基于BIM+GIS+IoT的智慧管廊綜合監(jiān)管平臺研究

楊振宇

（中冶賽迪重慶信息技術(shù)有限公司，重慶 401122）

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大多數(shù)城市規(guī)劃建設(shè)越來越密集，眾多城市存在“城市病”，該問題在城市的市政設(shè)施建設(shè)中尤其突出。如地上電網(wǎng)、電桿等密布形成的“天空蜘蛛網(wǎng)”現(xiàn)象[1-2]。地下管線因更新、故障、事故等原因，需要反復(fù)開挖路面導(dǎo)致的“馬路拉鏈”現(xiàn)象等。這些現(xiàn)象不僅影響城市建設(shè)用地的正常使用和市容市貌，還造成了高昂的施工成本與巨大安全隱患[3]。管廊以集約化設(shè)計為理念，對電力、通信、給排水、燃?xì)?、暖氣等管線進(jìn)行統(tǒng)一化管理，實現(xiàn)智慧管廊綜合監(jiān)管平臺的建設(shè)，對于適應(yīng)當(dāng)前信息化發(fā)展需要、提升管廊管理效益等具有重要意義。

近年來，國內(nèi)相關(guān)研究者將BIM、GIS、IoT、大數(shù)據(jù)等技術(shù)與智慧管廊綜合監(jiān)控平臺相結(jié)合進(jìn)行研究。朱雪明[4]主要針對上海世博園區(qū)管廊，描述了綜合監(jiān)控平臺及其子系統(tǒng)的組成，但沒有對管廊監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

李芊等[5]利用BIM技術(shù)構(gòu)建了智慧管廊的運維管理系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)了BIM三維模型可視化在智慧管廊應(yīng)用的優(yōu)勢，能夠智能監(jiān)控廊內(nèi)設(shè)備，但沒有利用大數(shù)據(jù)技術(shù)將現(xiàn)有數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫已有對比后進(jìn)行預(yù)警分析，沒有實現(xiàn)預(yù)警、協(xié)助領(lǐng)導(dǎo)決策的效果。

綜上所述，國內(nèi)有較多將目前先進(jìn)的信息化、數(shù)字化、智能化技術(shù)運用到綜合管廊的研究，但仍不夠完善。本文將BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)運用到管廊綜合監(jiān)控平臺中，實現(xiàn)技術(shù)的集成，有利于提高智慧管廊管理效益，促進(jìn)全面感知和智慧管理具有重要價值[6]。

2 需求目的

為響應(yīng)國家以及天津市地下管廊建設(shè)的號召，實施管廊綜合監(jiān)控平臺，加速管廊運營改革創(chuàng)新，引領(lǐng)管廊管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型，助力城市品質(zhì)提升，創(chuàng)造高品質(zhì)生活。該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運用感知、GIS、BIM等手段，以管廊安全運行為目標(biāo)，建立科學(xué)合理的管廊智能化體系，形成以管廊綜合監(jiān)控、運營、數(shù)據(jù)應(yīng)用以及應(yīng)急指揮等功能為一體的管廊綜合監(jiān)控平臺。

（1）通過對機(jī)電設(shè)備、環(huán)境、視頻、安防設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)整合，實現(xiàn)對天津市管廊的統(tǒng)一監(jiān)控和應(yīng)急指揮，提升天津管廊的安全管理效率。

（2）以管廊安全運行為核心，將物聯(lián)網(wǎng)、GIS、BIM等技術(shù)進(jìn)行整合，實現(xiàn)管廊全生命周期精細(xì)化和規(guī)范化管理以及智能化運維。

（3）整合管廊設(shè)備以及業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)，形成面向權(quán)屬單位、城市管理平臺、市政部門到政府相應(yīng)管理部門的統(tǒng)一數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)天津市管廊數(shù)據(jù)交換和共享。

（4）以大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合管廊實時數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次、多維度、多形式的查詢、分析和可視化，加強(qiáng)管廊信息化管理、提高工作效率、輔助領(lǐng)導(dǎo)決策。

3 技術(shù)架構(gòu)

總體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)架構(gòu)

綜合監(jiān)控平臺整體技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)分為前端、業(yè)務(wù)應(yīng)用、應(yīng)用支撐和物聯(lián)感知。環(huán)控、消防、通信等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集軟件將數(shù)據(jù)提供給上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行展示和應(yīng)用。平臺采用前后端分離的架構(gòu)，前端通過統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)進(jìn)行業(yè)務(wù)服務(wù)的請求，后端業(yè)務(wù)服務(wù)基于微服務(wù)的架構(gòu)進(jìn)行業(yè)務(wù)功能的支撐和服務(wù)治理。

（1）前端。

前端實現(xiàn)平臺業(yè)務(wù)的展示和操作，業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)在業(yè)務(wù)應(yīng)用層通過服務(wù)的形式和客戶端進(jìn)行連接，根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行不同組合，最終實現(xiàn)終端展示。

（2）業(yè)務(wù)應(yīng)用。

業(yè)務(wù)服務(wù)層為前端提供業(yè)務(wù)服務(wù)接口，主要包括綜合監(jiān)控、運維系統(tǒng)、應(yīng)急管理、數(shù)據(jù)分析、App應(yīng)用及大屏可視化。平臺基于springBoot實現(xiàn)微服務(wù)管理，使用redis緩存能夠有效緩解數(shù)據(jù)庫壓力，提高性能。

（3）應(yīng)用支撐。

應(yīng)用支撐主要對平臺公共的權(quán)限、日志、緩存、GIS等基礎(chǔ)公共功能提供相應(yīng)支撐，提供數(shù)據(jù)采集的能力，將物聯(lián)感知的數(shù)據(jù)提供給上層應(yīng)用進(jìn)行展示和應(yīng)用。

（4）物聯(lián)感知。

通過OPC、MODBUS及HTTP等通信方式，實現(xiàn)物聯(lián)感知設(shè)備的數(shù)據(jù)采集及控制。

4 建設(shè)內(nèi)容

綜合監(jiān)控平臺總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 綜合監(jiān)控平臺總體架構(gòu)

秉承管廊綜合監(jiān)控平臺的需求目的，智慧管廊綜合監(jiān)控平臺主要建設(shè)內(nèi)容包括基礎(chǔ)管理、綜合監(jiān)控、運維管理、運營管理、應(yīng)急指揮調(diào)度、數(shù)據(jù)分析、移動App、大屏可視化駕駛艙等模塊。

4.1 基礎(chǔ)管理

基礎(chǔ)管理作為管廊綜合監(jiān)控平臺的基礎(chǔ)公共模塊，為管廊監(jiān)控、運維管理、應(yīng)急指揮等業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的權(quán)限、工作流及主數(shù)據(jù)管理?；A(chǔ)管理主要包括部門管理、通信錄管理、賬號管理、角色管理、權(quán)限管理、日志管理、工作流管理等功能。

4.2 綜合監(jiān)控

綜合監(jiān)控運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對管廊內(nèi)部環(huán)境檢測數(shù)據(jù)、安防視頻、消防報警、設(shè)備故障等信息的實時監(jiān)控，能夠?qū)崟r獲取溫濕度、有害氣體、設(shè)備故障等多種關(guān)鍵指標(biāo)，并能夠根據(jù)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行告警通知。本項目保留各個子系統(tǒng)獨立運行能力，降低系統(tǒng)運維風(fēng)險，綜合監(jiān)控平臺與各個子系統(tǒng)工作站實現(xiàn)通信，完成統(tǒng)一集成管理。

（1）管廊信息可視化。

管理信息可視化實現(xiàn)基于地理信息系統(tǒng)的綜合信息門戶、三維BIM的一體化監(jiān)控。以“一張圖”模式展示所有環(huán)境與設(shè)備監(jiān)測信息、預(yù)警與報警信息等，為綜合監(jiān)控平臺提供統(tǒng)一的基于BIM+GIS的人機(jī)交互界面。

（2）設(shè)備監(jiān)控。

設(shè)備監(jiān)控將環(huán)控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等數(shù)據(jù)通過監(jiān)控中心進(jìn)行實時采集，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)顯示、設(shè)備告警顯示、設(shè)備遠(yuǎn)程控制等功能。

（3）人員監(jiān)控。

通過無線AP實現(xiàn)對入廊人員的可視化查找、定位，以圖標(biāo)的方式標(biāo)識合法入廊人員，跟蹤其在廊內(nèi)的活動情況，點擊圖標(biāo)可查看當(dāng)前入廊人員詳情

（4）告警管理。

告警管理對管廊內(nèi)所有實時歷史報警數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，系統(tǒng)實時、自動根據(jù)用戶設(shè)置進(jìn)行報警提示。

（5）聯(lián)動管理。

管廊設(shè)備觸發(fā)聯(lián)動信號時，能夠根據(jù)聯(lián)動規(guī)則啟動聯(lián)動設(shè)備。

（6）結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

對結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的、實時的、在線的健康狀態(tài)監(jiān)測和評估，對結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的評價，擴(kuò)展傳統(tǒng)人工檢測內(nèi)容，實現(xiàn)預(yù)測維修，提高養(yǎng)護(hù)維修的管理水平，保障管廊結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性和耐久性，避免潛在的災(zāi)難性事件發(fā)生。

管廊全景如圖3所示。

圖3 管廊全景圖

4.3 運維管理

運維管理模塊利用信息化手段，對管廊運維問題進(jìn)行快捷、規(guī)范處理，動態(tài)掌握管廊內(nèi)部及人員調(diào)動和值班的實時情況，包括排班管理、巡檢管理、維護(hù)管理、工單管理、隱患管理等日常運維管理功能，實現(xiàn)對管廊資源的運維服務(wù)和運維人員的全閉環(huán)管理。

4.4 運營管理

通過對入廊作業(yè)、設(shè)備資產(chǎn)、備品備件、檔案資料、考試等管理，為其他的業(yè)務(wù)模塊提供數(shù)據(jù)支持，提高管廊運營服務(wù)。

4.5 應(yīng)急指揮調(diào)度

對管廊重點區(qū)域進(jìn)行全方位實時監(jiān)控，實現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案流程化管理、應(yīng)急資源實時概覽、應(yīng)急指揮遠(yuǎn)程調(diào)度，為重大事件動態(tài)辨識、監(jiān)控和風(fēng)險評估等提供技術(shù)支撐，建立統(tǒng)一的應(yīng)急指揮調(diào)度模塊，讓事件發(fā)現(xiàn)更及時、處理更高效、指揮調(diào)度更自如，主要包括應(yīng)急預(yù)案管理、應(yīng)急指揮調(diào)度、應(yīng)急工作管理。

4.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)以管廊日常監(jiān)控和運維過程中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)深入分析與挖掘，以豐富的可視化報表、圖形等方式對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和展示，為管廊安全、經(jīng)濟(jì)、高效運營提供有價值的決策建議。主要包括告警分析、環(huán)境分析、設(shè)備分析、入廊分析、輔助決策、報表功能等功能。

4.7 GIS/BIM管理平臺

（1）地理信息系統(tǒng)。

地理信息系統(tǒng)為綜合監(jiān)控平臺提供地理信息服務(wù)，并實現(xiàn)基本功能，包括GIS一張圖、數(shù)據(jù)編輯、圖形編輯、管線編輯、管線設(shè)備編輯。

（2）BIM應(yīng)用管理。

基于BIM模型和管線數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，融入GIS平臺。主要功能包括BIM管廊圖顯示功能，在三維場景中用戶可全方位瀏覽管廊模型和查看接入模型的數(shù)據(jù)，可以隨意拖動管廊模型，查看管廊內(nèi)部和外部的情況，點擊管廊模型通過小彈框可查看對應(yīng)的相關(guān)信息。

4.8 移動端App

移動端App是面向工作人員（管理人員、監(jiān)理人員、作業(yè)人員、評估人員等，可按照管廊養(yǎng)護(hù)相關(guān)部門設(shè)置）的工具，提供移動端操作功能，方便工作人員遠(yuǎn)程接受任務(wù)、執(zhí)行任務(wù)、上傳結(jié)果、查詢信息等，能夠?qū)崿F(xiàn)成本降低、信息安全、信息化進(jìn)程加快、工作高效快捷、工作流程規(guī)范自動化、競爭能力提升等優(yōu)點。

主要功能包括設(shè)備信息查詢、工單管理、流程管理、管廊監(jiān)控、告警/隱患上報等功能。

4.9 大屏可視化駕駛艙

大屏可視化駕駛艙作為智慧管廊管控系統(tǒng)的展示平臺，通過圖表、圖形、地圖等視覺元素，展現(xiàn)管廊數(shù)據(jù)蘊含的信息，集成了三維動畫顯示功能和GIS地理信息系統(tǒng)功能，使數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)更直觀、快速和易于接收。主要包括綜合監(jiān)控、漫游巡檢、數(shù)據(jù)分析等功能。

綜合監(jiān)控如圖4所示，漫游巡檢如圖5所示。

圖4 綜合監(jiān)控

圖5 漫游巡檢

5 結(jié)語

本文基于物聯(lián)網(wǎng)、GIS、BIM、大數(shù)據(jù)等技術(shù)建立智慧管廊綜合監(jiān)管平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)控管廊內(nèi)設(shè)備、環(huán)境參數(shù)。面臨緊急事故時，能夠進(jìn)行告警提示以及啟動應(yīng)急指揮調(diào)度，減少了經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，為實現(xiàn)管廊綜合監(jiān)控平臺的安全化、智慧化助力。城市管廊的信息化、智能化、數(shù)字化建設(shè)是當(dāng)前城市管廊建設(shè)的總趨勢，是提升管廊建設(shè)和管理效益的重要舉措。