基于GIS 與BIM 技術(shù)的市政綜合管廊的運(yùn)維管理

晏 源，楊斯然，黃佳瑤，李一博

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

目前國內(nèi)大多數(shù)城市的市政綜合管廊中安裝了給水管道、熱力管道、天然氣管道、電力電纜、通行線纜等市政公用管線，這種安裝方式解決了城市地下管線管理各自為政、維修維護(hù)亂挖亂埋、施工過程破壞管道等問題。綜合化的市政管廊是城市管道基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展方向和全新模式，由于市政綜合管廊內(nèi)布滿了不同類型、不同公司運(yùn)營、對社會影響程度不同的管線。一旦高危管線，如天然氣管道、集中供暖管道等發(fā)生故障，就會產(chǎn)生連鎖效應(yīng)和衍生災(zāi)害，危及到居民的生命財產(chǎn)安全，還可能對大范圍地區(qū)內(nèi)人們的生產(chǎn)生活造成影響，所以市政綜合管廊的運(yùn)維管理是一項關(guān)乎民生的重要工作。通過對現(xiàn)有文獻(xiàn)及資料的查閱和研究，我們發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)外對市政綜合管廊的研究大多集中在市政綜合管廊的可行性分析[1]與規(guī)劃設(shè)計[2]等方面，對于市政綜合管廊運(yùn)維管理相關(guān)的研究較少，目前的研究主要是針對某一項技術(shù)在管廊管理維護(hù)中的運(yùn)用，而綜合運(yùn)用各項技術(shù)對城市市政管廊進(jìn)行管理的研究幾乎一片空白。

1 BIM 技術(shù)介紹和特點

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術(shù)是一種對工程設(shè)計、建造、管理進(jìn)行數(shù)據(jù)化顯示、展示的工具，通過對各種工程、建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，在項目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程技術(shù)人員正確理解和高效應(yīng)對各種建筑信息，為設(shè)計團(tuán)隊以及包括建筑、運(yùn)營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用[3]。

BIM 技術(shù)與傳統(tǒng)的CAD 軟件相比，其可以插入、提取和修改的特點更加適應(yīng)項目全生命周期的建設(shè)運(yùn)營，而且效率更高。BIM 技術(shù)是一場建筑領(lǐng)域的技術(shù)革新，是建筑行業(yè)的一道分水嶺。

1.1 BIM 技術(shù)的可視化

BIM 是一種可以展現(xiàn)三維效果的可視化模型，相較于CAD 技術(shù)的二維可視化，BIM 技術(shù)的可視化更為先進(jìn)、直觀、易于理解，這樣能使工作者更好地理解建筑空間的拓?fù)潢P(guān)系，更加便捷地對對象進(jìn)行管理。BIM 技術(shù)的可視化不僅包含構(gòu)件的大小、位置和顏色等屬性信息，還包含了構(gòu)件之間的互動性和反饋性等拓?fù)潢P(guān)系。

1.2 BIM 技術(shù)的協(xié)調(diào)性

BIM 技術(shù)具有較高的可協(xié)調(diào)性，還具有覆蓋項目全周期的特點，同一個項目不同領(lǐng)域的工程師可以利用BIM 所構(gòu)建的模型在建筑物構(gòu)造前、中、后期對各專業(yè)的碰撞問題進(jìn)行協(xié)調(diào)、管理及交互，生成協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行共享、以便更好的對項目進(jìn)行操作。

1.3 BIM 技術(shù)的運(yùn)行特點

BIM 技術(shù)能夠?qū)椖康娜珘勖芷谶M(jìn)行操作和管理。通過BIM 收集和儲存建筑信息，同時兼容數(shù)據(jù)庫中的信息，有助于運(yùn)維管理階段各項工作的協(xié)同開展與研究。由于BIM技術(shù)的這些特點，因此將其運(yùn)用于城市市政綜合管廊這樣的運(yùn)維周期性公共基礎(chǔ)建設(shè)是一種趨勢。

2 GIS 技術(shù)介紹和特點

GIS（Geographic Information System 或Geo-Information system，地理信息系統(tǒng)）是一種結(jié)合地理學(xué)與地圖學(xué)、遙感和計算機(jī)科學(xué)，可以廣泛應(yīng)用于各種不同領(lǐng)域，用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計算機(jī)系統(tǒng)技術(shù)。該技術(shù)不僅可以有效地對具有空間屬性的各種資源環(huán)境信息進(jìn)行管理，還可以對資源環(huán)境管理進(jìn)行模擬實驗并進(jìn)行理論分析，可以有效地在時域內(nèi)對資源環(huán)境狀況及生產(chǎn)活動變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和分析比較。

GIS 能夠結(jié)合各方面要素，綜合環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、人口等各方面數(shù)據(jù)對地形、經(jīng)濟(jì)、交通以及既有建筑物的分布情況等信息進(jìn)行精細(xì)化描述，可以使用多種坐標(biāo)系在不同緯度來展示空間對象的各種細(xì)節(jié)。當(dāng)運(yùn)用GIS 與地下管線進(jìn)行空間建模和數(shù)據(jù)疊加時，GIS 可以通過與遙感數(shù)據(jù)的集成和多維數(shù)據(jù)的綜合考慮，模擬出不同的路線規(guī)劃，通過對各方案的比較和選擇做出優(yōu)化，最終擬定最優(yōu)方案。同時，將市政綜合管廊的地理信息（如空間分布、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、城市區(qū)域分工等）、周圍環(huán)境（如人口密度、管線的幾何物理等信息）以及相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)、因地制宜的策略等信息錄入到GIS中，通過建模進(jìn)行分析和風(fēng)險預(yù)測控制，可以實現(xiàn)安全風(fēng)險管理。另外GIS 具有空間定位的功能，運(yùn)用GIS 技術(shù)的空間定位功能，可以將GIS 的數(shù)據(jù)與力學(xué)分析模型相結(jié)合，實現(xiàn)對管道薄弱點的空間分析和可視化定位。由于GIS 具有空間管理屬性，所以目前GIS 運(yùn)用最廣的還是幫助管理人員進(jìn)行地區(qū)或城市精度范圍的危及反應(yīng)和災(zāi)害管理以及交通流的預(yù)測、物流的路徑規(guī)劃等。

3 BIM 技術(shù)和GIS 技術(shù)的不足

BIM 技術(shù)可以運(yùn)用于城市市政綜合管廊內(nèi)部各類信息的管理，但在準(zhǔn)確定位大場地范圍內(nèi)的物體、連接不同的復(fù)雜物體、周邊地形信息管理以及空間查詢等方面存在不足，它主要用于對市政管廊內(nèi)傳感器所獲取到的信息如溫度、濕度、管道的衰老程度等進(jìn)行分析和綜合處理，以判斷管道是否完好、什么時候可能損壞并提前預(yù)警。

GIS 技術(shù)主要運(yùn)用于處理大尺度范圍的工作，對宏觀環(huán)境下的位置加以定位和對維修管理人員提供引導(dǎo)。其精度不足以支撐城市市政綜合管廊內(nèi)部精細(xì)化運(yùn)維管理，無法通過GIS 數(shù)據(jù)庫對設(shè)備各項信息進(jìn)行處理，預(yù)測各種管道壽命以及判斷是否需要維護(hù)。

4 BIM 技術(shù)與GIS 技術(shù)的結(jié)合

GIS 技術(shù)可以提供管廊周圍環(huán)境的宏觀模型，為管廊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的區(qū)域管理、空間管理、災(zāi)害管理提供宏觀信息，可以為安全管理、應(yīng)急管理和逃生線路做好規(guī)劃。BIM 技術(shù)提供管廊內(nèi)部精細(xì)化模型，為設(shè)備更換維修做出預(yù)警和遠(yuǎn)程問題分析，為維修人員做出問題的預(yù)判，提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和模型支持，更高效地及早發(fā)現(xiàn)問題并做好預(yù)防，做到有備無患。通過二者的結(jié)合，可以使市政綜合管廊運(yùn)維管理效率得到顯著提高。但是BIM 和GIS 兩者背后的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)不同，兩者各自依托其對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，這兩者的結(jié)合必然會出現(xiàn)一些問題，如數(shù)據(jù)的交互、標(biāo)準(zhǔn)的選取、同步化方式以及城市市政管廊內(nèi)的環(huán)境建模等問題。

5 BIM 技術(shù)與GIS 技術(shù)結(jié)合面臨的挑戰(zhàn)

5.1 數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)

在對物聯(lián)網(wǎng)、BIM、GIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行集成時，由于各類的建模標(biāo)準(zhǔn)、交互標(biāo)準(zhǔn)、管理數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、檔案存儲數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等不同，會導(dǎo)致集成后數(shù)據(jù)丟失、可視化效果不佳、無法分析等情形。這無疑會影響整個系統(tǒng)的運(yùn)作，在實現(xiàn)技術(shù)結(jié)合中，首要任務(wù)便時數(shù)據(jù)的交互和標(biāo)準(zhǔn)的選取。

5.2 大數(shù)據(jù)信息分析

除了BIM 系統(tǒng)和GIS 系統(tǒng)，市政綜合管廊運(yùn)維管理還需要整合火災(zāi)報警系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、預(yù)警與報警系統(tǒng)等各個子系統(tǒng)。一方面，需要處理各類數(shù)據(jù)來源的交互操作性問題，另一方面，需要解決不同數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜和數(shù)量龐大的問題。同時，各項傳感器的綜合運(yùn)算如果在系統(tǒng)中進(jìn)行處理，必然會增加系統(tǒng)的負(fù)荷量，可以利用單片機(jī)進(jìn)行分布式運(yùn)算，只將運(yùn)算后的數(shù)據(jù)傳回控制中心。

6 技術(shù)設(shè)想

在管廊連接處設(shè)置位移傳感器，監(jiān)控管廊的沉降問題；在管線的接口內(nèi)外設(shè)置壓力傳感器，監(jiān)控管線的泄漏情況；在管廊內(nèi)部設(shè)置分布式光纖傳感器，監(jiān)控地震等自然災(zāi)害的影響，通過單片機(jī)進(jìn)行分布計算，然后將計算后的數(shù)據(jù)上傳至相應(yīng)的GIS 數(shù)據(jù)庫、BIM 數(shù)據(jù)庫、入廊管線數(shù)據(jù)庫等子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，再由此制訂不同的技術(shù)方案。將這些技術(shù)方案提供給市政綜合管廊運(yùn)維體系、入廊管線管理體系、總和管廊應(yīng)急搶險體系，最后管理者根據(jù)實際情況在相應(yīng)的體系中選取最優(yōu)的決策方案。

7 前景與展望

城市市政綜合管廊項目運(yùn)維周期長、難度大、安全要求高、重要性突出，所以要求采用極高水平的技術(shù)，確保其運(yùn)維管理。目前國內(nèi)外對市政綜合管廊的運(yùn)維管理常常只采用某一種技術(shù)，這樣不能兼顧其他的要求，往往降低了管理效率。雖然目前的發(fā)展?fàn)顩r仍然有不少的問題，但是多種技術(shù)的融合應(yīng)用于市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是未來發(fā)展趨勢，一些問題都會慢慢被解決。