綜合管廊智能監控系統的研究與實現

陳 惠 劉曉東 王潔瑜 郭 園

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

城市綜合管廊是將電力、通信，燃氣、給排水等多種管線集于一體置于城市地下特殊建造的隧道空間，可有效解決“馬路拉鏈”“空中蜘蛛網”等城市亂象，在保障城市安全穩定運行方面意義重大。綜合管廊的安全問題一直是業內重點關注的對象，隨著城市建設與土地利用之間矛盾的日益激化，各類地下管線事故頻發，“線纜著火”“管道泄露”“井蓋吃人”等現象均暴露出綜合管廊在安全管理方面存在諸多問題[1]。

近年來，國內相關學者在將BIM、物聯網等技術與綜合管廊平臺、系統之間結合的研究不在少數：朱雪明[2]針對上海世博園區綜合管廊，設計并分析了監控系統及其子系統組成，但其未提到對于監控數據的處理，僅是通過較簡單的數據采集進行預警及存儲；孫偉俊等[3]從火災安全隱患以及報警角度出發，對綜合管廊內火災自動報警系統進行了設計，對防火分區、報警區以及相應防火設備部署進行了相應說明，但總體局限于綜合管廊的火災報警，未涉及其他方面；李芊等[4]基于BIM技術構建了綜合管廊的運維管理系統，文章集中在強調BIM三維模型可視化的優勢以及對管廊內的各類管線的智能控制，對管廊內的安全預警則是通過現有數據與數據庫已有對比后做出預警，還未達到智能預警的效果。

以上研究成果表明國內雖有不少結合綜合管廊與新興技術在系統研究開發方面的工作，但在不同方面系統的設計與搭建仍不完備，本文在研究國內已有綜合管廊監控系統基礎上，基于物聯網、BIM三維建模等技術搭建了綜合管廊智能監控系統，對提升綜合管廊運營質量和管理效率，快速應對突發事件，減小損失等方面具有一定意義。

1 監控系統總體設計

1.1 需求分析

在未有綜合管廊智能監控系統之前，采用傳統的人工巡檢方式進行監控，可發現綜合管廊運營管理方面存在諸多不足：

1)綜合管廊建于地面建筑物密集的城市地下空間內，具有多個附屬結構，人工巡檢信息內容多、易造成信息遺漏；

2)綜合管廊內部設施種類多，現場傳感器監測產生數據量巨大，不經過處理或處理粗略后的數據難以支持管理者快速、準確的預警判斷；

3)綜合管廊工程埋于地下，事故發生時不能準確得知事故發生地，導致搶救工作難以展開。

可以看出綜合管廊傳統監測方式存在信息不連續、數據反饋滯后、運維數據分析挖掘利用不足等缺陷，如何對其進行精細、直觀的監控預警是首要解決的問題。結合綜合管廊實際情況，本文總結出以下兩點綜合管廊智能監控需求：

1)功能需求。目前市面上已有的綜合管廊監控系統呈現出內容龐雜、功能模塊繁多且有部分功能重疊等情況，不利于系統使用者操作。本次智能監控系統功能采取系統分塊、功能整合的設計，將環境監測、精準預警、智能管理融為一體，實現綜合管廊各類運維數據互聯互通，消除信息孤島，打破數據壁壘，為運維管理者提供有力的數據支撐。

2)數據需求。管廊內環境監測數據對于管廊安全環境的預判十分重要，根據GBZ/T 205—2007密閉空間作業職業危害防護規范[5]和GB/T 51274—2017城鎮綜合管廊監控與報警系統工程技術規范等[6]規范，將管廊內需要進行監測的環境指標列于表1。考慮到以往傳感器監測數據多而雜亂，不利于快速的預警判斷，本次智能監控系統將采用智能算法對傳感器采集的數據進行數據處理，其結果可直接用于管廊安全預警級別判斷。

表1 綜合管廊環境監控指標

1.2 總體架構

綜合管廊智能監控系統的總體架構分為六層，從下而上依次為感知層、接口層、數據層、模型層、應用層、展現層，如圖1所示。

首先通過各類傳感器及檢測裝置采集綜合管廊內的氣體、溫濕度等環境數據，實現對整個管廊環境狀態全面感知；后通過接口層連接數據層，數據層主要用于存儲監控實時數據和歷史數據，其次利用Revit等三維軟件對綜合管廊進行模型重構，最終構建管廊智能監控系統，主要包括4個應用層系統，在系統展現層，以PC端顯示和手機端APP這兩個渠道進行顯示和管理。

2 三維可視化監控技術

2.1 BIM技術

1)BIM三維設計優勢。

BIM理念自20世紀70年代提出以來，在可視化、量化分析和提高工程效率方面有顯著作用。對于綜合管廊這類大型線性工程來說，利用BIM軟件進行三維建模為監控系統的搭建提供了如下便利：a.協同操作設計使三維模型的建立快速、便捷且信息共享；b.綜合管廊三維模型使監控可視化且能直觀反映出問題。

2)BIM模型輕量化。

綜合管廊BIM模型在不同軟件中傳遞或需要在Web瀏覽器顯示時，往往由于模型較大而導致打開耗費時間長，故應對綜合管廊BIM模型進行輕量化處理。在本次管廊監控系統中，BIM模型服務器采用B/S結構方式，B/S結構下采用WebGL實現對管廊BIM模型的輕量化處理。WebGL是基于OpenGL ES2.0標準的一個跨平臺的用于在Web瀏覽器中繪制和渲染三維圖形的API，主要采用三角形面片來構建三維幾何模型[7]。綜合管廊BIM三維模型輕量化包括兩個方面：a.管廊三維模型輕量化顯示，主要通過合并圖元，即通過算法根據權重剔除相應的頂點或面，從而到達輕量化效果；b.將綜合管廊原模型文件壓縮為輕量化模型文件，轉換為stl,obj,3ds,json等文件格式，以快速實現綜合管廊三維模型的渲染和操作。

2.2 BIM與GIS數據接口設計

GIS(Geographical Information System)技術在本監控系統中主要配合綜合管廊BIM模型進行數據管理、數據壓縮以及三維模型數據簡化與集成展示。目前BIM模型普遍使用的模型輸出格式是IFC(Industry Foundation Classes)標準，而不同GIS系統間采用的是GML,OWS或CityGML標準，由于CityGML(City Geography Markup Language)標準被廣泛用于GIS三維模擬，故將IFC和CityGML分別作為BIM和GIS領域的數據模型標準，通過數據解析，語義映射，從而實現兩者之間的數據轉換[8]，其具體流程見圖2。

3 智能監控系統實現

綜合管廊監控系統包括環境與設備監控系統、安全防范管理系統、預警與報警系統以及專用通訊系統。該監控系統的總體結構如圖3所示。

3.1 環境與設備監控系統

環境與設備監控系統分為環境安全監測與設備監測兩部分，環境安全監測依靠綜合管廊內置傳感器等監測設備，實時監測管廊內的氣體濃度、溫濕度等指標，并通過上述信息融合方法進行數據處理，直接提供決策；設備監測基于RFID技術，實現信息無接觸傳遞，并通過無線電訊號識別設備并讀寫相關數據，實現設備數據自動導入，見圖4。

3.2 安防監控系統

為防止非法人員對綜合管廊進行破壞，在綜合管廊監控系統中設置了安防系統，安防聯動過程如圖5所示，監測設備監測到人員非法入侵時自動將報警信號傳輸至中央智能監控系統，隨后由該系統發出報警信號，啟動報警設備如聲光報警器、語音警告撤離等，并利用視頻監控對報警區域的畫面進行篩查以及定位入侵人員。

3.3 預警與報警系統

預警與報警系統針對管廊中如火災、積水、爆管等特殊事故，通過實時監測溫度、氣體、濕度、水位等參數，輔助判斷事故發生。火災發生時，由相應位置的火災探測器發出信號，啟動自動滅火設備，同時監控中心將收到報警信號，快速采取相應措施。管廊內的其他事故根據各類事故的特點，將在如井蓋、人員出入口、不同的艙室內部等相應位置設置各類探測器等監測裝置，如在給水管艙室內設置爆管液位檢測裝置，實時監測廊內水位，一旦監測到管廊內存在非正常液位，通知管線單位關閉相關閥門。

3.4 專用通信系統

專用通信系統是為應對公共通信手段無法實現管廊內外實時通信而設置的，根據實際需求設置有線通信、無線通信等不同通信手段，無線通信主要通過無線對講機滿足綜合管廊內人員間的通信需求，有線通信通過在控制中心設置VOIP交換機，用于VOIP電話的數據交換，VOIP交換機與PSTN市話進行連接，以此保證綜合管廊內的VOIP電話通訊及與控制中心的聯系。

4 結語

綜合管廊工程目前正在大規模建設，2017年的《城鎮綜合管廊監控與報警系統工程技術標準》和2019年的《城市地下綜合管廊運行維護及安全技術標準》的出臺，對綜合管廊后期安全運維、數字運維、智慧運維提出了更高的要求。本文在研究BIM三維建模技術以及BIM與GIS數據接口轉換等技術的基礎上建立綜合管廊智能監控系統，能夠實時監控管廊內環境參數，面臨廊內緊急事故時做到及時、精準的預報警，一定程度上降低了城市綜合管廊的災害風險，同時減小其帶來的損失，為日后實現綜合管廊的安全化、智慧化助力。