淺談BIM+GIS在管廊機電監控與運維管控系統中的應用

摘要：本文提出了一種城市綜合管廊監控與報警集成管控平臺的架構，并對以BIM+GIS為核心的系統功能進(jìn)行了研究和分析，通過(guò)GIS實(shí)現對管廊整體及設備設施的全局定位及管理，利用BIM實(shí)現對管廊設備的空間定位，二者相互融合，創(chuàng )造性的提出了多種基于BIM\GIS集成的功能應用，全面實(shí)現對綜合管廊設備設施的可視化管控，大大提升了綜合管廊監控系統的可交互性。

關(guān)鍵詞：BIM；GIS；SCADA；綜合管廊；監控；物聯(lián)網(wǎng)

1研究背景

根據《GB50838-2015城市綜合管廊工程技術(shù)規范》及《GBT51274-2017城鎮綜合管廊監控與報警系統工程技術(shù)標準》的相關(guān)條款要求，城市綜合管廊監控報警系統用于對綜合管廊內的設備運行狀態(tài)及參數、實(shí)時(shí)環(huán)境信息、出入口狀態(tài)等進(jìn)行在線(xiàn)監控，保障管廊內環(huán)境、設備、運維人員安全，實(shí)現綜合管廊監控與運維的自動(dòng)化和智能化，但一般基于SCADA的綜合管廊監控系統只實(shí)現了設備監控報警及簡(jiǎn)單的運維管理功能，沒(méi)有將當前主流的物聯(lián)網(wǎng)、BIM、GIS、SCADA、大數據等技術(shù)進(jìn)行整體集成，難以對管廊內部場(chǎng)景及設備設施運行狀況進(jìn)行可視化、集中化、全息化展示。

因此，為了實(shí)現可視化的監控技術(shù)，通過(guò)本次系統的技術(shù)研究，基于SCADA軟件接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，利用主流的消息隊列軟件實(shí)現設備監控實(shí)時(shí)數據和報警數據與業(yè)務(wù)數據、GIS空間數據及BIM模型數據的融合處理，再綜合管廊不同子系統的數據接口協(xié)議，初步建立了以管廊監控預警、運維管理、應急指揮、輔助決策為主要功能的綜合管廊監控與運維平臺,在此基礎上可根據不同管廊的運維管理及需求，實(shí)現管廊管理可視化、安全監管精細化、運維管理自動(dòng)化、數據分析全局化、應急響應智能化，建立智慧化的綜合管廊管控體系。

2系統架構

綜合管廊監控報警與運維管控系統架構設計分為四層結構，包含驅動(dòng)層、數據層、平臺層和應用層。感知層屬于硬件系統，負責對現場(chǎng)監控硬件設備的數據采集和控制功能。軟件架構依據數據封裝的層級可以分為一層驅動(dòng)層、二層數據層、三層服務(wù)層和四層應用層。

驅動(dòng)層：數據采集平臺負責通過(guò)通訊協(xié)議從前端感知層獲取綜合管廊監測監控實(shí)時(shí)數據，經(jīng)過(guò)一定的業(yè)務(wù)邏輯處理，寫(xiě)入監測監控實(shí)時(shí)數據庫和歷史數據庫，并可直接通過(guò)消息隊列向上層應用推送；同時(shí)數據采集系統還可以通過(guò)消息隊列接收上層應用發(fā)出的控制指令，下發(fā)至感知層，實(shí)現對設備的控制。

數據層：主要負責綜合管廊空間數據、實(shí)時(shí)監測數據和業(yè)務(wù)屬性數據的存儲，包括監測監控實(shí)時(shí)和歷史數據庫、空間數據庫、三維模型庫、視頻數據庫、專(zhuān)業(yè)管線(xiàn)數據庫、管廊設施數據庫、管廊運維庫等。其中，監測監控歷史數據和視頻數據庫由于數據量龐大，采用分布式數據庫進(jìn)行存儲。

服務(wù)層：包括數據服務(wù)平臺和數據融合服務(wù)兩部分，數據服務(wù)平臺以成熟的應用平臺為基礎實(shí)現綜合管廊業(yè)務(wù)應用層所需功能服務(wù)，包括應用集成、實(shí)時(shí)消息推送、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、視頻監控、BIM、地理信息。數據融合服務(wù)以綜合管廊平臺所涉及的各專(zhuān)業(yè)數據為基礎，對數據進(jìn)程提取、分析、融合更工作，從而做到及時(shí)、有效、便捷的溝通和決策。

應用層：包括綜合集成與管控模塊、管廊運維管理模塊、應急管理模塊、管廊運營(yíng)管理模塊組成，并可以通過(guò)平臺層進(jìn)行應用系統模塊的接入實(shí)現管廊綜合管控數據的利用。應用層的功能模塊為綜合管理平臺提供監控與預警、聯(lián)動(dòng)控制、運維、應急搶險、運營(yíng)管理和數據分析挖掘的應用。

3BIM/GIS數據處理

為了解決不同類(lèi)源、異構、動(dòng)態(tài)及分散的數據集成難度大的問(wèn)題，在開(kāi)展管廊本體及設備設施的BIM建模前，明確BIM建模標準及精度要求，包括設備設施類(lèi)型及名稱(chēng)、施工圖編號、里程位置等，并要明確BIM模型設備對象、應用數據庫設備對象以及SCADA設備對象的映射關(guān)系，從而實(shí)現各類(lèi)數據集成及應用展示。具體BIM模型數據處理流程如圖2。

其中模型處理環(huán)節為復雜，是將由設計軟件建立的設計模型轉換為能夠導入管理平臺的管理模型，包括格式轉換、輕量化處理、模型坐標轉換、模型合并、設備信息處理等，后將處理過(guò)后的模型導入應用數據庫，從而實(shí)現與其它數據的集成融合。

GIS數據處理主要是利用TerrainPush軟件對管廊所在地理區域的高程DEM數據和影像DOM數據進(jìn)行處理生成地形文件，并與地圖標注數據疊加組成三維場(chǎng)景，基于該場(chǎng)景能夠進(jìn)行二維和三維模型瀏覽、地圖信息瀏覽。

4系統功能

根據綜合管廊監控及運維需求，包括管廊環(huán)境及設備監控需求、日常運維管理需求、應急處理需求、入廊人員定位及安全管理需求等，利用BIM/GIS可視化技術(shù)的優(yōu)勢，可以實(shí)現以下實(shí)用的功能或建立以下應用場(chǎng)景：

4.1一張圖監控

通過(guò)集成BIM及GIS展示控件，可以在系統首頁(yè)一張圖的方式展示綜合管廊在地圖上的位置及線(xiàn)路、各個(gè)艙室分區的沿線(xiàn)分布，同時(shí)還可以對管廊當前各類(lèi)重要實(shí)時(shí)數據進(jìn)行展示，如當前入廊人數、設備報警數等，并在GIS地圖中顯示報警設備的位置定位，點(diǎn)擊分區圖標和設備報警圖標都可以從全局位置定位進(jìn)入到設備所在艙室BIM模型的內部，實(shí)現2D到3D的快速切換。

4.2設備報警及定位處理

在日常運維值守時(shí)，一般都停留在一張圖的GIS監控首頁(yè)，在管廊內部有設備實(shí)時(shí)報警時(shí)，地圖會(huì )立即顯示當前報警設備所在的艙室分區，并且分區圖標不停閃爍，點(diǎn)擊分區圖標則可以定位到報警設備，從而對報警設備進(jìn)行各種操作，如安排排查、維修或者啟動(dòng)應急預案等。

4.3可視化檢索

由于綜合管廊一般都要安裝環(huán)控、安防、火災及可燃氣體報警、通訊、結構健康監測等多種獨立子系統，并且各個(gè)子系統的設備均分布在不同的艙室，由于分區長(cháng)度不可能一樣，所以設備數量均有區別，如果利用傳統的數據查詢(xún)功能進(jìn)行展示，用戶(hù)無(wú)法直觀(guān)了解其分布情況。因此，利用BIM/GIS進(jìn)行可視化檢索則可以大大提高系統的可交互性，如在一張圖首頁(yè)以圖標方式展示所集成的子系統，點(diǎn)擊各個(gè)子系統則列出該系統所包含的設備類(lèi)型，選中一種或某種設備類(lèi)型后，則立即在地圖以特定圖標顯示管廊全線(xiàn)選中設備類(lèi)型的分布情況，適用于用戶(hù)想快速查看管廊某一段區域某些類(lèi)型設備運行情況的場(chǎng)景。

4.4人員定位及軌跡

綜合管廊監控運維過(guò)程中，除了要確保設備設施的運行安全外，還要對進(jìn)入管廊的各類(lèi)人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，要及時(shí)了解人員所處的位置，以免在發(fā)生應急突發(fā)情況時(shí)及時(shí)救援，確保入廊人員的安全。目前綜合管廊內部有多種室內定位技術(shù)用于人員定位，本次研究通過(guò)利用管廊內安裝的無(wú)線(xiàn)AP進(jìn)行人員定位，并在GIS地圖上實(shí)時(shí)顯示入廊人員在管廊全線(xiàn)的分布情況，點(diǎn)擊定位圖標則可以擴展多項實(shí)用功能，如入廊行走軌跡查詢(xún)、移動(dòng)通話(huà)、查看人員附近視頻、查看附近逃生口等，發(fā)生應急突發(fā)情況時(shí)，大大提高了入廊人員的安全保障以及監控人員的應急響應效率。

4.5入廊管線(xiàn)管理

在傳統的管廊監控系統中，一般都是通過(guò)數據錄入和查詢(xún)的方式維護當前管廊入廊管線(xiàn)的信息，即使系統通過(guò)BIM插件集成了BIM模型，但是在建模初期，建模人員本不掌握也不可能掌握未來(lái)管廊的入廊管線(xiàn)信息，因此，大部分BIM模型建模時(shí)要么均不建立管線(xiàn)模型，要么把設計標準把所有要入廊的管線(xiàn)全部建好，并且管線(xiàn)沒(méi)有任何屬性信息，導致后期BIM模型導入系統后，根本無(wú)法真實(shí)反應管線(xiàn)入廊情況。

所以，在建模初期，一定要考慮到后期運維需求，將所有管線(xiàn)BIM模型建好，并且要對每一根管線(xiàn)創(chuàng )建屬性信息，包括管線(xiàn)類(lèi)型、空間位置、是否顯示、顏色、所在艙室分區、起止里程等，在后期進(jìn)行模型處理時(shí)，將所有屬性信息導入應用數據庫后，將其與入廊管線(xiàn)的業(yè)務(wù)數據信息關(guān)聯(lián)起來(lái)，可以讓系統BIM模型反映管廊內部的真實(shí)管線(xiàn)情況，為實(shí)現后續的漫游巡檢及應急模擬功能提供支撐。

4.6漫游巡檢

在BIM模型構造與真實(shí)管廊一致時(shí)，本次研究基于VR虛擬仿真的思想，在系統的BIM模型中創(chuàng )建了一個(gè)虛擬的動(dòng)畫(huà)人物，該人物可以按照用戶(hù)在系統中設定的巡檢路線(xiàn)（即艙室的起止里程）進(jìn)行漫步行走，在行走過(guò)程中，周?chē)械谋O控設備均會(huì )顯示設備運行信息卡并嵌套在模型中，仿佛監控人員在管廊內部巡檢一樣，主要是計算并存儲了管廊全線(xiàn)各個(gè)艙室的BIM模型的空間坐標點(diǎn)，確保用戶(hù)可以自定義任何巡檢路徑。在目前用戶(hù)厭倦對傳統數據查詢(xún)條目化展示的情況下，大大提升了系統交互性和科技感。

4.7應急模擬

綜合管廊日常運維工作中，應急預案的編制及演練是一項重要的工作，包括爆管、燃氣泄露、火災等發(fā)生幾率較大的危險事件的應急處理流程。本次研究創(chuàng )新性地將應急預案的處理通過(guò)借助BIM/GIS技術(shù)實(shí)現了智能化和可視化，將應急預案的流程劃分為工作步驟，并利用工作流引擎進(jìn)行特定的處理，后利用動(dòng)畫(huà)編制程序進(jìn)行應急處理過(guò)程的動(dòng)畫(huà)演示，可推廣用于每年應急預案演練、新人培訓以及管廊對外接待，能有效提高管廊運維管理水平。

5AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺

5.1平臺概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網(wǎng)絡(luò )、系統架構、聯(lián)動(dòng)控制和綜合數據服務(wù)等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過(guò)程中存在內部干擾性強、使用單位多及協(xié)調復雜的根本問(wèn)題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環(huán)境和設備的使用和恢復效率。

5.2平臺組成

安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統是一個(gè)深度集成的自動(dòng)化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監控系統、變電所環(huán)境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門(mén)監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器、手機APP獲取數據，通過(guò)一個(gè)平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進(jìn)行進(jìn)行集中監控、統一管理、統一調度，同時(shí)滿(mǎn)足管廊用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。

5.3平臺拓撲

5.4平臺子系統

5.4.1電力監控

電力監控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進(jìn)行保護和監控，對0.4kV出線(xiàn)配置多功能計量?jì)x表，用于測控出線(xiàn)回路電氣參數和用能情況，可實(shí)時(shí)監控高低壓供配電系統開(kāi)關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

5.4.2環(huán)境監測

環(huán)境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門(mén)禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時(shí)也可接入管廊艙室內的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機等設備集成的三方系統完成管廊環(huán)境綜合監控。

5.4.3電氣安全

 AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門(mén)狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，發(fā)生異常時(shí)通過(guò)聲光、短信、APP及時(shí)預警。

5.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單

5.5.1電力監控及配電室環(huán)境監控系統

5.5.2電氣火災監控系統

5.5.3消防設備電源監控系統

5.5.4防火門(mén)監控系統

5.5.5消防應急照明和疏散指示系統

6結語(yǔ)

綜上所述，城市綜合管廊基礎設施建設對城市發(fā)展起到非常積極的促進(jìn)作用。相關(guān)部門(mén)及工程建設單位，應該在認識到科技產(chǎn)品應用對綜合管廊建設重要性的基礎上，積極采取有效措施，以改善綜合管廊建設環(huán)境，提高其應用效率。在充分了解物聯(lián)網(wǎng)融合通信系統后，繼續尋找創(chuàng )新突破之法，將該系統技術(shù)更加有效地應用于城市建設工程中，使其發(fā)揮大效用，對民眾的生產(chǎn)生活起到更大的促進(jìn)作用。相關(guān)技術(shù)研發(fā)人員，也應該加大技術(shù)研發(fā)力度，進(jìn)一步推陳出新，應用相關(guān)技術(shù)推動(dòng)城市發(fā)展。

參考文獻

【1】GB/T51274—2017，城鎮綜合管廊監控與報警系統工程技術(shù)標準[S].

【2】GB50838-2015，城市綜合管廊工程技術(shù)規范[S].

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2022.05

【4】張緒偉.BIM+GIS在城市綜合管廊監控報警與運維管控系統中的應用