BIM+GIS的綜合管廊智能化管理平臺研究與實現

周文，李倩楠，潘良波，楊國敬

(1.正元地理信息有限責任公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究開發中心，北京 101300；3.北京市智慧管線安全評價及運營監管工程技術研究中心，北京 101300)

BIM+GIS的綜合管廊智能化管理平臺研究與實現

周文1，2，3*，李倩楠1，2，3，潘良波1，2，3，楊國敬1，2，3

(1.正元地理信息有限責任公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究開發中心，北京 101300；3.北京市智慧管線安全評價及運營監管工程技術研究中心，北京 101300)

基于設計并實現綜合管廊智能化管理平臺(包含BIM建模、監控預警、綜合業務以及應急指揮響應等專題應用系統)的目的，綜合運用BIM(建筑信息模型)、GIS、智能化控制與城市市政設施的運營管理服務等技術手段，結合連云港徐圩新區綜合管廊智能化管理平臺建設的實例，得出 BIM和GIS技術結合可為綜合管廊智能化建設存在的問題提供新的解決思路的結論，并對BIM和GIS技術在管廊智能化管理中的應用做了總結和展望。

BIM；GIS；綜合管廊；監控預警系統

1 引 言

隨著城市建設與城市規劃之間矛盾的日益激化，使得城市地下管線安全問題越來越突出。各地頻發的地下管線事故，如“市內看?！?、“管道泄露”、“井蓋吃人”等現象，不斷暴露著城市地下管線建設管理工作中的問題。結合國外發達城市地下管線治理經驗，綜合管廊已經成為未來城市基礎設施現代化建設的必然趨向[1，2]。

綜合管廊普遍位于城市核心區或管線設施高度集中的主干道，附屬工程系統龐大，施工難度較高，綜合管廊建設工程設計、施工、竣工成果不一致的問題日益突出。另外綜合管廊建設投資費用昂貴，建設完成之后，后期運營管理是重中之重，如何對已建成的綜合管廊實現精細、直觀、有效的運營，是必須要解決的問題。本文在深入研究BIM(建筑信息模型)和GIS的基礎上，實現BIM和GIS的結合，建設一套服務于綜合管廊規劃、設計、建設和后期運營管理的平臺。它將解決綜合管廊建設完工之前各階段成果不一致問題，同時提高管廊后期運營管理效率，提升運營管理水平。

2 BIM、GIS簡介

BIM是通過數字信息仿真模擬構筑物所具有的真實信息集成工程設計中各種相關數據的工程信息模型，它的出現被認為是建筑業的又一次“革命”[3，4]！隨著BIM技術優勢凸顯，綜合管廊與BIM技術的結合將是未來智慧管廊發展的主流方向。

將BIM技術應用于綜合管廊，能夠實現設計過程的三維協同規劃、施工建造全過程的一體化管控和運維流程的智能化維護[5]。BIM可將設計成果隨時進行管線碰撞檢測，及時發現問題并進行糾偏；BIM能同步提供管廊施工仿真模擬，超前模擬設計效果；BIM技術使整個建設周期具有可視性，通過對綜合管廊廊體進行任意角度剖分，方便建模人員提前制定施工管控措施；BIM還可以提供有關資源分配以及成本、進度、設備運維等信息，方便施工進程優化管理。

GIS(地理信息系統)是基于計算機的工具，三維GIS不僅能表達空間對象間的平面和垂向關系，還可以進行空間查詢、分析以及統計等操作[6]?；谌SGIS的綜合管廊智能化管理系統為管廊的全生命周期管理提供強有力的技術支撐。

3 系統總體設計

本文以連云港徐圩新區石化產業基地綜合管廊智能化管理平臺建設為例，提出系統構建的思路及總體框架。

3.1 設計思路

通過BIM管廊數據與GIS平臺結合，將BIM管廊數據導入到三維GIS平臺中，導入后的綜合管廊三維模型數據和其屬性數據通過唯一ID進行關聯，原有的相關屬性信息被完好保存，同時所有的管線三維模型和設備三維模型都和現實中管廊管線和設備模型一一對應關聯。

以徐圩新區鋪設的 3.8 km綜合管廊的BIM建模數據為基礎，將其導入三維GIS平臺；安裝各類傳感器進行實時監控，以三維立體模型為載體，實現管廊精細化三維模擬，與此同時構建監控預警、RFID標識系統以及應急指揮響應等專項系統。

3.2 系統架構

綜合管廊智能化管理平臺架構(如圖1所示)由物聯網傳感器系統、應用支撐平臺和專題應用系統(包括監控預警系統、綜合業務系統和應急指揮響應系統等)組成，三個層次上下連接、互為支撐。

應用支撐層建于數據層之上，為各種應用系統提供統一的管理和運行維護服務，起到承上啟下的作用。應用支撐層可支持不同物聯網傳感數據的接入，并能在此基礎上搭建不同的專題應用系統。

專題應用系統的建設主要是對綜合管廊的運行狀況進行監測數據采集、監控管理、日常巡查養護、隱患管理、預警分析與推送以及對預警事件進行日常處理和啟動應急預案綜合處置。

圖1系統架構

4 系統功能實現

系統采用目前最為流行的SOA架構進行設計。二維地圖采用ArcGIS平臺，三維地圖采用公司從底層自主研發的Genius World(正元天地)平臺，結合BIM技術實現對整個綜合管廊場景的三維仿真模擬；將開發架構分為三層，客戶端采用Extjs、XML、JSON等前端技術實現；應用層采用MVC框架、后臺服務采用C#語言實現；數據層中的數據訪問通過ODBC接口實現，數據存儲與管理采用Oracle數據庫。

4.1 BIM建模系統

利用管線探測、無人機以及激光點云、傾斜攝影等先進的陸、空、地三位一體的數據采集技術，實現管廊BIM建模，解決綜合管廊規劃現場數據獲取的問題；并可與GIS地理環境共享，實現管廊內各類管線的位置布局及傳導方位模擬，檢測管廊內供水管線、供電管線及通訊管線等對彼此的影響關系。

為解決場景中大量三維BIM對象顯示、查詢速度慢的難題，Genius World平臺采用LOD(多細節層次模型)技術，同時使用數據剪裁技術保障“三維場景范圍”性能，并通過空間索引和渲染索引雙重索引機制來降低性能消耗。

4.2 監控預警系統

運用先進的物聯網技術，通過感、傳、知、用四個層次，完成對綜合管廊狀態和屬性信息的感知和應用。通過在合適地點安裝多種類型的傳感器，包括管線狀態監測、環境監測(溫度、濕度、水位、氣體濃度等)、視頻監控、安防監測、巡檢機器人(或者人工巡查)、廣播系統、火災報警監控、通風系統、管廊結構沉降監測等，能夠實時獲取溫濕度、沉降、有害氣體等多種關鍵指標，并能夠根據設定進行報警通知，實現綜合管廊的統一監測、集中管控。實時數據信息通過設備傳感器存儲到服務器的實時數據庫，綜合管廊智能化管理平臺的B/S系統對實時數據進行統計、分析，以統計圖表的方式展示給用戶，另外還可以將各種傳感器的實時數據信息通過大屏進行展示，為用戶提供預警輔助決策，并能通過遠程控制和調用部分設備(通風、排水泵、電氣設備等)來應對緊急發生狀況以及不方便人工入場或人工入場危險的場所。監控預警系統界面如圖2所示。

圖2監控預警系統

(1)三維展示

綜合管廊樁基、承臺、管架、桁架、維修通道以及管道的三維模擬展示、屬性信息維護、橫斷面查詢、實時監測信息查看、預警信息通報。

(2)在線監控

包括視頻監控、管廊的地基沉降監測、紅外邊界監測、管道泄露監測、管道光纜振動監測、溫濕度傳感監測、氣體傳感監測、管道壓力監測等。

(3)預警分析

通過各種監測設備獲取的相關信息和運行數據，對事故預警事件進行分析處理，及時提供預警信息。

(4)預警推送

三維監控預警系統通過預警分析，推送預警信息給綜合業務系統和應急指揮響應系統，指導巡查養護和應急響應。

(5)歷史分析

歷史分析功能是通過時間、監測類型、監測點等多種條件的篩選，快速準確地對歷史預警信息進行匯總統計，并能以柱狀圖、扇形圖或表格形式直觀展示。

(6)基礎維護

以簡潔明晰的操作方式提供設施、監測設備的維護和監測項配置的管理。

4.3 綜合業務系統

綜合業務管理系統由綜合業務系統和多臺安裝巡檢App的智能巡檢終端組成。巡檢人員手持智能巡檢終端，通過移動通信遠程交換網，連接到監控中心。綜合業務系統的功能包括上下班考勤、值班管理、巡查養護、隱患處置、案件上報和設施維護等，有利于實現日常業務辦公流程化、自動化和移動化管理。

4.3.1 手機端

(1)我的任務

接收到的任務分為緊急任務和養護任務，巡檢人員根據崗位職責能夠接收到相應的任務。

(2)巡檢上報

巡查上報主要是針對巡查人員對管理區域內發生的各類管廊相關問題情況進行上報或用戶根據巡查過程中所發現的問題處理后對處理結果的上報。

(3)上下班考勤

巡檢人員每天需要在指定的有效考勤時間范圍內進行考勤打卡，系統會將考勤人員相關信息(人員，位置，時間)上傳至服務器端進行統計分析。

4.3.2 PC端

(1)軌跡回放

軌跡回放功能可以對巡查員的巡查軌跡進行回放，追蹤巡檢員任一時間段的運動軌跡，便于管理部門對巡查人員進行考勤。

(2)養護管理

管理部門在對管架、管道進行養護的過程中，可以利用養護管理模塊對現場的養護信息進行記錄，并將記錄信息向系統進行反饋，及時在系統中顯示相應的現場信息和養護工作進展。

(3)事故熱區

該功能可以通過對事故數據的統計分析，對事故的可能性地區做出預測，顏色比較深的區域即為事故高發區，可為決策分析提供依據。

4.4 應急指揮響應系統

應急指揮響應系統集成管廊周邊環境數據、實時監測信息、危險源數據、影像數據，通過數據挖掘分析，啟動應急指揮預案進行事故處置，實現人員、設備、資源合理調控，輔助應急指揮。系統包括隱患監測、事故確定、事故分析、事故處置和事故總結的全系列處理流程。徐圩新區公共管廊應急指揮響應系統界面如圖3所示。

圖3應急指揮響應系統

(1)應急指揮預案

管廊應急預案是應急指揮響應系統的制度保障，有利于提高綜合管廊突發事故綜合應對能力。預案管理分為預案列表、預案編制、和預案演練三個模塊[7]。

(2)事故管理

對管廊事故的詳細信息進行記錄整理。

(3)事故模擬

模擬事故的應急指揮決策演習。包括搜索力量調度和人員的疏散等模擬分析。

(4)輔助決策

對在線監測信息進行匯總以及初步分析，為災害或者事故的處理提供決策依據。

(5)統計分析

可以選擇多種周期或自定義報表方式對監測數據進行統計分析，統計可能造成的損失等各項指標數據，協助管理者了解管廊長期運轉情況，為決策分析提供更清晰直觀的數據支撐。

(6)災后評估

輔助制定災后善后處理、重建計劃等工作決策。

(7)專家案例庫

收集整理管廊歷史運行數據和已有的知識庫，形成專家庫和歷史案例庫兩大專題類信息。

4.5 機器人巡檢系統

軌道式機器人智能巡檢系統的巡檢設施是軌道式機器人，可完成對綜合管廊設備、環境的移動監測以及信息采集[8]。通過對設備進行統一管控，實現綜合管廊自動巡檢、遠程遙控巡檢、重點區域巡檢等功能，并能將監測和采集的各種信息通過無線傳輸的方式傳送到指揮中心監測平臺。

4.6 出入口控制與報警系統

出入口控制與報警系統的主要作用是對出入綜合管廊的人員進行身份核實，如果具備進入管廊的權限，可以放行，如果沒有授權，將不被允許進入，同時記錄事件發生的相關信息。如果有強行非法入侵事件發生，能夠及時與報警系統聯動，發出報警信號。

4.7 RFID標識系統

歸入綜合管廊的管線，需采用符合相關標準的標志、標識進行區別，標志、標識應設置在顯眼區域，明確標注管線規格、屬性、產權單位、聯系電話等信息，為管廊維護工作人員對管線和設備進行日常維護提供指示。

5 結 語

通過BIM和GIS在該試點中的實際應用，為二者在綜合管廊建設中的應用提供一定參考。建成的管廊智能化管理平臺有助于促進管廊綜合管理能力、養護能力、監控預警以及應急處置能力的綜合提升，實現綜合管廊全生命周期精細化和規范化管理以及智能化運維。

隨著軟硬件技術的飛速發展，BIM技術日趨成熟，由其帶來的行業價值也隨之激增。BIM和三維GIS優勢互補，兩者的結合已經成為綜合管廊建設發展的重要趨勢，可以為綜合管廊規劃建設階段和運維階段諸多問題的解決提供新的思路。

[1] 梁薦，郝志成. 淺議城市地下綜合管廊發展現狀及應對措施[J]. 城市建筑，2013(14)：286～287.

[2] 詹潔霖. 城市綜合管廊布局規劃案例研究[J]. 城市道橋與防洪，2013(10)：67～71.

[3] 張泳. 建筑信息模型(BIM)的概念框架[J]. 價值工程，2012，31(8)：33～34.

[4] 李江舵. 淺談BIM技術及應用[J]. 中小企業管理與科技旬刊，2014(2)：293～294.

[5] 曹旭明，張士彤. BIM技術在機電施工階段的應用[J]. 建筑技術，2013，44(10)：909～912.

[6] 譚澤瓊. 三維GIS空間數據模型發展現狀[J]. 企業技術開發：下，2011(10)：79～80.

[7] 成亮，馬彬墛，李秋雄等. 扁平化指揮信息系統預案管理系統及方法[P]. 中國，CN103886423A.2014-06-25.

[8] 曹濤，孫大慶，楊墨等. 變電站智能巡檢機器人散熱系統分析[J]. 機械設計與制造，2012(9)：161～163.

StudyandImplementationoftheCompositePipeGalleryIntelligentManagementPlatformBasedonBIM+GISTechnology

Zhou Wen1，2，3，Li Qiannan1，2，3，Pan Liangbo1，2，3，Yang Guojing1，2，3
(1.Zhengyuan Geographic Information Engineering Co.，Ltd，Beijing 101300，China；2.Zhengyuan Geographic Information Research and Development Center，Beijing 101300，China；3.Beijing Engineering Research Center of Smart Pipeline Assessment and Operating Regulation，Beijing 101300，China)

It aim at designing and implementing special application systems of the composite pipe gallery intelligent management platform，which contains the BIM modeling，the monitor-control and early-warning system，the integrated service system and the emergency response command system，by using technology of BIM (building information model)，GIS，intelligent control and urban municipal facilities operation management services，etc.，Combining Xu Wei new district as an instances to construct composite pipe gallery intelligent management platform，draws a conclusion that BIM combined with GIS technology can provide a new solution for intelligent comprehensive pipe gallery construction problems，and gives a summary and outlook on BIM and GIS technology in the application of the pipe gallery intelligent management.

BIM；GIS；pipe gallery；the monitor-control and early-warning system

1672-8262(2017)06-31-05

P208

A

2017—02—21

周文(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事地理信息軟件開發與管理。