基于BIM+GIS的城市地下綜合管廊運維管理平臺架構研究與應用

周果林，胡偉，熊劍

（湖南中建管廊運營有限公司）

1 引言

2015年4月，國家財政部、住房城鄉建設部公示了地下綜合管廊10個試點城市名單[1]，管廊建設在我國全面展開。以傳統方式鋪設地下管線容易造成“馬路拉鏈”和“空中蜘蛛網”現象，嚴重浪費財力物力，導致交通堵塞，留存安全隱患。綜合管廊將電力、通信、給水、排水，燃氣等管線統一規劃集中鋪設，提高了地下空間利用率，一旦在運營維護階段發生故障和災害事故，就會產生連鎖效應和衍生災害，直接威脅整個城市的公共安全，給人民的生活造成重大影響[2]。為進一步實現對城市綜合管廊及入廊管線全生命周期高效的運維管理，需要建立一套經濟、實用、科學、安全標準化的綜合管廊運維管理平 臺[3]。 將 BIM（Building Information Management） 技 術 和 GIS（Geographic Information System）技術基于模型管理的思想運用于管廊運維管理平臺中，對平臺運行架構和功能模塊架構進行了研究和設計，本設計集成管廊本體、附屬設施、入廊管線及管廊周邊地理環境模型信息和設備實施運行數據，實現從二維到三維、宏觀到微觀的立體化、可視化管理，為管廊運營和運維平臺開發提供理論依據和技術參考。

2 國內外綜合管廊運維管理現狀分析

綜合管廊起源于19世紀的歐洲，目前日本、俄羅斯、美國以及國內臺灣、北京、杭州、廣州等都建有綜合管廊并且投入運營數年。國內外關于綜合管廊的相關研究，大多集中于綜合管廊的可行性分析、規劃、設計以及建設，總體而言，綜合管廊運維管理相關的研究非常少[4]。根據2015年國家財政部、住房城鄉建設部等部門聯合出臺的政策，我國各大城市要合理大力發展地下管廊建設，城市不能光有“面子”工程，更要解決好“里子”問題。

國內外部分地下管廊雖已運營數年，但在管廊運維管理方面存在以下不足：

1）管廊運維管理方式落后

目前已建成運營的地下管廊大多借鑒傳統物業管理系統對綜合管廊進行運維管理，部分地區甚至依然采用傳統紙質文檔記錄日常運維管理。以上管理方式在應急指揮調度、后期資料查閱、巡檢結果反饋等諸多方面存在缺乏統籌、耗時耗工、反饋滯后等問題。

2）管廊運維管理各單位管理機制及聯動性不足

地下管廊運維管理需專業管廊運營公司、管線權屬單位及當地政府協同配合進行。已運營的地下管廊缺乏甚至沒有一個信息化、標準化的綜合管廊運維管理平臺，難以實現統一管理和政府實時監督。

3）保障管廊安全高效運行的輔助系統缺乏或功能性不足

綜合管廊屬地下密閉空間環境，附屬設施及入廊管線較多，需消防、氣體監測及溫濕度傳感器、通風、火災自動報警、防入侵、視頻監控、無線通信等多個子系統協同運作保障地下管廊高效安全運營。

4）管廊運營過程中產生的數據統計分析再利用不足

在管廊運維過程中隨著時間推移會產生大量數據，根據已有的運行數據可利用云計算技術進行大數據統計分析，有效預測將來運維過程中可能發生的事件。

現在國家大力發展管廊建設，未來幾年將會有大量管廊建成，專業的管廊運營公司利用信息化手段對管廊實施安全高效運維管理，是發揮地下管廊綜合效用的前提，所以建成一套經濟、實用、科學、安全的管廊運維管理平臺迫在眉睫。

3 BIM技術和GIS技術簡介及應用現狀

3.1 BIM技術簡介及應用現狀

BIM以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型的基礎，建立建筑模型，目的在于提高建筑工程管理水平、加強各方信息溝通、檢查前期設計不足與錯誤、優化工程設計，優化施工方案，建設、勘察設計、施工、監理、政府監督部門之間的信息共享平臺。

近些年來建筑行業在BIM 3D建筑信息模型基礎上，融入“時間進度信息”與“成本造價信息”，形成五維建筑信息模型，通過“5D”建筑信息模型，實現以“進度控制”、“投資控制”、“質量控制”、“合同管理”、“資源管理”為目標的數字化三控兩管項目總控系統。隨著BIM 技術的發展成熟，BIM 相關的研究、應用也從房屋建筑領域逐漸延伸至基礎設施領域[5]，如地鐵站運維管理、基礎設施災害管理、數據中心運維管理等。

3.2 GIS技術簡介及應用現狀

GIS系統是在計算機硬、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。

GIS技術的應用主要體現在兩方面，一是利用GIS系統來處理用戶的數據；二是在GIS的基礎上，利用它的開發函數庫，二次開發出用戶的專用的地理信息系統軟件應用程序，輔助決策者從地區或者城市的精度范圍進行危機反應和災害管理[6]。如，運用 GIS 建立的城市地下天然氣管道火災預警模型，能夠迅速確定受天然氣管道影響的危險區域，同時判定可能造成天然氣火災蔓延的區域[7]，這對預防和控制危險性火災、部署消防力量具有重大意義。此外，為提高對管理者的決策支持，有研究將城市地下管線網 GIS 系統與數據挖掘模型結合，實現了地下管線的數據集成、數據挖掘以及有用信息的高效獲取[8]。

3.3 BIM技術和GIS技術結合應用

BIM連接了建筑生命期不同階段的數據、過程和資源，從設計、施工到運維都是圍繞BIM的單體精細化模型來進行的，注重于微觀領域中建筑內部的設計與實現；而GIS則一直致力于宏觀地理環境的研究，同時具備處理和分析宏觀地理環境中地理數據的能力。對于BIM來說，三維GIS可基于周邊宏觀的地理信息，提供各種空間查詢及空間分析等三維GIS功能，為BIM提供決策支持；而對于三維GIS來說，BIM模型則是一個重要的數據來源。

雖然BIM 和 GIS 的集成運用能夠為綜合管廊運營的可視化、宏觀以及微觀管理功能的結合提供基礎。但目前為止，GIS 與 BIM 數據的集成還存在很大的問題，如集成后數據丟失、可視化效果不好、無法進行空間數據分析等。為了促進 BIM 和 GIS 技術的融合應用，將各類模型數據整合集成在一個平臺上，實現更加理想的運維管理效果，需進一步研究建立 GIS 與 BIM 之間模型精細度的映射算法、映射規則以及語義映射表等內容。

4 管廊運維管理平臺運行模式及架構

不管是傳統的施工項目、BT項目還是新型的PPP項目，地下綜合管廊建設期都需政府部門及相關管線單位參與，建成后專業的管廊運營公司接管運營，在運營公司前期進場及后期運營過程中，還可能需要管廊設計單位和施工單位協助解決運維過程中出現的各種疑難問題。為了給參與管廊建設、運營各單位提供一個全天候的便捷的交流和運維管理平臺，將各類數據及各個操作流程整合到BIM模型和GIS模型中，建立基于BIM+GIS并采用B/S（瀏覽器/服務器）運行模式的管廊運維管理平臺（見圖1）。

平臺的數據源包括基礎地理信息數據、管廊BIM模型、管線設備出事數據、業務臺賬數據和后期管廊運維數據等，原始數據經平臺工具加工為標準格式后，經由監控中心內網傳輸到應用層供平臺使用。由于各類數據量大，因此，平臺采用B/S運行模式時能否快速、流暢地加載和瀏覽模型是關鍵。除了需要進行模型瘦身和優化外，采用合適的BIM模型瀏覽工具也很重要。

基于BIM+GIS的管廊運維管理平臺主要包含監控系統和管理系統，為管廊運維公司、權屬單位和政府監管部門提供設施設備快速定位、維修計劃生成、專業數據分析和圖表報告生成服務功能，可分為物理支撐層、數據資源層、服務界面層、應用層以及用戶層5部分（見圖2）。

5 監控系統主界面功能區設計

目前已投入運營的部分管廊中，具有建立在傳統物業管理平臺基礎上地下管廊運維管理平臺，特點是功能不全、信息化程度不高及聯動性差等。本文以長沙管廊項目為立足點，從實際運維的角度出發，結合前期試運維經驗和不斷修正的管廊運維方案，設計了基于BIM+GIS技術運維管理平臺功能模塊及監控主界面模擬交互界面，監控主界面主要包括實時GIS地圖區、環境監測數據區、BIM漫游+視頻區報警提示區、報警提示區、子系統菜單區、交接提示區和值班監督區（見圖3）。

圖1 管廊運維管理平臺運行模式圖

圖2 管廊運維管理平臺運行架構圖

圖3 運維管理模擬平臺監控主界面交互圖

以上7個功能模塊（區）的功能簡介：

1）實時GIS地圖區

利用GIS地圖技術，可縱觀全局和快速瀏覽綜合管廊任意位置、任意艙室、任意設備的實時運行狀態，并實時顯示廊內人員的位置及BIM漫游路線。

2）環境監測數據區

實時顯示BIM漫游路線廊道內環境檢測傳感器上傳的監測數據。

3）BIM漫游+視頻區

提前設置好BIM漫游路線，系統根據設置自動漫游，并顯示漫游位置及相應艙室的視頻畫面。

4）報警提示區

當環境監測數據高于或低于安全閾值時，以及發生非法入侵時，系統會提示報警，點擊相應按鈕便會顯示詳情，并通過彈出的BIM模型界面，進行相應操作。

5）子系統菜單區

該區域包含廊內人員、監控界面、報警消息、管理系統、閾值設置、視頻設置6個子系統入口。

6）交接提示區

該區域顯示交接班時的未盡事宜或重要通知。

7）值班監督區

該區的“點我”按鈕（初始為灰色），以值班人員在系統上的最后一次操作開始計時，每隔3分鐘（可設置）變成綠色持續30秒，“點我”按鈕變成綠色期間值班人員未點擊則視為離崗。點擊記錄可作為值班人員考核依據。

6 管理系統功能模塊介紹

管廊運維管理平臺大體上分為監控系統和管理系統，監控系統主要側重于監控值班人員，管理系統側重于管理人員，平臺根據不同人員所持有賬號分配相應功能模塊進入權限。管理系統功能模塊主要包括出入廊管理、設備管理、巡檢管理、系統管理、應急流程，以及手機 APP（見圖 4）。

6.1 出入廊管理

管廊本體及附屬設施竣工后，各管線單位管線陸續入廊。出入廊管理模塊包含門禁卡辦理、外來參觀人員、權屬單位人員、運營公司人員和管線出入廊五個小模塊。從前期管線入廊進場施工，到中期管線入廊，再到后期管廊運營公司及管線權屬單位的巡檢維護維修，通過平臺進行在線申請審批、許可跟蹤；運營公司在巡檢維護維修中采集的數據、巡檢結果、出入管廊的人員操作和歷史行進路線等通過BIM模型和GIS模型聯動實時遠程監督、精確定位跟蹤和操作全程記錄等。

6.2 設備管理

圖4 管理系統功能模塊組成圖

設備管理模塊包含7個小模塊，分別是設備添加、設備養護、設備維修、檢測標定、設備替換記錄、備品備件和統計分析。設備初次進場投入運行開始，對設備的名稱、參數、型號、安裝位置等按照統一編號規則進行編號，并與BIM模型和GIS模型關聯。將 GIS模型放大后可清晰直觀看到不同艙室及內部設備的基礎數據和實時運行狀態，點擊GIS模型則會進入對應位置的BIM模型，可通過BIM模型和GIS模型對設備進行開關控制，并對設備的養護維修內容、結果、養護維修人、養護周期等數據全程跟蹤并自動生成電子臺賬，對設備進行全生命周期管理。

6.3 巡檢管理

巡檢管理模塊分為巡檢區域和巡檢記錄兩個子模塊。巡檢區域模塊總覽管廊總體分布及周邊環境情況，可結合巡檢任務量、巡檢路線連貫性等直接在GIS模型地圖上進行合理的劃分，以防因區域劃分和路線設定不合理帶來繞路巡檢、重復巡檢等人力物力浪費，并可同時設定巡檢日期、分配巡檢任務，巡檢區域劃分一步到位。巡檢區域劃分確定后，系統會自動記錄巡檢區域劃分的操作，形成一張對應的電子表單以便查閱，如區域劃分不當還可在表單中修改，該表單還可根據需要導出。巡檢記錄模塊主要記錄劃分的巡檢區域以及巡檢人、巡檢日期等信息。

6.4 系統管理

系統管理設置賬號管理、排班管理、運維日志、登錄記錄、報警信息匯總五個子模塊。賬號管理模塊主要針對PC端和移動端管理員及用戶的登錄賬號進行統一有效管理；排班管理模塊主要針對出差率較高、工作變動性大的現場管理人員以及工勤人員進行排班，排班流程在一張電子表單上操作完成，且隨時可以根據需要對已完成的排班進行編輯修改。運行日志模塊主要記錄風機、水泵、照明控制箱、井蓋的運行狀態、控制方式和報警狀態，以及溫濕度傳感器、液位傳感器、氣體監測傳感器的數據。登錄記錄模塊主要記錄何時、何人、何號登錄哪個系統，該記錄可供事故責任排查使用。報警信息匯總模塊對平臺發出的所有報警信息進行匯總，記錄內容包括報警日期、報警位置、報警分類、報警等級、報警對象、報警描述、操作反饋等，值班人員可通過BIM模型和GIS模型對報警事件進行處理。

6.5 應急管理

應急流程模塊包含信號復位、通訊錄、會商系統、應急演練、應急記錄5個子模塊，每個子模塊緊密聯動形成一個完整的應急流程。具體操作流程如下：

1)平臺會根據報警詳情通過后臺計算分析采取相應的操作，同時會發送應急通知給相關人員；

2)值班人員可對報警信號復位待確定其真實性后，派搶修人員趕往現場，還可通過進入BIM模型和GIS模型，對風機、水泵、聲光報警器等采取開關控制；

3)值班人員可通過查找通訊錄，推送重要信息給指定的領導小組、監控中心、分控中心、巡防人員、機修人員等；

4)負責人可以通過會商系統，結合管廊GIS模型地圖，對現場救援進行實時指揮；

5)為提高公司應對突發緊急事件的能力，可通過“應急演練”模塊給平臺加載模擬應急事件信號，進行突發事件應對演練。

應急記錄模塊主要記錄應急事件和應急演練的整個過程，包括時間、地點、內容、平臺操作、會商記錄等。

6.6 手機端

在我們日常生活中智能手機使用頻率非常高，隨著智能手機配置越來越高，手機功能不在局限于打電話和發短信，可以開發一款移動端APP來輔助完成管廊運維管理。本文設計的手機端集成了申請審批、我的任務、今日當班、通知公告、應急預案、統計分析、經驗分享、發起聊天、位置查看等功能模塊。當人員在管廊內部作業時，可通過手機連接廊內無線局域網，與廊內布設的RFID進行通信，實現巡檢任務接收、巡檢結果上報、人員實時定位、巡檢區域電子圍欄、無線即時通訊及門禁開啟等功能[9,10]。

7 結語

闡述了管廊建設的背景和意義，分析了國內外管廊運維管理的現狀，針對目前管廊運維管理方式落后、部門聯動性差、安全保障子系統缺乏和運維數據利用不充分等問題，以長沙管廊項目為立足點，結合前期試運維經驗，提出了基于BIM+GIS技術的城市地下綜合管廊運維管理平臺設計方案，設計了平臺功能模塊架構，搭建了模擬平臺交互界面。在理論上和設計思路上，模擬平臺采用了先進的信息化管理手段，將管廊運維中每個事件及每一步操作與BIM模型和GIS模型關聯，通過BIM模型和GIS模型對設備實施遠程控制，并對運維中產生的數據利用云計算技術進行大數據分析處理，對后續運維起到指引和預防作用，真正做到了信息化、標準化、精細化的全生命周期閉環式流程管理，為開發管廊運維管理平臺提供了技術支持和方案參考。

[1] 財政部經濟建設司,住房城鄉建設部城市建設司. 2015年地下綜合管廊試點城市名單公示［EB/OL］.

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[3] 施晨歡，王凱，李嘉軍，等.基于BIM的FM運維管理平臺研究—申都大廈運維管理平臺應用實踐[J].土木建筑工程信息技術，2014,6(6)：50-57.

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[6] Humber J, Cote E I, Glass M, et al. Fate and Transport Modeling: Quantifying Potential Impacts for Pipeline Integrity and Emergency Response Preparedness［A］/ / 2012 9th International Pipeline Conference[C]. American Society of Mechanical Engineers, 2012:339-343.

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[9] 顧亦然,戴曉罡.基于RFID的高校實時固定資產管理系統[J].計算機應用與軟件.2013(11).

[10] 朱靜,石砦,程智翔,袁少峰.基于RFID的智能門禁系統設[J].電子技術與軟件工程.2017.