城市地下綜合管廊統(tǒng)一管理業(yè)務(wù)集成平臺的設(shè)計

梅魯海

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣電子技術(shù)系，杭州 310053）

0 引 言

綜合管廊是將各種用途的市政管線匯集到一個專用的地下隧道空間，建設(shè)和安裝業(yè)務(wù)監(jiān)控和管理系統(tǒng)，力爭做到統(tǒng)一維護(hù)和實(shí)時管理。綜合管廊附屬設(shè)施中的應(yīng)用子系統(tǒng)繁多，管廊的安全運(yùn)行與監(jiān)控管理需要保證各個子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)一致，避免出現(xiàn)信息孤島。因此，要建立一個靈活并且能快速響應(yīng)的統(tǒng)一管理系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)既可包容現(xiàn)有的應(yīng)用，又能滿足未來新的應(yīng)用和業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)各個子系統(tǒng)信息的高度集成。這就要求管廊主體、附屬設(shè)施及高壓電纜、燃?xì)狻崃Α⒔o水、排水、通信等入廊管線與人之間實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通[1]。

一個城市地下綜合管廊統(tǒng)一管理平臺，可保證及時監(jiān)測管廊內(nèi)的消防、溫度、有毒氣體、氧氣含量等環(huán)境數(shù)據(jù)，并將信息傳遞至監(jiān)控中心，對管廊內(nèi)的機(jī)械風(fēng)機(jī)、排水泵、供電設(shè)備、消防設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測與監(jiān)控。為實(shí)現(xiàn)對綜合管廊的環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀況、人員安全和運(yùn)行維護(hù)的統(tǒng)一監(jiān)控和統(tǒng)一管理，本文運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、GIS+BIM、云計算等新技術(shù)，設(shè)計一種城市地下綜合管廊統(tǒng)一管理業(yè)務(wù)集成平臺，可滿足管廊管理各種子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)集成和數(shù)據(jù)融合。

1 綜合管廊統(tǒng)一管理業(yè)務(wù)集成平臺架構(gòu)與數(shù)據(jù)接口

綜合管廊統(tǒng)一管理業(yè)務(wù)集成平臺架構(gòu)（見圖1）設(shè)計總體上采用SOA的模型體系，按多層模式組織各種服務(wù)和應(yīng)用，其體系的特點(diǎn)是松散耦合、兼容性強(qiáng)，便于復(fù)用和系統(tǒng)擴(kuò)容與擴(kuò)展。為更方便地對各種服務(wù)進(jìn)行靈活配置，完成各種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)交換，平臺采用服務(wù)總線的形式，將封裝的WEB Service注冊到企業(yè)總線上，這樣就實(shí)現(xiàn)了所有業(yè)務(wù)流程的統(tǒng)一管理和各個子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)集成。利用系統(tǒng)的用戶管理權(quán)限平臺，可完成各個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的統(tǒng)一登錄和安全認(rèn)證。

圖1 綜合管廊統(tǒng)一管理業(yè)務(wù)集成平臺架構(gòu)

綜合管廊統(tǒng)一管理業(yè)務(wù)集成平臺主要有六大集成功能。一是用戶界面集成。用戶界面集成可使用戶不需要反復(fù)在多個應(yīng)用系統(tǒng)之間進(jìn)行界面切換，提高操作的便捷性。二是業(yè)務(wù)流程集成。通過SOA架構(gòu)，將各個系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程集成于同一平臺，可方便地進(jìn)行信息流程擴(kuò)展和重組，提高系統(tǒng)的靈活性，降低系統(tǒng)的使用及維護(hù)成本。三是應(yīng)用集成。通過SOA架構(gòu)將各應(yīng)用子系統(tǒng)功能進(jìn)行封裝，通過同一標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)交換和面向服務(wù)的系統(tǒng)調(diào)用等實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的集成，提高多應(yīng)用子系統(tǒng)之間的信息共享及信息交互能力。四是數(shù)據(jù)集成。通過SOA架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)注和數(shù)據(jù)交換的集成，進(jìn)行基礎(chǔ)代碼、元數(shù)據(jù)、公共數(shù)據(jù)對象等的標(biāo)準(zhǔn)化定義，完成數(shù)據(jù)共享交換平臺對各類應(yīng)用子系統(tǒng)的統(tǒng)一支撐。五是管理集成。通過對系統(tǒng)設(shè)備、系統(tǒng)軟件等的統(tǒng)一配置、統(tǒng)一維護(hù)和更新，完成對各個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)的集成管理。六是安全認(rèn)證集成。為各個子系統(tǒng)的用戶安全登錄和管理建立統(tǒng)一的用戶權(quán)限管理機(jī)制，實(shí)行統(tǒng)一授權(quán)管理、規(guī)范身份認(rèn)證、保障用戶安全[2]。

一般的綜合管廊監(jiān)測與監(jiān)控系統(tǒng)，各種廠商設(shè)備采用的接口協(xié)議不盡相同。如果不對接口協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一，會造成接口協(xié)議數(shù)量眾多，平臺數(shù)據(jù)對接非常困難。因此，平臺要開發(fā)相應(yīng)的組態(tài)軟件來兼容各種數(shù)據(jù)格式，還要完成不同數(shù)據(jù)格式之間的相互轉(zhuǎn)化，這樣就會造成平臺的兼容性及處理效率降低。平臺采用標(biāo)準(zhǔn)化的開放接口和兼容協(xié)議，與各個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無縫連接，包括多種通信接口的傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換等。其中多源數(shù)據(jù)的接入有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一是通過設(shè)置防火墻和軟件接口等設(shè)備，利用原系統(tǒng)的Modbus和OPC等協(xié)議接口的輸入輸出功能，實(shí)現(xiàn)與原管廊設(shè)備安全防范系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等的信息接口對接[3]。二是為獲取管廊本體及附屬設(shè)施的液位、壓力、溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)，可通過設(shè)置串口服務(wù)器的方式，與DCS和PLC提供的RS232/485接口進(jìn)行對接，由融合控制主機(jī)統(tǒng)一接收串口服務(wù)器送來的監(jiān)測與監(jiān)控數(shù)據(jù)，控制主機(jī)再匯總，傳給平臺，也可通過數(shù)據(jù)庫接入的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。綜合管廊環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口對接特性見表1。

2 綜合管廊業(yè)務(wù)基礎(chǔ)平臺和在線巡檢管理系統(tǒng)

為保證平臺的高效運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理的迅速準(zhǔn)確，同時緊密結(jié)合各個業(yè)務(wù)管理子系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用，如巡檢指揮、安全運(yùn)行、日常維護(hù)、應(yīng)急處理等，平臺在數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)設(shè)計上主要通過實(shí)時數(shù)據(jù)顯示和視頻展示的方式，提供和呈現(xiàn)管廊內(nèi)各個管線位置的設(shè)備運(yùn)行狀況參數(shù)和環(huán)境狀況參數(shù)。

表1 綜合管廊環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口對接特性

2.1 業(yè)務(wù)基礎(chǔ)平臺

業(yè)務(wù)基礎(chǔ)平臺包括多個軟件應(yīng)用子系統(tǒng)，如果每個子系統(tǒng)都是獨(dú)立的設(shè)計和架構(gòu)，則系統(tǒng)的整體性和兼容性必然存在問題。從專項應(yīng)用角度而言，雖然各個應(yīng)用子系統(tǒng)是相對獨(dú)立的，但從整體角度而言，還是屬于同一個管理中心平臺，所以必須在基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)設(shè)計和架構(gòu)上進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)計，開發(fā)公用的業(yè)務(wù)基礎(chǔ)平臺，在業(yè)務(wù)基礎(chǔ)平臺上再搭建和開發(fā)相應(yīng)的專項應(yīng)用系統(tǒng)，從而保證整個平臺的統(tǒng)一性和完整性[4]。為向各個業(yè)務(wù)應(yīng)用提供基本的框架支撐，業(yè)務(wù)基礎(chǔ)平臺提供組件化的開發(fā)部署模型，運(yùn)用軟件構(gòu)件的復(fù)用技術(shù)。業(yè)務(wù)基礎(chǔ)平臺可提供工作流引擎、數(shù)據(jù)的建模、報表引擎、數(shù)據(jù)編碼元、權(quán)限管理、配置管理及性能管理等，同時兼顧系統(tǒng)的靈活性、實(shí)用性、先進(jìn)性和可升級性，減少系統(tǒng)開發(fā)成本。

2.2 在線巡檢管理系統(tǒng)

為解決傳統(tǒng)管廊巡檢系統(tǒng)功能單一、實(shí)時性差、通信聯(lián)絡(luò)不便、業(yè)務(wù)流程分散的問題，本設(shè)計定制開發(fā)了在線巡檢管理系統(tǒng)及對應(yīng)的App。在線巡檢管理系統(tǒng)是利用軟交換、WiFi無線通信技術(shù)、NFC技術(shù)、在線流程管理技術(shù)開發(fā)的專門用于綜合管廊管理的多媒體巡查巡更管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由無線語音通信、可視化閉環(huán)巡檢管理、人員實(shí)時定位三大功能模塊組成，將巡更、維檢、人員管理、績效考核融為一體，提高管廊運(yùn)維管理效率，降低運(yùn)維成本，提升安全保障[5]。

綜合管廊在線巡檢管理系統(tǒng)基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，主要由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)分析服務(wù)器、業(yè)務(wù)操作臺（人員定位、無線通信、可視化巡更）、AC控制器、無線AP、智能手機(jī)、標(biāo)識卡等設(shè)備組成，如圖2所示。

圖2 綜合管廊在線巡檢管理系統(tǒng)

由圖2可知，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)各種異構(gòu)數(shù)據(jù)和信息的匯聚和集中存儲，為各種業(yè)務(wù)及大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)源；數(shù)據(jù)分析服務(wù)器可對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，根據(jù)邏輯關(guān)系樹挖掘數(shù)據(jù)深層次信息，分析其內(nèi)在關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)測預(yù)警，為災(zāi)害超前控制提供判決手段；業(yè)務(wù)工作站可提供子系統(tǒng)人機(jī)界面，通過人工或自動方式實(shí)現(xiàn)各類子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)操作和流程傳遞；AC控制器可實(shí)現(xiàn)對無線AP的集中控制和統(tǒng)一管理，如下發(fā)配置、修改相關(guān)配置參數(shù)、射頻智能管理、接入安全控制等，并上傳手機(jī)在AP上的聯(lián)系信息，實(shí)現(xiàn)手機(jī)定位[6]；無線AP可實(shí)現(xiàn)WiFi無線信號覆蓋，為智能手機(jī)提供通話、數(shù)據(jù)傳輸所需的無線傳輸通道；智能手機(jī)配備給管廊巡查管理人員，可實(shí)現(xiàn)語音通話、位置定位、巡更打卡等各類終端功能，可配合不同的App軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)用擴(kuò)展；標(biāo)識卡具有全球唯一ID碼，用于標(biāo)注地點(diǎn)、設(shè)備，通過專用智能手機(jī)可讀取卡內(nèi)信息，并支持雙向讀寫，標(biāo)識卡采用無源設(shè)計，具有壽命長、免維護(hù)的特點(diǎn)。

3 綜合管廊統(tǒng)一管理業(yè)務(wù)集成平臺的BIM和GIS可視化設(shè)計

GIS技術(shù)是一種為地理研究、地理決策和信息服務(wù)提供的計算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，又稱地理信息系統(tǒng)。它采用地理模型的研究方法，以地理空間為依托，可實(shí)時提供多種空間和不同動態(tài)的地理信息。BIM技術(shù)應(yīng)用于一些微觀領(lǐng)域中的建筑設(shè)計，連接建筑主體不同建設(shè)階段的過程數(shù)據(jù)和有效資源。BIM核心模塊是單體精細(xì)化模型，包括最后竣工階段和竣工后日常的運(yùn)維管理過程，管理和監(jiān)督的信息具有完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性、可視化、協(xié)調(diào)性和可模擬等特點(diǎn)。BIM模型對于三維GIS地理信息而言是一個重要的數(shù)據(jù)資源，可實(shí)現(xiàn)對建筑構(gòu)件的精細(xì)化管理，使地理信息從宏觀轉(zhuǎn)向微觀。GIS地理信息側(cè)重于宏觀的地理環(huán)境信息的分析，具有靈活處理各種復(fù)雜地理數(shù)據(jù)的能力，從而可完成室內(nèi)與室外一體化的管理。三維GIS地理信息系統(tǒng)可為BIM提供決策支持，并可根據(jù)周邊的宏觀地理信息，提供各種空間的分析、空間的查詢等三維GIS功能。BIM與GIS相結(jié)合，能更有效地提升運(yùn)維管理平臺的智能性[7]。

平臺設(shè)置單獨(dú)的GIS+BIM模塊，依據(jù)CAD圖紙、勘察資料及設(shè)計圖紙建模，將模型及相關(guān)信息導(dǎo)入GIS+BIM模塊，聯(lián)動運(yùn)維管理平臺應(yīng)用。BIM技術(shù)主要為平臺提供綜合管廊完整的工程施工信息和3D幾何信息，包括管廊主體、投料口、通風(fēng)口、出線口等特殊節(jié)點(diǎn)，以及機(jī)電設(shè)備和控制設(shè)備等，管廊內(nèi)設(shè)備與附屬設(shè)施之間的拓?fù)潢P(guān)系還包括監(jiān)控設(shè)備提供的管廊內(nèi)環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行信息等。GIS技術(shù)可使平臺更宏觀地呈現(xiàn)管廊的結(jié)構(gòu)、形狀、走向、長度和類型等，能賦予綜合管廊所有結(jié)構(gòu)和設(shè)備準(zhǔn)確的地理信息屬性。GIS技術(shù)還能更全面地展示管廊沿線周邊的交通、地質(zhì)、公共資源儲備情況，為管廊安全管理和應(yīng)急救援工作提供輔助決策。平臺將BIM呈現(xiàn)的管廊屬性賦予GIS，在三維可視化環(huán)境中提供一種身臨其境的現(xiàn)場感，增強(qiáng)管廊業(yè)務(wù)人員對管廊地理空間的認(rèn)知能力。平臺將GIS的準(zhǔn)確地理信息賦予BIM技術(shù)，可為模型提供真實(shí)的地理位置信息屬性，保證平臺空間數(shù)據(jù)、空間信息服務(wù)的準(zhǔn)確性。

在GIS與BIM結(jié)合的模型中，平臺可同步顯示氧氣、溫濕度、可燃?xì)怏w等環(huán)境狀態(tài)信息和排風(fēng)機(jī)、照明、排水泵等設(shè)備的狀態(tài)信息，還可同步顯示廣播、電話等通訊設(shè)備的狀態(tài)信息、滅火器等消防設(shè)備的信息，以監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)和所有設(shè)備的位置信息等。此外，平臺對于人員的跟蹤定位主要通過GIS與BIM結(jié)合的模型與攝像頭跟蹤完成三維顯示，巡檢人員攜帶通訊設(shè)備進(jìn)入管廊后，通過無線定位系統(tǒng)，平臺會自動監(jiān)測到人員的位置并對其跟蹤，發(fā)生告警時，平臺會聯(lián)動調(diào)取周圍的監(jiān)控[8]。

在日常巡檢流程中，在GIS與BIM結(jié)合的模型中可直觀地看到不同管廊、不同分區(qū)、不同設(shè)備的具體位置及其狀態(tài)信息，通過無線定位技術(shù)設(shè)定巡檢軌跡和監(jiān)控巡檢人員軌跡。在應(yīng)急指揮過程中，還可對GIS進(jìn)行圖層化的管理，查看應(yīng)急物資、應(yīng)急設(shè)施、設(shè)備等的位置，協(xié)助制定相應(yīng)的應(yīng)急逃生路線。同時可通過與廣播、電話和攝像頭等設(shè)備的聯(lián)動，指揮人員快速撤離。

4 應(yīng)用實(shí)例

十堰市地下綜合管廊項目入廊管線共有9類，包括給水、中水、雨水、污水、電力、廣播電視、通信、熱力和燃?xì)獾龋⒔ㄔO(shè)安裝了供電、消防、排水、照明、通風(fēng)和監(jiān)控等附屬設(shè)備，監(jiān)控中心有4個。綜合管廊統(tǒng)一管理業(yè)務(wù)集成平臺目前已在十堰市鄖陽區(qū)的綜合管廊內(nèi)投入運(yùn)行[1]，真正面向項目業(yè)務(wù)管理的實(shí)際應(yīng)用，其功能包括運(yùn)行監(jiān)測、應(yīng)急安全管理、日常巡檢和維護(hù)管理等，其運(yùn)行監(jiān)測界面如圖3所示。該平臺利用煙感報警器、溫濕度探測儀、氣體傳感器、位置探測器等先進(jìn)儀器，通過火災(zāi)報警、視頻監(jiān)控、電子巡檢、門禁控制、地理位置和人員識別等智能化系統(tǒng)，對采集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合和處理，集成各種業(yè)務(wù)流程，及時做出科學(xué)合理的決策方案。

圖3 十堰市綜合管廊智能化管理系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測界面

5 結(jié) 語

綜合管廊統(tǒng)一管理業(yè)務(wù)集成平臺集成了環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)和氣體報警系統(tǒng)等子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)的業(yè)務(wù)集成可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、聯(lián)動控制及數(shù)據(jù)共享。平臺可采集各個子系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境狀態(tài)參數(shù)、報警參數(shù)、人員信息、維護(hù)數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)挖掘，為管理者提供決策和執(zhí)行依據(jù)，如對溫濕度傳感器、光纖感溫探測器采集的長期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可預(yù)測不同季節(jié)、不同月份和不同工況的環(huán)境變化等。