基于物聯(lián)網(wǎng)與GIS的地下綜合管廊智慧管控平臺建設(shè)分析

翟乃斌 徐國梁

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學 天津市 300222 2.中冶天工集團有限公司 天津市 300308）

2015年，國家財政部與住房城建部公示了10個地下綜合管廊建設(shè)試點城市，自此管廊建設(shè)在國內(nèi)許多城市相繼展開。傳統(tǒng)方式下，地下管線的建設(shè)缺少系統(tǒng)規(guī)劃，容易給道路建設(shè)等造成不良的影響，電力、通信、燃氣、給排水等方面的管控十分獨立，且缺少有效、時效性強的監(jiān)控與管理，這導致了財力物力的嚴重浪費，增加了其運營維護的難度，留存了許多安全隱患，若出現(xiàn)事故還可能引起連鎖、衍生的災(zāi)害，對人們的正常生活甚至生命財產(chǎn)安全帶來極大的負面影響。而綜合管廊是將這些管線進行統(tǒng)一的規(guī)劃和集中建設(shè)，進而提高地下的空間利用率，再結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、GIS等技術(shù)打造智慧的運維管控平臺，從而大大降低地下管廊在建設(shè)、使用等階段出現(xiàn)故障、災(zāi)害的幾率。而要想建設(shè)智慧的城市地下綜合管廊信息管控平臺，需要考慮經(jīng)濟、適用、安全等建設(shè)要求，考慮標準化管理、全生命周期管理等建設(shè)需求，考慮實際管控工作的便捷性、有效性等工作需求，因此需要積極借助物聯(lián)網(wǎng)、GIS等先進的信息技術(shù)。由于綜合管廊涉及多種管線，要想建設(shè)統(tǒng)一的維護標準，實現(xiàn)實時管理的需求，需要建設(shè)相應(yīng)的監(jiān)控與管理系統(tǒng)，綜合管理方面，綜合管廊有許多附屬設(shè)施，要保證管廊安全運行、有效監(jiān)管，就需要保證各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)一致，不能存在信息孤島，這就要求管控平臺有統(tǒng)一、靈活、快速響應(yīng)且全面的系統(tǒng)架構(gòu)，能滿足現(xiàn)有的管控需求，又能一定程度滿足未來新業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)管廊系統(tǒng)信息的高度集成，綜合管控管廊主體、各類管線、附屬設(shè)施及相應(yīng)使用人群的相關(guān)信息，并依托物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)有效、及時的信息互聯(lián)與互通；監(jiān)控方面，傳感設(shè)備及時監(jiān)測綜合管廊內(nèi)部消防、溫度、氣體等環(huán)境數(shù)據(jù)，利用GIS、BIM等技術(shù)獲得相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的地理位置等信息，這些信息通過互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)傳遞至監(jiān)控中心，管理者進行監(jiān)測、監(jiān)控及相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，對已發(fā)生或可能存在的安全隱患進行合理的處理。

1 我國地下綜合管廊的管控現(xiàn)狀分析

上世紀中葉，歐洲城市建設(shè)中發(fā)展出了綜合管廊的概念，之后被日本、美國等國家先后引入，而我國臺灣、北京、廣州、上海等地區(qū)也建有一定規(guī)模的綜合管廊，并已經(jīng)投入運營了多年。國內(nèi)外對綜合管廊的研究集中在可行性分析、施工建設(shè)和規(guī)劃設(shè)計等方面，對管廊的運維管理的研究相對較少。我國2015年出臺的相關(guān)政策中，指出各大城市應(yīng)大力且合理的發(fā)展地下綜合管廊，解決“里子”問題，但結(jié)合國內(nèi)地下綜合管廊的運營情況，其管控尚存在以下問題：

1.1 管廊管理的方式落后

目前國內(nèi)已建成在運營中的地下管廊，多數(shù)以傳統(tǒng)物業(yè)管理的形式來對綜合管廊開展安全監(jiān)控等方面的管理，且部分日常管理工作依然以紙質(zhì)文檔的方式進行，這導致應(yīng)急指揮調(diào)度、資料查閱、管廊巡檢反饋等工作無法高效的開展，無法被有效的統(tǒng)籌規(guī)劃，導致信息互聯(lián)不及時、反饋滯后。

1.2 管廊管理單位的工作機制不合理，各單位間聯(lián)動性不足

綜合管廊的管控涉及到許多不同的方面，因此其管理也涉及到不同的運營公司、權(quán)屬單位及政府，要想?yún)f(xié)同配合，開展有效的信息互通和協(xié)作管理，需要各單位間形成及時、合理的聯(lián)動機制，且各單位內(nèi)部建設(shè)合理的工作機制，但目前大國書已運營的管廊沒有建設(shè)一個信息化的整體管控平臺，各單位內(nèi)部也缺少標準化的工作機制，這就導致各單位間的信息傳遞方式過于多樣，無法保證信息互通的速度，埋下了許多存在安全隱患，不利于統(tǒng)一管理及政府的監(jiān)督。

1.3 缺少保障管廊高效、可靠運行的支持系統(tǒng)，或其功能性不足

綜合管廊設(shè)置在地下的密閉空間中，管線多樣，附屬設(shè)施也十分多樣，為保障管廊安全可靠的運行，需要配備消防、火災(zāi)報警、溫控監(jiān)測、氣體監(jiān)測、濕度監(jiān)測、通風、防入侵等支持性系統(tǒng)，為提升管廊管控的效率，還應(yīng)借助信息技術(shù)打造具備視頻監(jiān)控和無線通信等功能的協(xié)同系統(tǒng)，但目前許多綜合管廊的管控支持系統(tǒng)建設(shè)不完全，視頻監(jiān)控等功能的質(zhì)量不好。

1.4 對管廊運營數(shù)據(jù)的再利用不足

管廊建設(shè)及運行階段，將產(chǎn)生大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)涉及管廊環(huán)節(jié)的變化、各管線及設(shè)施的穩(wěn)定狀態(tài)等信息，因此可利用大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，分析這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)，以有效預(yù)測未來一段時間內(nèi)管廊的運行情況，及時的檢查出可能發(fā)生的不良事件，然后制定相應(yīng)處理措施，防患于未然。但目前許多城市在大力發(fā)展地下綜合管廊的同時，未能充分的應(yīng)用各類信息化手段，因此難以對管廊運行信息進行合理的利用，或忽視了該項工作，同時，這將一定程度上增加管控單位的經(jīng)濟投入。

2 物聯(lián)網(wǎng)、BIM等技術(shù)簡介及其在地下綜合管廊管控中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 BIM技術(shù)

BIM一般應(yīng)用于建筑工程，基于數(shù)據(jù)構(gòu)建模型為建筑設(shè)計、施工等提供可視化的參考，來加強各類信息的溝通，以檢查設(shè)計的不足，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工方案，為施工、監(jiān)理等主體提供便捷的信息。隨著近年來BIM技術(shù)在建筑行業(yè)的廣泛應(yīng)用，時間進度、成本造價等信息被融入BIM 模型，從而對項目投資、施工進度、施工質(zhì)量、項目合同、資源等進行更系統(tǒng)、標準化的管控，基于BIM技術(shù)的優(yōu)勢，BIM技術(shù)也逐漸延伸至基礎(chǔ)設(shè)施管理、地鐵站管理、地下管廊管控等領(lǐng)域，但目前其在綜合管廊中研究和應(yīng)用十分少見。

2.2 GIS技術(shù)

GIS系統(tǒng)基于計算機硬、軟件的支持，可對整個地球表層空間內(nèi)有關(guān)地理數(shù)據(jù)進行采集、分析、儲存、描述與，GIS技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在利用豐富、準確的地理信息來處理用戶數(shù)據(jù)，或根據(jù)用戶需求開發(fā)出專用的地理信息服務(wù)系統(tǒng)，輔助管理者根據(jù)系統(tǒng)所反映的地理信息，在高精度范圍內(nèi)開展危機反應(yīng)、災(zāi)害管理，以提升應(yīng)急處置的效率和準確度。將GIS技術(shù)應(yīng)用到地下管廊管控中，可建立相應(yīng)的管道安全預(yù)警模型，如對天然氣管道建立火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)，迅速確定相關(guān)危險區(qū)域，判定火災(zāi)可能蔓延的區(qū)域，從而更有效的預(yù)防和控制火災(zāi)，合理的部署消防力量。將BIM技術(shù)與GIS技術(shù)結(jié)合，BIM為整個系統(tǒng)提供更豐富、準確的建筑空間信息，豐富GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，而GIS系統(tǒng)反過來依賴自身的環(huán)境信息為BIM系統(tǒng)提供更好的決策支持，兩者集成應(yīng)用于綜合管廊的管控，可提供可視化、宏觀及更精準的微觀管控功能。但目前二者的融合應(yīng)用尚存在很大問題，主要體現(xiàn)在可視化效果差、數(shù)據(jù)丟失。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)，由裝載于物聯(lián)對象上的射頻、傳感設(shè)備及GPS系統(tǒng)組成的信息網(wǎng)絡(luò)，可實時、動態(tài)地感知和傳遞物聯(lián)對象相關(guān)的信息，并依據(jù)物與物，物與群體間的交互關(guān)系來提供相應(yīng)服務(wù)。通過在綜合管廊中安裝各類射頻、傳感設(shè)備，來感知和挖掘裝載設(shè)備的各項基本信息及信息的變化規(guī)律、對象間的關(guān)系，來增強對整個管廊環(huán)境的感知,將其與GIS等技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，可進一步整合管廊的各類信息，提升數(shù)據(jù)分析的準確度和決策的合理性，并借助網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)快捷的信息共享,更好地指導各管控單位的工作及用戶的生活。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)與GIS的地下綜合管廊智慧管控平臺的建設(shè)分析

地下綜合管廊管控工作須建設(shè)信息化的智慧管理平臺，作用為接受綜合管廊內(nèi)各類監(jiān)測信息及管網(wǎng)運行信息的中心，為管廊運行的安全性提供監(jiān)測支持，同時支持管控人員對相關(guān)調(diào)控設(shè)備進行一定程度的遠程操控。本文依托物聯(lián)網(wǎng)、GIS等技術(shù)，研究能為提供設(shè)備監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、安全防范等功能的管廊管控平臺：

3.1 綜合管廊智控平臺的構(gòu)架設(shè)計

管控平臺需要滿足綜合管廊對安全運行、管廊供電、消防、照明、通風、排水等多方面的需求，管控應(yīng)全面相應(yīng)內(nèi)容，進行集中管理。為方便統(tǒng)一、標準化管理，可分利用統(tǒng)一架構(gòu)、標準進行分層設(shè)計：

（1）感知層：利用攝像頭、傳感器來感知管廊氣體環(huán)境，利用溫濕度、電力和水位檢測設(shè)備感知管廊的整體運行狀態(tài)，利用風機、水泵、照明、消防等設(shè)備保障管廊安全，為管理安全運行提高更好的支持。

（2）接入層：為各類設(shè)備的安裝提供統(tǒng)一接入服務(wù)，提供多類通信產(chǎn)品和接入方案，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集與控制接口，來支持目前常用的各種通信協(xié)議，使傳感器、通風、配電、燃氣、排水等設(shè)備能夠快速接入。

（3）傳輸層：根據(jù)需求和安裝條件靈活采用有線、無線多種通信方式，實現(xiàn)安全、快速的數(shù)據(jù)傳遞與交互，確保能實時感知管廊數(shù)據(jù)，通過平臺遠程控制使相關(guān)設(shè)備實時執(zhí)行命令。

（4）數(shù)據(jù)層：借助消息中間件、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)緩存、分析等服務(wù)與云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，構(gòu)建管廊數(shù)據(jù)處理與存儲的系統(tǒng)，為管控全程工作提供全方位服務(wù)。

（5）展示層：借助GIS、BIM、三維展示等技術(shù)，為管廊管控提供全方位可視化的應(yīng)用服務(wù)，實現(xiàn)可視化的環(huán)境、設(shè)備監(jiān)控，幫助管控人員進行高效、精準的安全防范、運維管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、效能分析。

3.2 各子系統(tǒng)的建設(shè)

（1）監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)控設(shè)備及系統(tǒng)是保證地下管廊安全運行的重要部分，包括區(qū)域控制器與環(huán)境傳感器兩大部分。借助光纖網(wǎng)絡(luò)等形式將監(jiān)控信息運輸和傳送監(jiān)控至安防信息平臺。在管廊管控系統(tǒng)中，一般利用ACU箱、環(huán)境監(jiān)測傳感器、光纖網(wǎng)絡(luò)打造監(jiān)控系統(tǒng)，由安防監(jiān)控中心接收和處理信息，并按設(shè)定發(fā)布相應(yīng)指令。

為提升監(jiān)控的可視化程度，可采用高清攝像頭，采用全網(wǎng)絡(luò)覆蓋數(shù)字化組網(wǎng)方式，并更深的應(yīng)用GIS、BIM等技術(shù)。具體而言，管控平臺可設(shè)置單獨GIS模塊，根據(jù)管廊建設(shè)相關(guān)的CAD圖紙和勘察資料，建設(shè)并導入管廊模型及相關(guān)信息，依托BIM技提供管廊的主體結(jié)構(gòu)、投料口、出線口的結(jié)構(gòu)信息，及相關(guān)機電設(shè)備、控制設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、附屬設(shè)施等設(shè)施的參數(shù)信息，而GIS技術(shù)可更宏觀地呈現(xiàn)管廊結(jié)構(gòu)、走向、類型等信息，并精準顯示所有結(jié)構(gòu)、設(shè)備的地理信息，及管廊沿線的交通、地質(zhì)等信息，從宏觀到微觀為管廊安全監(jiān)管與應(yīng)急救援等工作提供可視化的輔助。

（2）安全管理系統(tǒng)。安全管理系統(tǒng)對相關(guān)工作人員設(shè)置相應(yīng)權(quán)限，控制和確保各類操作均予以相應(yīng)等級的授權(quán)，防止工作人員隨意進入管廊或進行其他不當操作，同時結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定程序?qū)ο嚓P(guān)不良操作發(fā)出警報。

（3）入侵監(jiān)測系統(tǒng)。綜合管廊智控平臺建設(shè)時，相關(guān)人員須對建設(shè)區(qū)域開展合理的布防工作，以為保證系統(tǒng)在這一階段不被侵入。通過控制平臺布防，設(shè)置系統(tǒng)操作權(quán)限與安全監(jiān)測，對安全問題自動發(fā)出警告，告知工作人員具體的安全威脅及推薦采用的解決方案。

（4）門禁系統(tǒng)。利用無線射頻等技術(shù)，建立門禁系統(tǒng)，保證非管控、維修等人員無法進入管廊各出入口，并通過射頻識別和監(jiān)控來識別和記錄相關(guān)工作人員的操作，避免其隨意進入、不當操作甚至惡意破壞。

（5）火災(zāi)報警及消防系統(tǒng)。結(jié)合感知層的煙感探測器等設(shè)備，感應(yīng)管廊煙霧數(shù)值，若超過設(shè)定的安全范圍，火災(zāi)報警裝置自動報警，報警信息會通過管控平臺反映給工作人員，消防系統(tǒng)根據(jù)具體的感應(yīng)數(shù)值自動進行灑水等消防操作，操作人員也可通過平臺進行相應(yīng)的消防操作，快速制定和實施應(yīng)急處置方案。

（6）數(shù)據(jù)管理與維系統(tǒng)。數(shù)據(jù)管理是在定義數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，選擇數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行標準化的管理，便于開展數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析等數(shù)據(jù)再利用工作。數(shù)據(jù)維護并非單獨的系統(tǒng)，而是融入了各系統(tǒng)中，由各系統(tǒng)共同維護來保證數(shù)據(jù)的真是可靠性，保證各類數(shù)據(jù)在記錄、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)冗^程中不被遺失或篡改。

4 結(jié)束語

綜上所述，國內(nèi)目前多數(shù)城市對綜合管廊的實踐較少，在管廊管理方面缺少經(jīng)驗，對物聯(lián)網(wǎng)、GIS等技術(shù)的應(yīng)用尚不深入。為提升管廊管控的水平，需要建設(shè)集成化的管控平臺，將監(jiān)控、安防、火災(zāi)報警、數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)融合起來，集構(gòu)建統(tǒng)一、聯(lián)動的管控機制，并通過更多的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、GIS等技術(shù)，來提升數(shù)據(jù)的感應(yīng)、共享和可視化水平，從而幫助各系統(tǒng)的監(jiān)管主體提高實際的工作水平。