一種綜合管廊智慧運(yùn)維管理平臺(tái)體系架構(gòu)的研究

汪小波，暴 雨，李開(kāi)華

（中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都 611731）

0 引言

《全國(guó)城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)“十三五”規(guī)劃》提出，到2020年，綜合管廊建設(shè)達(dá)到8640公里，目前已建與在建達(dá)到目標(biāo)。《2020中國(guó)城市地下空間發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》統(tǒng)計(jì)，根據(jù)全國(guó)31個(gè)省級(jí)行政區(qū)劃單位公布的城市地下綜合管廊建設(shè)規(guī)劃，合計(jì)擬建設(shè)城市地下綜合管廊12000公里以上。

綜合管廊是城市的生命線(xiàn)，包含了支持居民生活和工業(yè)的基本公共服務(wù)，需要得到高效的維護(hù)。但隨著綜合管廊規(guī)模不斷擴(kuò)大，里程數(shù)增加，納入的管線(xiàn)種類(lèi)越來(lái)越多，傳統(tǒng)管理模式已無(wú)法滿(mǎn)足綜合管廊的運(yùn)維需求，必須借助科技的力量來(lái)減輕運(yùn)維人員的工作量，智能化是綜合管廊運(yùn)維管理的重要發(fā)展方向。多地先后都結(jié)合智能化手段建設(shè)了運(yùn)維管理平臺(tái)，但采用的信息技術(shù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)分類(lèi)、功能模塊劃分、體系架構(gòu)都缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。隨著綜合管廊智慧運(yùn)維的發(fā)展，亟待建立統(tǒng)一的智慧運(yùn)維體系架構(gòu)，明確各層的需求、功能、服務(wù)、接口等。

1 綜合管廊運(yùn)維管理平臺(tái)體系架構(gòu)研究現(xiàn)狀

王婉等分析了綜合管廊智能運(yùn)維的關(guān)鍵影響敏感性因素。Xianfei Yin等研究了管廊運(yùn)維數(shù)據(jù)類(lèi)型，針對(duì)綜合管廊項(xiàng)目運(yùn)維特點(diǎn)，提出了基于BIM的綜合管廊運(yùn)維管理系統(tǒng)。梁忠恕介紹了新加坡濱海灣綜合管廊的智慧運(yùn)維平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程。安徽阜陽(yáng)試點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了感知、傳輸、數(shù)據(jù)、服務(wù)、應(yīng)用5層體系的運(yùn)維管理平臺(tái)，上海北島西路管廊項(xiàng)目采用了支撐層、感知層、數(shù)據(jù)層、中間服務(wù)層、業(yè)務(wù)服務(wù)層、接入層、用戶(hù)層的7層系統(tǒng)架構(gòu)。相關(guān)文獻(xiàn)中的綜合管廊運(yùn)維管理平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析如表1所示。

表1 綜合管廊運(yùn)維管理平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析

續(xù)表1

2 一種五層智慧運(yùn)維管理平臺(tái)體系架構(gòu)

圖1提出了一種綜合管廊智慧運(yùn)維管理平臺(tái)5層體系架構(gòu)，從下向上依次是物理層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。平臺(tái)可以應(yīng)用于PC機(jī)的Web系統(tǒng)、工業(yè)大屏、移動(dòng)App、巡檢機(jī)器人等。

圖1 本文提出的綜合管廊運(yùn)維管理平臺(tái)5層體系架構(gòu)（續(xù)）

圖1 本文提出的綜合管廊運(yùn)維管理平臺(tái)5層體系架構(gòu)

3 管廊運(yùn)維管理平臺(tái)物理層

綜合管廊中已大量應(yīng)用傳感器、RFID、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)定位、紅外線(xiàn)熱成像、攝像頭等技術(shù)和設(shè)備，形成了豐富的綜合管廊信息系統(tǒng)，例如，管廊結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、監(jiān)控通風(fēng)設(shè)備、排水系統(tǒng)設(shè)備、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、電子巡查管理系統(tǒng)、機(jī)器人巡檢等系統(tǒng)。但這些系統(tǒng)大多還是局部性的粗糙應(yīng)用，并沒(méi)有精細(xì)化的明確綜合管廊的運(yùn)維需求。表2從全局的角度，結(jié)合綜合管廊運(yùn)維特點(diǎn)，將物理層的感知智能分為綜合管廊環(huán)境、本體結(jié)構(gòu)、入廊管線(xiàn)、附屬系統(tǒng)設(shè)備及運(yùn)維系統(tǒng)五種類(lèi)型，明確了綜合管廊運(yùn)維管理平臺(tái)中物理層的精細(xì)需求，如監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、方法、工具、內(nèi)容、測(cè)點(diǎn)布置和處置裝置等。

表2 綜合管廊運(yùn)維管理平臺(tái)物理層感知智能的功能需求

續(xù)表2

4 管廊運(yùn)維管理平臺(tái)傳輸層

廊內(nèi)各類(lèi)通信技術(shù)的使用是管廊安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提之一，很大程度上決定了管廊運(yùn)維過(guò)程中的實(shí)用性及有效性。運(yùn)維管理平臺(tái)的傳輸層包含管廊內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到分控中心，分控中心到總控中心，以及控制中心與控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。管廊內(nèi)可以通過(guò)分布式光纖、5G無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)、WIFI等技術(shù)搭建。此外，由于存在遠(yuǎn)程IO，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，拓?fù)鋸?fù)雜，故對(duì)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性有很高的要求，可以采用新一代基于工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)PROFINET。

5 管廊運(yùn)維管理平臺(tái)數(shù)據(jù)層

5.1 運(yùn)維數(shù)據(jù)來(lái)源

圖2從綜合管廊的各個(gè)生命期階段及不同結(jié)構(gòu)部分，分析了綜合管廊運(yùn)維數(shù)據(jù)的主要來(lái)源。其中，管廊BIM建筑模型，主要包含規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的幾何信息，如模型的空間位置關(guān)系和構(gòu)件尺寸等。管廊BIM結(jié)構(gòu)模型，主要包含建造施工階段的非幾何信息，如結(jié)構(gòu)材質(zhì)、設(shè)備型號(hào)等。入廊管線(xiàn)BIM模型，包含鋪設(shè)路徑、管線(xiàn)用途、性質(zhì)、使用單位等。內(nèi)部設(shè)備設(shè)施BIM模型，包含附屬設(shè)施幾何尺寸、材質(zhì)、構(gòu)造、名稱(chēng)、型號(hào)等。完成施工建造后，應(yīng)依據(jù)實(shí)際建造情況對(duì)設(shè)計(jì)階段的BIM模型進(jìn)行校驗(yàn)，以提交虛實(shí)一致、精確的BIM竣工模型。

圖2 綜合管廊運(yùn)維數(shù)據(jù)來(lái)源分析

3D GIS模型包含管線(xiàn)的起始點(diǎn)、監(jiān)測(cè)設(shè)備、安全進(jìn)出口等的位置。入廊管線(xiàn)BIM模型、內(nèi)部設(shè)備設(shè)施BIM模型、和3D GIS模型，通常在建造施工階段獲取，也可以在之后的運(yùn)維階段新增。

管廊內(nèi)基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)信息主要包含環(huán)境類(lèi)參數(shù)，如溫濕度、氧含量、有毒氣體、可燃?xì)怏w濃度等，和介質(zhì)類(lèi)參數(shù)，如水流量、用氣量、用電量、水壓、氣壓、電纜接頭溫度、積水坑液位等。

運(yùn)維數(shù)據(jù)主要包含運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、安全、施工四大部分，如設(shè)備和傳感器列表、員工信息、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、供應(yīng)商信息、設(shè)備維護(hù)計(jì)劃和其他傳統(tǒng)維護(hù)管理數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)層主要包含BIM模型數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、周邊環(huán)境數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)庫(kù)等。

5.2 基于場(chǎng)景的高性能數(shù)據(jù)服務(wù)

綜合管廊運(yùn)維會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)類(lèi)型豐富，需要高性能的數(shù)據(jù)服務(wù)。Grossmann M等從數(shù)據(jù)項(xiàng)的更新頻率及查詢(xún)使用兩個(gè)角度，對(duì)數(shù)據(jù)及其應(yīng)用情景進(jìn)行了研究。結(jié)合綜合管廊的特征和Grossmann M的數(shù)據(jù)分類(lèi)方法，可以對(duì)綜合管廊運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行如圖3所示的分類(lèi)，根據(jù)其對(duì)存儲(chǔ)、讀寫(xiě)、查詢(xún)等的不同需求，從而相應(yīng)的設(shè)置特定的數(shù)據(jù)服務(wù)器提供不同情景的高性能數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖3 基于更新頻率和查詢(xún)使用的情景分類(lèi)高性能數(shù)據(jù)服務(wù)

（1）靜態(tài)BIM數(shù)據(jù)。主要包括從前期設(shè)計(jì)和施工BIM竣工模型繼承的綜合管廊精確的建筑模型和結(jié)構(gòu)模型、入廊管線(xiàn)模型、廊內(nèi)的內(nèi)部設(shè)備模型。

（2）靜態(tài)位置數(shù)據(jù)。管廊本體結(jié)構(gòu)、入廊管線(xiàn)、附屬設(shè)施的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。例如，內(nèi)部管線(xiàn)的起點(diǎn)、接口、終點(diǎn)、所屬單位及周?chē)h(huán)境、路徑縮略圖等。

（3）靜態(tài)運(yùn)維數(shù)據(jù)。即運(yùn)維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，例如，傳感器和設(shè)備列表，入廊管線(xiàn)的鋪設(shè)路徑、管線(xiàn)用途、性質(zhì)、管理單位等。

（4）動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù)。移動(dòng)對(duì)象，如巡檢人員、機(jī)器人等的動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù)。

（5）動(dòng)態(tài)運(yùn)維數(shù)據(jù)。例如，值班、巡檢、作業(yè)、檢修、維護(hù)、應(yīng)急響應(yīng)等數(shù)據(jù)。

（6）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（歷史和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、時(shí)序數(shù)據(jù)）。具有靜態(tài)位置的傳感器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集的管廊內(nèi)的環(huán)境、設(shè)備、管線(xiàn)等狀態(tài)數(shù)據(jù)都帶有時(shí)間標(biāo)記，對(duì)象ID與時(shí)間標(biāo)記共同唯一標(biāo)識(shí)一筆歷史數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)一旦創(chuàng)建就不能修改。對(duì)于歷史和預(yù)測(cè)，可以通過(guò)使用壓縮算法或完全放棄某些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)歷史來(lái)減少數(shù)據(jù)量。

6 管廊運(yùn)維管理平臺(tái)服務(wù)層

綜合管廊運(yùn)維管理平臺(tái)的服務(wù)層主要包含第三方的服務(wù)，如位置服務(wù)、BIM引擎、3DGIS引擎、工作流引擎等。

位置服務(wù)是綜合管廊運(yùn)維中常用的基礎(chǔ)服務(wù)，可采取分段分艙的方式提供，包含ID查詢(xún)、范圍查詢(xún)、最近鄰居查詢(xún)等功能，其層級(jí)規(guī)模具有高可伸縮性。綜合管廊分段分艙示意圖如圖4所示。

圖4對(duì)應(yīng)的位置服務(wù)如圖5所示，位置服務(wù)由一組層級(jí)結(jié)構(gòu)的位置服務(wù)器協(xié)作提供，每個(gè)位置服務(wù)器負(fù)責(zé)一片地理區(qū)域。僅葉子服務(wù)器才負(fù)責(zé)存儲(chǔ)在其負(fù)責(zé)區(qū)域中的對(duì)象的位置坐標(biāo)。高層服務(wù)器服務(wù)區(qū)域由其下全部葉子服務(wù)器負(fù)責(zé)區(qū)域組成，且僅存儲(chǔ)前向指針而不存儲(chǔ)對(duì)象坐標(biāo)。沿著前向指針可以逐級(jí)索引到葉子服務(wù)器，從而找到對(duì)象的實(shí)際位置坐標(biāo)。葉子服務(wù)器1負(fù)責(zé)中間分段管廊的中間艙室，葉子服務(wù)器2負(fù)責(zé)中間分段管廊的右側(cè)艙室。位置服務(wù)器1負(fù)責(zé)中間分段管廊所有艙室。葉子服務(wù)器3負(fù)責(zé)右側(cè)分段管廊的中間艙室，位置服務(wù)器2負(fù)責(zé)右側(cè)分段管廊所有艙室。根服務(wù)器負(fù)責(zé)全部管廊區(qū)域。

圖4 綜合管廊分段分艙示意

圖5 綜合管廊分段分艙位置服務(wù)

7 管廊運(yùn)維管理平臺(tái)應(yīng)用層

應(yīng)用層的核心功能主要?jiǎng)澐譃檫\(yùn)營(yíng)管理（Operations）、維護(hù)管理（Maintenance）、安全管理（Security）和施工管理（Engineering）四大子系統(tǒng)。

運(yùn)營(yíng)管理子系統(tǒng)主要包含供應(yīng)商管理、安裝公司管理、系統(tǒng)管理、組織機(jī)構(gòu)管理、人員管理、資料管理、設(shè)備管線(xiàn)管理、合同管理、成本管理、設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)管理、空間管理、日常巡視檢查、進(jìn)出管廊監(jiān)管理、值班（日常值守）管理系統(tǒng)、指揮調(diào)度系統(tǒng)、績(jī)效考核管理系統(tǒng)、設(shè)施損壞賠償?shù)取?/p>

維護(hù)管理子系統(tǒng)主要包含設(shè)施設(shè)備保潔、養(yǎng)護(hù)管理、維修管理、檢測(cè)管理、大中修管理、更新改造、安全保護(hù)、設(shè)備資產(chǎn)管理、備品備件管理、技術(shù)檔案管理、隱患管理、故障管理等。

安全管理子系統(tǒng)主要包含火災(zāi)和水淹應(yīng)急預(yù)案、停電應(yīng)急預(yù)案、暴力事件應(yīng)急預(yù)案、傳染病應(yīng)變計(jì)劃、煙霾（嚴(yán)重空氣污染）應(yīng)急計(jì)劃、事故報(bào)告模式等。

工程管理子系統(tǒng)主要包含保護(hù)區(qū)控制區(qū)管理、施工監(jiān)管、管線(xiàn)入廊管理、新管廊接管管理等。

8 原型系統(tǒng)

本文基于BIM+3D GIS技術(shù)，采用Autodesk Revit設(shè)計(jì)了綜合管廊BIM模型，并導(dǎo)出為UDBX數(shù)據(jù)源格式，通過(guò)Supermap iDesktop軟件生成工作空間與三維場(chǎng)景。將管廊模型、第三方公開(kāi)的地理地圖信息、該地理位置的數(shù)字高程地形地勢(shì)信息、其他輔助構(gòu)件等數(shù)據(jù)有機(jī)融合，形成一體化的三維場(chǎng)景，方便了用戶(hù)對(duì)使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有直觀(guān)、便捷、高效的理解。原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了BIM可視化漫游、環(huán)境監(jiān)測(cè)、入廊管線(xiàn)監(jiān)測(cè)、附屬設(shè)施監(jiān)測(cè)、運(yùn)維管理等功能（圖6）。

圖6 基于BIM和3D GIS的綜合管廊智慧運(yùn)維管理平臺(tái)原型系統(tǒng)

9 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)綜合管廊已逐步從快速建設(shè)期進(jìn)入了正式運(yùn)維管理期，豐富的智慧運(yùn)維管理技術(shù)和手段被采納實(shí)施，但如何綜合應(yīng)用各種智慧運(yùn)維技術(shù)、盡快提出統(tǒng)一的運(yùn)維管理平臺(tái)體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)成為智慧運(yùn)維管理的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文分析了綜合管廊運(yùn)維管理平臺(tái)的體系架構(gòu)的研究現(xiàn)狀，提出了一種5層體系架構(gòu)，并對(duì)每一層進(jìn)行了深入的分析和探討。在物理層分析了綜合管廊主要的監(jiān)測(cè)對(duì)象和方法。在數(shù)據(jù)層分析了運(yùn)維數(shù)據(jù)來(lái)源的不同生命期和所處位置，并提出了一種基于情景的綜合管廊運(yùn)維數(shù)據(jù)高性能服務(wù)方法。在服務(wù)層提出了一種分段分艙的位置服務(wù)方法。在應(yīng)用層把核心運(yùn)維工作分成了運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、安全和施工四大子系統(tǒng)。最后，本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Web的綜合管廊運(yùn)維管理原型系統(tǒng)，對(duì)提出的5層平臺(tái)體系架構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證。