基于BIM+GIS技術(shù)的智慧管網(wǎng)系統(tǒng)研究與實(shí)踐應(yīng)用

崔毅　張一帆　白天煒

摘要 文章圍繞重載鐵路作業(yè)區(qū)域地下管線智慧化管理研究與應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)三維可視化、管線狀態(tài)監(jiān)測及視頻監(jiān)控、故障定位等地下管線智慧化管理目標(biāo)為導(dǎo)向，從系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)（基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、應(yīng)用層、用戶層）、功能應(yīng)用管理（三維場景展示、資料文件管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、管線巡查管理、視頻監(jiān)控管理、后臺(tái)數(shù)據(jù)管理以及系統(tǒng)管理）等方面，介紹了智慧管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)方案。結(jié)合工程實(shí)例，驗(yàn)證了智慧管網(wǎng)系統(tǒng)的使用價(jià)值，為今后地下管線巡查、分析、決策提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞 重載鐵路;智慧管網(wǎng);預(yù)警管理;可視化

中圖分類號(hào) TU990.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）11-0001-03

引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，作為城市的地下“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，地下管網(wǎng)的建設(shè)也在持續(xù)推進(jìn)，其空間關(guān)系與屬性信息也一直存在動(dòng)態(tài)變化。傳統(tǒng)的城市地下管線管理方式無法實(shí)現(xiàn)信息共享，效率低下，難以適應(yīng)城市發(fā)展對(duì)海量數(shù)據(jù)管理要求的現(xiàn)狀。

《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》國辦發(fā)〔2014〕27號(hào)）對(duì)“開展城市地下管線普查”“建設(shè)和完善綜合管理信息系統(tǒng)”等工作提出具體要求[1]。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，基于BIM+GIS、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)的智慧管網(wǎng)管理系統(tǒng)為城市地下管網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)維管理提供了新的解決方案[2]。

1 智慧管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

智慧管網(wǎng)系統(tǒng)總體架構(gòu)分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、應(yīng)用層、用戶層五個(gè)層次。如圖1所示。

基礎(chǔ)設(shè)施層：為平臺(tái)層提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、安全設(shè)備。數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與訪問，通過建立數(shù)據(jù)庫，分類存儲(chǔ)各類數(shù)據(jù)，包括應(yīng)用業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)等，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐?；A(chǔ)服務(wù)層：基于數(shù)據(jù)庫，通過WEB引擎、三維GIS引擎、BIM輕量化引擎、工作流引擎對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、抽取等操作，為應(yīng)用層或用戶層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。應(yīng)用層：用來處理各種功能請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能，是一個(gè)系統(tǒng)最為核心的部分。用戶層：用于顯示數(shù)據(jù)和接收用戶輸入的數(shù)據(jù)，為用戶提供一種交互工操作的界面，平臺(tái)展現(xiàn)端包括：大屏端、PC端、App端[3]。

1.2 系統(tǒng)功能組成

智慧管網(wǎng)系統(tǒng)由三維場景展示、資料文件管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、管線巡查管理、視頻監(jiān)控管理、后臺(tái)數(shù)據(jù)管理以及系統(tǒng)管理組成。其中，三維場景展示實(shí)現(xiàn)管線數(shù)據(jù)的二維及三維一體化展示;監(jiān)測數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)各類管線運(yùn)維數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成管理;管線巡視管理實(shí)現(xiàn)管線管理單位巡查任務(wù)的閉環(huán)管理;后臺(tái)數(shù)據(jù)管理模塊提供各類管線監(jiān)測閾值設(shè)置，輔助管線監(jiān)測預(yù)警管理[4]。

1.3 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

1.3.1 管線BIM模型數(shù)據(jù)

利用BIM技術(shù)，通過現(xiàn)場踏勘和基礎(chǔ)資料研究，建立地下管線三維BIM模型，借助物聯(lián)傳感技術(shù)與監(jiān)控視頻流實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)[5]，完成BIM模型與管線運(yùn)維管理數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)城市地下管網(wǎng)的三維可視化管理與動(dòng)態(tài)監(jiān)測管理[6]。

1.3.2 傾斜攝影三維數(shù)據(jù)

通過傾斜攝影測量技術(shù)創(chuàng)建地上環(huán)境三維模型數(shù)據(jù)，構(gòu)建真實(shí)可靠的現(xiàn)場三維場景，與地下管線BIM模型相結(jié)合實(shí)現(xiàn)地下管線與周邊環(huán)境的位置上關(guān)系、影響關(guān)系的可視化展示，達(dá)到地上地下三維一體化管理[7]。

1.3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)

基于攝像頭、傳感器等監(jiān)控設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)將管線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)，并且將城市管線傳感器與相關(guān)視頻監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)與三維模型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與三維場景的融合提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進(jìn)一步提高城市管網(wǎng)系統(tǒng)的智能化。

2 智慧管網(wǎng)系統(tǒng)在神朔重載鐵路中的實(shí)踐應(yīng)用

2.1 工程概況

神朔重載鐵路作業(yè)區(qū)域內(nèi)涉及的地下管線主要包括給水、排水（污水、雨水）、燃?xì)猓簹?、天然氣、液化石油氣）、通信、電力、熱力、工業(yè)管道等類型。由于神朔鐵路建成年限較長，且經(jīng)過多次改擴(kuò)建，導(dǎo)致各類地下管線檔案資料混亂和管理缺位，目前管線管理工作主要問題包括：

（1）管線檔案不全。

（2）管線超期服役、隱患突出。

（3）應(yīng)急能力脆弱、預(yù)警不足。

鑒于神朔重載鐵路作業(yè)區(qū)域地下管線的安全運(yùn)行直接影響到作業(yè)區(qū)域正常工作的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，故開展神朔重載鐵路作業(yè)區(qū)域的地下管線智能化管理研究是十分必要的。

2.2 智慧管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用

2.2.1 智慧管網(wǎng)“一張圖”

該項(xiàng)目智慧管網(wǎng)系統(tǒng)集成地上環(huán)境模型、地下管線BIM模型、管線屬性信息、監(jiān)測信息、視頻監(jiān)控、巡視信息等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)“一張圖”的融合展示。如圖2所示。

通過智慧管網(wǎng)“一張圖”，實(shí)現(xiàn)地下管網(wǎng)多源數(shù)據(jù)融合。神朔重載鐵路作業(yè)區(qū)域地下管網(wǎng)履歷、檢修信息、運(yùn)維信息等數(shù)據(jù)集成展示，為地下管線巡查、分析、決策提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持[8]。

2.2.2 巡視與檢修閉環(huán)管理

管理人員通過日常管線巡查，發(fā)現(xiàn)管線滲漏、破損等狀況，通過手機(jī)端上傳問題后，智慧管網(wǎng)系統(tǒng)即可顯示該問題發(fā)生的地理位置。系統(tǒng)根據(jù)問題的位置和上報(bào)人員賬戶，自動(dòng)判斷本管線問題維修的歸口工區(qū)和人員，維修人員的移動(dòng)端系統(tǒng)即可收到該管線問題的維修任務(wù)，登錄系統(tǒng)后，即會(huì)看到自己的處置任務(wù)。處置完成后，通過系統(tǒng)上傳處置結(jié)果。實(shí)現(xiàn)巡視檢修的閉環(huán)管理。如圖3所示。

通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)檢修處置問題和管線BIM模型的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)以BIM模型為數(shù)據(jù)底座的管線全生命周期數(shù)據(jù)集成。另外，通過系統(tǒng)對(duì)檢修處置流程進(jìn)行留檔管理，以便管理人員后續(xù)追蹤及考核。

2.2.3 基于BIM模型的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7

神朔重載鐵路作業(yè)區(qū)域地下管線智能化建設(shè)需要多種物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備，基于智慧管網(wǎng)系統(tǒng)集成各類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)管線壓力、溫度、流量、位置狀態(tài)等信息集成管理。

通過智慧管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各類物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計(jì)，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的閾值進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警管理。管理人員通過平臺(tái)定位到具體管線位置，調(diào)取該范圍攝像頭，查看現(xiàn)場實(shí)際情況，指導(dǎo)預(yù)警信息的處理。

2.2.4 上帝視角的場景化漫游管理

利用第一視角對(duì)全線路場景進(jìn)行漫游，在漫游過程中可以選擇是否穿過障礙物，開啟則在漫游過程中碰到構(gòu)件會(huì)直接穿過，關(guān)閉則被阻擋;選擇是否開啟重力感應(yīng)，開啟則由高處行進(jìn)至低處時(shí)，會(huì)自動(dòng)降低高度，下落至低平臺(tái)，關(guān)閉則保持高平臺(tái)高度繼續(xù)前進(jìn);輸入移動(dòng)速度，此速度為漫游時(shí)的行進(jìn)速度，默認(rèn)為0.5。

填寫完成后，點(diǎn)擊開始漫游，根據(jù)提示，在場景中選擇漫游起點(diǎn)，使用鍵盤WASD進(jìn)行前后左右移動(dòng)，Q鍵為左旋轉(zhuǎn)，E鍵為右旋轉(zhuǎn)，漫游線路結(jié)束后，則點(diǎn)擊結(jié)束漫游，這時(shí)漫游記錄會(huì)被保存至漫游播放列表，點(diǎn)擊播放即可回看漫游過程，可以暫停，刪除。如圖4所示。

2.2.5 地理空間及模型測量

根據(jù)日常業(yè)務(wù)管理的需要，系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模型進(jìn)行全專業(yè)、分屬性的查看與控制，也可為地理空間提供四種測量方式，包括距離、面積、構(gòu)件尺寸、高程的測量。

距離測量：在系統(tǒng)中點(diǎn)擊測量距離按鈕，在場景中選擇兩點(diǎn)進(jìn)行測量，測量結(jié)果展示在右上方，結(jié)果包括兩點(diǎn)間的距離，以及XYZ軸的相對(duì)距離。

面積測量：點(diǎn)擊測量面積按鈕，在場景中依次選擇三個(gè)及三個(gè)以上的點(diǎn)，進(jìn)行面積測量，測量結(jié)果在右上方顯示。如圖5所示。

構(gòu)件尺寸：點(diǎn)擊構(gòu)件尺寸按鈕，選擇需要查看尺寸的構(gòu)件，結(jié)果會(huì)在右上方展示，構(gòu)件也會(huì)有尺寸標(biāo)注。

高程測量：點(diǎn)擊測量高程按鈕，在場景中選擇要測量高程的點(diǎn)，結(jié)果會(huì)直接顯示的測量的點(diǎn)上。

2.3 效果分析與評(píng)價(jià)

（1）基于BIM技術(shù)和GIS技術(shù)，完成神朔重載鐵路作業(yè)區(qū)域的地下管網(wǎng)的三維虛擬重現(xiàn)，為地下管線管理人員提供了可視化的管理工具。

（2）智慧管網(wǎng)系統(tǒng)集成了管線的靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息，為地下管網(wǎng)管理提供了數(shù)據(jù)支撐。

（3）基于智慧管網(wǎng)系統(tǒng)，進(jìn)行管線行狀態(tài)監(jiān)測和智慧巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，制定預(yù)案，降低了隱患變?yōu)槭鹿实母怕?，加?qiáng)了地下管線的安全管理。

3 結(jié)語

基于BIM+GIS的智慧管網(wǎng)系統(tǒng)，直觀顯示地下管線的空間層次和位置信息，形象展現(xiàn)地下管線的結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境位置關(guān)系，方便排管、維護(hù)及搶修等各種情況發(fā)生時(shí)信息的查找，實(shí)現(xiàn)了地下管網(wǎng)的數(shù)字化、空間化及圖形化管理，為今后地下管線資源的統(tǒng)籌利用和科學(xué)布局、管線占用審批等工作提供準(zhǔn)確、直觀、高效的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》國辦發(fā)2014[27]號(hào).

[2]逄崇雁，蓋琪琳，孫艷茹.基于GIS的智慧管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].網(wǎng)絡(luò)安全和信息化，2021（5）：77-79.

[3]朱駿俠.基于WebGL的三維智慧管網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪通報(bào)，2021（4）：146-150.

[4]虞培忠，程晨，楊金澤，等.基于BIM的地下管網(wǎng)施工管理系統(tǒng)[A].中國土木工程學(xué)會(huì)，2020：8.

[5]王凡.物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)融合在智慧管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].大連：大連交通大學(xué).2016.

[6]李衛(wèi)海，廖樂林.基于智慧管網(wǎng)的高性能通信前置系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息，2017（11）：116-118+122.

[7]耿濤.BIM技術(shù)與傾斜攝影測量結(jié)合在市政景觀工程中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2021（3）：36-39.

[8]劉旭，朱建忠，孫柏.亳州市地下管網(wǎng)安全運(yùn)行監(jiān)測平臺(tái)建設(shè)創(chuàng)新與實(shí)踐[J].智能城市，2021（6）：19-20.

收稿日期：2022-03-23

作者簡介：崔毅（1975—），男，本科，助理工程師，研究方向：節(jié)能環(huán)保。55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7