基于GIS 與BIM 技術的市政綜合管廊的運維管理

晏 源，楊斯然，黃佳瑤，李一博

（重慶交通大學，重慶 400074）

目前國內(nèi)大多數(shù)城市的市政綜合管廊中安裝了給水管道、熱力管道、天然氣管道、電力電纜、通行線纜等市政公用管線，這種安裝方式解決了城市地下管線管理各自為政、維修維護亂挖亂埋、施工過程破壞管道等問題。綜合化的市政管廊是城市管道基礎設施的發(fā)展方向和全新模式，由于市政綜合管廊內(nèi)布滿了不同類型、不同公司運營、對社會影響程度不同的管線。一旦高危管線，如天然氣管道、集中供暖管道等發(fā)生故障，就會產(chǎn)生連鎖效應和衍生災害，危及到居民的生命財產(chǎn)安全，還可能對大范圍地區(qū)內(nèi)人們的生產(chǎn)生活造成影響，所以市政綜合管廊的運維管理是一項關乎民生的重要工作。通過對現(xiàn)有文獻及資料的查閱和研究，我們發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)外對市政綜合管廊的研究大多集中在市政綜合管廊的可行性分析[1]與規(guī)劃設計[2]等方面，對于市政綜合管廊運維管理相關的研究較少，目前的研究主要是針對某一項技術在管廊管理維護中的運用，而綜合運用各項技術對城市市政管廊進行管理的研究幾乎一片空白。

1 BIM 技術介紹和特點

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技術是一種對工程設計、建造、管理進行數(shù)據(jù)化顯示、展示的工具，通過對各種工程、建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，在項目策劃、運行和維護的全生命周期過程中進行共享和傳遞，使工程技術人員正確理解和高效應對各種建筑信息，為設計團隊以及包括建筑、運營單位在內(nèi)的各方建設主體提供協(xié)同工作的基礎，在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約成本和縮短工期方面發(fā)揮重要作用[3]。

BIM 技術與傳統(tǒng)的CAD 軟件相比，其可以插入、提取和修改的特點更加適應項目全生命周期的建設運營，而且效率更高。BIM 技術是一場建筑領域的技術革新，是建筑行業(yè)的一道分水嶺。

1.1 BIM 技術的可視化

BIM 是一種可以展現(xiàn)三維效果的可視化模型，相較于CAD 技術的二維可視化，BIM 技術的可視化更為先進、直觀、易于理解，這樣能使工作者更好地理解建筑空間的拓撲關系，更加便捷地對對象進行管理。BIM 技術的可視化不僅包含構件的大小、位置和顏色等屬性信息，還包含了構件之間的互動性和反饋性等拓撲關系。

1.2 BIM 技術的協(xié)調(diào)性

BIM 技術具有較高的可協(xié)調(diào)性，還具有覆蓋項目全周期的特點，同一個項目不同領域的工程師可以利用BIM 所構建的模型在建筑物構造前、中、后期對各專業(yè)的碰撞問題進行協(xié)調(diào)、管理及交互，生成協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)，并進行共享、以便更好的對項目進行操作。

1.3 BIM 技術的運行特點

BIM 技術能夠?qū)椖康娜珘勖芷谶M行操作和管理。通過BIM 收集和儲存建筑信息，同時兼容數(shù)據(jù)庫中的信息，有助于運維管理階段各項工作的協(xié)同開展與研究。由于BIM技術的這些特點，因此將其運用于城市市政綜合管廊這樣的運維周期性公共基礎建設是一種趨勢。

2 GIS 技術介紹和特點

GIS（Geographic Information System 或Geo-Information system，地理信息系統(tǒng)）是一種結合地理學與地圖學、遙感和計算機科學，可以廣泛應用于各種不同領域，用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計算機系統(tǒng)技術。該技術不僅可以有效地對具有空間屬性的各種資源環(huán)境信息進行管理，還可以對資源環(huán)境管理進行模擬實驗并進行理論分析，可以有效地在時域內(nèi)對資源環(huán)境狀況及生產(chǎn)活動變化進行動態(tài)監(jiān)測和分析比較。

GIS 能夠結合各方面要素，綜合環(huán)境、經(jīng)濟、人口等各方面數(shù)據(jù)對地形、經(jīng)濟、交通以及既有建筑物的分布情況等信息進行精細化描述，可以使用多種坐標系在不同緯度來展示空間對象的各種細節(jié)。當運用GIS 與地下管線進行空間建模和數(shù)據(jù)疊加時，GIS 可以通過與遙感數(shù)據(jù)的集成和多維數(shù)據(jù)的綜合考慮，模擬出不同的路線規(guī)劃，通過對各方案的比較和選擇做出優(yōu)化，最終擬定最優(yōu)方案。同時，將市政綜合管廊的地理信息（如空間分布、地質(zhì)結構、城市區(qū)域分工等）、周圍環(huán)境（如人口密度、管線的幾何物理等信息）以及相關的國家標準、地區(qū)標準、因地制宜的策略等信息錄入到GIS中，通過建模進行分析和風險預測控制，可以實現(xiàn)安全風險管理。另外GIS 具有空間定位的功能，運用GIS 技術的空間定位功能，可以將GIS 的數(shù)據(jù)與力學分析模型相結合，實現(xiàn)對管道薄弱點的空間分析和可視化定位。由于GIS 具有空間管理屬性，所以目前GIS 運用最廣的還是幫助管理人員進行地區(qū)或城市精度范圍的危及反應和災害管理以及交通流的預測、物流的路徑規(guī)劃等。

3 BIM 技術和GIS 技術的不足

BIM 技術可以運用于城市市政綜合管廊內(nèi)部各類信息的管理，但在準確定位大場地范圍內(nèi)的物體、連接不同的復雜物體、周邊地形信息管理以及空間查詢等方面存在不足，它主要用于對市政管廊內(nèi)傳感器所獲取到的信息如溫度、濕度、管道的衰老程度等進行分析和綜合處理，以判斷管道是否完好、什么時候可能損壞并提前預警。

GIS 技術主要運用于處理大尺度范圍的工作，對宏觀環(huán)境下的位置加以定位和對維修管理人員提供引導。其精度不足以支撐城市市政綜合管廊內(nèi)部精細化運維管理，無法通過GIS 數(shù)據(jù)庫對設備各項信息進行處理，預測各種管道壽命以及判斷是否需要維護。

4 BIM 技術與GIS 技術的結合

GIS 技術可以提供管廊周圍環(huán)境的宏觀模型，為管廊內(nèi)部結構的區(qū)域管理、空間管理、災害管理提供宏觀信息，可以為安全管理、應急管理和逃生線路做好規(guī)劃。BIM 技術提供管廊內(nèi)部精細化模型，為設備更換維修做出預警和遠程問題分析，為維修人員做出問題的預判，提供數(shù)據(jù)基礎和模型支持，更高效地及早發(fā)現(xiàn)問題并做好預防，做到有備無患。通過二者的結合，可以使市政綜合管廊運維管理效率得到顯著提高。但是BIM 和GIS 兩者背后的技術和標準不同，兩者各自依托其對應的數(shù)據(jù)庫，這兩者的結合必然會出現(xiàn)一些問題，如數(shù)據(jù)的交互、標準的選取、同步化方式以及城市市政管廊內(nèi)的環(huán)境建模等問題。

5 BIM 技術與GIS 技術結合面臨的挑戰(zhàn)

5.1 數(shù)據(jù)與標準

在對物聯(lián)網(wǎng)、BIM、GIS 數(shù)據(jù)進行集成時，由于各類的建模標準、交互標準、管理數(shù)據(jù)標準、技術數(shù)據(jù)標準、檔案存儲數(shù)據(jù)標準等不同，會導致集成后數(shù)據(jù)丟失、可視化效果不佳、無法分析等情形。這無疑會影響整個系統(tǒng)的運作，在實現(xiàn)技術結合中，首要任務便時數(shù)據(jù)的交互和標準的選取。

5.2 大數(shù)據(jù)信息分析

除了BIM 系統(tǒng)和GIS 系統(tǒng)，市政綜合管廊運維管理還需要整合火災報警系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、預警與報警系統(tǒng)等各個子系統(tǒng)。一方面，需要處理各類數(shù)據(jù)來源的交互操作性問題，另一方面，需要解決不同數(shù)據(jù)的結構復雜和數(shù)量龐大的問題。同時，各項傳感器的綜合運算如果在系統(tǒng)中進行處理，必然會增加系統(tǒng)的負荷量，可以利用單片機進行分布式運算，只將運算后的數(shù)據(jù)傳回控制中心。

6 技術設想

在管廊連接處設置位移傳感器，監(jiān)控管廊的沉降問題；在管線的接口內(nèi)外設置壓力傳感器，監(jiān)控管線的泄漏情況；在管廊內(nèi)部設置分布式光纖傳感器，監(jiān)控地震等自然災害的影響，通過單片機進行分布計算，然后將計算后的數(shù)據(jù)上傳至相應的GIS 數(shù)據(jù)庫、BIM 數(shù)據(jù)庫、入廊管線數(shù)據(jù)庫等子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，再由此制訂不同的技術方案。將這些技術方案提供給市政綜合管廊運維體系、入廊管線管理體系、總和管廊應急搶險體系，最后管理者根據(jù)實際情況在相應的體系中選取最優(yōu)的決策方案。

7 前景與展望

城市市政綜合管廊項目運維周期長、難度大、安全要求高、重要性突出，所以要求采用極高水平的技術，確保其運維管理。目前國內(nèi)外對市政綜合管廊的運維管理常常只采用某一種技術，這樣不能兼顧其他的要求，往往降低了管理效率。雖然目前的發(fā)展狀況仍然有不少的問題，但是多種技術的融合應用于市政基礎設施建設是未來發(fā)展趨勢，一些問題都會慢慢被解決。