汪小波，暴 雨，李開華

（中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都 611731）

0 引言

《全國城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》提出，到2020年，綜合管廊建設(shè)達到8640公里，目前已建與在建達到目標。《2020中國城市地下空間發(fā)展藍皮書》統(tǒng)計，根據(jù)全國31個省級行政區(qū)劃單位公布的城市地下綜合管廊建設(shè)規(guī)劃，合計擬建設(shè)城市地下綜合管廊12000公里以上。

綜合管廊是城市的生命線，包含了支持居民生活和工業(yè)的基本公共服務(wù)，需要得到高效的維護。但隨著綜合管廊規(guī)模不斷擴大，里程數(shù)增加，納入的管線種類越來越多，傳統(tǒng)管理模式已無法滿足綜合管廊的運維需求，必須借助科技的力量來減輕運維人員的工作量，智能化是綜合管廊運維管理的重要發(fā)展方向。多地先后都結(jié)合智能化手段建設(shè)了運維管理平臺，但采用的信息技術(shù)、運維數(shù)據(jù)分類、功能模塊劃分、體系架構(gòu)都缺乏統(tǒng)一標準。隨著綜合管廊智慧運維的發(fā)展，亟待建立統(tǒng)一的智慧運維體系架構(gòu)，明確各層的需求、功能、服務(wù)、接口等。

1 綜合管廊運維管理平臺體系架構(gòu)研究現(xiàn)狀

王婉等分析了綜合管廊智能運維的關(guān)鍵影響敏感性因素。Xianfei Yin等研究了管廊運維數(shù)據(jù)類型，針對綜合管廊項目運維特點，提出了基于BIM的綜合管廊運維管理系統(tǒng)。梁忠恕介紹了新加坡濱海灣綜合管廊的智慧運維平臺和標準作業(yè)流程。安徽阜陽試點項目實際應(yīng)用驗證了感知、傳輸、數(shù)據(jù)、服務(wù)、應(yīng)用5層體系的運維管理平臺，上海北島西路管廊項目采用了支撐層、感知層、數(shù)據(jù)層、中間服務(wù)層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、接入層、用戶層的7層系統(tǒng)架構(gòu)。相關(guān)文獻中的綜合管廊運維管理平臺的系統(tǒng)架構(gòu)的統(tǒng)計分析如表1所示。

表1 綜合管廊運維管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)統(tǒng)計分析

續(xù)表1

2 一種五層智慧運維管理平臺體系架構(gòu)

圖1提出了一種綜合管廊智慧運維管理平臺5層體系架構(gòu)，從下向上依次是物理層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。平臺可以應(yīng)用于PC機的Web系統(tǒng)、工業(yè)大屏、移動App、巡檢機器人等。

圖1 本文提出的綜合管廊運維管理平臺5層體系架構(gòu)（續(xù)）

圖1 本文提出的綜合管廊運維管理平臺5層體系架構(gòu)

3 管廊運維管理平臺物理層

綜合管廊中已大量應(yīng)用傳感器、RFID、物聯(lián)網(wǎng)、無線定位、紅外線熱成像、攝像頭等技術(shù)和設(shè)備，形成了豐富的綜合管廊信息系統(tǒng)，例如，管廊結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、入侵監(jiān)測系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、監(jiān)控通風(fēng)設(shè)備、排水系統(tǒng)設(shè)備、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、電子巡查管理系統(tǒng)、機器人巡檢等系統(tǒng)。但這些系統(tǒng)大多還是局部性的粗糙應(yīng)用，并沒有精細化的明確綜合管廊的運維需求。表2從全局的角度，結(jié)合綜合管廊運維特點，將物理層的感知智能分為綜合管廊環(huán)境、本體結(jié)構(gòu)、入廊管線、附屬系統(tǒng)設(shè)備及運維系統(tǒng)五種類型，明確了綜合管廊運維管理平臺中物理層的精細需求，如監(jiān)測項目、方法、工具、內(nèi)容、測點布置和處置裝置等。

表2 綜合管廊運維管理平臺物理層感知智能的功能需求

續(xù)表2

4 管廊運維管理平臺傳輸層

廊內(nèi)各類通信技術(shù)的使用是管廊安全穩(wěn)定運行的前提之一，很大程度上決定了管廊運維過程中的實用性及有效性。運維管理平臺的傳輸層包含管廊內(nèi)實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到分控中心，分控中心到總控中心，以及控制中心與控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。管廊內(nèi)可以通過分布式光纖、5G無線傳感網(wǎng)絡(luò)、WIFI等技術(shù)搭建。此外，由于存在遠程IO，同時網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量多，拓撲復(fù)雜，故對現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)實時性有很高的要求，可以采用新一代基于工業(yè)實時以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準PROFINET。

5 管廊運維管理平臺數(shù)據(jù)層

5.1 運維數(shù)據(jù)來源

圖2從綜合管廊的各個生命期階段及不同結(jié)構(gòu)部分，分析了綜合管廊運維數(shù)據(jù)的主要來源。其中，管廊BIM建筑模型，主要包含規(guī)劃設(shè)計階段的幾何信息，如模型的空間位置關(guān)系和構(gòu)件尺寸等。管廊BIM結(jié)構(gòu)模型，主要包含建造施工階段的非幾何信息，如結(jié)構(gòu)材質(zhì)、設(shè)備型號等。入廊管線BIM模型，包含鋪設(shè)路徑、管線用途、性質(zhì)、使用單位等。內(nèi)部設(shè)備設(shè)施BIM模型，包含附屬設(shè)施幾何尺寸、材質(zhì)、構(gòu)造、名稱、型號等。完成施工建造后，應(yīng)依據(jù)實際建造情況對設(shè)計階段的BIM模型進行校驗，以提交虛實一致、精確的BIM竣工模型。

圖2 綜合管廊運維數(shù)據(jù)來源分析

3D GIS模型包含管線的起始點、監(jiān)測設(shè)備、安全進出口等的位置。入廊管線BIM模型、內(nèi)部設(shè)備設(shè)施BIM模型、和3D GIS模型，通常在建造施工階段獲取，也可以在之后的運維階段新增。

管廊內(nèi)基礎(chǔ)監(jiān)測信息主要包含環(huán)境類參數(shù)，如溫濕度、氧含量、有毒氣體、可燃氣體濃度等，和介質(zhì)類參數(shù)，如水流量、用氣量、用電量、水壓、氣壓、電纜接頭溫度、積水坑液位等。

運維數(shù)據(jù)主要包含運營、維護、安全、施工四大部分，如設(shè)備和傳感器列表、員工信息、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、供應(yīng)商信息、設(shè)備維護計劃和其他傳統(tǒng)維護管理數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)層主要包含BIM模型數(shù)據(jù)庫、GIS數(shù)據(jù)庫、周邊環(huán)境數(shù)據(jù)、實時監(jiān)控數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)庫等。

5.2 基于場景的高性能數(shù)據(jù)服務(wù)

綜合管廊運維會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)類型豐富，需要高性能的數(shù)據(jù)服務(wù)。Grossmann M等從數(shù)據(jù)項的更新頻率及查詢使用兩個角度，對數(shù)據(jù)及其應(yīng)用情景進行了研究。結(jié)合綜合管廊的特征和Grossmann M的數(shù)據(jù)分類方法，可以對綜合管廊運維數(shù)據(jù)進行如圖3所示的分類，根據(jù)其對存儲、讀寫、查詢等的不同需求，從而相應(yīng)的設(shè)置特定的數(shù)據(jù)服務(wù)器提供不同情景的高性能數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖3 基于更新頻率和查詢使用的情景分類高性能數(shù)據(jù)服務(wù)

（1）靜態(tài)BIM數(shù)據(jù)。主要包括從前期設(shè)計和施工BIM竣工模型繼承的綜合管廊精確的建筑模型和結(jié)構(gòu)模型、入廊管線模型、廊內(nèi)的內(nèi)部設(shè)備模型。

（2）靜態(tài)位置數(shù)據(jù)。管廊本體結(jié)構(gòu)、入廊管線、附屬設(shè)施的位置坐標數(shù)據(jù)。例如，內(nèi)部管線的起點、接口、終點、所屬單位及周圍環(huán)境、路徑縮略圖等。

（3）靜態(tài)運維數(shù)據(jù)。即運維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，例如，傳感器和設(shè)備列表，入廊管線的鋪設(shè)路徑、管線用途、性質(zhì)、管理單位等。

（4）動態(tài)位置數(shù)據(jù)。移動對象，如巡檢人員、機器人等的動態(tài)位置數(shù)據(jù)。

（5）動態(tài)運維數(shù)據(jù)。例如，值班、巡檢、作業(yè)、檢修、維護、應(yīng)急響應(yīng)等數(shù)據(jù)。

（6）實時監(jiān)測數(shù)據(jù)（歷史和預(yù)測數(shù)據(jù)、時序數(shù)據(jù)）。具有靜態(tài)位置的傳感器實時動態(tài)采集的管廊內(nèi)的環(huán)境、設(shè)備、管線等狀態(tài)數(shù)據(jù)都帶有時間標記，對象ID與時間標記共同唯一標識一筆歷史數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)一旦創(chuàng)建就不能修改。對于歷史和預(yù)測，可以通過使用壓縮算法或完全放棄某些數(shù)據(jù)的存儲歷史來減少數(shù)據(jù)量。

6 管廊運維管理平臺服務(wù)層

綜合管廊運維管理平臺的服務(wù)層主要包含第三方的服務(wù)，如位置服務(wù)、BIM引擎、3DGIS引擎、工作流引擎等。

位置服務(wù)是綜合管廊運維中常用的基礎(chǔ)服務(wù)，可采取分段分艙的方式提供，包含ID查詢、范圍查詢、最近鄰居查詢等功能，其層級規(guī)模具有高可伸縮性。綜合管廊分段分艙示意圖如圖4所示。

圖4對應(yīng)的位置服務(wù)如圖5所示，位置服務(wù)由一組層級結(jié)構(gòu)的位置服務(wù)器協(xié)作提供，每個位置服務(wù)器負責(zé)一片地理區(qū)域。僅葉子服務(wù)器才負責(zé)存儲在其負責(zé)區(qū)域中的對象的位置坐標。高層服務(wù)器服務(wù)區(qū)域由其下全部葉子服務(wù)器負責(zé)區(qū)域組成，且僅存儲前向指針而不存儲對象坐標。沿著前向指針可以逐級索引到葉子服務(wù)器，從而找到對象的實際位置坐標。葉子服務(wù)器1負責(zé)中間分段管廊的中間艙室，葉子服務(wù)器2負責(zé)中間分段管廊的右側(cè)艙室。位置服務(wù)器1負責(zé)中間分段管廊所有艙室。葉子服務(wù)器3負責(zé)右側(cè)分段管廊的中間艙室，位置服務(wù)器2負責(zé)右側(cè)分段管廊所有艙室。根服務(wù)器負責(zé)全部管廊區(qū)域。

圖4 綜合管廊分段分艙示意

圖5 綜合管廊分段分艙位置服務(wù)

7 管廊運維管理平臺應(yīng)用層

應(yīng)用層的核心功能主要劃分為運營管理（Operations）、維護管理（Maintenance）、安全管理（Security）和施工管理（Engineering）四大子系統(tǒng)。

運營管理子系統(tǒng)主要包含供應(yīng)商管理、安裝公司管理、系統(tǒng)管理、組織機構(gòu)管理、人員管理、資料管理、設(shè)備管線管理、合同管理、成本管理、設(shè)備設(shè)施運行狀態(tài)管理、空間管理、日常巡視檢查、進出管廊監(jiān)管理、值班（日常值守）管理系統(tǒng)、指揮調(diào)度系統(tǒng)、績效考核管理系統(tǒng)、設(shè)施損壞賠償?shù)取?/p>

維護管理子系統(tǒng)主要包含設(shè)施設(shè)備保潔、養(yǎng)護管理、維修管理、檢測管理、大中修管理、更新改造、安全保護、設(shè)備資產(chǎn)管理、備品備件管理、技術(shù)檔案管理、隱患管理、故障管理等。

安全管理子系統(tǒng)主要包含火災(zāi)和水淹應(yīng)急預(yù)案、停電應(yīng)急預(yù)案、暴力事件應(yīng)急預(yù)案、傳染病應(yīng)變計劃、煙霾（嚴重空氣污染）應(yīng)急計劃、事故報告模式等。

工程管理子系統(tǒng)主要包含保護區(qū)控制區(qū)管理、施工監(jiān)管、管線入廊管理、新管廊接管管理等。

8 原型系統(tǒng)

本文基于BIM+3D GIS技術(shù)，采用Autodesk Revit設(shè)計了綜合管廊BIM模型，并導(dǎo)出為UDBX數(shù)據(jù)源格式，通過Supermap iDesktop軟件生成工作空間與三維場景。將管廊模型、第三方公開的地理地圖信息、該地理位置的數(shù)字高程地形地勢信息、其他輔助構(gòu)件等數(shù)據(jù)有機融合，形成一體化的三維場景，方便了用戶對使用現(xiàn)場環(huán)境有直觀、便捷、高效的理解。原型系統(tǒng)實現(xiàn)了BIM可視化漫游、環(huán)境監(jiān)測、入廊管線監(jiān)測、附屬設(shè)施監(jiān)測、運維管理等功能（圖6）。

圖6 基于BIM和3D GIS的綜合管廊智慧運維管理平臺原型系統(tǒng)

9 結(jié)語

我國綜合管廊已逐步從快速建設(shè)期進入了正式運維管理期，豐富的智慧運維管理技術(shù)和手段被采納實施，但如何綜合應(yīng)用各種智慧運維技術(shù)、盡快提出統(tǒng)一的運維管理平臺體系架構(gòu)標準成為智慧運維管理的關(guān)鍵問題之一。本文分析了綜合管廊運維管理平臺的體系架構(gòu)的研究現(xiàn)狀，提出了一種5層體系架構(gòu)，并對每一層進行了深入的分析和探討。在物理層分析了綜合管廊主要的監(jiān)測對象和方法。在數(shù)據(jù)層分析了運維數(shù)據(jù)來源的不同生命期和所處位置，并提出了一種基于情景的綜合管廊運維數(shù)據(jù)高性能服務(wù)方法。在服務(wù)層提出了一種分段分艙的位置服務(wù)方法。在應(yīng)用層把核心運維工作分成了運營、維護、安全和施工四大子系統(tǒng)。最后，本文實現(xiàn)了一個基于Web的綜合管廊運維管理原型系統(tǒng)，對提出的5層平臺體系架構(gòu)進行了驗證。