基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM的城市生命線運維管理研究

陳興海，丁烈云

(1.上海師范大學建筑工程學院，上海201418；2.華中科技大學土木工程與力學學院，武漢430074）

1 我國城市生命線工程運維管理現(xiàn)狀

隨著城市建設的迅速發(fā)展，作為城市基礎設施的主要組成部分，供水、供氣、電力、通信、交通等城市生命線工程在城市規(guī)劃、建設和管理中發(fā)揮著重要作用，并由過去單一、簡單的形式發(fā)展成為目前多類別、多權屬、布局復雜的綜合系統(tǒng)，相互構成網(wǎng)絡且在城市空間上覆蓋一個很大的區(qū)域。這些工程一旦在運維階段發(fā)生故障和災害事故，就會產(chǎn)生連鎖效應和衍生災害，直接威脅整個城市的公共安全，給人民生活帶來重大影響。根據(jù)《2009―2013年中國地下管線事故統(tǒng)計報告》統(tǒng)計，最近5年我國發(fā)生影響較大的典型事故總計75例，導致直接死傷的事故案例共27起，死亡人數(shù)達117人，如圖1所示。其中最嚴重的當屬2013年“11·22”中石化東黃石油管道泄漏爆炸事故，造成62人死亡、136人受傷，直接經(jīng)濟損失75 172萬元。此外還有2012年發(fā)生在北京的“7.21”特大暴雨，造成79人死亡，經(jīng)濟損失達116.4億元，以及2012年由于貨車超載導致的“8.24”哈爾濱陽明灘大橋坍塌事故等。導致城市生命線工程在運維階段發(fā)生安全事故的原因是多方面的，如地下管線自身的老舊、腐蝕等，但其并非管線事故主因。據(jù)統(tǒng)計，因管線自身問題引發(fā)的事故占比僅約10%，近七成事故是由第三方施工、自然原因、外力蓄意破壞等外部因素所導致的，如圖2所示。

圖1 發(fā)生事故管線類型分析圖Fig.1 The analysis of pipeline accident type

圖2 事故原因分析圖Fig.2 The analysis of pipeline accident cause

為了保障城市生命線工程安全運行，我國部分城市相關部門采取了一定的監(jiān)控措施。以上海市為例，為了有效減少爆管或是漏水情況，上海浦東威立雅自來水公司在所轄部分區(qū)域水管內(nèi)安裝了流量儀；為了確保用電安全，上海電力建立了遠程監(jiān)控預警系統(tǒng)；為確保生命線工程的安全，上海市由國土資源管理部門和軌道交通企業(yè)合作建設了全球首個地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡——上海市軌道交通沉降基準網(wǎng)。由于現(xiàn)有煤氣、自來水地下管道、供電和通信線路等部分設施老化，加上違章施工和使用不當及偷盜、人為破壞等問題，造成煤氣泄漏燃爆和大口徑水管爆裂、通信供電線路中斷等事故時有發(fā)生，城市生命線工程安全運維管理還存在一些薄弱環(huán)節(jié)，城市公共安全風險和隱患日益增多，原因主要有：a.城市生命線工程相關的管理部門眾多，運行監(jiān)測信息獲取、公共安全風險和隱患監(jiān)測等無法在一個平臺上統(tǒng)一管理；b.各部門獨立的管理平臺系統(tǒng)往往互不相通、自成體系，形成信息孤島，導致信息和資源無法共享；c.突發(fā)事件應急指揮技術支撐系統(tǒng)的智能分析和輔助決策水平亟需進一步提高。因此，作為智慧城市以及城市公共安全的重要組成部分，城市生命線工程的安全保障要依靠預防加控制，必須采取有效的監(jiān)控和預警。

2 物聯(lián)網(wǎng)和BIM技術在城市生命線運維管理中的適用性

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，城市生命線工程的研究主要集中在地震震害分析[1，2]、風險評估[3]、應急管理[4]等方面。1991年美國麻省理工的Kevin教授首次提出物聯(lián)網(wǎng)（internet of things）的概念，是指將利用radio frequency identification(RFID）等傳感技術隨時隨地獲取物體的信息，然后通過各種網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將信息實時準確地傳遞出去，最后利用云計算、模糊識別等智能計算技術，對海量數(shù)據(jù)信息進行分析和處理，從而對物體實施智能化控制。近年來國內(nèi)外陸續(xù)開展了物聯(lián)網(wǎng)在供熱、供氣和供水[5～7]等方面的應用研究，并在此基礎上將物聯(lián)網(wǎng)與GIS相結合，提出基于物聯(lián)網(wǎng)和GIS的基礎設施管理系統(tǒng)[8，9]。目前關于城市生命線工程方面的研究主要存在以下問題：a.將物聯(lián)網(wǎng)技術單獨應用在某一類生命線工程中，尚無法建立統(tǒng)一的運維應急管理框架以及各部門間的協(xié)同響應機制；b.物聯(lián)網(wǎng)與三維GIS的融合從一定程度上解決了運維階段發(fā)生事故時管道線路的定位問題，在利用三維動態(tài)模擬不同管線之間以及管線與建筑物之間的具體關系和影響問題時，必須將設計施工等信息錄入模型，需大量的手動輸入，造成數(shù)據(jù)信息丟失嚴重[10]。

建筑信息模型（building information modeling，BIM）的出現(xiàn)不僅可整合城市生命線工程的圖形化及非圖形化資料，提供虛擬實境模型，并納入流程的觀念，降低規(guī)劃、設計、施工、運維各階段轉移工程資料的信息遺漏問題[11]。國際標準組織于2006年提出了CGB(CAD-GIS-BIM）架構，并制定相關技術標準以達到整合宏觀與微觀空間信息，并進行交換與交互操作，提供城市數(shù)字化、救災等相關應用。事實上，BIM是三維GIS發(fā)展的新趨勢，是一種應用于工程設計、建造、運行和維護管理的數(shù)據(jù)化工具，通過參數(shù)模型整合各種項目所具有的真實信息，并在項目全生命周期過程中為各方主體提供信息協(xié)同、共享和傳遞，具有可視性、可模擬性等特點[12～14]。BIM是物聯(lián)網(wǎng)應用的基礎數(shù)據(jù)模型，而物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的有效延伸，包含并兼容了互聯(lián)網(wǎng)所有的應用和資源。城市生命線工程運維安全管理以其多領域、多主體、多目標等特征，成為物聯(lián)網(wǎng)和BIM延伸和應用的最佳平臺，是實現(xiàn)智慧城市的重要發(fā)展方向，如圖3所示。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM的城市生命線運維管控平臺設計

3.1 設計目標

本系統(tǒng)采用以公共安全科技為核心，以物聯(lián)網(wǎng)、BIM技術為支撐，以建設規(guī)劃管理、日常運行管理和應急管理流程為主線，軟硬件相結合，通過對城市生命線工程的實時動態(tài)監(jiān)控，旨在為突發(fā)事件應急管理等提供科學決策的技術平臺。生命線工程的各個子系統(tǒng)共用基于BIM的生命線工程動態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)統(tǒng)一化管理，最終為城市應急管理提供科學決策基礎和依據(jù)，技術路線如圖4所示。

圖3 城市生命線工程安全監(jiān)測預警與應急系統(tǒng)作用Fig.3 The function of safety monitoring and warning and emergency response system with urban lifelineen gineering

3.2 技術架構

本系統(tǒng)按照城市生命線工程建設與運行信息的采集、傳輸、分析和應用（簡稱“感、傳、知、用”）四個環(huán)節(jié)展開，以標準規(guī)范與運行管理、信息安全為保障，分為感知、網(wǎng)絡和應用三個層面，確保各單位相關數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和資源共享，如圖5所示。其中，感知層主要利用射頻識別等感知設備，即把傳感器分別安裝到生命線工程及相鄰建筑物的關鍵部位，實時獲取位置距離、力學性能、運行參數(shù)等感知信息；網(wǎng)絡層主要通過各類相關網(wǎng)絡，特別是有線寬帶和無線寬帶專網(wǎng)的建設和應用，對感知信息進行安全可靠傳輸；應用層主要是運用云計算、云存儲等技術，對獲取的物聯(lián)網(wǎng)信息進行共享整合、智能分析和處理控制，通過有效的運行管理模式，服務城市統(tǒng)一應急管理科學決策。

圖4 總體方案實現(xiàn)技術路線圖Fig.4 The technical routeofoverall scheme

圖5 城市生命線工程安全運維管控平臺物聯(lián)網(wǎng)應用框架Fig.5 The application framework with the internet of things in the safety operation management platform of urban lifeline engineering

3.3 系統(tǒng)主要功能模塊

根據(jù)生命線工程監(jiān)測預警與應急管理系統(tǒng)的特征和目標，并結合供水、供氣管道，電力、通訊線路，橋梁結構監(jiān)測等類型分析，城市生命線工程安全運維管控平臺系統(tǒng)應包括工程信息共享平臺、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、三維模擬與漫游、健康診斷與安全評估和應急預警管理五大功能模塊。

1）工程信息共享平臺：通過制訂相關標準，在設計施工階段形成BIM的基礎上，開展城市生命線工程相關各單位物聯(lián)網(wǎng)感知設備和管理對象的編碼服務，收錄生命線工程的基本信息，包括工程名稱、地理位置、項目規(guī)模、建造日期、主要設備材料信息、參建單位相關資料，以及動態(tài)監(jiān)測測點布置、傳感器類型、參數(shù)設定等內(nèi)容。這些信息數(shù)據(jù)都將通過云計算網(wǎng)絡服務器存儲并共享，用戶可以通過瀏覽器獲取相關信息。

2）監(jiān)測數(shù)據(jù)管理：系統(tǒng)能夠通過傳感器實時采集工程結構健康安全數(shù)據(jù)信息，利用網(wǎng)絡將獲取的信息傳輸?shù)紹IM數(shù)據(jù)庫中進行位置定位，然后存儲在云計算網(wǎng)絡服務器中，用戶可以實時共享查詢所需信息。

3）三維模擬與漫游：系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的選擇范圍生成三維瀏覽圖，從不同角度觀察生命線工程的空間位置、相互關系等信息，通過改變參數(shù)來模擬生命線工程綜合網(wǎng)絡的變化情況。

4）健康診斷與安全評估：針對不同生命線工程的特點，當監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)有異常情況時，通過預先設置的閥值來判斷生命線工程的安全運行狀況，超過設置的安全設計值將會觸發(fā)調(diào)用服務器中的歷史數(shù)據(jù)進行健康診斷與安全評估，并整合各單位工程的相關業(yè)務信息，實現(xiàn)智能分析研判，同時將分析結果存入數(shù)據(jù)庫中。

5）應急預警管理：根據(jù)健康診斷與安全評估系統(tǒng)模塊的研判，應急預警管理系統(tǒng)具有制定生命線工程的維護管理方案、啟動城市聯(lián)動防災應急預案，以及提供城市防災指揮數(shù)據(jù)支持等功能。

基于物聯(lián)網(wǎng)和BIM的城市生命線工程安全運維管控平臺通過上述五大系統(tǒng)功能模塊，全面對工程結構和管線安全運維狀況開展在線動態(tài)實時監(jiān)測，系統(tǒng)維護人員和各相關部門可以通過平臺提供的客戶端查詢各個系統(tǒng)功能模塊的工作狀態(tài)和監(jiān)測對象的實時共享信息，協(xié)同對工程出現(xiàn)的異常狀態(tài)做出及時科學決策。

4 結語

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展以及城市化進程的不斷推進，城市公共安全風險和隱患逐步增多，作為智慧城市的重要組成部分，基于物聯(lián)網(wǎng)的城市生命線工程運維管理平臺在城市管理中的地位也日益凸顯，它能發(fā)揮不斷提高城市安全運行和應急管理能力，推動物聯(lián)網(wǎng)基礎設施建設，帶動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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