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(shù)研究中心，北京 101300)

BIM+GIS的綜合管廊智能化管理平臺研究與實現(xiàn)

周文1，2，3*，李倩楠1，2，3，潘良波1，2，3，楊國敬1，2，3

(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(shù)研究中心，北京 101300)

基于設(shè)計并實現(xiàn)綜合管廊智能化管理平臺(包含BIM建模、監(jiān)控預(yù)警、綜合業(yè)務(wù)以及應(yīng)急指揮響應(yīng)等專題應(yīng)用系統(tǒng))的目的，綜合運用BIM(建筑信息模型)、GIS、智能化控制與城市市政設(shè)施的運營管理服務(wù)等技術(shù)手段，結(jié)合連云港徐圩新區(qū)綜合管廊智能化管理平臺建設(shè)的實例，得出 BIM和GIS技術(shù)結(jié)合可為綜合管廊智能化建設(shè)存在的問題提供新的解決思路的結(jié)論，并對BIM和GIS技術(shù)在管廊智能化管理中的應(yīng)用做了總結(jié)和展望。

BIM；GIS；綜合管廊；監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

1 引 言

隨著城市建設(shè)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?！?、“管道泄露”、“井蓋吃人”等現(xiàn)象，不斷暴露著城市地下管線建設(shè)管理工作中的問題。結(jié)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(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化建設(shè)的必然趨向[1，2]。

綜合管廊普遍位于城市核心區(qū)或管線設(shè)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(shè)工程設(shè)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(shè)投資費用昂貴，建設(shè)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(chǔ)上，實現(xiàn)BIM和GIS的結(jié)合，建設(shè)一套服務(wù)于綜合管廊規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和后期運營管理的平臺。它將解決綜合管廊建設(shè)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。

2 BIM、GIS簡介

BIM是通過數(shù)字信息仿真模擬構(gòu)筑物所具有的真實信息集成工程設(shè)計中各種相關(guān)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”[3，4]！隨著BIM技術(shù)優(yōu)勢凸顯，綜合管廊與BIM技術(shù)的結(jié)合將是未來智慧管廊發(fā)展的主流方向。

將BIM技術(shù)應(yīng)用于綜合管廊，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)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[5]。BIM可將設(shè)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(shè)計效果；BIM技術(shù)使整個建設(shè)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(guān)資源分配以及成本、進度、設(shè)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(guān)系，還可以進行空間查詢、分析以及統(tǒng)計等操作[6]?；谌SGIS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(shù)支撐。

3 系統(tǒng)總體設(shè)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(shè)為例，提出系統(tǒng)構(gòu)建的思路及總體框架。

3.1 設(shè)計思路

通過BIM管廊數(shù)據(jù)與GIS平臺結(jié)合，將BIM管廊數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維GIS平臺中，導(dǎo)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(guān)聯(lián)，原有的相關(guān)屬性信息被完好保存，同時所有的管線三維模型和設(shè)備三維模型都和現(xiàn)實中管廊管線和設(shè)備模型一一對應(yīng)關(guān)聯(lián)。

以徐圩新區(qū)鋪設(shè)的 3.8 km綜合管廊的BIM建模數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將其導(dǎo)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(gòu)建監(jiān)控預(yù)警、RFID標識系統(tǒng)以及應(yīng)急指揮響應(yīng)等專項系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

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

應(yīng)用支撐層建于數(shù)據(jù)層之上，為各種應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的管理和運行維護服務(wù)，起到承上啟下的作用。應(yīng)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(chǔ)上搭建不同的專題應(yīng)用系統(tǒng)。

專題應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)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(yù)警分析與推送以及對預(yù)警事件進行日常處理和啟動應(yīng)急預(yù)案綜合處置。

圖1系統(tǒng)架構(gòu)

4 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)采用目前最為流行的SOA架構(gòu)進行設(shè)計。二維地圖采用ArcGIS平臺，三維地圖采用公司從底層自主研發(fā)的Genius World(正元天地)平臺，結(jié)合BIM技術(shù)實現(xiàn)對整個綜合管廊場景的三維仿真模擬；將開發(fā)架構(gòu)分為三層，客戶端采用Extjs、XML、JSON等前端技術(shù)實現(xiàn)；應(yīng)用層采用MVC框架、后臺服務(wù)采用C#語言實現(xiàn)；數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)訪問通過ODBC接口實現(xiàn)，數(shù)據(jù)存儲與管理采用Oracle數(shù)據(jù)庫。

4.1 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(shù)，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；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(dǎo)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(guān)系。

為解決場景中大量三維BIM對象顯示、查詢速度慢的難題，Genius World平臺采用LOD(多細節(jié)層次模型)技術(shù)，同時使用數(shù)據(jù)剪裁技術(shù)保障“三維場景范圍”性能，并通過空間索引和渲染索引雙重索引機制來降低性能消耗。

4.2 監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

運用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，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(yīng)用。通過在合適地點安裝多種類型的傳感器，包括管線狀態(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(zāi)報警監(jiān)控、通風系統(tǒng)、管廊結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測等，能夠?qū)崟r獲取溫濕度、沉降、有害氣體等多種關(guān)鍵指標，并能夠根據(jù)設(shè)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。實時數(shù)據(jù)信息通過設(shè)備傳感器存儲到服務(wù)器的實時數(shù)據(jù)庫，綜合管廊智能化管理平臺的B/S系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析，以統(tǒng)計圖表的方式展示給用戶，另外還可以將各種傳感器的實時數(shù)據(jù)信息通過大屏進行展示，為用戶提供預(yù)警輔助決策，并能通過遠程控制和調(diào)用部分設(shè)備(通風、排水泵、電氣設(shè)備等)來應(yīng)對緊急發(fā)生狀況以及不方便人工入場或人工入場危險的場所。監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

(1)三維展示

綜合管廊樁基、承臺、管架、桁架、維修通道以及管道的三維模擬展示、屬性信息維護、橫斷面查詢、實時監(jiān)測信息查看、預(yù)警信息通報。

(2)在線監(jiān)控

包括視頻監(jiān)控、管廊的地基沉降監(jiān)測、紅外邊界監(jiān)測、管道泄露監(jiān)測、管道光纜振動監(jiān)測、溫濕度傳感監(jiān)測、氣體傳感監(jiān)測、管道壓力監(jiān)測等。

(3)預(yù)警分析

通過各種監(jiān)測設(shè)備獲取的相關(guān)信息和運行數(shù)據(jù)，對事故預(yù)警事件進行分析處理，及時提供預(yù)警信息。

(4)預(yù)警推送

三維監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)通過預(yù)警分析，推送預(yù)警信息給綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)和應(yīng)急指揮響應(yīng)系統(tǒng)，指導(dǎo)巡查養(yǎng)護和應(yīng)急響應(yīng)。

(5)歷史分析

歷史分析功能是通過時間、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(yù)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(chǔ)維護

以簡潔明晰的操作方式提供設(shè)施、監(jiān)測設(shè)備的維護和監(jiān)測項配置的管理。

4.3 綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)

綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)由綜合業(yè)務(wù)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(wù)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(shè)施維護等，有利于實現(xiàn)日常業(yè)務(wù)辦公流程化、自動化和移動化管理。

4.3.1 手機端

(1)我的任務(wù)

接收到的任務(wù)分為緊急任務(wù)和養(yǎng)護任務(wù)，巡檢人員根據(jù)崗位職責能夠接收到相應(yīng)的任務(wù)。

(2)巡檢上報

巡查上報主要是針對巡查人員對管理區(qū)域內(nèi)發(fā)生的各類管廊相關(guān)問題情況進行上報或用戶根據(jù)巡查過程中所發(fā)現(xiàn)的問題處理后對處理結(jié)果的上報。

(3)上下班考勤

巡檢人員每天需要在指定的有效考勤時間范圍內(nèi)進行考勤打卡，系統(tǒng)會將考勤人員相關(guān)信息(人員，位置，時間)上傳至服務(wù)器端進行統(tǒng)計分析。

4.3.2 PC端

(1)軌跡回放

軌跡回放功能可以對巡查員的巡查軌跡進行回放，追蹤巡檢員任一時間段的運動軌跡，便于管理部門對巡查人員進行考勤。

(2)養(yǎng)護管理

管理部門在對管架、管道進行養(yǎng)護的過程中，可以利用養(yǎng)護管理模塊對現(xiàn)場的養(yǎng)護信息進行記錄，并將記錄信息向系統(tǒng)進行反饋，及時在系統(tǒng)中顯示相應(yīng)的現(xiàn)場信息和養(yǎng)護工作進展。

(3)事故熱區(qū)

該功能可以通過對事故數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，對事故的可能性地區(qū)做出預(yù)測，顏色比較深的區(qū)域即為事故高發(fā)區(qū)，可為決策分析提供依據(jù)。

4.4 應(yīng)急指揮響應(yīng)系統(tǒng)

應(yīng)急指揮響應(yīng)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(yīng)急指揮預(yù)案進行事故處置，實現(xiàn)人員、設(shè)備、資源合理調(diào)控，輔助應(yīng)急指揮。系統(tǒng)包括隱患監(jiān)測、事故確定、事故分析、事故處置和事故總結(jié)的全系列處理流程。徐圩新區(qū)公共管廊應(yīng)急指揮響應(yīng)系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3應(yīng)急指揮響應(yīng)系統(tǒng)

(1)應(yīng)急指揮預(yù)案

管廊應(yīng)急預(yù)案是應(yīng)急指揮響應(yīng)系統(tǒng)的制度保障，有利于提高綜合管廊突發(fā)事故綜合應(yīng)對能力。預(yù)案管理分為預(yù)案列表、預(yù)案編制、和預(yù)案演練三個模塊[7]。

(2)事故管理

對管廊事故的詳細信息進行記錄整理。

(3)事故模擬

模擬事故的應(yīng)急指揮決策演習(xí)。包括搜索力量調(diào)度和人員的疏散等模擬分析。

(4)輔助決策

對在線監(jiān)測信息進行匯總以及初步分析，為災(zāi)害或者事故的處理提供決策依據(jù)。

(5)統(tǒng)計分析

可以選擇多種周期或自定義報表方式對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計可能造成的損失等各項指標數(shù)據(jù)，協(xié)助管理者了解管廊長期運轉(zhuǎn)情況，為決策分析提供更清晰直觀的數(shù)據(jù)支撐。

(6)災(zāi)后評估

輔助制定災(zāi)后善后處理、重建計劃等工作決策。

(7)專家案例庫

收集整理管廊歷史運行數(shù)據(jù)和已有的知識庫，形成專家?guī)旌蜌v史案例庫兩大專題類信息。

4.5 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(shè)施是軌道式機器人，可完成對綜合管廊設(shè)備、環(huán)境的移動監(jiān)測以及信息采集[8]。通過對設(shè)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。

4.6 出入口控制與報警系統(tǒng)

出入口控制與報警系統(tǒng)的主要作用是對出入綜合管廊的人員進行身份核實，如果具備進入管廊的權(quán)限，可以放行，如果沒有授權(quán)，將不被允許進入，同時記錄事件發(fā)生的相關(guān)信息。如果有強行非法入侵事件發(fā)生，能夠及時與報警系統(tǒng)聯(lián)動，發(fā)出報警信號。

4.7 RFID標識系統(tǒng)

歸入綜合管廊的管線，需采用符合相關(guān)標準的標志、標識進行區(qū)別，標志、標識應(yīng)設(shè)置在顯眼區(qū)域，明確標注管線規(guī)格、屬性、產(chǎn)權(quán)單位、聯(lián)系電話等信息，為管廊維護工作人員對管線和設(shè)備進行日常維護提供指示。

5 結(jié) 語

通過BIM和GIS在該試點中的實際應(yīng)用，為二者在綜合管廊建設(shè)中的應(yīng)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(yù)警以及應(yīng)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(shù)的飛速發(fā)展，BIM技術(shù)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(jié)合已經(jīng)成為綜合管廊建設(shè)發(fā)展的重要趨勢，可以為綜合管廊規(guī)劃建設(shè)階段和運維階段諸多問題的解決提供新的思路。

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StudyandImplementationoftheCompositePipeGalleryIntelligentManagementPlatformBasedonBIM+GISTechnology

Zhou Wen1，2，3，Li Qiannan1，2，3，Pan Liangbo1，2，3，Yang Guojing1，2，3
(1.Zhengyuan Geographic Information Engineering Co.，Ltd，Beijing 101300，China；2.Zhengyuan Geographic Information Research and Development Center，Beijing 101300，China；3.Beijing Engineering Research Center of Smart Pipeline Assessment and Operating Regulation，Beijing 101300，China)

It aim at designing and implementing special application systems of the composite pipe gallery intelligent management platform，which contains the BIM modeling，the monitor-control and early-warning system，the integrated service system and the emergency response command system，by using technology of BIM (building information model)，GIS，intelligent control and urban municipal facilities operation management services，etc.，Combining Xu Wei new district as an instances to construct composite pipe gallery intelligent management platform，draws a conclusion that BIM combined with GIS technology can provide a new solution for intelligent comprehensive pipe gallery construction problems，and gives a summary and outlook on BIM and GIS technology in the application of the pipe gallery intelligent management.

BIM；GIS；pipe gallery；the monitor-control and early-warning system

1672-8262(2017)06-31-05

P208

A

2017—02—21

周文(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事地理信息軟件開發(fā)與管理。