劉雅莉，孟曉強(qiáng)

（1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.中咨公路工程監(jiān)理咨詢有限公司，北京 100089）

2016 年，針對(duì)中國(guó)城市規(guī)劃建設(shè)管理中存在的突出問題，在國(guó)務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》中明確提及，到2020 年中國(guó)要建成一批在國(guó)際上具有先進(jìn)水平的地下綜合管廊并投入運(yùn)營(yíng)，要明顯改善反復(fù)開挖地面的問題，要明顯提升管線安全水平以及防災(zāi)抗災(zāi)能力，逐步消除城市主要街道上空的蜘蛛網(wǎng)式架空線，要明顯提升城市地面景觀面貌。

近幾年來，國(guó)內(nèi)的地下綜合管廊建設(shè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)。綜合管廊已日漸成為最有效的用來解決城市地下狀況與地下管網(wǎng)問題的方式，得到了業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)可，也代表著城市基礎(chǔ)設(shè)施未來發(fā)展的必然路徑和全新模式[1]。但是，當(dāng)下對(duì)城市地下綜合管廊的研究仍然主要聚焦在開發(fā)利用的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工階段，而較少關(guān)注綜合管廊后期的運(yùn)營(yíng)管理，特別是在智慧化技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行后期日常維護(hù)運(yùn)營(yíng)方面。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、VR、AI、虛擬仿真等技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，如何運(yùn)用數(shù)字化手段通過資源共享和信息互通實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地下綜合管廊的智慧化維護(hù)運(yùn)營(yíng)，對(duì)提高管廊運(yùn)營(yíng)管理的效率和服務(wù)質(zhì)量都將起到積極的作用[2-3]。

1 城市地下綜合管廊簡(jiǎn)介

城市地下綜合管廊又叫管溝、共同管道、共同溝（以下簡(jiǎn)稱“綜合管廊”）。它的定義如下：在城市道路下面集中建造很多管線的共同管道，包括電力線、通信線、廣播電視線、供水線、雨水線、污水線、中水線、熱力線、燃?xì)饩€等。在統(tǒng)一規(guī)劃、建設(shè)、管理的指導(dǎo)下，最大化、最優(yōu)化利用地下空間和資源。目前綜合管廊根據(jù)所收容的管線性質(zhì)主要?jiǎng)澐譃楦删€管廊、支線管廊、纜線管廊和干支混合管廊4 種類型。

1.1 發(fā)展簡(jiǎn)史

綜合管廊建設(shè)已有180 余年的發(fā)展歷史。世界上第一條綜合管廊在1833 年由法國(guó)巴黎興建，最早興建的這條管廊是以排放雨水和污水為主的重力流管線系統(tǒng)，管網(wǎng)縱橫，排污口、蓄水池眾多，后來進(jìn)一步在管廊內(nèi)鋪設(shè)了供水管、煤氣罐、通訊電纜等市政公用管道。

1861 年，英國(guó)在倫敦建設(shè)了一個(gè)綜合管廊，斷面是12 m×7.6 m 的半圓形，內(nèi)部敷設(shè)了供水管、污水管、燃?xì)夤?、電力線纜和電信線纜，直到現(xiàn)在，倫敦市區(qū)的管廊數(shù)量達(dá)20 條之多。

前蘇聯(lián)在莫斯科、列寧格勒、基輔等地于1933 年修建了地下共同溝。迄今為止，莫斯科地下有130 km的綜合管廊，除煤氣管外，各種管線均有，只是截面較小，內(nèi)部通風(fēng)條件也較差。

日本的綜合管廊建設(shè)最早始于1926 年，當(dāng)時(shí)在東京市中心的九段地區(qū)干線道路地下建設(shè)了國(guó)內(nèi)第一條綜合管廊，將電力線纜、電話線路、供水管線、燃?xì)夤芫€等市政基礎(chǔ)設(shè)施集中敷設(shè)在里面。目前，日本無論是在綜合管廊的建設(shè)速度上，還是在規(guī)劃能力、法規(guī)體系建設(shè)、工程技術(shù)等方面都是最先進(jìn)的國(guó)家之一。

中國(guó)綜合管廊建設(shè)的起步相對(duì)國(guó)外其他國(guó)家較晚。1958 年，在天安門廣場(chǎng)地下建設(shè)了一條長(zhǎng)度為1 076 m 的地下綜合管廊。1993 年，上海浦東新區(qū)張揚(yáng)路鋪設(shè)了地下管廊，那是中國(guó)意義上第一條現(xiàn)代綜合管廊。

1.2 運(yùn)營(yíng)管理存在的問題

綜合管廊運(yùn)營(yíng)管理中普遍存在廊內(nèi)環(huán)境差、設(shè)備維護(hù)水平低、管理技術(shù)落后、管廊安全預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)滯后等問題，具體如下：①智能化程度不足。對(duì)于較早建成并投入運(yùn)營(yíng)的綜合管廊，電子巡檢系統(tǒng)、標(biāo)簽定位系統(tǒng)等子系統(tǒng)未加入建設(shè)清單。②監(jiān)控單一獨(dú)立化。各監(jiān)控系統(tǒng)單獨(dú)存在，如電力、熱力管線監(jiān)測(cè)等都是來自于生產(chǎn)廠家的監(jiān)控系統(tǒng)。廠家持續(xù)致力于自身專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的管線監(jiān)測(cè)較多，但對(duì)其他專業(yè)管線監(jiān)控沒有經(jīng)驗(yàn)，甚至沒有考慮監(jiān)測(cè)設(shè)備，加大了監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)兼容其他管線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的難度。③可視化與精細(xì)化運(yùn)營(yíng)管理程度不高。BIM（Building Infоrmаtiоn Mоdеling）技術(shù)應(yīng)用不足，只可確定管廊內(nèi)設(shè)備與人員的具體位置，不可確定空間位置，導(dǎo)致綜合管廊可視化程度不高；另外，由于入廊管線產(chǎn)權(quán)單位眾多，數(shù)據(jù)壁壘現(xiàn)象嚴(yán)重，專業(yè)化運(yùn)營(yíng)管理難度大。④環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用不足。運(yùn)營(yíng)中管廊照明系統(tǒng)實(shí)行遠(yuǎn)程及實(shí)地手動(dòng)開關(guān)控制，可能會(huì)出現(xiàn)監(jiān)控中心值班人員遠(yuǎn)程控制不及時(shí)、管廊出入人員忘記關(guān)燈等現(xiàn)象，導(dǎo)致電力被浪費(fèi)。如何更好地聯(lián)動(dòng)照明系統(tǒng)與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，如利用人體感應(yīng)控制、光照度控制、定時(shí)控制技術(shù)等使照明燈自動(dòng)亮起或熄滅，是未來管廊運(yùn)營(yíng)管理中需要思考的問題。

2 城市智慧管廊綜合管理平臺(tái)

將BIM 技 術(shù) 和GIS （Gеоgrарhiс Infоrmаtiоn Systеm）技術(shù)基于模型管理的思想運(yùn)用于城市智慧管廊綜合管理平臺(tái)中，采用三維立體模式仿真地下綜合管廊，將綜合管廊及其附屬設(shè)施、廊內(nèi)管線包含周邊環(huán)境模型信息和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，把大量、分散的設(shè)備和傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的管理數(shù)據(jù)，讓管理人員可以實(shí)時(shí)查看采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及周邊環(huán)境圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)二維數(shù)據(jù)、宏觀及微觀數(shù)據(jù)的三維立體化、可視化、精細(xì)化、智慧化管理，提高綜合管廊運(yùn)維水平、應(yīng)急能力和經(jīng)營(yíng)管理水平，從而助力地下綜合管廊高效運(yùn)行和快速發(fā)展。

平臺(tái)基于SOA（面向服務(wù)的架構(gòu)）設(shè)計(jì)，采用3層結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用層、中間層及數(shù)據(jù)層，如圖1 所示。

圖1 城市智慧管廊綜合管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)

應(yīng)用層，即面向?qū)ο蟮膽?yīng)用，包括基于GIS 的信息化管理門戶網(wǎng)站、通風(fēng)管理子系統(tǒng)、供電管理子系統(tǒng)、排水管理子系統(tǒng)、安全防范子系統(tǒng)、通訊應(yīng)用管理子系統(tǒng)、預(yù)警與報(bào)警子系統(tǒng)、消防管理子系統(tǒng)、照明管理子系統(tǒng)、地理信息管理子系統(tǒng)、BIM 子系統(tǒng)等。同時(shí)，提供基于B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式的電腦、手機(jī)等客戶端軟件。

中間層，即提供各種應(yīng)用服務(wù)支撐，采用標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，可供第三方開發(fā)。包括數(shù)據(jù)訪問、消息管理、安全服務(wù)等基礎(chǔ)性服務(wù)，是整個(gè)綜合監(jiān)控平臺(tái)的應(yīng)用基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問。而不需要關(guān)注具體的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)解析等操作，也不需要關(guān)注不同廠家、不同制式、不同類別終端設(shè)備的物理接口和拓?fù)浞绞健?/p>

2.1 平臺(tái)特征

平臺(tái)特征充分利用BIM 連接管廊全生命周期不同階段的數(shù)據(jù)、過程和資源，注重微觀領(lǐng)域中管廊內(nèi)部的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)以及GIS 處理和分析宏觀地理環(huán)境中的地理數(shù)據(jù)的能力，通過對(duì)BIM 技術(shù)和GIS 技術(shù)的綜合運(yùn)用和深度應(yīng)用，讓管廊的宏觀、微觀管理功能和可視化功能很好地結(jié)合起來，再將各類數(shù)據(jù)及各個(gè)操作流程進(jìn)行整合，打造集智能控制、降耗節(jié)能、智慧運(yùn)營(yíng)于一體的城市智慧管廊綜合管理平臺(tái)。

平臺(tái)具有以下幾方面的特征：①充分利用BIM 和基礎(chǔ)地理信息公共平臺(tái)提供的各種資源，使平臺(tái)的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、BIM 模型在政府部門、管線權(quán)屬單位和管廊運(yùn)營(yíng)公司之間得到統(tǒng)一。②建立全面覆蓋城市地下綜合管廊的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成統(tǒng)一管理及管線數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新統(tǒng)一管理；完善地下管線框架體系及地下管線動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，建設(shè)多種類、多時(shí)相、更新及時(shí)的綜合管廊管線管理體系，提高綜合管廊管線數(shù)據(jù)多層次服務(wù)能力。③建立綜合管廊共享服務(wù)和數(shù)據(jù)交換機(jī)制，打造一個(gè)城市地下管線安全生態(tài)圈，滿足政府部門、各個(gè)管線權(quán)屬單位、管廊運(yùn)營(yíng)公司的在線應(yīng)用需求，徹底破解城市地下空間“信息孤島”難題。④提供安全開放的服務(wù)接口，構(gòu)建綜合管廊信息資源開發(fā)和綜合利用的整體、統(tǒng)一框架。⑤建立綜合管廊信息化的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系、政策法規(guī)與管理制度，建立健全綜合管廊管線動(dòng)態(tài)更新機(jī)制、共享標(biāo)準(zhǔn)體系和政策制度體系；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、建庫(kù)、發(fā)布、共享等的標(biāo)準(zhǔn)化和制度化，建立綜合管廊管線信息共享的長(zhǎng)效機(jī)制。⑥通過綜合管廊管線信息共享服務(wù)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，使得各管線權(quán)屬單位能夠在此基礎(chǔ)上整合自身業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)構(gòu)建滿足自身需要的專題管線運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)。

2.2 平臺(tái)功能框架設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件架構(gòu)

平臺(tái)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)基于BIM+GIS 技術(shù)的綜合運(yùn)用，并采用“管+控”的一體化規(guī)劃設(shè)計(jì)理念。將平臺(tái)中不一樣的應(yīng)用系統(tǒng)中類似的模塊規(guī)劃設(shè)計(jì)放在一塊，讓平臺(tái)更可靠、更好維護(hù)，也讓管廊的承載能力更容易管理，同時(shí)，又降低了建設(shè)成本、維護(hù)成本等。

所謂的類似的地方包括統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，適配各類物聯(lián)網(wǎng)終端的模塊化接入設(shè)備，構(gòu)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，建立標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式。城市智慧管廊綜合管理平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 城市智慧管廊綜合管理平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)

2.2.2 硬件架構(gòu)

平臺(tái)將依據(jù)監(jiān)控的具體規(guī)范要求，在要求的點(diǎn)位安裝各類傳感采集終端，并對(duì)各類采集終端的點(diǎn)位、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、在網(wǎng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)等進(jìn)行比對(duì)分析，規(guī)劃處出最合理的采集終端選點(diǎn)，然后對(duì)這個(gè)選點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸方式等的現(xiàn)場(chǎng)情況提出針對(duì)性解決措施。采集終端數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心后，系統(tǒng)軟件平臺(tái)會(huì)呈現(xiàn)采集現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)工作情況，根據(jù)以往的歷史數(shù)據(jù)，加以比對(duì)分析，為系統(tǒng)預(yù)警研判提供一些更高級(jí)算法模型。城市智慧管廊綜合管理平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 城市智慧管廊綜合管理平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

2.2.3 實(shí)時(shí)GIS 地圖

基于實(shí)時(shí)GIS地圖搭建的綜合管廊GIS管理系統(tǒng)，作為整個(gè)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，可實(shí)時(shí)查看管廊本體及廊內(nèi)設(shè)備和周邊附屬設(shè)施的動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊所有資源的綜合調(diào)度管理，隨時(shí)掌握管廊的實(shí)時(shí)工況，為集中調(diào)度和科學(xué)決策提供重要依據(jù)。

2.2.4 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

作為管廊安全系統(tǒng)的感知神經(jīng)，它是來自自動(dòng)化控制設(shè)備的監(jiān)測(cè)，可將各種情況實(shí)時(shí)傳遞給監(jiān)控中心，讓中心管理及相關(guān)責(zé)任人員隨時(shí)掌控各種狀況，保證廊內(nèi)管線及附屬設(shè)施處于正常工作狀態(tài)，如果有突發(fā)事故發(fā)生，能做到迅速預(yù)警并觸發(fā)相應(yīng)資源處理。

2.2.5 BIM 視頻漫游

提前設(shè)置BIM 漫游路線，系統(tǒng)自動(dòng)漫游并且顯示相應(yīng)艙室視頻畫面。另外，BIM 技術(shù)的應(yīng)用支撐下可以達(dá)到以下要求：對(duì)管廊重要節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控中心內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、裝飾等進(jìn)行三維建模和數(shù)據(jù)仿真分析，用于對(duì)設(shè)計(jì)效果、方案優(yōu)化等進(jìn)行提前模擬演練；進(jìn)行管線碰撞檢查；將設(shè)計(jì)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的勘察資料通過BIM 技術(shù)進(jìn)行三維建模，篩選出樁端持力層、巖面等關(guān)鍵性工程隱蔽節(jié)點(diǎn)，提前制定施工管控措施；通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)、地下管線的綜合三維模型和專業(yè)軟件的虛擬場(chǎng)景漫游，進(jìn)行可視化能力的技術(shù)交底，實(shí)時(shí)評(píng)估施工過程中安裝管線的工作狀況和效果，及時(shí)進(jìn)行修正；實(shí)時(shí)掌握物資價(jià)格、工程進(jìn)度等信息，以便最優(yōu)化調(diào)配資源，最大限度保證工程進(jìn)度。

2.2.6 異常報(bào)警

當(dāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)異常或者發(fā)生非法入侵之時(shí)，通過模擬顯示屏顯示出入侵的區(qū)段及進(jìn)出人數(shù)，并實(shí)時(shí)記錄入侵的時(shí)間、地點(diǎn)，同時(shí)通過報(bào)警設(shè)備發(fā)出報(bào)警信號(hào)，能夠查看提示詳情，并通過彈出的BIM 模型界面，進(jìn)行相應(yīng)操作。如緊急情況時(shí)，管理人員可啟用一鍵報(bào)警，全廊固定電話響鈴，廊內(nèi)人員接聽電話。從而實(shí)現(xiàn)面臨突發(fā)事故快速做出應(yīng)急指揮，引導(dǎo)管理人員進(jìn)行科學(xué)決策、有序處理。

2.2.7 應(yīng)用子系統(tǒng)

根據(jù)不同層級(jí)的管理人員所持有賬號(hào)分配相應(yīng)權(quán)限，主要包括人員出入廊子系統(tǒng)、設(shè)備健康子系統(tǒng)、日常巡檢子系統(tǒng)、系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、應(yīng)急處置子系統(tǒng)及移動(dòng)端APP 子系統(tǒng)。

人員出入廊子系統(tǒng)：包含門禁卡開辦、外來人員、權(quán)屬單位人員、運(yùn)維人員管及管線出入廊5 個(gè)部分。從管線的前期入廊進(jìn)場(chǎng)施工、中期入廊和后期巡檢維護(hù)維修，都可以在這個(gè)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)線上辦理。

設(shè)備健康子系統(tǒng)：包含設(shè)備養(yǎng)護(hù)、維修、添加、檢測(cè)標(biāo)定、替換記錄、備品備件及統(tǒng)計(jì)分析7 個(gè)部分。對(duì)初次進(jìn)場(chǎng)設(shè)備的名稱、型號(hào)、參數(shù)、點(diǎn)位等按照統(tǒng)一編號(hào)規(guī)則編號(hào)，并與BIM 和GIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

日常巡檢子系統(tǒng)：包含2 個(gè)部分，即巡檢區(qū)域和巡檢記錄，巡檢區(qū)域的分區(qū)是按照巡檢工作的任務(wù)要求，結(jié)合線路連貫性的要求，在地圖上基于GIS 功能劃分的，防止繞路或重復(fù)巡檢造成人力物力浪費(fèi)。

系統(tǒng)管理子系統(tǒng)：系統(tǒng)包含登錄賬號(hào)管理、日志、排班、記錄查詢和警情匯總5 個(gè)部分。

應(yīng)急處置子系統(tǒng)：系統(tǒng)包含演練、記錄、信號(hào)復(fù)位、會(huì)商和聯(lián)絡(luò)薄5 個(gè)部分。

移動(dòng)端APP 子系統(tǒng)：如有工作人員入廊作業(yè)，可借助手機(jī)等移動(dòng)終端對(duì)人員進(jìn)行定位、通信，也可以實(shí)現(xiàn)接收任務(wù)、上報(bào)結(jié)果及門禁開啟等功能。

2.2.8 交接班提示

基于實(shí)時(shí)工作記錄錄入、手機(jī)掃描交接班等，系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建新工作記錄構(gòu)建交接班全過程閉環(huán)管理，從而讓數(shù)據(jù)完整沉淀、責(zé)任明確到人。同時(shí)，平臺(tái)能醒目顯示交接班時(shí)的未盡事宜或重要通知，以保障交接班時(shí)間安全運(yùn)營(yíng)。

2.2.9 值班監(jiān)督

通過設(shè)置值班“打卡”功能，如通過每隔3 min“打卡”與否判斷值班人員是否在崗，作為對(duì)值班人員的考核依據(jù)。同時(shí)，支持利用視頻監(jiān)察系統(tǒng)結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻分析技術(shù)，對(duì)于檢測(cè)到值班人員的離崗睡崗，系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)入視頻監(jiān)察記錄中，包括離崗人員、離崗時(shí)間、睡崗人員、睡崗時(shí)間，都會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的記錄；并且視頻進(jìn)行留痕保存，當(dāng)值班人員有疑義時(shí)可查看離崗、睡崗時(shí)的監(jiān)控錄像，進(jìn)行視頻的調(diào)取和查看。

3 結(jié)束語(yǔ)

在充分利用基礎(chǔ)地理信息公共平臺(tái)、管廊BIM 模型提供的各種服務(wù)的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)和智慧化手段，將管廊運(yùn)營(yíng)中的人員、設(shè)備、事件等要素與BIM 模型和GIS 三維空間模型進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過這2 種模型搭建的數(shù)字孿生體對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。并對(duì)運(yùn)維過程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等分析比對(duì)，為綜合管廊的高效運(yùn)營(yíng)和安全運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航，提供理論依據(jù)和方案參考，真正實(shí)現(xiàn)智慧化、科學(xué)化、精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化的全生命周期運(yùn)維管理。