BIM與IoT技術(shù)在智慧綜合管廊的應(yīng)用研究*

張 舉， 李有根， 梁曉旭， 劉 鵬

(建科公共設(shè)施運營管理有限公司，北京 100044)

0 引言

隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的迅速發(fā)展，地下空間的合理利用越來越受人們重視[1-2]。綜合管廊可以有效改善城市管線的布設(shè)要求、節(jié)約地下空間，較好地解決了“馬路拉鏈”問題，其綜合收益遠遠高于傳統(tǒng)埋設(shè)管線的方式[3]。作為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，國家早在2014年便開始發(fā)文對推進城市地下管廊的建設(shè)提出指導意見[4]，截至2019年，全國綜合管廊建設(shè)長度超2 200km，綜合管廊正以如火如荼的態(tài)勢由試點城市向非試點城市發(fā)展。

1 綜合管廊運維中現(xiàn)存的問題

我國部分管廊的建設(shè)早于《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》GB 50838-2015，存在廊內(nèi)附屬設(shè)施不完善、布局不合理問題。由于運維模式權(quán)責不清晰，導致運維工作落實性差，對于項目全生命周期來說，運營階段的時間占比超過90%[6]，隨著運營時間的延長，維修巡檢工作不到位導致的管廊結(jié)構(gòu)與管線自身出現(xiàn)不同程度損壞與老化的問題逐漸顯現(xiàn)出來。

對于已建成的管廊，現(xiàn)有大多數(shù)采取的運維管理手段主要依靠人工，而人工巡檢的成本較高且效率較低，由于管廊內(nèi)部空間狹小、風險源多樣、涉及專業(yè)廣，單純依靠人工或簡單監(jiān)測設(shè)備無法保障管理的準確性。另外，集中匯集于管廊的市政管線發(fā)生事故時的級聯(lián)災(zāi)害風險大幅度上升，這對管廊的智慧化發(fā)展提出了更高的要求。對于即將投入運營的管廊，有的項目雖然建立了相應(yīng)的信息化平臺，但是其與運維人員的配合較為繁瑣，也因此難為一線人員所接受。此外，許多技術(shù)相對獨立，各個系統(tǒng)之間未能實現(xiàn)聯(lián)動，運營中心所需操作人員多，系統(tǒng)應(yīng)用調(diào)用繁瑣緩慢，難以形成有效的信息閉環(huán)，因此為進一步提升綜合管廊的運維管理水平，更高效便捷的智慧化平臺與技術(shù)的應(yīng)用研究顯得十分必要。本文基于BIM與IoT技術(shù)對綜合管廊的智慧化運營進行研究，結(jié)合工程實例分析了智慧管理平臺的實用性與可行性。

2 BIM與IoT技術(shù)在建造過程中的應(yīng)用

2.1 BIM在建造過程中的應(yīng)用

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)可以應(yīng)用于管理的全生命周期，通過對包括所有構(gòu)件在內(nèi)的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)建立3D模型進而對項目進行管控。2011年以來，國家大力推進建筑業(yè)信息化促進了BIM技術(shù)的高速發(fā)展[7]，已經(jīng)形成較為完善的架構(gòu)，BIM在建造過程中的作用主要體現(xiàn)在以下三個方面。

(1)設(shè)計階段

綜合管廊內(nèi)部管線復(fù)雜，經(jīng)常在設(shè)計施工階段發(fā)生設(shè)計變更延誤工期，這也是傳統(tǒng)管廊設(shè)計中一個令人頭疼的問題。BIM技術(shù)在建模過程中可以實現(xiàn)管線的提前規(guī)劃，對可能發(fā)生的節(jié)點碰撞進行檢驗，當各專業(yè)間發(fā)生設(shè)計變更時可以及時被其他專業(yè)人員看到，進而有效保證管廊的規(guī)劃可行性。BIM模型可以借助3D動畫對管廊內(nèi)部進行模擬演示，通過漫游視角可以讓設(shè)計人員明確管線布置(圖1)，讓施工人員對設(shè)計理念更好地理解并指導施工，極大降低了返工率。

圖1 管廊內(nèi)部漫游視角

(2)施工階段

項目管理人員可以借助BIM對施工過程進行動態(tài)模擬，提前對施工進度和難點進行規(guī)劃，便于組織協(xié)調(diào)大型設(shè)備的提前進場與施工技術(shù)交底，及時校驗施工方案的合理性，有效避免因人員設(shè)備安排問題導致的施工進度延后。BIM模型建立完成后可以自動生成各構(gòu)件的參數(shù)，便于進行構(gòu)件的預(yù)制并實現(xiàn)精準下料，項目人員可以提前編制采購計劃，并對成本與管理進行深入分析。

(3)運維階段

綜合管廊是一個建設(shè)和維護周期較長的工程，BIM平臺可以通過溫度、煙霧、位移、紅外、傾斜等傳感器對管廊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管線進行智慧監(jiān)控。

2.2 IoT技術(shù)在建造過程中的應(yīng)用

IoT(Internet of Things)技術(shù)最早是由英國學者提出來的[8]，被稱為繼計算機和互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次信息科技革命，它的出現(xiàn)徹底顛覆了人們對設(shè)備設(shè)施的監(jiān)控認知。IoT是互聯(lián)網(wǎng)與物體間的集成，通過傳感器對設(shè)備設(shè)施或環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控，按照預(yù)先設(shè)定的協(xié)議實現(xiàn)控制平臺與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，進而對網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的人員、設(shè)備等進行智慧管理，其系統(tǒng)架構(gòu)可大致分為感知層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層三個層面。

(1)感知層：是IoT體系中最基礎(chǔ)的架構(gòu)，也是信息獲取最關(guān)鍵的層級。感知層通過傳感器、射頻識別、二維碼等終端對綜合管廊內(nèi)部的細部信息進行監(jiān)測與傳輸，包括管廊結(jié)構(gòu)、內(nèi)部溫濕度、煙霧、管線位置等。

(2)數(shù)據(jù)層：是數(shù)據(jù)整合分析的層級，通過基礎(chǔ)感知層的傳感器將數(shù)據(jù)進行管理、存儲與分析，包括設(shè)備靜態(tài)信息、動態(tài)信息、歷史指標庫、事件數(shù)據(jù)庫、BIM模型資源庫、配置庫等。

(3)應(yīng)用層：通過將各個子系統(tǒng)進行集成，在App端或大屏端展示給平臺使用者，包括管理人員、運維人員、巡檢人員等。使用人員可以依靠平臺對管廊及其內(nèi)部狀態(tài)信息進行實時監(jiān)測并做出決策。

3 BIM與IoT技術(shù)的融合與應(yīng)用

越來越多的工程實踐表明[9-11]，單一使用BIM或IoT技術(shù)存在智能化程度較低的問題。BIM技術(shù)可以對結(jié)構(gòu)進行建模，通過各專業(yè)協(xié)同設(shè)計提前對管廊及其內(nèi)部管線進行優(yōu)化，有效實現(xiàn)建設(shè)過程中的成本控制與進度控制等，實現(xiàn)建筑的可視化；而借助IoT技術(shù)可以通過感知層有效實現(xiàn)管廊內(nèi)部的構(gòu)件互聯(lián)，有效克服BIM技術(shù)數(shù)據(jù)采集實時性、位置準確性差的缺點。可以說，兩者的有機結(jié)合有效實現(xiàn)了各個業(yè)務(wù)單元的信息互通，避免了綜合管廊運維過程中“信息孤島”現(xiàn)象的發(fā)生。

目前BIM和IoT技術(shù)已具備較為成熟的架構(gòu)體系與應(yīng)用場景，將兩者融合用于綜合管廊的運維管理可以有效解決廊內(nèi)風險源多樣化的甄別與判斷，實現(xiàn)廊體與設(shè)備狀態(tài)全方位的實時監(jiān)控，達到安全、高效的運維管理水平。

4 BIM與IoT技術(shù)智慧平臺的應(yīng)用

玉溪市紅塔大道綜合管廊工程位于玉溪市紅塔區(qū)，是玉溪市第一個成功投入運營的綜合管廊項目。管廊為雙艙結(jié)構(gòu)，全長2.5km。燃氣艙內(nèi)壁凈尺寸為1.65m×3.8m，內(nèi)設(shè)兩根中壓DN200燃氣管線，綜合艙內(nèi)壁凈尺寸為2.8m×3.8m。

玉溪作為云南省批準試點城市，紅塔大道綜合管廊內(nèi)同時納入多種管線，并且紅塔大道為現(xiàn)狀道路，沿線現(xiàn)狀管網(wǎng)眾多，現(xiàn)場條件極其復(fù)雜，因此其運維管理項目真正具備起點高、難度大的特點，建設(shè)形成業(yè)務(wù)流程統(tǒng)一整合、軟硬件技術(shù)融合、數(shù)據(jù)集成輔助智慧決策的智慧管理平臺勢在必行。

4.1 綜合管廊智慧平臺的構(gòu)建

4.1.1 平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)對管廊本體、管廊內(nèi)部管線、管廊環(huán)境及內(nèi)部設(shè)備等的實時監(jiān)控與管理，實現(xiàn)更好的可視化與多端應(yīng)用，同時滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，本系統(tǒng)架構(gòu)選擇兩者混合模式。其中業(yè)務(wù)平臺采用B/S架構(gòu)，大屏端與移動端采用C/S架構(gòu)，圖2所示為系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

4.1.2 平臺層級體系構(gòu)成

系統(tǒng)基于BIM與IoT技術(shù)將管理層級分為3層體系(圖3)，分別為感知傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。

圖3 平臺層級體系劃分

其中，感知傳輸層包括供配電系統(tǒng)、預(yù)警報警系統(tǒng)、出入控制系統(tǒng)等，通過IoT中傳感器設(shè)備對管廊進行監(jiān)控與信息抓取；數(shù)據(jù)層對各子系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)進行海量存儲與分析工作，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為各子系統(tǒng)中需要進行融合處理的業(yè)務(wù)型數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)主要為BIM數(shù)據(jù)；應(yīng)用層為3大平臺，分為三維可視化運維控制平臺、綜合運維管理平臺和移動端App。

可視化平臺以BIM模型為基礎(chǔ)將管廊的各類空間和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行整合與呈現(xiàn)，通過直觀的大屏展示實現(xiàn)對廊下的設(shè)備設(shè)施和人員實時監(jiān)控，全局掌控，便于快速應(yīng)急決策。綜合運維管理平臺將業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行了融合處理，在提升數(shù)據(jù)直觀性的同時解決了管廊運維工作中多業(yè)務(wù)并行的需求，主要包括人員及巡視管理、事件管理、設(shè)備及資產(chǎn)管理等。移動端App對運維端和管理端做了不同功能設(shè)計，一線人員在運維端可以通過手機進行設(shè)備故障保修、定位打卡、緊急SOS等功能，管理端可以查看管廊環(huán)境情況、顯示設(shè)備、顯示人員、維修工單完成情況等。

4.2 綜合管廊智慧平臺功能模塊

(1)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)：智慧平臺可以對管廊內(nèi)的環(huán)境因素進行監(jiān)控，主要包括溫濕度、含氧量、硫化氫及液位等。當管廊內(nèi)部空氣指數(shù)不滿足施工要求時可及時告警運維人員，當管廊由于外界因素造成結(jié)構(gòu)破壞導致內(nèi)部水位上升時，平臺會自動報警并實時反饋位置及水位，便于使用者快速進行決策。

(2)設(shè)備監(jiān)控與告警系統(tǒng)：通過IoT技術(shù)感知傳輸層的傳感器可對管廊內(nèi)部的設(shè)備進行監(jiān)控及數(shù)據(jù)抓取，包括照明系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、水泵等，平臺可以隨時查看各個子系統(tǒng)的設(shè)備信息與運行狀態(tài)，并對設(shè)備進行遠程的啟停控制。當某個設(shè)備發(fā)生故障時，平臺大屏端會顯示當前故障設(shè)備位置與故障信息，管理人員可通過平臺及時向運維人員派送維修工單。

(3)預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)：監(jiān)控預(yù)警是智慧管廊不可或缺的模塊[12]，對故障的排查至關(guān)重要。平臺的預(yù)警監(jiān)測包括供水爆管預(yù)警、燃氣爆炸預(yù)警、電線起火預(yù)警和污水滲透預(yù)警。

(4)安防監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)控管廊內(nèi)的攝像頭和報警設(shè)備可查看實時影像，實時獲知廊下的人員入侵報警。安防監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對綜合管廊360度全方位實時監(jiān)控，根據(jù)日常運維需求設(shè)置9個窗口的自動輪巡，每個監(jiān)控畫面停留時間為1 min，約30 min輪巡完整個管廊。

(5)人員定位系統(tǒng)：通過預(yù)先在管廊內(nèi)部部署基站建立了精度較高的定位地圖，進入管廊的人員通過配合佩戴相關(guān)設(shè)備的方法，實現(xiàn)了廊內(nèi)人員的高精度實時定位，從而為視頻、照明等系統(tǒng)聯(lián)動提供高精度的入廊人員位置信息。

(6)決策分析系統(tǒng)：智慧平臺的決策分析系統(tǒng)界面包括近10天報警數(shù)據(jù)與分區(qū)報警次數(shù)統(tǒng)計、近10天傳感器類型報警統(tǒng)計、歷史環(huán)境數(shù)據(jù)分析與任務(wù)完成情況分析等。通過對報警位置與次數(shù)進行分析便于對重點故障與隱患區(qū)域進行監(jiān)控，快速做出決策應(yīng)急反應(yīng)。

5 結(jié)束語

玉溪管廊智慧管理平臺的應(yīng)用使管廊內(nèi)照明、通風等系統(tǒng)實現(xiàn)了自動啟停，從整體運營效益來看相較于傳統(tǒng)運維節(jié)電50%以上，智慧平臺的監(jiān)控與維修組人數(shù)實現(xiàn)有效控制，極大降低了人工成本。

隨著計算機科學的迅猛發(fā)展，未來建筑業(yè)將越來越依靠智慧管理與可視化交互，將BIM與IoT應(yīng)用于綜合管廊的運維管理，可以有效降低管理中存在的高昂人工成本，結(jié)合感知層、數(shù)據(jù)層與應(yīng)用層架構(gòu)可以實現(xiàn)對設(shè)備、人員與環(huán)境的全生命周期動態(tài)化監(jiān)控，智慧平臺可在一端實現(xiàn)全局掌控，便于管廊運維中的快速決策與應(yīng)急，最大程度地實現(xiàn)了“降本增效”，有助于提升綜合管廊的數(shù)字化升級與無人化施工的技術(shù)創(chuàng)新。