塊方便用戶從空間角度查看綜合管廊樁基、承臺、管架、桁架、維修通道以及管道的橫斷面、實時監(jiān)測、預警信息等內(nèi)容。

傳統(tǒng)形式的人工監(jiān)測采集方法存在著數(shù)據(jù)量小、不連續(xù)、反應滯后等缺陷，一旦管廊管線出現(xiàn)問題，往往無法找出故障原始數(shù)據(jù)，不利于事故的分析、判斷、預防和應急。

新區(qū)公共管廊承載著多種有毒有害石化物料的輸送工作，其對安全保障方面的要求十分嚴苛。這對數(shù)據(jù)采集的即時性、全局性、連續(xù)性和精確性等方面提出了極高的要求。

在線監(jiān)測模塊與多種監(jiān)測傳感器相關聯(lián)，涵蓋管線狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測（溫度、濕度、水位、氣體濃度等）、視頻監(jiān)控、安防監(jiān)測、巡檢機器人（或者人工巡查）、廣播系統(tǒng)、火災報警監(jiān)控、通風系統(tǒng)、管廊結構沉降監(jiān)測等，可對公共管廊運行狀況進行24h連續(xù)精確監(jiān)測。在管理者個人電腦或大屏幕上，監(jiān)測信息的靈活展示可以為決策者提供早期的報警信息，從而能夠?qū)φ麄€公共管廊的運行狀態(tài)尤其是故障和險情做出迅速、準確的判斷。

3）預警分析

通過三維模擬在線監(jiān)測預警把實時監(jiān)測數(shù)據(jù)展示在傳感器安裝的真實位置上，通過各種監(jiān)測設備獲取的相關信息和運行數(shù)據(jù)的實時曲線能夠幫助管理者直觀地了解監(jiān)測數(shù)據(jù)的近期波動，便于管理者對事故預警事件進行分析處理，及時提供預警信息。

4）預警推送

三維監(jiān)控預警系統(tǒng)通過預警分析，推送預警信息給綜合業(yè)務系統(tǒng)和應急指揮響應系統(tǒng)，指導巡查養(yǎng)護和應急響應。

從概念的描述看，第一學段的6個版本是結合圖形給出概念名稱；第二學段是結合圖形給出概念的文字定義；第三學段不僅給出概念的文字定義，還結合圖形說明概念的符號表示方法．

5）歷史分析

歷史分析功能可通過時間、監(jiān)測類型、監(jiān)測點等多種條件的篩選，快速準確地對歷史預警信息進行匯總統(tǒng)計，并能以柱狀圖、扇形圖或表格形式直觀展示。

6）基礎維護

系統(tǒng)能夠以簡潔明晰的操作方式提供設施、監(jiān)測設備的維護和監(jiān)測項配置的管理。

2.3 應急指揮響應系統(tǒng)

應急指揮響應系統(tǒng)集成管廊周邊環(huán)境數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測信息、危險源數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘分析，啟動應急指揮預案進行事故處置，實現(xiàn)人員、設備、資源合理調(diào)控，輔助應急指揮。系統(tǒng)包括事故接警、事故評估、事故處置和事故總結的全系列處理流程。徐圩新區(qū)公共管廊應急指揮響應系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 應急指揮響應系統(tǒng)Fig.3 The emergency response command system

1）事故接警

通過三維GIS將基礎地理要素、管線、危險源、自然資源等信息在地圖中綜合展示，在發(fā)生管道突發(fā)事件后，以閃爍圖標或聲音預警等方式進行預警，并快速定位到事故現(xiàn)場。

2）事故評估

進行接警登記后，系統(tǒng)通過接入危險源、重點區(qū)域數(shù)據(jù)，調(diào)用實時監(jiān)控（或現(xiàn)場視頻）、專家?guī)?、人員庫、救災資料庫等信息，啟動事故動態(tài)模擬機制進行事故影響范圍評估，預測事故危害情況，以此確定事故等級并自動關聯(lián)應急預案。

3）事故處置

借助三維GIS平臺以圖形方式實時更新事故最新動態(tài)，根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的情況和事故模擬結果，制定救援方案，調(diào)動并合理分配所需的醫(yī)療、消防、警力及其他搶險資源，結合歷史道路交通信息，分析最優(yōu)救援路線，并在明確事故發(fā)生的具體原因基礎上，制定對關鍵設備設施或區(qū)域的搶險維修方案。

4）事故歸檔

事故處理結束后對事故進行總結，形成總結報告和歷史案例知識庫，為今后發(fā)生類似的事情提供借鑒作用。

2.4 其他功能

1）綜合業(yè)務系統(tǒng)

綜合業(yè)務管理系統(tǒng)由綜合業(yè)務系統(tǒng)和多臺安裝巡檢App的智能巡檢終端組成。巡檢人員手持智能巡檢終端，通過移動通信遠程交換網(wǎng)，連接到監(jiān)控中心。綜合業(yè)務系統(tǒng)的功能包括上下班考勤、值班管理、巡查養(yǎng)護、隱患處置、案件上報和設施維護等，有利于實現(xiàn)日常業(yè)務辦公流程化、自動化和移動化管理。

2）機器人巡檢系統(tǒng)

軌道式機器人智能巡檢系統(tǒng)的巡檢設施是軌道式機器人，可完成對綜合管廊設備、環(huán)境的移動監(jiān)測以及信息采集[9]。通過對設備進行統(tǒng)一管控，實現(xiàn)綜合管廊自動巡檢、遠程遙控巡檢、重點區(qū)域巡檢等功能，并能將監(jiān)測和采集的各種信息通過無線傳輸?shù)姆绞絺魉偷街笓]中心監(jiān)測平臺。

3）出入口控制與報警系統(tǒng)

出入口控制與報警系統(tǒng)可對出入綜合管廊的人員進行身份核實。

4）RFID標識系統(tǒng)

系統(tǒng)將歸入綜合管廊的管線采用符合標準的標志、標識進行區(qū)別。

3 結束語

通過BIM和GIS在該試點中的實際應用，為兩者在綜合管廊建設中的應用提供一定參考。建成的管廊智能化管理平臺有助于促進管廊綜合管理能力、養(yǎng)護能力、監(jiān)控預警以及應急處置能力的綜合提升，實現(xiàn)綜合管廊全生命周期精細化和規(guī)范化管理以及智能化運維。

隨著軟硬件技術的飛速發(fā)展，BIM技術日趨成熟，由其帶來的行業(yè)價值也隨之激增。BIM和三維GIS優(yōu)勢互補，兩者的結合已經(jīng)成為綜合管廊建設發(fā)展的重要趨勢，可以為綜合管廊規(guī)劃建設階段和和運維階段諸多問題的解決提供新的思路。