數(shù)字化智慧管廊運(yùn)維平臺研究與應(yīng)用

摘要：文章以江南中心綠道武九線綜合管廊工程為依托，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、智能識別、大數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)、異構(gòu)運(yùn)算、可視化等先進(jìn)信息化技術(shù)，以智慧化、人性化、便捷物聯(lián)、高度信息安全為思路，建立了數(shù)字化智慧管廊運(yùn)維平臺。平臺采用了BIM+GIS融合應(yīng)用、機(jī)器人自動巡檢、高精度無線定位等先進(jìn)技術(shù)，建立了可視化管理、人員管理、管廊信息管理、安全監(jiān)測與報警等子系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)綜合管廊安全、高效的運(yùn)行提供了保障。

關(guān)鍵詞：綜合管廊;BIM+GIS;自動巡檢;無線定位;安全監(jiān)測與報警

中圖分類號：TU17? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1007-9416（2020）04-0000-00

0 引言

隨著綜合管廊建設(shè)的推進(jìn)，全國各中大型城市積極投入到綜合管廊的建設(shè)中，城市管廊規(guī)模越來越龐大[1]。綜合管廊空間斷面設(shè)計(jì)復(fù)雜，納入管線種類多，在運(yùn)營過程中具有施工組織復(fù)雜、工程量大、項(xiàng)目工程管理難度大等特點(diǎn)，在工程進(jìn)度、成本、安全、質(zhì)量等綜合管理方面均存在困難，傳統(tǒng)管理模式已無法滿足綜合管廊快速發(fā)展的需求[2]。因此需要建立有效的機(jī)制和手段來進(jìn)行管理。

近年來，隨著國家政策的引導(dǎo)，廣大專家學(xué)者積極投入到綜合管廊運(yùn)維管理研究中來，形成了一系列的綜合管廊信息化管理手段。畢天平等[3]通過機(jī)器人巡檢技術(shù)，百度地圖定位方法等建立了一體化的管廊運(yùn)維平臺，并在沈陽市南運(yùn)河管廊進(jìn)行了應(yīng)用。楊黨鋒等[4]以某項(xiàng)目為依托，采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，建立了綜合管廊運(yùn)維管理系統(tǒng)。紀(jì)蓉等[5]提出了綜合管廊運(yùn)維一體化建設(shè)方案，并實(shí)現(xiàn)了BIM全生命周期應(yīng)用。劉學(xué)功[6]通過對智慧管廊運(yùn)營系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)合其特點(diǎn)進(jìn)行分析，對機(jī)器人巡檢技術(shù)在管廊中的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究。張立新等[7]根據(jù)綜合管廊全生命周期的管控要求，對BIM技術(shù)在管廊中的全生命周期的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

智慧化、信息化管理是綜合管廊運(yùn)維管理的重要發(fā)展方向，是實(shí)現(xiàn)智慧城市、智慧市政的主要手段。本文以江南中心綠道武九線綜合管廊工程為依托，進(jìn)行了能實(shí)現(xiàn)精確定位、安全保障、監(jiān)測預(yù)警減災(zāi)、日常巡檢巡查、物業(yè)管理、應(yīng)急處置等功能的數(shù)字化智慧管廊運(yùn)維平臺研究。

1 研究背景

1.1 項(xiàng)目概況

江南中心綠道武九鐵路北環(huán)線綜合管廊工程（友誼大道～建設(shè)十路）位武漢市武昌區(qū)、青山區(qū)、洪山區(qū)，包括主線和支線。主線管廊沿武九鐵路北環(huán)線控制廊道布置，起于友誼大道，止于建設(shè)十路，全長約13.24公里。支線管廊沿德平路布置，起于武九鐵路，止于團(tuán)結(jié)大道，全長約2.98公里。平面分布如圖1所示。

1.2 項(xiàng)目特點(diǎn)及需求

本項(xiàng)目是武漢市城建重點(diǎn)工程，也是武漢市市級直管的第一個綜合管廊工程，系建設(shè)+運(yùn)維全生命周期管理的管廊項(xiàng)目，采用傳統(tǒng)的管廊運(yùn)維管理方式存在人力成本高、信息采集落后且分散、應(yīng)急響應(yīng)慢、運(yùn)維管理水平低等弊端，對入廊管線及廊體本身構(gòu)成一定的安全隱患，急需借助新興技術(shù)手段探索開發(fā)出一個綜合性運(yùn)維管理平臺。通過前期的充分實(shí)踐調(diào)研，得到平臺主要需求為：

（1）結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、BIM+GIS等信息技術(shù)及管廊建設(shè)施工和運(yùn)營維護(hù)過程中的需求，感測、分析、整合城市綜合管廊系統(tǒng)運(yùn)行中各項(xiàng)關(guān)鍵信息;（2）基于智慧化、人性化、便捷物聯(lián)、高度信息安全的思路，綜合利用管廊智能化管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對管廊的各類信息和運(yùn)行狀態(tài)全方位的在線實(shí)時監(jiān)控和智能控制;（3）基于智能識別、大數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)、異構(gòu)運(yùn)算、可視化等先進(jìn)技術(shù)，對管廊進(jìn)行精細(xì)化管理和科學(xué)決策，大大提高管廊的管理效率、降低管廊的運(yùn)維成本和風(fēng)險。

2 平臺建設(shè)的總體目標(biāo)及總體架構(gòu)

2.1 總體目標(biāo)

建設(shè)數(shù)字化智慧管廊運(yùn)維平臺的總體目標(biāo)：（1）為了降低運(yùn)營成本投入，加快應(yīng)急響應(yīng)速度，減少事后扯皮現(xiàn)象發(fā)生;（2）將眾多單位的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整合利用，打通數(shù)據(jù)通道，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn);（3）改善傳統(tǒng)巡檢手段，提升應(yīng)急處置能力，提高運(yùn)維管理的智能化水平。最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)維狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控、預(yù)警減災(zāi)防災(zāi)、應(yīng)急處置等功能齊全的數(shù)字化智慧管廊運(yùn)維平臺。

2.2 總體架構(gòu)

平臺的應(yīng)用架構(gòu)是平臺搭建的主要思路和方法，為了保證各個系統(tǒng)之間能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，確保數(shù)據(jù)的一致性，避免出現(xiàn)信息孤島，需設(shè)計(jì)一個靈活的應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)，既可以包容現(xiàn)有的應(yīng)用又能滿足未來新的應(yīng)用需求，使各個系統(tǒng)信息的高度集成，使得基于不同平臺、不同語言實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用系統(tǒng)能夠很好地進(jìn)行信息交互，從而讓系統(tǒng)平臺變得更有彈性，能更快地響應(yīng)業(yè)務(wù)需求[8]。數(shù)字化智慧管廊運(yùn)維平臺以計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電氣控制技術(shù)、傳感器技術(shù)及機(jī)器人技術(shù)為基礎(chǔ)，采用基于組件的SOA平臺應(yīng)用架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，主要包括物理層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、展示層，如圖2所示。通過高度集成的數(shù)字化智慧管廊運(yùn)維平臺實(shí)現(xiàn)對綜合管廊的綜合管理、實(shí)時控制、智能監(jiān)測;通過數(shù)字化智慧管廊運(yùn)維平臺中的建筑信息模型（BIM）和3D地理信息系統(tǒng)（3D GIS）等手段對管廊及內(nèi)部管線進(jìn)行可視化管理;通過引入管廊巡檢機(jī)器人配合自主滅火機(jī)器人完成對管廊內(nèi)環(huán)境、設(shè)備、管線的不間斷智能巡檢和應(yīng)急火災(zāi)處置，實(shí)現(xiàn)人工與機(jī)器的有效協(xié)同，實(shí)現(xiàn)24h不間斷監(jiān)控。

3 平臺關(guān)鍵技術(shù)

3.1 BIM+ GIS融合應(yīng)用

管廊在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)等各個階段均使用BIM 技術(shù)和 GIS 技術(shù)，并將二者進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。通過此方式，將管廊全生命周期的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行集成和管理，為不同決策者在不同階段，不同需求提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。GIS技術(shù)具有整體功能的作用，可以將綜合管廊內(nèi)的大量空間信息（如出線口以及特殊節(jié)點(diǎn)等地理位置、機(jī)電設(shè)備、控制設(shè)備等各專業(yè)相關(guān)設(shè)備的數(shù)量、類別、地理位置分布等）進(jìn)行屬性掌握，實(shí)時監(jiān)控各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，高效的管理帶有地理信息復(fù)雜數(shù)據(jù)，為綜合管廊運(yùn)營維護(hù)的輔助決策提供具有空間信息功能的依據(jù)。BIM 技術(shù)具有很強(qiáng)的呈現(xiàn)功能，將BIM呈現(xiàn)的管廊屬性賦予 GIS，可通過三維可視化的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，讓人有一種身臨其鏡的感覺，使運(yùn)維管理方及管廊作業(yè)人員更好的對管廊地理空間進(jìn)行認(rèn)知。該模塊解決了基于空間位置的設(shè)施管理，通過對象一比一的復(fù)原，形成所見即所得的管理模式。

3.2 機(jī)器人自動巡檢技術(shù)

機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，在惡劣環(huán)境下能正常工作，可深入危情現(xiàn)場，能夠有效地配合巡檢工作。通過將高清攝像頭、紅外成像、無線傳感器等設(shè)備集成于智能巡檢機(jī)器人，再制定定期巡檢、應(yīng)急響應(yīng)巡檢等不同的巡檢模式，實(shí)現(xiàn)對廊內(nèi)各類設(shè)施、設(shè)備的全覆蓋檢測。由機(jī)器人替代部分人工巡檢充當(dāng)特殊環(huán)境下的先行探檢，增強(qiáng)了人員和管廊的安全系數(shù)，有效提高管廊的運(yùn)行效率，大大減少管廊災(zāi)害和事故的發(fā)生。具體的形式有：在巡檢機(jī)器人上設(shè)置各類型氣體監(jiān)測傳感器，實(shí)現(xiàn)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)動態(tài)監(jiān)測，當(dāng)檢測到管廊內(nèi)某種氣體含量超過安全限值時，巡檢機(jī)器人將立即上傳報警信息至綜合監(jiān)控平臺，并發(fā)出聲光報警信號;通過紅外熱成像技術(shù)，使用巡檢機(jī)器人動態(tài)監(jiān)測管廊內(nèi)溫度變化情況，當(dāng)檢測到管廊內(nèi)溫度超過安全限值時，巡檢機(jī)器人將立即上傳報警信息至綜合監(jiān)控平臺，并發(fā)出聲光報警信號;結(jié)合基于機(jī)器視覺的廊體結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測指標(biāo)、識別技術(shù)與評價方法，進(jìn)行管廊結(jié)構(gòu)本體缺陷隱患的辨識，通過巡檢機(jī)器人攝像頭采集到的影像資料，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表觀缺陷、病害的智能識別，通過長時間巡檢影像資料實(shí)現(xiàn)外觀缺陷、病害發(fā)展趨勢監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)管廊結(jié)構(gòu)外觀智能檢測的目的，為后續(xù)管廊結(jié)構(gòu)、病害維護(hù)提供參考。

3.3 高精度無線定位技術(shù)

根據(jù)城市地下綜合管廊的運(yùn)維管理環(huán)境，需要對地上、地下、廊內(nèi)不同位置的工作人員進(jìn)行定位及軌跡追蹤，同時在日常巡檢、應(yīng)急救援、執(zhí)行任務(wù)等情景下都需要對相關(guān)人員進(jìn)行精確定位。建設(shè)數(shù)字化智慧管廊運(yùn)維平臺采用高精度無線定位系統(tǒng)，用于入廊人員的安全保障和位置追蹤，通過該定位系統(tǒng)可在控制中心的屏幕上顯示出當(dāng)前人員的位置和行進(jìn)軌跡，并且可以根據(jù)人員位置合理調(diào)度巡檢、搶險等任務(wù)的安排。此外，在發(fā)生危險或緊急事件時，控制中心可以與人員攜帶的標(biāo)簽進(jìn)行聯(lián)動，通過警報聲或振動提示人員進(jìn)行撤離。

4 平臺主要功能模塊

平臺主要由可視化管理、人員管理、管廊信息管理、安全監(jiān)測與報警巡檢四大模塊及若干組件構(gòu)成，其功能構(gòu)成如圖3所示：

4.1可視化管理模塊

可視化管理主要分為通過3DGIS+BIM的建筑模型融合業(yè)務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)管廊實(shí)時管理的可視化和通過大數(shù)據(jù)計(jì)算分析的階段性管理分析統(tǒng)計(jì)可視化。

（1）作為信息可視化的管理工具，3DGIS主要應(yīng)用于建筑外部的宏觀區(qū)域，BIM主要應(yīng)用于建筑內(nèi)部的區(qū)域[9]。3DGIS提供綜合管廊及周邊信息的宏觀模型，為區(qū)域管理、系統(tǒng)宏觀管理、空間管理、災(zāi)害管理等提供基礎(chǔ);BIM提供綜合管廊內(nèi)部的精細(xì)化模型，為設(shè)備設(shè)施管理、維護(hù)維修管理、安全管理、應(yīng)急管理、模擬巡檢等提供基礎(chǔ)。兩者相結(jié)合構(gòu)建一個與現(xiàn)場一致的模型，通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸和呈現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)可視化管理、虛擬巡檢等功能。（2）大數(shù)據(jù)可視化主要借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息[10]。管廊數(shù)據(jù)信息具有復(fù)雜性、分散性、不確定性、動態(tài)性等特點(diǎn)，通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)融合分析海量的數(shù)據(jù)，將同類型數(shù)據(jù)或關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)集中到一個專題頁面進(jìn)行圖像化呈現(xiàn)展示，將專業(yè)的復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像化歸集，為管廊管理者的決策提供支持。

4.2 人員管理模塊

人員管理模塊旨在加強(qiáng)管廊內(nèi)運(yùn)維管理人員作業(yè)行為的監(jiān)控監(jiān)管。人員管理模塊主要由人員定位系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)、任務(wù)管理系統(tǒng)三大部分組成。

（1）人員定位系統(tǒng)：人員定位系統(tǒng)分為地面人員APP定位及廊內(nèi)人員高精度無線定位，高精度無線定位用于入廊人員的安全保障和位置追蹤，通過本模塊可在控制中心的屏幕上實(shí)時顯示出當(dāng)前人員的位置和行進(jìn)軌跡，并且可以根據(jù)人員位置合理調(diào)度巡檢、搶險等任務(wù)的安排;此外，在發(fā)生危險或緊急事件時，控制中心可以與人員攜帶的標(biāo)簽進(jìn)行聯(lián)動，通過警報聲或振動提示人員進(jìn)行撤離。（2）人員管理系統(tǒng)：人員管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)管廊相關(guān)工作人員的信息管理。（3）任務(wù)管理系統(tǒng)：任務(wù)管理系統(tǒng)主要通過控制中心的綜合管理平臺向工作人員巡檢終端的APP完成任務(wù)的派發(fā)，工作人員通過APP接收任務(wù)后前往指定地點(diǎn)完成任務(wù)，通過人員定位和RFID標(biāo)簽功能可實(shí)現(xiàn)過程的監(jiān)管，完成任務(wù)后通過APP上傳相關(guān)音視頻巡檢資料進(jìn)行任務(wù)閉合。

4.3 管廊信息管理模塊

管廊信息系統(tǒng)模塊旨在對管廊的各種文件資料、入廊管線、設(shè)備等進(jìn)行信息化管理，使線下繁瑣且工作量大的工作線上化，便于保存、管理和查看。管廊信息系統(tǒng)包括廊倉管理、入廊管線管理、文件資料管理、設(shè)備管理及備品管理。

4.4 安全監(jiān)測與報警巡檢模塊

安全監(jiān)測與報警巡檢模塊旨在提高管廊本體、入廊管線、相關(guān)環(huán)境的安全監(jiān)控及管理水平。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是本系統(tǒng)的核心部分，利用前端傳感器監(jiān)測廊內(nèi)各類信息，依托各種通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互和共享，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對海量的感知數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)智能化報警，以保障入廊管線的健康安全狀況。同時，通過智慧管廊綜合管理系統(tǒng)內(nèi)接入的自動控制系統(tǒng)和綜合機(jī)器人系統(tǒng)還可完成針對各類報警的應(yīng)急處理，進(jìn)一步提高運(yùn)維的安全性。該模塊下的部分系統(tǒng)如：

（1）環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測項(xiàng)目包括甲烷、硫化氫、二氧化碳、溫濕度等。（2）入侵監(jiān)測系統(tǒng)主要通過在管廊內(nèi)重要節(jié)點(diǎn)，例如人員出入口、投料口、通風(fēng)口、引出段等，設(shè)置紅外微波探測器和聲光報警器，對出入人員或物體進(jìn)行監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)非授權(quán)進(jìn)入報警。（3）廊體監(jiān)測系統(tǒng)通過在管廊內(nèi)壁安裝壓差式形變傳感器對管廊本體的沉降進(jìn)行監(jiān)測，采用裂縫計(jì)對頂管與標(biāo)準(zhǔn)段處的平面位移進(jìn)行監(jiān)測。系統(tǒng)根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)，對影響管廊結(jié)構(gòu)安全的超限指標(biāo)進(jìn)行分析并實(shí)時報警，及時發(fā)現(xiàn)病害并判斷其安全狀況，以便及時采取措施，保障管廊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。（4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過采用低照度高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭結(jié)合硬盤錄像機(jī)，可實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時監(jiān)測、錄像查詢、移動偵測等功能，監(jiān)測范圍覆蓋管廊內(nèi)所有重要節(jié)點(diǎn)。（5）綜合巡檢機(jī)器人系統(tǒng)通過精確的智能視頻算法分析及紅外成像，對設(shè)備進(jìn)行無死角巡檢，發(fā)現(xiàn)人工肉眼難以發(fā)現(xiàn)的微小熱缺陷情況，并且機(jī)器人不會產(chǎn)生勞累、困倦等現(xiàn)象，能夠保證巡檢質(zhì)量;機(jī)器人更可接入工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)在調(diào)度室內(nèi)通過管理平臺對機(jī)器人進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域調(diào)度巡查;機(jī)器人輔助管廊監(jiān)控，保障了管廊管線設(shè)施安全，通過全面監(jiān)測管廊內(nèi)各類設(shè)施設(shè)備狀態(tài)，預(yù)防設(shè)備故障隱患，提高管線的巡檢效率和設(shè)備使用壽命;巡檢機(jī)器人與消防機(jī)器人聯(lián)動配合，在發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患時能夠迅速到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場完成應(yīng)急消防滅火。

5 結(jié)語

本文以江南中心綠道武九線綜合管廊工程為依托，對數(shù)字化智慧廊運(yùn)維平臺進(jìn)行研究。平臺基于智慧化、人性化、便捷物聯(lián)、高度信息安全的思路，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、BIM+GIS、智能識別、大數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)、異構(gòu)運(yùn)算、可視化等先進(jìn)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對管廊各類信息和運(yùn)行狀態(tài)全方位實(shí)時監(jiān)測、應(yīng)急處置、科學(xué)決策，精細(xì)化管理等，可解決管廊傳統(tǒng)運(yùn)維過程中的各種困難，使管廊信息化管理更進(jìn)一步。通過該平臺的建設(shè)，可預(yù)見此平臺后期在江南中心綠道武九線綜合管廊應(yīng)用后，對降低現(xiàn)場和管理人員的勞動強(qiáng)度，提高工作效率、及時發(fā)現(xiàn)運(yùn)維過程中的安全隱患都能發(fā)揮出積極的效果，為管廊安全、高效運(yùn)行提供保障。

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收稿日期：2020-03-09

作者簡介：臧熙瑋（1989—），男，江西景德鎮(zhèn)人，本科，工程師，研究方向：綜合管廊。

Research and Application of Operation and Maintenance Platform of Digital Smart Pipe Gallery

ZANG Xi-wei

（China Railway Development Investment Group Co.， Ltd.， Kunming Yunnan 650118）

Abstract： A operation and maintenance platform of digital smart pipe gallery has been established based on the wu nine line integrated pipe gallery project of south central greenway， the platform combines Internet of things， intelligent identification， big data analysis， in-depth learning， heterogeneous computing， visualization and other advanced information technology， and adopts the ideas of intelligence， humanity， convenience， IOT and high information security. The platform adopts advanced technologies such as BIM + GIS integration application， robot automatic patrol inspection， high-precision wireless positioning， and establishes subsystems such as visual management， personnel management， corridor information management， safety monitoring and alarm， which provides a guarantee for the safe and efficient operation of the integrated corridor.

Key words： integrated pipe gallery; BIM+GIS; automatic inspection; wireless location; safety monitoring and alarm