城市綜合管廊智能化運維系統(tǒng)研究

黃云竹 周軍 陳春苗

摘 ? 要：基于對城市地下綜合管廊運維期的需求分析，文章針對性地構建了智能化運維管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將BIM+GIS、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術相融合，從數(shù)據(jù)層、平臺層、應用層3個層次闡述系統(tǒng)框架結構，旨在實現(xiàn)管廊的信息化管理，提升運維效率及水平。

關鍵詞：綜合管廊;信息化;集成管理

綜合管廊是存在于城市地下的一項重要的市政基礎設施，可實現(xiàn)給排水、消防、電力、通信、燃氣等各類市政工程管線的集成化管理，便于后期維護與檢修，保障城市的正常運行，被稱為城市“生命線”，在新區(qū)建設及舊城改造中作用尤為明顯。

1 ? ?我國綜合管廊研究現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)市政管線布設方式相比，綜合管廊有效緩解了架空線網(wǎng)密集、直埋管線檢修所產(chǎn)生的“馬路拉鏈”問題，可實現(xiàn)市政工程管線的集成化、規(guī)?；芾?，增強城市的抗風險能力。因其特有優(yōu)勢，近些年來在我國得到了快速發(fā)展，并計劃用10年時間建成較為完善的城市地下管線體系。為此，2015—2016年，國家共設25個綜合管廊試點城市，探索綜合管廊在建設及管理方面的先進技術，為綜合管廊的在全國的推進積累經(jīng)驗。但同時，我國綜合管廊發(fā)展也面臨著諸多考驗，例如綜合管廊的建設成本比較高、監(jiān)督制度不完善、后期運維管理跟不上等。

2 ? ?綜合管廊運維期需求分析

管理平臺的基礎是數(shù)據(jù)，重點是利用信息技術將終端傳感器或探測器采集的數(shù)據(jù)進行加工處理，反映管線當前的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患，為維修養(yǎng)護提供依據(jù)。整個過程主要包括4個方面的需求：

（1）數(shù)據(jù)采集與存儲。準確、快速地采集到廊體及周圍環(huán)境數(shù)據(jù)是開展有效運維的前提條件，將采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲，以供后續(xù)分析使用，這就要求設備要兼具大容量性、高穩(wěn)定性。

（2）閾值設定與預警。對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，得到各類監(jiān)控指標，按照現(xiàn)行規(guī)范或有關要求設計閾值，超過閾值進行預警，提醒管理人員運行出現(xiàn)異常。

（3）隱患排查與處置。由于我國工程健康監(jiān)測發(fā)展的還不是很完善，因此，有必要配合定期的人工監(jiān)測、特殊事件后的專項檢測以及預警后的應急監(jiān)測同步開展，修正傳感器設備的采集數(shù)據(jù)。這就要求管理平臺要有兼容性、協(xié)同性和高效性，能夠融合不同采集方式的數(shù)據(jù)，為后期處置提供決策依據(jù)。

（4）信息追溯與分析。管廊的建設和運維都處于探索階段，若能將管廊運行中的各類信息匯總，建立綜合信息庫，不僅能了解病害發(fā)生發(fā)展過程，針對性地制定養(yǎng)護方案，還能為日后管廊設計及養(yǎng)護提供借鑒。

3 ? ?綜合管廊智能化運維系統(tǒng)構建

3.1 ?系統(tǒng)總體框架

針對管廊在運維管理上的需求，本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、平臺層、應用層組成。數(shù)據(jù)層以傳感監(jiān)測技術為主要的數(shù)據(jù)采集手段，輔助機器人巡檢以及必要的人工巡查，得到能夠反映管廊運行狀態(tài)的基礎數(shù)據(jù)。平臺層將所采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，并通過閾值預警。應用層根據(jù)預警信息針對性地制定處置方案，并對病害處置進行后續(xù)跟蹤，實現(xiàn)管廊養(yǎng)護的閉合式管理[1]。同時，利用BIM+GIS技術，將病害發(fā)生的過程進行動態(tài)模擬，預測其發(fā)展趨勢，建立管廊運維數(shù)據(jù)庫。

3.2 ?系統(tǒng)細分

3.2.1 ?數(shù)據(jù)層搭建

將管廊數(shù)據(jù)化是構建綜合管廊智能化運維系統(tǒng)的基礎，為確保數(shù)據(jù)真實可靠，采用傳感器采集、機器人巡檢、人工巡查3種方式結合構建系統(tǒng)數(shù)據(jù)層。

（1）傳感器采集。傳感器位于系統(tǒng)終端，負責各類基礎數(shù)據(jù)的采集，其性能對整個系統(tǒng)至關重要。主要選用光纖傳感、智能傳感兩種方式。

光纖傳感器憑借其測試精度高、耐腐蝕性能優(yōu)良以及抗電磁干擾的能力強等優(yōu)點廣泛應用于地下工程的檢測系統(tǒng)中[2]。智能傳感器在傳感監(jiān)測的基礎上還能在其內(nèi)部對原始數(shù)據(jù)進行加工處理，且可通過標準接口實現(xiàn)與外界的數(shù)據(jù)交換，具有自診斷、自校準、數(shù)值處理、雙向通信以及信息存儲和記憶功能。本系統(tǒng)取二者所長，以光纖傳感器為主，智能傳感器為輔，對管廊內(nèi)壓力、位移形變、溫濕度、液位、氣體（可燃氣體、H2S，O2等）質(zhì)量濃度、水位等實時進行全面監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)初步整合后儲存至平臺層。

（2）機器人巡檢。作為新興智能化巡檢模式逐步被應用于城市地下基礎設施的養(yǎng)護，巡檢系統(tǒng)由巡檢機器人、巡檢軌道、充電系統(tǒng)以及網(wǎng)絡通信和信息存儲管理系統(tǒng)組成，可對管廊內(nèi)的給排水管線、燃氣管線、電力管線、通信管線進行自動巡檢。巡檢機器人攜帶多種傳感器，搭載攝像頭和紅外成像儀，隨時將管廊內(nèi)畫面高質(zhì)量地傳回管理端并同時儲存至數(shù)據(jù)層，結合GPS和遙感技術，管理平臺可遠程指揮機器人到達指定位置，對異常的管廊數(shù)據(jù)進行更加詳細的檢測，進行數(shù)據(jù)確認，修正傳感數(shù)據(jù)可能存在的誤差。

（3）人工巡檢。巡檢機器人可節(jié)約人力，卻無法取代人工巡檢工作靈活性高的優(yōu)勢。所以本系統(tǒng)采用人工定期巡檢、特殊事件后的專項檢測以及預警后的應急監(jiān)測加以輔助，進一步保證數(shù)據(jù)的準確性。還可對監(jiān)測系統(tǒng)以及巡檢機器人工作狀況等進行同步校驗，以保證整個數(shù)據(jù)層的正常運行。

3.2.2 ?平臺層搭建

平臺層將利用數(shù)據(jù)層的信息，為應用層提供數(shù)據(jù)處理、閾值預警和三維動態(tài)模擬病害的服務。

（1）數(shù)據(jù)處理。利用BIM技術建立管廊模型并添加管廊微觀信息，通過云計算將大量數(shù)據(jù)進行集中處理與診斷，形成一個數(shù)據(jù)中心操作環(huán)境，同時將不同的數(shù)據(jù)規(guī)范化、標準化，將資源進行整合，并分析方案進行數(shù)據(jù)分類和方案報備，為用戶提供一個客觀、系統(tǒng)、可視化的數(shù)據(jù)庫[3]。

（2）閾值預警。管廊事故的發(fā)生，必然有一個從量變到質(zhì)變的過程，會借助具體的特征表現(xiàn)出來，為此，選用閾值預警作為系統(tǒng)的監(jiān)控機制。使用大數(shù)據(jù)技術，對歷史數(shù)據(jù)進行切實有效的分析，得到管廊正常運行的各項數(shù)據(jù)指標范圍，結合相關規(guī)范規(guī)定設定閾值進行分級預警。若監(jiān)測數(shù)據(jù)在閾值范圍內(nèi)浮動則可判定管廊處于正常狀態(tài)，當監(jiān)測數(shù)據(jù)在閾值范圍之外時，系統(tǒng)自動生成預警信息并傳送至指定聯(lián)系人。

（3）病害三維動態(tài)模擬。發(fā)現(xiàn)問題是根本，了解病害并有效預測發(fā)展趨勢，從而采取行之有效的防治措施才是管廊運維的重中之重。

平臺層利用BIM+GIS技術，將病害詳細位置、周圍環(huán)境、運維物資等數(shù)據(jù)上傳至云端，供相關管理人員查看。同時系統(tǒng)可三維模擬病害的發(fā)生過程，預測病害趨勢，做到病害聯(lián)動處理。該過程主要包括病害特征模擬、病害發(fā)展趨勢模擬兩個環(huán)節(jié)。首先，利用數(shù)據(jù)層獲得的信息，在BIM模型中模擬病害發(fā)生;其次，利用可視化的方法將病害發(fā)展過程進行三維模擬，預測可能引發(fā)的連鎖問題;最后，對相應部位進行密集監(jiān)測檢驗分析的有效性，采取合理安排解決方案，降低可能造成的損失，體現(xiàn)“防大于治”的運維理念。

3.2.3 ?應用層搭建

應用層負責為管廊用戶提供輔助決策及閉合式的流程管理。

（1）信息傳送。相關專業(yè)技術負責人可下載手機APP客戶端，通過登錄自己的賬號查看權限范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，當系統(tǒng)所設置的閾值警報發(fā)生，平臺會自動將報警信息和定位發(fā)送給指定技術負責人手機端，便于管理人員及時開展后續(xù)處置工作。

（2）預案管理。管廊的應用層為用戶提供預案幫助，根據(jù)系統(tǒng)記錄的歷史處理方案及解決效果，建立管廊常規(guī)事件預案庫。當常規(guī)事件發(fā)生時，預案管理系統(tǒng)自動匹配最優(yōu)處理手段并迅速采取措施。例如：當管廊傳感系統(tǒng)監(jiān)測到廊內(nèi)溫度超過系統(tǒng)規(guī)定的上限時，風控裝置自動開啟。該系統(tǒng)實現(xiàn)常規(guī)事件的自動化處理。

（3）專家輔助決策。事故處置對效率及效果要求極高，因此，系統(tǒng)設有專家輔助決策庫，分類儲存大量管廊病害防治案例，根據(jù)事故詳細情況調(diào)用相關處理辦法以供技術管理人員參考，便于做出快速反應。并對后期效果進行跟蹤管理，分析處置方法的優(yōu)缺點，同步更新數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)管廊的閉合式養(yǎng)護管理。

（4）構建管廊信息庫。運維數(shù)據(jù)的積累對推動綜合管廊進一步發(fā)展有很大價值，為此，系統(tǒng)構建了信息庫，將病害類型、處置方案、跟蹤管理的信息進行集成共享，提高數(shù)據(jù)的利用率，加強管理人員對信息的掌控。同時，對發(fā)生頻率較高的病害及區(qū)域進行標記，作為后續(xù)管理重心，也為其他管廊優(yōu)化設計提供依據(jù)。

4 ? ?結語

我國綜合管廊的建設已逐步進入正軌，隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，城市綜合管廊信息化建設也不容忽視，以監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎構建的綜合信息化智能管理平臺，能提升管廊運維管理的效率和水平，提高組織單位之間的協(xié)同性，對推動綜合管廊在我國的進一步發(fā)展具有重要意義。

[參考文獻]

[1]陳春苗.我國城市地下綜合管廊發(fā)展問題分析及對策研究[J].地產(chǎn)，2019（16）：32.

[2]MOYO P，BROWNJOHN J，SURESH R，et al.Development of fiber Bragg grating sensors for monitoring civil infrastructure[J].engineering structures，2005（12）：1828-1834.

[3]張文豪，李蕊，陳建.大數(shù)據(jù)技術在水利工程信息化建設中的運用[J].科技創(chuàng)新與應用，2020（6）：177-178.

Abstract：Based on the requirement analysis of the operation and maintenance period of the urban underground integrated pipe gallery， this paper constructs the intelligent operation and maintenance management system， which integrates BIM+GIS， Internet of Things， cloud computing and other technologies， and expounds the system framework structure from three levels： data layer， platform layer and application layer， in order to realize the information management of the pipe gallery and improve the efficiency and level of operation and maintenance.

Key words：integrated pipe gallery; information; integrated management