基于BIM+GIS技術的智慧管網系統研究與實踐應用

崔毅　張一帆　白天煒

摘要 文章圍繞重載鐵路作業區域地下管線智慧化管理研究與應用，以實現三維可視化、管線狀態監測及視頻監控、故障定位等地下管線智慧化管理目標為導向，從系統架構設計（基礎設施層、數據層、基礎服務層、應用層、用戶層）、功能應用管理（三維場景展示、資料文件管理、監測數據管理、管線巡查管理、視頻監控管理、后臺數據管理以及系統管理）等方面，介紹了智慧管網系統的建設方案。結合工程實例，驗證了智慧管網系統的使用價值，為今后地下管線巡查、分析、決策提供強有力的數據支持。

關鍵詞 重載鐵路;智慧管網;預警管理;可視化

中圖分類號 TU990.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）11-0001-03

引言

隨著城市化進程的不斷發展，作為城市的地下“神經網絡”，地下管網的建設也在持續推進，其空間關系與屬性信息也一直存在動態變化。傳統的城市地下管線管理方式無法實現信息共享，效率低下，難以適應城市發展對海量數據管理要求的現狀。

《國務院辦公廳關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》國辦發〔2014〕27號）對“開展城市地下管線普查”“建設和完善綜合管理信息系統”等工作提出具體要求[1]。隨著信息化技術的不斷發展，基于BIM+GIS、物聯網、大數據等先進數字化技術的智慧管網管理系統為城市地下管網的建設和運維管理提供了新的解決方案[2]。

1 智慧管網系統的建設

1.1 系統總體架構

智慧管網系統總體架構分為基礎設施層、數據層、基礎服務層、應用層、用戶層五個層次。如圖1所示。

基礎設施層：為平臺層提供基礎設施服務，包括網絡設備、服務設備、存儲設備、安全設備。數據層：數據的存儲與訪問，通過建立數據庫，分類存儲各類數據，包括應用業務數據、GIS數據、BIM數據、文檔數據等，為業務應用提供數據支撐。基礎服務層：基于數據庫，通過WEB引擎、三維GIS引擎、BIM輕量化引擎、工作流引擎對數據進行清洗、抽取等操作，為應用層或用戶層提供數據服務。應用層：用來處理各種功能請求，實現系統的業務功能，是一個系統最為核心的部分。用戶層：用于顯示數據和接收用戶輸入的數據，為用戶提供一種交互工操作的界面，平臺展現端包括：大屏端、PC端、App端[3]。

1.2 系統功能組成

智慧管網系統由三維場景展示、資料文件管理、監測數據管理、管線巡查管理、視頻監控管理、后臺數據管理以及系統管理組成。其中，三維場景展示實現管線數據的二維及三維一體化展示;監測數據管理實現各類管線運維數據、監測數據的集成管理;管線巡視管理實現管線管理單位巡查任務的閉環管理;后臺數據管理模塊提供各類管線監測閾值設置，輔助管線監測預警管理[4]。

1.3 數據庫建設

1.3.1 管線BIM模型數據

利用BIM技術，通過現場踏勘和基礎資料研究，建立地下管線三維BIM模型，借助物聯傳感技術與監控視頻流實時傳輸技術[5]，完成BIM模型與管線運維管理數據的聯動，實現城市地下管網的三維可視化管理與動態監測管理[6]。

1.3.2 傾斜攝影三維數據

通過傾斜攝影測量技術創建地上環境三維模型數據，構建真實可靠的現場三維場景，與地下管線BIM模型相結合實現地下管線與周邊環境的位置上關系、影響關系的可視化展示，達到地上地下三維一體化管理[7]。

1.3.3 監測數據

基于攝像頭、傳感器等監控設備，通過網絡將管線監測數據傳輸到系統，并且將城市管線傳感器與相關視頻監控設備的數據與三維模型數據關聯，為實現物聯網設備與三維場景的融合提供了數據基礎，進一步提高城市管網系統的智能化。

2 智慧管網系統在神朔重載鐵路中的實踐應用

2.1 工程概況

神朔重載鐵路作業區域內涉及的地下管線主要包括給水、排水（污水、雨水）、燃氣（煤氣、天然氣、液化石油氣）、通信、電力、熱力、工業管道等類型。由于神朔鐵路建成年限較長，且經過多次改擴建，導致各類地下管線檔案資料混亂和管理缺位，目前管線管理工作主要問題包括：

（1）管線檔案不全。

（2）管線超期服役、隱患突出。

（3）應急能力脆弱、預警不足。

鑒于神朔重載鐵路作業區域地下管線的安全運行直接影響到作業區域正常工作的平穩運轉，故開展神朔重載鐵路作業區域的地下管線智能化管理研究是十分必要的。

2.2 智慧管網系統應用

2.2.1 智慧管網“一張圖”

該項目智慧管網系統集成地上環境模型、地下管線BIM模型、管線屬性信息、監測信息、視頻監控、巡視信息等數據，實現各類數據“一張圖”的融合展示。如圖2所示。

通過智慧管網“一張圖”，實現地下管網多源數據融合。神朔重載鐵路作業區域地下管網履歷、檢修信息、運維信息等數據集成展示，為地下管線巡查、分析、決策提供強有力的數據支持[8]。

2.2.2 巡視與檢修閉環管理

管理人員通過日常管線巡查，發現管線滲漏、破損等狀況，通過手機端上傳問題后，智慧管網系統即可顯示該問題發生的地理位置。系統根據問題的位置和上報人員賬戶，自動判斷本管線問題維修的歸口工區和人員，維修人員的移動端系統即可收到該管線問題的維修任務，登錄系統后，即會看到自己的處置任務。處置完成后，通過系統上傳處置結果。實現巡視檢修的閉環管理。如圖3所示。

通過系統實現檢修處置問題和管線BIM模型的關聯，實現以BIM模型為數據底座的管線全生命周期數據集成。另外，通過系統對檢修處置流程進行留檔管理，以便管理人員后續追蹤及考核。

2.2.3 基于BIM模型的物聯網數據實時展示55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7

神朔重載鐵路作業區域地下管線智能化建設需要多種物聯網感知設備，基于智慧管網系統集成各類物聯網設備，實現管線壓力、溫度、流量、位置狀態等信息集成管理。

通過智慧管網系統實現各類物聯網數據分類統計，依據系統設置的閾值進行系統自動預警管理。管理人員通過平臺定位到具體管線位置，調取該范圍攝像頭，查看現場實際情況，指導預警信息的處理。

2.2.4 上帝視角的場景化漫游管理

利用第一視角對全線路場景進行漫游，在漫游過程中可以選擇是否穿過障礙物，開啟則在漫游過程中碰到構件會直接穿過，關閉則被阻擋;選擇是否開啟重力感應，開啟則由高處行進至低處時，會自動降低高度，下落至低平臺，關閉則保持高平臺高度繼續前進;輸入移動速度，此速度為漫游時的行進速度，默認為0.5。

填寫完成后，點擊開始漫游，根據提示，在場景中選擇漫游起點，使用鍵盤WASD進行前后左右移動，Q鍵為左旋轉，E鍵為右旋轉，漫游線路結束后，則點擊結束漫游，這時漫游記錄會被保存至漫游播放列表，點擊播放即可回看漫游過程，可以暫停，刪除。如圖4所示。

2.2.5 地理空間及模型測量

根據日常業務管理的需要，系統不僅可以實現對模型進行全專業、分屬性的查看與控制，也可為地理空間提供四種測量方式，包括距離、面積、構件尺寸、高程的測量。

距離測量：在系統中點擊測量距離按鈕，在場景中選擇兩點進行測量，測量結果展示在右上方，結果包括兩點間的距離，以及XYZ軸的相對距離。

面積測量：點擊測量面積按鈕，在場景中依次選擇三個及三個以上的點，進行面積測量，測量結果在右上方顯示。如圖5所示。

構件尺寸：點擊構件尺寸按鈕，選擇需要查看尺寸的構件，結果會在右上方展示，構件也會有尺寸標注。

高程測量：點擊測量高程按鈕，在場景中選擇要測量高程的點，結果會直接顯示的測量的點上。

2.3 效果分析與評價

（1）基于BIM技術和GIS技術，完成神朔重載鐵路作業區域的地下管網的三維虛擬重現，為地下管線管理人員提供了可視化的管理工具。

（2）智慧管網系統集成了管線的靜態信息和動態信息，為地下管網管理提供了數據支撐。

（3）基于智慧管網系統，進行管線行狀態監測和智慧巡檢，及時發現問題，制定預案，降低了隱患變為事故的概率，加強了地下管線的安全管理。

3 結語

基于BIM+GIS的智慧管網系統，直觀顯示地下管線的空間層次和位置信息，形象展現地下管線的結構和周邊環境位置關系，方便排管、維護及搶修等各種情況發生時信息的查找，實現了地下管網的數字化、空間化及圖形化管理，為今后地下管線資源的統籌利用和科學布局、管線占用審批等工作提供準確、直觀、高效的參考。

參考文獻

[1]《國務院辦公廳關于加強城市地下管線建設管理的指導意見》國辦發2014[27]號.

[2]逄崇雁，蓋琪琳，孫艷茹.基于GIS的智慧管網系統設計[J].網絡安全和信息化，2021（5）：77-79.

[3]朱駿俠.基于WebGL的三維智慧管網系統的設計與實現[J].測繪通報，2021（4）：146-150.

[4]虞培忠，程晨，楊金澤，等.基于BIM的地下管網施工管理系統[A].中國土木工程學會，2020：8.

[5]王凡.物聯網數據融合在智慧管網監控系統中的應用研究[D].大連：大連交通大學.2016.

[6]李衛海，廖樂林.基于智慧管網的高性能通信前置系統的研究與應用[J].測繪與空間地理信息，2017（11）：116-118+122.

[7]耿濤.BIM技術與傾斜攝影測量結合在市政景觀工程中的應用[J].工程技術研究，2021（3）：36-39.

[8]劉旭，朱建忠，孫柏.亳州市地下管網安全運行監測平臺建設創新與實踐[J].智能城市，2021（6）：19-20.

收稿日期：2022-03-23

作者簡介：崔毅（1975—），男，本科，助理工程師，研究方向：節能環保。55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7