数字化智慧管廊运维平台研究与应用

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　　摘要：文章以江南中心绿道武九线综合管廊工程为依托，结合物联网、智能识别、大数据分析、深度学习、异构运算、可视化等先进信息化技术，以智慧化、人性化、便捷物联、高度信息安全为思路，建立了数字化智慧管廊运维平台。平台采用了BIM+GIS融合应用、机器人自动巡检、高精度无线定位等先进技术，建立了可视化管理、人员管理、管廊信息管理、安全监测与报警等子系统，为实现综合管廊安全、高效的运行提供了保障。
　　关键词：综合管廊;BIM+GIS;自动巡检;无线定位;安全监测与报警
　　中图分类号：TU17    文献标识码：A    文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00
　　0 引言
　　 随着综合管廊建设的推进，全国各中大型城市积极投入到综合管廊的建设中，城市管廊规模越来越庞大[1]。综合管廊空间断面设计复杂，纳入管线种类多，在运营过程中具有施工组织复杂、工程量大、项目工程管理难度大等特点，在工程进度、成本、安全、质量等综合管理方面均存在困难，传统管理模式已无法满足综合管廊快速发展的需求[2]。因此需要建立有效的机制和手段来进行管理。
　　 近年来，随着国家政策的引导，广大专家学者积极投入到综合管廊运维管理研究中来，形成了一系列的综合管廊信息化管理手段。毕天平等[3]通过机器人巡检技术，百度地图定位方法等建立了一体化的管廊运维平台，并在沈阳市南运河管廊进行了应用。杨党锋等[4]以某项目为依托，采用物联网、大数据等信息技术，建立了综合管廊运维管理系统。纪蓉等[5]提出了综合管廊运维一体化建设方案，并实现了BIM全生命周期应用。刘学功[6]通过对智慧管廊运营系统进行研究，结合其特点进行分析，对机器人巡检技术在管廊中的应用进行了初步研究。张立新等[7]根据综合管廊全生命周期的管控要求，对BIM技术在管廊中的全生命周期的应用进行了研究。
　　 智慧化、信息化管理是综合管廊运维管理的重要发展方向，是实现智慧城市、智慧市政的主要手段。本文以江南中心绿道武九线综合管廊工程为依托，进行了能实现精确定位、安全保障、监测预警减灾、日常巡检巡查、物业管理、应急处置等功能的数字化智慧管廊运维平台研究。
　　1 研究背景
　　1.1 项目概况
　　 江南中心绿道武九铁路北环线综合管廊工程（友谊大道～建设十路）位武汉市武昌区、青山区、洪山区，包括主线和支线。主线管廊沿武九铁路北环线控制廊道布置，起于友谊大道，止于建设十路，全长约13.24公里。支线管廊沿德平路布置，起于武九铁路，止于团结大道，全长约2.98公里。平面分布如图1所示。
　　1.2 项目特点及需求
　　 本项目是武汉市城建重点工程，也是武汉市市级直管的第一个综合管廊工程，系建设+运维全生命周期管理的管廊项目，采用传统的管廊运维管理方式存在人力成本高、信息采集落后且分散、应急响应慢、运维管理水平低等弊端，对入廊管线及廊体本身构成一定的安全隐患，急需借助新兴技术手段探索开发出一个综合性运维管理平台。通过前期的充分实践调研，得到平台主要需求为：
　　 （1）结合物联网、BIM+GIS等信息技术及管廊建设施工和运营维护过程中的需求，感测、分析、整合城市综合管廊系统运行中各项关键信息;（2）基于智慧化、人性化、便捷物聯、高度信息安全的思路，综合利用管廊智能化管理技术，实现对管廊的各类信息和运行状态全方位的在线实时监控和智能控制;（3）基于智能识别、大数据分析、深度学习、异构运算、可视化等先进技术，对管廊进行精细化管理和科学决策，大大提高管廊的管理效率、降低管廊的运维成本和风险。
　　2 平台建设的总体目标及总体架构
　　2.1 总体目标
　　 建设数字化智慧管廊运维平台的总体目标：（1）为了降低运营成本投入，加快应急响应速度，减少事后扯皮现象发生;（2）将众多单位的数据进行统一整合利用，打通数据通道，形成统一的数据标准;（3）改善传统巡检手段，提升应急处置能力，提高运维管理的智能化水平。最终实现运维状态实时监控、预警减灾防灾、应急处置等功能齐全的数字化智慧管廊运维平台。
　　2.2 总体架构
　　 平台的应用架构是平台搭建的主要思路和方法，为了保证各个系统之间能实现数据共享，确保数据的一致性，避免出现信息孤岛，需设计一个灵活的应用系统架构，既可以包容现有的应用又能满足未来新的应用需求，使各个系统信息的高度集成，使得基于不同平台、不同语言实现的应用系统能够很好地进行信息交互，从而让系统平台变得更有弹性，能更快地响应业务需求[8]。数字化智慧管廊运维平台以计算机技术、网络技术、电气控制技术、传感器技术及机器人技术为基础，采用基于组件的SOA平台应用架构进行构建，主要包括物理层、数据层、应用层、展示层，如图2所示。通过高度集成的数字化智慧管廊运维平台实现对综合管廊的综合管理、实时控制、智能监测;通过数字化智慧管廊运维平台中的建筑信息模型（BIM）和3D地理信息系统（3D GIS）等手段对管廊及内部管线进行可视化管理;通过引入管廊巡检机器人配合自主灭火机器人完成对管廊内环境、设备、管线的不间断智能巡检和应急火灾处置，实现人工与机器的有效协同，实现24h不间断监控。
　　3 平台关键技术
　　3.1 BIM+ GIS融合应用
　　 管廊在设计、施工、运营维护等各个阶段均使用BIM 技术和 GIS 技术，并将二者进行有机结合。通过此方式，将管廊全生命周期的数据资料进行集成和管理，为不同决策者在不同阶段，不同需求提供数据和技术支持。GIS技术具有整体功能的作用，可以将综合管廊内的大量空间信息（如出线口以及特殊节点等地理位置、机电设备、控制设备等各专业相关设备的数量、类别、地理位置分布等）进行属性掌握，实时监控各种设备的运行状态，高效的管理带有地理信息复杂数据，为综合管廊运营维护的辅助决策提供具有空间信息功能的依据。BIM 技术具有很强的呈现功能，将BIM呈现的管廊属性赋予 GIS，可通过三维可视化的方式进行呈现，让人有一种身临其镜的感觉，使运维管理方及管廊作业人员更好的对管廊地理空间进行认知。该模块解决了基于空间位置的设施管理，通过对象一比一的复原，形成所见即所得的管理模式。 　　3.2 机器人自动巡检技术
　　 机器人环境适应能力强，在恶劣环境下能正常工作，可深入危情现场，能够有效地配合巡检工作。通过将高清摄像头、红外成像、无线传感器等设备集成于智能巡检机器人，再制定定期巡检、应急响应巡检等不同的巡检模式，实现对廊内各类设施、设备的全覆盖检测。由机器人替代部分人工巡检充当特殊环境下的先行探检，增强了人员和管廊的安全系数，有效提高管廊的运行效率，大大减少管廊灾害和事故的发生。具体的形式有：在巡检机器人上设置各类型气体监测传感器，实现气体质量分数动态监测，当检测到管廊内某种气体含量超过安全限值时，巡检机器人将立即上传报警信息至综合监控平台，并发出声光报警信号;通过红外热成像技术，使用巡检机器人动态监测管廊内温度变化情况，当检测到管廊内温度超过安全限值时，巡检机器人将立即上传报警信息至综合监控平台，并发出声光报警信号;结合基于机器视觉的廊体结构健康状态监测指标、识别技术与评价方法，进行管廊结构本体缺陷隐患的辨识，通过巡检机器人摄像头采集到的影像资料，实现结构表观缺陷、病害的智能识别，通过长时间巡检影像资料实现外观缺陷、病害发展趋势监测，实现管廊结构外观智能检测的目的，为后续管廊结构、病害维护提供参考。
　　3.3 高精度无线定位技术
　　 根据城市地下综合管廊的运维管理环境，需要对地上、地下、廊内不同位置的工作人员进行定位及轨迹追踪，同时在日常巡检、应急救援、执行任务等情景下都需要对相关人员进行精确定位。建设数字化智慧管廊运维平台采用高精度无线定位系统，用于入廊人员的安全保障和位置追踪，通过该定位系统可在控制中心的屏幕上显示出当前人员的位置和行进轨迹，并且可以根据人员位置合理调度巡检、抢险等任务的安排。此外，在发生危险或紧急事件时，控制中心可以与人员携带的标签进行联动，通过警报声或振动提示人员进行撤离。
　　4 平台主要功能模块
　　 平台主要由可视化管理、人员管理、管廊信息管理、安全监测与报警巡检四大模块及若干组件构成，其功能构成如图3所示：
　　4.1可视化管理模块
　　 可视化管理主要分为通过3DGIS+BIM的建筑模型融合业务系统的实时数据信息，实现管廊实时管理的可视化和通过大数据计算分析的阶段性管理分析统计可视化。
　　 （1）作为信息可视化的管理工具，3DGIS主要应用于建筑外部的宏观区域，BIM主要应用于建筑内部的区域[9]。3DGIS提供综合管廊及周边信息的宏观模型，为区域管理、系统宏观管理、空间管理、灾害管理等提供基础;BIM提供综合管廊内部的精细化模型，为设备设施管理、维护维修管理、安全管理、应急管理、模拟巡检等提供基础。两者相结合构建一个与现场一致的模型，通过业务数据的实时传输和呈现，可实现可视化管理、虚拟巡检等功能。（2）大数据可视化主要借助于图形化手段，清晰有效地传达与沟通信息[10]。管廊数据信息具有复杂性、分散性、不确定性、动态性等特点，通过大数据分析技术融合分析海量的数据，将同类型数据或关联数据集中到一个专题页面进行图像化呈现展示，将专业的复杂的数据进行图像化归集，为管廊管理者的决策提供支持。
　　4.2 人员管理模块
　　 人员管理模块旨在加强管廊内运维管理人员作业行为的监控监管。人员管理模块主要由人员定位系统、人员管理系统、任务管理系统三大部分组成。
　　 （1）人员定位系统：人員定位系统分为地面人员APP定位及廊内人员高精度无线定位，高精度无线定位用于入廊人员的安全保障和位置追踪，通过本模块可在控制中心的屏幕上实时显示出当前人员的位置和行进轨迹，并且可以根据人员位置合理调度巡检、抢险等任务的安排;此外，在发生危险或紧急事件时，控制中心可以与人员携带的标签进行联动，通过警报声或振动提示人员进行撤离。（2）人员管理系统：人员管理系统主要负责管廊相关工作人员的信息管理。（3）任务管理系统：任务管理系统主要通过控制中心的综合管理平台向工作人员巡检终端的APP完成任务的派发，工作人员通过APP接收任务后前往指定地点完成任务，通过人员定位和RFID标签功能可实现过程的监管，完成任务后通过APP上传相关音视频巡检资料进行任务闭合。
　　4.3 管廊信息管理模块
　　 管廊信息系统模块旨在对管廊的各种文件资料、入廊管线、设备等进行信息化管理，使线下繁琐且工作量大的工作线上化，便于保存、管理和查看。管廊信息系统包括廊仓管理、入廊管线管理、文件资料管理、设备管理及备品管理。
　　4.4 安全监测与报警巡检模块
　　 安全监测与报警巡检模块旨在提高管廊本体、入廊管线、相关环境的安全监控及管理水平。物联网技术是本系统的核心部分，利用前端传感器监测廊内各类信息，依托各种通信网络进行信息交互和共享，利用大数据技术，对海量的感知数据和信息进行分析处理，实现智能化报警，以保障入廊管线的健康安全状况。同时，通过智慧管廊综合管理系统内接入的自动控制系统和综合机器人系统还可完成针对各类报警的应急处理，进一步提高运维的安全性。该模块下的部分系统如：
　　 （1）环境监测系统监测项目包括甲烷、硫化氢、二氧化碳、温湿度等。（2）入侵监测系统主要通过在管廊内重要节点，例如人员出入口、投料口、通风口、引出段等，设置红外微波探测器和声光报警器，对出入人员或物体进行监测，从而实现非授权进入报警。（3）廊体监测系统通过在管廊内壁安装压差式形变传感器对管廊本体的沉降进行监测，采用裂缝计对顶管与标准段处的平面位移进行监测。系统根据获取的数据，对影响管廊结构安全的超限指标进行分析并实时报警，及时发现病害并判断其安全状况，以便及时采取措施，保障管廊结构稳定。（4）视频监控系统通过采用低照度高清网络摄像头结合硬盘录像机，可实现视频实时监测、录像查询、移动侦测等功能，监测范围覆盖管廊内所有重要节点。（5）综合巡检机器人系统通过精确的智能视频算法分析及红外成像，对设备进行无死角巡检，发现人工肉眼难以发现的微小热缺陷情况，并且机器人不会产生劳累、困倦等现象，能够保证巡检质量;机器人更可接入工业以太网环网，实现在调度室内通过管理平台对机器人进行重点区域调度巡查;机器人辅助管廊监控，保障了管廊管线设施安全，通过全面监测管廊内各类设施设备状态，预防设备故障隐患，提高管线的巡检效率和设备使用寿命;巡检机器人与消防机器人联动配合，在发现火灾隐患时能够迅速到达火灾现场完成应急消防灭火。 　　5 結语
　　 本文以江南中心绿道武九线综合管廊工程为依托，对数字化智慧廊运维平台进行研究。平台基于智慧化、人性化、便捷物联、高度信息安全的思路，结合物联网、BIM+GIS、智能识别、大数据分析、深度学习、异构运算、可视化等先进技术，可实现对管廊各类信息和运行状态全方位实时监测、应急处置、科学决策，精细化管理等，可解决管廊传统运维过程中的各种困难，使管廊信息化管理更进一步。通过该平台的建设，可预见此平台后期在江南中心绿道武九线综合管廊应用后，对降低现场和管理人员的劳动强度，提高工作效率、及时发现运维过程中的安全隐患都能发挥出积极的效果，为管廊安全、高效运行提供保障。
　　参考文献
　　[1] 台启民，史金栋，曹蕊，等.综合管廊智慧运维管理系统的研究及应用[J].工程建设标准化，2018（5）：14-20.
　　[2] 杨党锋.基于iS3的综合管廊施工智慧管理系统应用[J].水利规划与设计，2018（2）：151-154.
　　[3] 毕天平，孙强，佟琳，等.南运河管廊智慧运维管理平台研究[J].建筑经济，2019（3）：37-41.
　　[4] 杨党锋，刘晓东，苏锋，等.城市地下综合管廊智慧运维管理研究与应用[J].土木建筑工程信息技术，2017（6）：28-33.
　　[5] 纪蓉，苏嫣钰，俞苗，等.基于BIM+GIS的智慧管廊监测管控运维一体化平台建设[J].江苏建筑，2018（2）：103-106.
　　[6] 刘学功.巡检机器人在综合管廊中的应用初探[J].智能建筑，2017（6）：44-48.
　　[7] 张立新，李宝东.BIM在综合管廊全生命周期智慧管控中的应用研究[J].公路，2018（11）：210-214.
　　[8] 林怀恭，聂瑞华，罗辉琼，等.基于SOA架构的服务集成技术的研究[J].计算机技术与发展，2009（7）：141-144+148.
　　[9] 郑立宁，罗春燕，王建.综合管廊智能化运维管理技术综述[J].地下空间与工程学报，2017（S1）：1-10.
　　[10] 夏海棚，周胜，熊俊杰，等.学生生活中的数据可视化工具研究与设计[J].电脑知识与技术，2018（36）：216-217+229.
　　收稿日期：2020-03-09
　　作者简介：臧熙玮（1989—），男，江西景德镇人，本科，工程师，研究方向：综合管廊。
　　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
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