BIM+GIS在城市綜合管廊監(jiān)控報(bào)警與運(yùn)維管控系統(tǒng)中的應(yīng)用

張緒偉ZHANG Xu-wei

（四川曠谷信息工程有限公司，成都 610083）

1 研究背景

根據(jù)《GB50838-2015城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》及《GBT 51274-2017城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)條款要求，城市綜合管廊監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)用于對(duì)綜合管廊內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)、實(shí)時(shí)環(huán)境信息、出入口狀態(tài)等進(jìn)行全方位在線監(jiān)控，保障管廊內(nèi)環(huán)境、設(shè)備、運(yùn)維人員安全，實(shí)現(xiàn)綜合管廊監(jiān)控與運(yùn)維的自動(dòng)化和智能化，但一般基于SCADA的綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了設(shè)備監(jiān)控報(bào)警及簡單的運(yùn)維管理功能，沒有將當(dāng)前主流的物聯(lián)網(wǎng)、BIM、GIS、SCADA、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行整體集成，難以對(duì)管廊內(nèi)部場景及設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀況進(jìn)行可視化、集中化、全息化展示。

因此，為了實(shí)現(xiàn)可視化的監(jiān)控技術(shù)，通過本次系統(tǒng)的技術(shù)研究，基于SCADA軟件接口進(jìn)行二次開發(fā)，利用主流的消息隊(duì)列軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、GIS空間數(shù)據(jù)及BIM模型數(shù)據(jù)的融合處理，再綜合管廊不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口協(xié)議，初步建立了以管廊監(jiān)控預(yù)警、運(yùn)維管理、應(yīng)急指揮、輔助決策為主要功能的綜合管廊監(jiān)控與運(yùn)維平臺(tái),在此基礎(chǔ)上可根據(jù)不同管廊的運(yùn)維管理及需求，實(shí)現(xiàn)管廊管理可視化、安全監(jiān)管精細(xì)化、運(yùn)維管理自動(dòng)化、數(shù)據(jù)分析全局化、應(yīng)急響應(yīng)智能化，建立智慧化的綜合管廊管控體系。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

綜合管廊監(jiān)控報(bào)警與運(yùn)維管控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)分為四層結(jié)構(gòu)，包含驅(qū)動(dòng)層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。感知層屬于硬件系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場監(jiān)控硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制功能。軟件架構(gòu)依據(jù)數(shù)據(jù)封裝的層級(jí)可以分為第一層驅(qū)動(dòng)層、第二層數(shù)據(jù)層、第三層服務(wù)層和第四層應(yīng)用層。如圖1所示。

圖1 綜合管廊監(jiān)控報(bào)警與運(yùn)維管控系統(tǒng)架構(gòu)

驅(qū)動(dòng)層：數(shù)據(jù)采集平臺(tái)負(fù)責(zé)通過通訊協(xié)議從前端感知層獲取綜合管廊監(jiān)測(cè)監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的業(yè)務(wù)邏輯處理，寫入監(jiān)測(cè)監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，并可直接通過消息隊(duì)列向上層應(yīng)用推送；同時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還可以通過消息隊(duì)列接收上層應(yīng)用發(fā)出的控制指令，下發(fā)至感知層，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

數(shù)據(jù)層：主要負(fù)責(zé)綜合管廊空間數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，包括監(jiān)測(cè)監(jiān)控實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、三維模型庫、視頻數(shù)據(jù)庫、專業(yè)管線數(shù)據(jù)庫、管廊附屬設(shè)施數(shù)據(jù)庫、管廊運(yùn)維庫等。其中，監(jiān)測(cè)監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)庫由于數(shù)據(jù)量龐大，采用分布式數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)。

服務(wù)層：包括數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)和數(shù)據(jù)融合服務(wù)兩部分，數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)以成熟的應(yīng)用平臺(tái)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)綜合管廊業(yè)務(wù)應(yīng)用層所需功能服務(wù)，包括應(yīng)用集成、實(shí)時(shí)消息推送、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、BIM、地理信息。數(shù)據(jù)融合服務(wù)以綜合管廊平臺(tái)所涉及的各專業(yè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)程提取、分析、融合更工作，從而做到及時(shí)、有效、便捷的溝通和決策。

應(yīng)用層：包括綜合集成與管控模塊、管廊運(yùn)維管理模塊、應(yīng)急管理模塊、管廊運(yùn)營管理模塊組成，并可以通過平臺(tái)層進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)模塊的接入實(shí)現(xiàn)管廊綜合管控?cái)?shù)據(jù)的利用。應(yīng)用層的功能模塊為綜合管理平臺(tái)提供監(jiān)控與預(yù)警、聯(lián)動(dòng)控制、運(yùn)維、應(yīng)急搶險(xiǎn)、運(yùn)營管理和數(shù)據(jù)分析挖掘全方位的應(yīng)用。

3 BIM/GIS數(shù)據(jù)處理

為了解決不同類源、異構(gòu)、動(dòng)態(tài)及分散的數(shù)據(jù)集成難度大的問題，在開展管廊本體及設(shè)備設(shè)施的BIM建模前，必須明確BIM建模標(biāo)準(zhǔn)及精度要求，包括設(shè)備設(shè)施類型及名稱、施工圖編號(hào)、里程位置等，并要明確BIM模型設(shè)備對(duì)象、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫設(shè)備對(duì)象以及SCADA設(shè)備對(duì)象唯一的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)集成及應(yīng)用展示。具體BIM模型數(shù)據(jù)處理流程如圖2。

圖2 BIM模型數(shù)據(jù)處理流程

其中模型處理環(huán)節(jié)最為復(fù)雜，是將由設(shè)計(jì)軟件建立的設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為能夠?qū)牍芾砥脚_(tái)的管理模型，包括格式轉(zhuǎn)換、輕量化處理、模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、模型合并、設(shè)備信息處理等，最后將處理過后的模型導(dǎo)入應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)與其它數(shù)據(jù)的集成融合。

GIS數(shù)據(jù)處理主要是利用TerrainPush軟件對(duì)管廊所在地理區(qū)域的高程DEM數(shù)據(jù)和影像DOM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成地形文件，并與地圖標(biāo)注數(shù)據(jù)疊加組成三維場景，基于該場景能夠進(jìn)行二維和三維模型瀏覽、地圖信息瀏覽。

4 系統(tǒng)功能

根據(jù)綜合管廊監(jiān)控及運(yùn)維需求，包括管廊環(huán)境及設(shè)備監(jiān)控需求、日常運(yùn)維管理需求、應(yīng)急處理需求、入廊人員定位及安全管理需求等，利用BIM/GIS可視化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)以下實(shí)用的功能或建立以下應(yīng)用場景：

4.1 一張圖監(jiān)控

通過集成BIM及GIS展示控件，可以在系統(tǒng)首頁一張圖的方式展示綜合管廊在地圖上的位置及線路、各個(gè)艙室分區(qū)的沿線分布，同時(shí)還可以對(duì)管廊當(dāng)前各類重要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，如當(dāng)前入廊人數(shù)、設(shè)備報(bào)警數(shù)等，并在GIS地圖中顯示報(bào)警設(shè)備的位置定位，點(diǎn)擊分區(qū)圖標(biāo)和設(shè)備報(bào)警圖標(biāo)都可以從全局位置定位進(jìn)入到設(shè)備所在艙室BIM模型的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)2D到3D的快速切換。

4.2 設(shè)備報(bào)警及定位處理

在日常運(yùn)維值守時(shí)，一般都停留在一張圖的GIS監(jiān)控首頁，在管廊內(nèi)部有設(shè)備實(shí)時(shí)報(bào)警時(shí)，地圖會(huì)立即顯示當(dāng)前報(bào)警設(shè)備所在的艙室分區(qū)，并且分區(qū)圖標(biāo)不停閃爍，點(diǎn)擊分區(qū)圖標(biāo)則可以定位到報(bào)警設(shè)備，從而對(duì)報(bào)警設(shè)備進(jìn)行各種操作，如安排排查、維修或者啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案等。

4.3 可視化檢索

由于綜合管廊一般都要安裝環(huán)控、安防、火災(zāi)及可燃?xì)怏w報(bào)警、通訊、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等多種獨(dú)立子系統(tǒng)，并且各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)備均分布在不同的艙室，由于分區(qū)長度不可能完全一樣，所以設(shè)備數(shù)量均有區(qū)別，如果利用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢功能進(jìn)行展示，用戶完全無法直觀了解其分布情況。因此，利用BIM/GIS進(jìn)行可視化檢索則可以大大提高系統(tǒng)的可交互性，如在一張圖首頁以圖標(biāo)方式展示所集成的子系統(tǒng)，點(diǎn)擊各個(gè)子系統(tǒng)則列出該系統(tǒng)所包含的設(shè)備類型，選中一種或某種設(shè)備類型后，則立即在地圖以特定圖標(biāo)顯示管廊全線選中設(shè)備類型的分布情況，適用于用戶想快速查看管廊某一段區(qū)域某些類型設(shè)備運(yùn)行情況的場景。

4.4 人員定位及軌跡

綜合管廊監(jiān)控運(yùn)維過程中，除了要確保設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行安全外，還要對(duì)進(jìn)入管廊的各類人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，要及時(shí)了解人員所處的位置，以免在發(fā)生應(yīng)急突發(fā)情況時(shí)及時(shí)救援，確保入廊人員的安全。目前綜合管廊內(nèi)部有多種室內(nèi)定位技術(shù)用于人員定位，本次研究通過利用管廊內(nèi)安裝的無線AP進(jìn)行人員定位，并在GIS地圖上實(shí)時(shí)顯示入廊人員在管廊全線的分布情況，點(diǎn)擊定位圖標(biāo)則可以擴(kuò)展多項(xiàng)實(shí)用功能，如入廊行走軌跡查詢、移動(dòng)通話、查看人員附近視頻、查看附近逃生口等，發(fā)生應(yīng)急突發(fā)情況時(shí)，大大提高了入廊人員的安全保障以及監(jiān)控人員的應(yīng)急響應(yīng)效率。

4.5 入廊管線管理

在傳統(tǒng)的管廊監(jiān)控系統(tǒng)中，一般都是通過數(shù)據(jù)錄入和查詢的方式維護(hù)當(dāng)前管廊入廊管線的信息，即使系統(tǒng)通過BIM插件集成了BIM模型，但是在建模初期，建模人員根本不掌握也不可能掌握未來管廊的入廊管線信息，因此，大部分BIM模型建模時(shí)要么均不建立管線模型，要么把設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)把所有要入廊的管線全部建好，并且管線沒有任何屬性信息，導(dǎo)致后期BIM模型導(dǎo)入系統(tǒng)后，根本無法真實(shí)反應(yīng)管線入廊情況。

所以，在建模初期，一定要考慮到后期運(yùn)維需求，將所有管線BIM模型建好，并且要對(duì)每一根管線創(chuàng)建必備的屬性信息，包括管線類型、空間位置、是否顯示、顏色、所在艙室分區(qū)、起止里程等，在后期進(jìn)行模型處理時(shí)，將所有屬性信息導(dǎo)入應(yīng)用數(shù)據(jù)庫后，將其與入廊管線的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)起來，可以讓系統(tǒng)BIM模型完全反映管廊內(nèi)部的真實(shí)管線情況，為實(shí)現(xiàn)后續(xù)的漫游巡檢及應(yīng)急模擬功能提供支撐。

4.6 漫游巡檢

在BIM模型構(gòu)造完全與真實(shí)管廊一致時(shí)，本次研究基于VR虛擬仿真的思想，在系統(tǒng)的BIM模型中創(chuàng)建了一個(gè)虛擬的動(dòng)畫人物，該人物可以按照用戶在系統(tǒng)中設(shè)定的巡檢路線（即指定艙室的起止里程）進(jìn)行漫步行走，在行走過程中，周圍所有的監(jiān)控設(shè)備均會(huì)顯示設(shè)備運(yùn)行信息卡并嵌套在模型中，仿佛監(jiān)控人員在管廊內(nèi)部巡檢一樣，主要是計(jì)算并存儲(chǔ)了管廊全線各個(gè)艙室的BIM模型的空間坐標(biāo)點(diǎn)，確保用戶可以自定義任何巡檢路徑。在目前用戶厭倦對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢條目化展示的情況下，大大提升了系統(tǒng)可交互性和科技感。

4.7 應(yīng)急模擬

綜合管廊日常運(yùn)維工作中，應(yīng)急預(yù)案的編制及演練是一項(xiàng)重要的工作，包括爆管、燃?xì)庑孤丁⒒馂?zāi)等發(fā)生幾率較大的危險(xiǎn)事件的應(yīng)急處理流程。本次研究創(chuàng)新性地將應(yīng)急預(yù)案的處理通過借助BIM/GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化和可視化，將應(yīng)急預(yù)案的流程劃分為工作步驟，并利用工作流引擎進(jìn)行特定的處理，最后利用動(dòng)畫編制程序進(jìn)行應(yīng)急處理過程的動(dòng)畫演示，可推廣用于每年應(yīng)急預(yù)案演練、新人培訓(xùn)以及管廊對(duì)外接待，能有效提高管廊運(yùn)維管理水平。

5 結(jié)語

綜上所述，在工程建設(shè)領(lǐng)域全面推廣BIM建模的趨勢(shì)下，BIM已經(jīng)成為當(dāng)今信息時(shí)代不可缺少的一項(xiàng)技術(shù)，通過BIM與GIS的深度融合集成，使精細(xì)表達(dá)的BIM信息與全局展示的GIS信息實(shí)現(xiàn)深度互動(dòng)，賦予了綜合管廊靈動(dòng)的生命力，大大提高了綜合管廊運(yùn)維管理和應(yīng)急處置水平。