基于BIM+GIS+IoT的智慧管廊綜合監管平臺研究

楊振宇

（中冶賽迪重慶信息技術有限公司，重慶 401122）

1 概述

隨著我國經濟的快速發展，大多數城市規劃建設越來越密集，眾多城市存在“城市病”，該問題在城市的市政設施建設中尤其突出。如地上電網、電桿等密布形成的“天空蜘蛛網”現象[1-2]。地下管線因更新、故障、事故等原因，需要反復開挖路面導致的“馬路拉鏈”現象等。這些現象不僅影響城市建設用地的正常使用和市容市貌，還造成了高昂的施工成本與巨大安全隱患[3]。管廊以集約化設計為理念，對電力、通信、給排水、燃氣、暖氣等管線進行統一化管理，實現智慧管廊綜合監管平臺的建設，對于適應當前信息化發展需要、提升管廊管理效益等具有重要意義。

近年來，國內相關研究者將BIM、GIS、IoT、大數據等技術與智慧管廊綜合監控平臺相結合進行研究。朱雪明[4]主要針對上海世博園區管廊，描述了綜合監控平臺及其子系統的組成，但沒有對管廊監控數據進行分析。

李芊等[5]利用BIM技術構建了智慧管廊的運維管理系統，強調了BIM三維模型可視化在智慧管廊應用的優勢，能夠智能監控廊內設備，但沒有利用大數據技術將現有數據與數據庫已有對比后進行預警分析，沒有實現預警、協助領導決策的效果。

綜上所述，國內有較多將目前先進的信息化、數字化、智能化技術運用到綜合管廊的研究，但仍不夠完善。本文將BIM、GIS、物聯網等技術運用到管廊綜合監控平臺中，實現技術的集成，有利于提高智慧管廊管理效益，促進全面感知和智慧管理具有重要價值[6]。

2 需求目的

為響應國家以及天津市地下管廊建設的號召，實施管廊綜合監控平臺，加速管廊運營改革創新，引領管廊管理數字化轉型，助力城市品質提升，創造高品質生活。該系統以物聯網、云計算、大數據、移動互聯等技術為基礎，綜合運用感知、GIS、BIM等手段，以管廊安全運行為目標，建立科學合理的管廊智能化體系，形成以管廊綜合監控、運營、數據應用以及應急指揮等功能為一體的管廊綜合監控平臺。

（1）通過對機電設備、環境、視頻、安防設備等物聯網設備的數據整合，實現對天津市管廊的統一監控和應急指揮，提升天津管廊的安全管理效率。

（2）以管廊安全運行為核心，將物聯網、GIS、BIM等技術進行整合，實現管廊全生命周期精細化和規范化管理以及智能化運維。

（3）整合管廊設備以及業務相關數據，形成面向權屬單位、城市管理平臺、市政部門到政府相應管理部門的統一數據通道，實現天津市管廊數據交換和共享。

（4）以大數據分析技術為基礎，結合管廊實時數據，通過對數據進行多層次、多維度、多形式的查詢、分析和可視化，加強管廊信息化管理、提高工作效率、輔助領導決策。

3 技術架構

總體技術架構如圖1所示。

圖1 總體技術架構

綜合監控平臺整體技術系統架構分為前端、業務應用、應用支撐和物聯感知。環控、消防、通信等系統的數據通過數據采集軟件將數據提供給上層業務系統進行展示和應用。平臺采用前后端分離的架構，前端通過統一網關進行業務服務的請求，后端業務服務基于微服務的架構進行業務功能的支撐和服務治理。

（1）前端。

前端實現平臺業務的展示和操作，業務邏輯實現在業務應用層通過服務的形式和客戶端進行連接，根據業務需求進行不同組合，最終實現終端展示。

（2）業務應用。

業務服務層為前端提供業務服務接口，主要包括綜合監控、運維系統、應急管理、數據分析、App應用及大屏可視化。平臺基于springBoot實現微服務管理，使用redis緩存能夠有效緩解數據庫壓力，提高性能。

（3）應用支撐。

應用支撐主要對平臺公共的權限、日志、緩存、GIS等基礎公共功能提供相應支撐，提供數據采集的能力，將物聯感知的數據提供給上層應用進行展示和應用。

（4）物聯感知。

通過OPC、MODBUS及HTTP等通信方式，實現物聯感知設備的數據采集及控制。

4 建設內容

綜合監控平臺總體架構如圖2所示。

圖2 綜合監控平臺總體架構

秉承管廊綜合監控平臺的需求目的，智慧管廊綜合監控平臺主要建設內容包括基礎管理、綜合監控、運維管理、運營管理、應急指揮調度、數據分析、移動App、大屏可視化駕駛艙等模塊。

4.1 基礎管理

基礎管理作為管廊綜合監控平臺的基礎公共模塊，為管廊監控、運維管理、應急指揮等業務系統提供統一的權限、工作流及主數據管理。基礎管理主要包括部門管理、通信錄管理、賬號管理、角色管理、權限管理、日志管理、工作流管理等功能。

4.2 綜合監控

綜合監控運用物聯網技術，實現對管廊內部環境檢測數據、安防視頻、消防報警、設備故障等信息的實時監控，能夠實時獲取溫濕度、有害氣體、設備故障等多種關鍵指標，并能夠根據設置參數進行告警通知。本項目保留各個子系統獨立運行能力，降低系統運維風險，綜合監控平臺與各個子系統工作站實現通信，完成統一集成管理。

（1）管廊信息可視化。

管理信息可視化實現基于地理信息系統的綜合信息門戶、三維BIM的一體化監控。以“一張圖”模式展示所有環境與設備監測信息、預警與報警信息等，為綜合監控平臺提供統一的基于BIM+GIS的人機交互界面。

（2）設備監控。

設備監控將環控系統、安防系統、通信系統、消防系統等數據通過監控中心進行實時采集，實現設備狀態顯示、設備告警顯示、設備遠程控制等功能。

（3）人員監控。

通過無線AP實現對入廊人員的可視化查找、定位，以圖標的方式標識合法入廊人員，跟蹤其在廊內的活動情況，點擊圖標可查看當前入廊人員詳情

（4）告警管理。

告警管理對管廊內所有實時歷史報警數據進行管理，系統實時、自動根據用戶設置進行報警提示。

（5）聯動管理。

管廊設備觸發聯動信號時，能夠根據聯動規則啟動聯動設備。

（6）結構健康監測。

對結構狀態進行連續的、實時的、在線的健康狀態監測和評估，對結構的安全性進行實時、準確的評價，擴展傳統人工檢測內容，實現預測維修，提高養護維修的管理水平，保障管廊結構的可靠性、安全性和耐久性，避免潛在的災難性事件發生。

管廊全景如圖3所示。

圖3 管廊全景圖

4.3 運維管理

運維管理模塊利用信息化手段，對管廊運維問題進行快捷、規范處理，動態掌握管廊內部及人員調動和值班的實時情況，包括排班管理、巡檢管理、維護管理、工單管理、隱患管理等日常運維管理功能，實現對管廊資源的運維服務和運維人員的全閉環管理。

4.4 運營管理

通過對入廊作業、設備資產、備品備件、檔案資料、考試等管理，為其他的業務模塊提供數據支持，提高管廊運營服務。

4.5 應急指揮調度

對管廊重點區域進行全方位實時監控，實現應急預案流程化管理、應急資源實時概覽、應急指揮遠程調度，為重大事件動態辨識、監控和風險評估等提供技術支撐，建立統一的應急指揮調度模塊，讓事件發現更及時、處理更高效、指揮調度更自如，主要包括應急預案管理、應急指揮調度、應急工作管理。

4.6 數據分析

數據分析子系統以管廊日常監控和運維過程中產生的海量數據為基礎，進行大數據深入分析與挖掘，以豐富的可視化報表、圖形等方式對各類數據進行分析和展示，為管廊安全、經濟、高效運營提供有價值的決策建議。主要包括告警分析、環境分析、設備分析、入廊分析、輔助決策、報表功能等功能。

4.7 GIS/BIM管理平臺

（1）地理信息系統。

地理信息系統為綜合監控平臺提供地理信息服務，并實現基本功能，包括GIS一張圖、數據編輯、圖形編輯、管線編輯、管線設備編輯。

（2）BIM應用管理。

基于BIM模型和管線數據進行數據轉換處理，融入GIS平臺。主要功能包括BIM管廊圖顯示功能，在三維場景中用戶可全方位瀏覽管廊模型和查看接入模型的數據，可以隨意拖動管廊模型，查看管廊內部和外部的情況，點擊管廊模型通過小彈框可查看對應的相關信息。

4.8 移動端App

移動端App是面向工作人員（管理人員、監理人員、作業人員、評估人員等，可按照管廊養護相關部門設置）的工具，提供移動端操作功能，方便工作人員遠程接受任務、執行任務、上傳結果、查詢信息等，能夠實現成本降低、信息安全、信息化進程加快、工作高效快捷、工作流程規范自動化、競爭能力提升等優點。

主要功能包括設備信息查詢、工單管理、流程管理、管廊監控、告警/隱患上報等功能。

4.9 大屏可視化駕駛艙

大屏可視化駕駛艙作為智慧管廊管控系統的展示平臺，通過圖表、圖形、地圖等視覺元素，展現管廊數據蘊含的信息，集成了三維動畫顯示功能和GIS地理信息系統功能，使數據的呈現更直觀、快速和易于接收。主要包括綜合監控、漫游巡檢、數據分析等功能。

綜合監控如圖4所示，漫游巡檢如圖5所示。

圖4 綜合監控

圖5 漫游巡檢

5 結語

本文基于物聯網、GIS、BIM、大數據等技術建立智慧管廊綜合監管平臺，能夠實時監控管廊內設備、環境參數。面臨緊急事故時，能夠進行告警提示以及啟動應急指揮調度，減少了經濟損失和人員傷亡，為實現管廊綜合監控平臺的安全化、智慧化助力。城市管廊的信息化、智能化、數字化建設是當前城市管廊建設的總趨勢，是提升管廊建設和管理效益的重要舉措。