綜合管廊智慧運維管理平臺應用研究

魏華杰

（中國一冶集團有限公司，湖北 武漢 430081）

隨著我國地下綜合管廊建設推廣，管廊智慧運維平臺系統功能也愈加完善。李芊等[1]基于BIM技術設計了一種智慧管廊運維管理系統，具體分析了應用三維可視化在管廊運維管理領域的優勢；朱雪明[2]對上海世博會世博園區綜合管廊智能監控系統架構和系統組成進行了介紹并對系統實現的基本數據采集內容和基本系統聯動功能要點做了總結；李朝棟等[3]基于沈陽某綜合管廊工程背景和GB/T 51274—2017《城鎮綜合管廊監控與報警系統工程技術標準》的要求，設計了各子系統相互關聯的運維管理系統；劉諾晨[4]針對BIM+GIS智慧管廊運維管理平臺的可視化效果展開研究，通過Unity3D軟件優化，使得BIM+GIS的運維管理平臺的可視化功能具有實際的應用價值。綜合管廊智慧管理平臺是綜合管廊建設的重要組成部分，是運維單位不可或缺的工具，雖然平臺系統功能不斷完善，但是目前仍存在一些需要解決的問題：

1）BIM、GIS、SCADA等系統數據關聯不充分，跨系統聯動場景開發不足，各子系統的雖有基本數據關聯，但數據融合有待進一步加深；

2）巡檢雖然利用了巡更系統、手機端巡檢等方式，但是還需要人員經常入廊，針對平臺結合機器人的自動巡檢方式還有待提升；

3）運營管理數據分析利用不足，導致無法進行有效的自動預警，日常的報表分析仍需要投入人力、物力。

針對以上管廊運維管理平臺存在的問題，本文以北方某城市綜合管廊項目的平臺建設為背景，對平臺架構和功能進行設計。

1 總體設計思路

智慧管廊運維管理平臺總體架構采用“管、控、營”一體化的設計理念，從平臺架構設計、廊內各項數據收集、數據分析和各專業智能聯動等多個方面考慮；解決地下綜合管廊運營運維過程中因管線產權單位數量多、管線種類多且復雜導致的各專業干擾性強，難以及時有效溝、通協、調解決的難題；同時設置多級管理架構，實現對綜合管廊內部設備的遠程管理與聯動控制。

智慧管廊運維管理平臺總體架構為五級體系，自下而上依次為設備執行層、傳輸層、數據層、應用層和展示層。設備執行層是平臺體系架構的核心，是廊內監控數據采集過程中最關鍵的環節，通過該層設置的各類攝像頭、傳感器以及探測儀器實現對綜合管廊全領域內環境和設備的全過程監控；利用傳輸層和數據層的傳輸和存儲功能將海量數據提供給上層業務系統進行大數據分析、實時控制、展示和應用。見圖1。

圖1 智慧管廊運維管理平臺總體架構

2 關鍵技術功能

統一管理平臺以BIM+GIS系統為基礎，融合聯動安全防范系統、環境與設備監控系統、火災自動報警系統、通信系統、應急系統、數據分析系統等，實現平臺數據的深度融合和系統聯動。

2.1 BIM+GIS系統

平臺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、融合SCADA的信息采集數據以及視頻信息。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、安防信息等，為綜合監控平臺提供統一的、基于BIM+GIS+SCADA的人機交互界面。

BIM+GIS技術實現管廊空間以及設施設備三維呈現，可確定地下管廊精確分布位置，實現管廊所有出入口、通風口、投料口管廊內附屬設施的精確定位和查詢，既可總覽全局關鍵參數，又可從主要參數逐級導航到設備詳細參數。見圖2和圖3。

圖2 管廊GIS系統展現

圖3 管廊BIM系統展現

運維人員可方便地實現地下廊體可視化監控，減少入廊巡視頻次，提高運維效率。

2.2 綜合監控系統

智慧運維管理平臺的綜合監控系統涵蓋了GB/T 51274—2017要求的管廊內設置環境與設備監控系統、安全防范系統、通信系統、預警與報警系統并增加了結構健康監測系統和機器人巡檢系統。各系統的傳感設備及執行設備均按照防火分區設置。

2.2.1 環境與設備監控系統

包括環境檢測、通風設備和排水設備監控、照明監控和配電監控。環境檢測包括廊內溫度、濕度、氧氣濃度、集水坑水位、硫化氫氣體監測。系統可根據需要對風機、水泵、照明進行遠程啟停并對電力系統參數進行監控。管廊內部各專業設備實時狀態能夠在監控中心大屏上顯示，同時在控制系統操作界面以數據報表的形式體現。系統能夠顯示設備目前的運行狀態，當設備發生故障時，傳感器及時發出故障信號，管理人員通過攝像頭身處監控室便能夠了解設備故障發生時間和地點以及故障原因，方便及時、準確地指導設備進行維修和保養。

2.2.2 安全防范系統

為保障管廊內設施安全，有針對性地設置有效安全防范措施并在監控中心設置相應顯示、記錄和控制設備，當有外人非法入侵管廊時及時報警，控制中心采取相應措施。安防系統包括門禁、防入侵、電子井蓋、電子巡更系統等。

2.2.3 通信系統

為實現綜合管廊內各區間巡檢維修人員之間及與控制中心值班人員之間內部無障礙溝通，配備獨立的內部語音通信系統，每個防火分區每艙設置通信點；同時綜合管廊內部實施無死角無線網絡覆蓋，實現監控中心對管廊內無線通信主要設備運行狀態和入廊巡檢維修人員狀況的實時監測，滿足巡檢維修人員日常工作通信需求。

2.2.4 預警與報警系統

主要針對電力艙室設置火災自動報警系統。監控中心消防控制室設置中心火災報警控制柜，柜內設火災報警聯動主機、防火門監控主機及消防電源監控主機，通過監控與報警統一管理平臺進行軟硬件整合，實現對火災報警系統的監控。在綜合管廊內設置感溫、感煙探測器及消防區域控制器，同時配合設置現場報警按鈕，構成綜合管廊內火災自動報警系統。

2.2.5 結構健康監測系統

由于本項目距離地鐵施工地段較近，為避免地鐵施工及運行對管廊結構產生影響，設置了結構健康監測系統，采用壓差式沉降儀、傾角測量儀、三軸測振儀等設備，實時監測廊體結構的沉降、傾斜及振動信息。綜合管廊振動及沉降監測系統監測管廊受力情況，保證結構安全承載；對整個結構狀態進行連續的、實時的、在線的健康狀態監測和評估，對結構的安全性作出實時、準確的評價，極大地延拓傳統人工檢測內容，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。

2.2.6 智能機器人巡檢系統

機器人本體搭載紅外熱成像儀、攝像機、氣體傳感器等設備，可針對電力艙、綜合艙等艙室進行智能巡檢，可識別環境溫度及氣體變化等事故情況并將事故信號上傳至統一管理平臺，方便管理人員針對巡檢信息進行處理。

結合機器人的功能特點，開發了自動巡檢模式：通過平臺巡檢管理模塊定義巡檢內容、巡檢路程、巡檢時間、巡檢條目，定時觸發機器人按照平臺預設進行巡檢；機器人巡檢過程中的視頻信息、位置信息和報警信息，能夠同步顯示在統一管理平臺的BIM和GIS界面上，相關數據與巡檢管理模塊聯通，生成巡檢記錄和巡檢報告，同時巡檢時發生的告警信息與平臺告警管理模塊聯動，生成告警記錄，推送給運維人員。自動巡檢功能極大降低了人員入廊巡檢頻次，提高了巡檢管理精細化程度。

2.2.7 綜合監控系統聯動

運行過程中可實現監控與報警系統各子系統本系統和跨系統聯動控制，可實現系統預設自動調度聯動、人員監控中心手動調度聯動，還可以通過設置權限實現管廊內人員手動調度聯動。本功能模塊向設備下發聯動指令、記錄聯動日志、提供聯動界面通知等，主要實現告警聯動設備跟蹤與處置、人員活動時設備節能聯動的功能。各系統聯動控制和調度場景較多，典型聯動控制策略如下。

1）當某段防火區氧氣含量、溫度、濕度、有毒有害氣體濃度超過或低于各自設定閾值時，檢測儀表發出報警信號，同時綜合監控平臺自動啟動該區段的通風設備，強制換氣，保障工作人員和綜合管廊內設施的安全。

2）在管廊集水坑內設置液位計，現場水泵控制箱根據液位報警信號自動啟動水泵，強制排水，保障集水坑積水液位保持在警戒液位之下；當集水坑內液位超過超高液位時，向監控中心報警，同時聯動攝像機監控確認，以便工作人員采取其他措施處理事故。在燃氣艙設置防爆型液位計，根據液位高低控制水泵啟停。

3）當非法人員由外部公共區域通過投料口進入管廊內部時，入侵報警系統可以聯動視頻監控系統，將攝像機現場圖像切換到監控中心的大屏幕顯示器上。

4）當有人進入管廊內部巡檢時，出入口控制系統可聯動照明控制系統，將現場區域的照明燈打開。

5）視頻監控與火災自動報警系統的聯動。火災報警系統出現火警信號時，該區域攝像機信號切換到控制室監視器上，觀察火情大小、是否報；同時進行記錄，方便事后以報警事件為條件的查詢和回放。

6）機器人系統與BIM+GIS系統聯動，機器人拍攝畫面呈現于BIM或GIS界面上，數據和畫面同步，在巡檢和應急處置的場景下，可快速搜集數據，展現現場狀態。

2.3 應急管理系統

包括隱患管理、應急預案管理、應急指揮處置、應急保障管理，依據運維單位的應急管理體制，實現平臺化管理。平臺典型應急管理應用功能實現：現場接收到應急事件報警時，地理信息系統+BIM平臺自動顯示報警地點并發出報警提示；獲取事件或報警信息后，自動調取事件周邊攝像機圖像，自動切換至監控中心大屏以便及時了解事件詳情，在展示平臺自動顯示事件發生點周邊可控制的設備；應急模塊自動生成相關預警、告示、提醒等相關信息并在管理員確認后發布，及時發布預警信息以防止事態擴大；發現事件后要求可自動顯示事件發生點附加的應急資源，包括應急人員和車輛、醫院；事件處理過程要求能夠全程監控，可將過程通過系統反映到總監控中心。對于重大事件，可將地理信息系統地圖、監控視頻和數據等切換顯示至視頻會商系統，便于應急事件的應急會商和指揮調度。

2.4 數據分析

實現對管廊環境參數、設備參數、事故告警、入廊人員活動等信息的匯總統計并與歷史同期水平進行對比分析。

2.4.1 統計分析功能

1）告警統計。實現分年、月、日、時段分析；告警類別分析；分級別分析；分艙室、分設備、分管線分析；分告警處理時長分析；分監控員分析；告警趨勢分析；告警同比環比分析。

2）環境趨勢分析。分年、月、日、時段分析；分艙室分析；分防火分區分析；分傳感器分析；環境參數趨勢分析；環境參數同比環比分析。

3）設備維護及能耗分析。按照分年、月、日、時段分析；按照不同艙室進行分析；按照不同設備類型進行分析；實現能耗趨勢分析、設備維護信息及健康度分析。

4）入廊活動分析。實現分年、月、日、時段分析；分艙室分析；分防火分區分析；分單位、組織、人員分析；分入廊作業分析；入廊時長分段分析；結合人員安全告警分析。

2.4.2 輔助決策功能

對基礎數據和運維過程信息數據進行采集處理情況下，對海量運維過程信息、能耗信息、設備養護信息進行處理，輸出運維決策評估和建議。針對設備能耗分析、人員入廊活動分析等數據，配置相關預警規則，設置運維決策建議，制定多種節能運維措施，為管理單位在低碳運行、安全運行方面提供輔助決策。

隨著運維數據的不斷積累，實現數據和經驗沉淀，持續對平臺決策功能迭代更新。

3 結語

通過BIM+GIS、機器人、結構檢測等關鍵技術的應用，結合數據分析功能和輔助決策功能，切實保障了運維人員人身安全和管廊運行安全，減輕了人員工作量，提升了運維管理準確度，提高了管廊綜合應急響應速度、提升了安全運營能力，實現了綜合管廊運營期間規范化和智能化管理的目標。該平臺在工程實踐中的成功應用，為其他同類地下綜合管廊運營運維管理提供參考和借鑒。