周果林，胡偉，熊劍

（湖南中建管廊運營有限公司）

1 引言

2015年4月，國家財政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部公示了地下綜合管廊10個試點城市名單[1]，管廊建設(shè)在我國全面展開。以傳統(tǒng)方式鋪設(shè)地下管線容易造成“馬路拉鏈”和“空中蜘蛛網(wǎng)”現(xiàn)象，嚴重浪費財力物力，導致交通堵塞，留存安全隱患。綜合管廊將電力、通信、給水、排水，燃氣等管線統(tǒng)一規(guī)劃集中鋪設(shè)，提高了地下空間利用率，一旦在運營維護階段發(fā)生故障和災(zāi)害事故，就會產(chǎn)生連鎖效應(yīng)和衍生災(zāi)害，直接威脅整個城市的公共安全，給人民的生活造成重大影響[2]。為進一步實現(xiàn)對城市綜合管廊及入廊管線全生命周期高效的運維管理，需要建立一套經(jīng)濟、實用、科學、安全標準化的綜合管廊運維管理平 臺[3]。 將 BIM（Building Information Management） 技 術(shù) 和 GIS（Geographic Information System）技術(shù)基于模型管理的思想運用于管廊運維管理平臺中，對平臺運行架構(gòu)和功能模塊架構(gòu)進行了研究和設(shè)計，本設(shè)計集成管廊本體、附屬設(shè)施、入廊管線及管廊周邊地理環(huán)境模型信息和設(shè)備實施運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從二維到三維、宏觀到微觀的立體化、可視化管理，為管廊運營和運維平臺開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

2 國內(nèi)外綜合管廊運維管理現(xiàn)狀分析

綜合管廊起源于19世紀的歐洲，目前日本、俄羅斯、美國以及國內(nèi)臺灣、北京、杭州、廣州等都建有綜合管廊并且投入運營數(shù)年。國內(nèi)外關(guān)于綜合管廊的相關(guān)研究，大多集中于綜合管廊的可行性分析、規(guī)劃、設(shè)計以及建設(shè)，總體而言，綜合管廊運維管理相關(guān)的研究非常少[4]。根據(jù)2015年國家財政部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門聯(lián)合出臺的政策，我國各大城市要合理大力發(fā)展地下管廊建設(shè)，城市不能光有“面子”工程，更要解決好“里子”問題。

國內(nèi)外部分地下管廊雖已運營數(shù)年，但在管廊運維管理方面存在以下不足：

1）管廊運維管理方式落后

目前已建成運營的地下管廊大多借鑒傳統(tǒng)物業(yè)管理系統(tǒng)對綜合管廊進行運維管理，部分地區(qū)甚至依然采用傳統(tǒng)紙質(zhì)文檔記錄日常運維管理。以上管理方式在應(yīng)急指揮調(diào)度、后期資料查閱、巡檢結(jié)果反饋等諸多方面存在缺乏統(tǒng)籌、耗時耗工、反饋滯后等問題。

2）管廊運維管理各單位管理機制及聯(lián)動性不足

地下管廊運維管理需專業(yè)管廊運營公司、管線權(quán)屬單位及當?shù)卣畢f(xié)同配合進行。已運營的地下管廊缺乏甚至沒有一個信息化、標準化的綜合管廊運維管理平臺，難以實現(xiàn)統(tǒng)一管理和政府實時監(jiān)督。

3）保障管廊安全高效運行的輔助系統(tǒng)缺乏或功能性不足

綜合管廊屬地下密閉空間環(huán)境，附屬設(shè)施及入廊管線較多，需消防、氣體監(jiān)測及溫濕度傳感器、通風、火災(zāi)自動報警、防入侵、視頻監(jiān)控、無線通信等多個子系統(tǒng)協(xié)同運作保障地下管廊高效安全運營。

4）管廊運營過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析再利用不足

在管廊運維過程中隨著時間推移會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，根據(jù)已有的運行數(shù)據(jù)可利用云計算技術(shù)進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，有效預(yù)測將來運維過程中可能發(fā)生的事件。

現(xiàn)在國家大力發(fā)展管廊建設(shè)，未來幾年將會有大量管廊建成，專業(yè)的管廊運營公司利用信息化手段對管廊實施安全高效運維管理，是發(fā)揮地下管廊綜合效用的前提，所以建成一套經(jīng)濟、實用、科學、安全的管廊運維管理平臺迫在眉睫。

3 BIM技術(shù)和GIS技術(shù)簡介及應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 BIM技術(shù)簡介及應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，建立建筑模型，目的在于提高建筑工程管理水平、加強各方信息溝通、檢查前期設(shè)計不足與錯誤、優(yōu)化工程設(shè)計，優(yōu)化施工方案，建設(shè)、勘察設(shè)計、施工、監(jiān)理、政府監(jiān)督部門之間的信息共享平臺。

近些年來建筑行業(yè)在BIM 3D建筑信息模型基礎(chǔ)上，融入“時間進度信息”與“成本造價信息”，形成五維建筑信息模型，通過“5D”建筑信息模型，實現(xiàn)以“進度控制”、“投資控制”、“質(zhì)量控制”、“合同管理”、“資源管理”為目標的數(shù)字化三控兩管項目總控系統(tǒng)。隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展成熟，BIM 相關(guān)的研究、應(yīng)用也從房屋建筑領(lǐng)域逐漸延伸至基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域[5]，如地鐵站運維管理、基礎(chǔ)設(shè)施災(zāi)害管理、數(shù)據(jù)中心運維管理等。

3.2 GIS技術(shù)簡介及應(yīng)用現(xiàn)狀

GIS系統(tǒng)是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。

GIS技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩方面，一是利用GIS系統(tǒng)來處理用戶的數(shù)據(jù)；二是在GIS的基礎(chǔ)上，利用它的開發(fā)函數(shù)庫，二次開發(fā)出用戶的專用的地理信息系統(tǒng)軟件應(yīng)用程序，輔助決策者從地區(qū)或者城市的精度范圍進行危機反應(yīng)和災(zāi)害管理[6]。如，運用 GIS 建立的城市地下天然氣管道火災(zāi)預(yù)警模型，能夠迅速確定受天然氣管道影響的危險區(qū)域，同時判定可能造成天然氣火災(zāi)蔓延的區(qū)域[7]，這對預(yù)防和控制危險性火災(zāi)、部署消防力量具有重大意義。此外，為提高對管理者的決策支持，有研究將城市地下管線網(wǎng) GIS 系統(tǒng)與數(shù)據(jù)挖掘模型結(jié)合，實現(xiàn)了地下管線的數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)挖掘以及有用信息的高效獲取[8]。

3.3 BIM技術(shù)和GIS技術(shù)結(jié)合應(yīng)用

BIM連接了建筑生命期不同階段的數(shù)據(jù)、過程和資源，從設(shè)計、施工到運維都是圍繞BIM的單體精細化模型來進行的，注重于微觀領(lǐng)域中建筑內(nèi)部的設(shè)計與實現(xiàn)；而GIS則一直致力于宏觀地理環(huán)境的研究，同時具備處理和分析宏觀地理環(huán)境中地理數(shù)據(jù)的能力。對于BIM來說，三維GIS可基于周邊宏觀的地理信息，提供各種空間查詢及空間分析等三維GIS功能，為BIM提供決策支持；而對于三維GIS來說，BIM模型則是一個重要的數(shù)據(jù)來源。

雖然BIM 和 GIS 的集成運用能夠為綜合管廊運營的可視化、宏觀以及微觀管理功能的結(jié)合提供基礎(chǔ)。但目前為止，GIS 與 BIM 數(shù)據(jù)的集成還存在很大的問題，如集成后數(shù)據(jù)丟失、可視化效果不好、無法進行空間數(shù)據(jù)分析等。為了促進 BIM 和 GIS 技術(shù)的融合應(yīng)用，將各類模型數(shù)據(jù)整合集成在一個平臺上，實現(xiàn)更加理想的運維管理效果，需進一步研究建立 GIS 與 BIM 之間模型精細度的映射算法、映射規(guī)則以及語義映射表等內(nèi)容。

4 管廊運維管理平臺運行模式及架構(gòu)

不管是傳統(tǒng)的施工項目、BT項目還是新型的PPP項目，地下綜合管廊建設(shè)期都需政府部門及相關(guān)管線單位參與，建成后專業(yè)的管廊運營公司接管運營，在運營公司前期進場及后期運營過程中，還可能需要管廊設(shè)計單位和施工單位協(xié)助解決運維過程中出現(xiàn)的各種疑難問題。為了給參與管廊建設(shè)、運營各單位提供一個全天候的便捷的交流和運維管理平臺，將各類數(shù)據(jù)及各個操作流程整合到BIM模型和GIS模型中，建立基于BIM+GIS并采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）運行模式的管廊運維管理平臺（見圖1）。

平臺的數(shù)據(jù)源包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、管廊BIM模型、管線設(shè)備出事數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)臺賬數(shù)據(jù)和后期管廊運維數(shù)據(jù)等，原始數(shù)據(jù)經(jīng)平臺工具加工為標準格式后，經(jīng)由監(jiān)控中心內(nèi)網(wǎng)傳輸?shù)綉?yīng)用層供平臺使用。由于各類數(shù)據(jù)量大，因此，平臺采用B/S運行模式時能否快速、流暢地加載和瀏覽模型是關(guān)鍵。除了需要進行模型瘦身和優(yōu)化外，采用合適的BIM模型瀏覽工具也很重要。

基于BIM+GIS的管廊運維管理平臺主要包含監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)，為管廊運維公司、權(quán)屬單位和政府監(jiān)管部門提供設(shè)施設(shè)備快速定位、維修計劃生成、專業(yè)數(shù)據(jù)分析和圖表報告生成服務(wù)功能，可分為物理支撐層、數(shù)據(jù)資源層、服務(wù)界面層、應(yīng)用層以及用戶層5部分（見圖2）。

5 監(jiān)控系統(tǒng)主界面功能區(qū)設(shè)計

目前已投入運營的部分管廊中，具有建立在傳統(tǒng)物業(yè)管理平臺基礎(chǔ)上地下管廊運維管理平臺，特點是功能不全、信息化程度不高及聯(lián)動性差等。本文以長沙管廊項目為立足點，從實際運維的角度出發(fā)，結(jié)合前期試運維經(jīng)驗和不斷修正的管廊運維方案，設(shè)計了基于BIM+GIS技術(shù)運維管理平臺功能模塊及監(jiān)控主界面模擬交互界面，監(jiān)控主界面主要包括實時GIS地圖區(qū)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)區(qū)、BIM漫游+視頻區(qū)報警提示區(qū)、報警提示區(qū)、子系統(tǒng)菜單區(qū)、交接提示區(qū)和值班監(jiān)督區(qū)（見圖3）。

圖1 管廊運維管理平臺運行模式圖

圖2 管廊運維管理平臺運行架構(gòu)圖

圖3 運維管理模擬平臺監(jiān)控主界面交互圖

以上7個功能模塊（區(qū)）的功能簡介：

1）實時GIS地圖區(qū)

利用GIS地圖技術(shù)，可縱觀全局和快速瀏覽綜合管廊任意位置、任意艙室、任意設(shè)備的實時運行狀態(tài)，并實時顯示廊內(nèi)人員的位置及BIM漫游路線。

2）環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)區(qū)

實時顯示BIM漫游路線廊道內(nèi)環(huán)境檢測傳感器上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3）BIM漫游+視頻區(qū)

提前設(shè)置好BIM漫游路線，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置自動漫游，并顯示漫游位置及相應(yīng)艙室的視頻畫面。

4）報警提示區(qū)

當環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)高于或低于安全閾值時，以及發(fā)生非法入侵時，系統(tǒng)會提示報警，點擊相應(yīng)按鈕便會顯示詳情，并通過彈出的BIM模型界面，進行相應(yīng)操作。

5）子系統(tǒng)菜單區(qū)

該區(qū)域包含廊內(nèi)人員、監(jiān)控界面、報警消息、管理系統(tǒng)、閾值設(shè)置、視頻設(shè)置6個子系統(tǒng)入口。

6）交接提示區(qū)

該區(qū)域顯示交接班時的未盡事宜或重要通知。

7）值班監(jiān)督區(qū)

該區(qū)的“點我”按鈕（初始為灰色），以值班人員在系統(tǒng)上的最后一次操作開始計時，每隔3分鐘（可設(shè)置）變成綠色持續(xù)30秒，“點我”按鈕變成綠色期間值班人員未點擊則視為離崗。點擊記錄可作為值班人員考核依據(jù)。

6 管理系統(tǒng)功能模塊介紹

管廊運維管理平臺大體上分為監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)主要側(cè)重于監(jiān)控值班人員，管理系統(tǒng)側(cè)重于管理人員，平臺根據(jù)不同人員所持有賬號分配相應(yīng)功能模塊進入權(quán)限。管理系統(tǒng)功能模塊主要包括出入廊管理、設(shè)備管理、巡檢管理、系統(tǒng)管理、應(yīng)急流程，以及手機 APP（見圖 4）。

6.1 出入廊管理

管廊本體及附屬設(shè)施竣工后，各管線單位管線陸續(xù)入廊。出入廊管理模塊包含門禁卡辦理、外來參觀人員、權(quán)屬單位人員、運營公司人員和管線出入廊五個小模塊。從前期管線入廊進場施工，到中期管線入廊，再到后期管廊運營公司及管線權(quán)屬單位的巡檢維護維修，通過平臺進行在線申請審批、許可跟蹤；運營公司在巡檢維護維修中采集的數(shù)據(jù)、巡檢結(jié)果、出入管廊的人員操作和歷史行進路線等通過BIM模型和GIS模型聯(lián)動實時遠程監(jiān)督、精確定位跟蹤和操作全程記錄等。

6.2 設(shè)備管理

圖4 管理系統(tǒng)功能模塊組成圖

設(shè)備管理模塊包含7個小模塊，分別是設(shè)備添加、設(shè)備養(yǎng)護、設(shè)備維修、檢測標定、設(shè)備替換記錄、備品備件和統(tǒng)計分析。設(shè)備初次進場投入運行開始，對設(shè)備的名稱、參數(shù)、型號、安裝位置等按照統(tǒng)一編號規(guī)則進行編號，并與BIM模型和GIS模型關(guān)聯(lián)。將 GIS模型放大后可清晰直觀看到不同艙室及內(nèi)部設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實時運行狀態(tài)，點擊GIS模型則會進入對應(yīng)位置的BIM模型，可通過BIM模型和GIS模型對設(shè)備進行開關(guān)控制，并對設(shè)備的養(yǎng)護維修內(nèi)容、結(jié)果、養(yǎng)護維修人、養(yǎng)護周期等數(shù)據(jù)全程跟蹤并自動生成電子臺賬，對設(shè)備進行全生命周期管理。

6.3 巡檢管理

巡檢管理模塊分為巡檢區(qū)域和巡檢記錄兩個子模塊。巡檢區(qū)域模塊總覽管廊總體分布及周邊環(huán)境情況，可結(jié)合巡檢任務(wù)量、巡檢路線連貫性等直接在GIS模型地圖上進行合理的劃分，以防因區(qū)域劃分和路線設(shè)定不合理帶來繞路巡檢、重復(fù)巡檢等人力物力浪費，并可同時設(shè)定巡檢日期、分配巡檢任務(wù)，巡檢區(qū)域劃分一步到位。巡檢區(qū)域劃分確定后，系統(tǒng)會自動記錄巡檢區(qū)域劃分的操作，形成一張對應(yīng)的電子表單以便查閱，如區(qū)域劃分不當還可在表單中修改，該表單還可根據(jù)需要導出。巡檢記錄模塊主要記錄劃分的巡檢區(qū)域以及巡檢人、巡檢日期等信息。

6.4 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理設(shè)置賬號管理、排班管理、運維日志、登錄記錄、報警信息匯總五個子模塊。賬號管理模塊主要針對PC端和移動端管理員及用戶的登錄賬號進行統(tǒng)一有效管理；排班管理模塊主要針對出差率較高、工作變動性大的現(xiàn)場管理人員以及工勤人員進行排班，排班流程在一張電子表單上操作完成，且隨時可以根據(jù)需要對已完成的排班進行編輯修改。運行日志模塊主要記錄風機、水泵、照明控制箱、井蓋的運行狀態(tài)、控制方式和報警狀態(tài)，以及溫濕度傳感器、液位傳感器、氣體監(jiān)測傳感器的數(shù)據(jù)。登錄記錄模塊主要記錄何時、何人、何號登錄哪個系統(tǒng)，該記錄可供事故責任排查使用。報警信息匯總模塊對平臺發(fā)出的所有報警信息進行匯總，記錄內(nèi)容包括報警日期、報警位置、報警分類、報警等級、報警對象、報警描述、操作反饋等，值班人員可通過BIM模型和GIS模型對報警事件進行處理。

6.5 應(yīng)急管理

應(yīng)急流程模塊包含信號復(fù)位、通訊錄、會商系統(tǒng)、應(yīng)急演練、應(yīng)急記錄5個子模塊，每個子模塊緊密聯(lián)動形成一個完整的應(yīng)急流程。具體操作流程如下：

1)平臺會根據(jù)報警詳情通過后臺計算分析采取相應(yīng)的操作，同時會發(fā)送應(yīng)急通知給相關(guān)人員；

2)值班人員可對報警信號復(fù)位待確定其真實性后，派搶修人員趕往現(xiàn)場，還可通過進入BIM模型和GIS模型，對風機、水泵、聲光報警器等采取開關(guān)控制；

3)值班人員可通過查找通訊錄，推送重要信息給指定的領(lǐng)導小組、監(jiān)控中心、分控中心、巡防人員、機修人員等；

4)負責人可以通過會商系統(tǒng)，結(jié)合管廊GIS模型地圖，對現(xiàn)場救援進行實時指揮；

5)為提高公司應(yīng)對突發(fā)緊急事件的能力，可通過“應(yīng)急演練”模塊給平臺加載模擬應(yīng)急事件信號，進行突發(fā)事件應(yīng)對演練。

應(yīng)急記錄模塊主要記錄應(yīng)急事件和應(yīng)急演練的整個過程，包括時間、地點、內(nèi)容、平臺操作、會商記錄等。

6.6 手機端

在我們?nèi)粘Ｉ钪兄悄苁謾C使用頻率非常高，隨著智能手機配置越來越高，手機功能不在局限于打電話和發(fā)短信，可以開發(fā)一款移動端APP來輔助完成管廊運維管理。本文設(shè)計的手機端集成了申請審批、我的任務(wù)、今日當班、通知公告、應(yīng)急預(yù)案、統(tǒng)計分析、經(jīng)驗分享、發(fā)起聊天、位置查看等功能模塊。當人員在管廊內(nèi)部作業(yè)時，可通過手機連接廊內(nèi)無線局域網(wǎng)，與廊內(nèi)布設(shè)的RFID進行通信，實現(xiàn)巡檢任務(wù)接收、巡檢結(jié)果上報、人員實時定位、巡檢區(qū)域電子圍欄、無線即時通訊及門禁開啟等功能[9,10]。

7 結(jié)語

闡述了管廊建設(shè)的背景和意義，分析了國內(nèi)外管廊運維管理的現(xiàn)狀，針對目前管廊運維管理方式落后、部門聯(lián)動性差、安全保障子系統(tǒng)缺乏和運維數(shù)據(jù)利用不充分等問題，以長沙管廊項目為立足點，結(jié)合前期試運維經(jīng)驗，提出了基于BIM+GIS技術(shù)的城市地下綜合管廊運維管理平臺設(shè)計方案，設(shè)計了平臺功能模塊架構(gòu)，搭建了模擬平臺交互界面。在理論上和設(shè)計思路上，模擬平臺采用了先進的信息化管理手段，將管廊運維中每個事件及每一步操作與BIM模型和GIS模型關(guān)聯(lián)，通過BIM模型和GIS模型對設(shè)備實施遠程控制，并對運維中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)利用云計算技術(shù)進行大數(shù)據(jù)分析處理，對后續(xù)運維起到指引和預(yù)防作用，真正做到了信息化、標準化、精細化的全生命周期閉環(huán)式流程管理，為開發(fā)管廊運維管理平臺提供了技術(shù)支持和方案參考。

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