基于Web 的管廊可視化信息管理系統設計與實現探討

屈千禧

（陜西國際商貿學院 陜西 咸陽 712046）

0 引言

在國家政策及城市管理升級雙重驅動背景下，綜合管廊建設發展已經常態化，成為解決城市交通擁堵，便利市政設施維護和檢修、減震防災等重要途徑。在城市綜合管廊建設過程中，一些問題隨之暴露，管線入廊難、管理協調難度大、建設成本大及運維成本高等制約管廊發展，關于綜合管廊發展重點，也由管廊本體建設，轉向管線布置、空間布局、運營維護、節能減排等，故對綜合管廊進行可視化信息管理至關重要。根據了解，目前我國城市綜合管廊巡檢維護工作仍以人工巡檢+監控系統相結合的管理方式，現有BIM 為主的管廊可視化系統雖然借助BIM 信息高度集成與共享技術，為管廊管理提供了豐富數據源，但是系統操作難度大、數據量大且結構復雜、硬件要求高、缺乏安全性預測功能等，均在一定程度上限制了該系統發展。本文提出基于Web 技術設計和實現的管廊可視化信息管理系統，將信息管理系統比作“大腦”，對綜合管廊進行可視化、信息化管理，不僅能給運維人員帶來極大便利，還能增強管廊應急管理能力，使得城市管理運營更加高效智慧。

1 管廊可視化信息管理系統功能需求分析

城市地下綜合管廊是通過統籌規劃設計，在城市地下建造一個集成電力、通信、燃氣、給排水、供熱等各類工程管線，并設置有專門檢測系統、檢修口和吊裝口的地下管道綜合走廊，是保障城市基礎運行的“生命線”[1]。一旦運維管理出現問題，就會有可能引發嚴重后果。因此，在設計之初就要做好相關信息的搜集、儲備，確保數據的完整性，為后期運維提供有效數據依據。在運維管理過程中，也要做好管廊環境數據的搜集與整理，如溫度、濕度等參數信息，實時掌握管廊運行情況，確保其處于最佳狀態[2]。

綜合管廊在實際運行中需要借助不同終端，查看不同監控系統，了解管廊運行實時數據。這些監控系統一般相互獨立，系統難以實現高效集成，很容易出現信息缺失、信息管理成本高、信息集成化程度低等問題。倘若在運維期間出現問題，難以快速定位異常，并輔助給出解決方案。因此，本文基于實際需求和綜合管廊自身設施特點，決定采用B/S 架構，總結基于Web 的管廊可視化信息管理系統功能需求如下。

1.1 信息集成與共享

集成綜合管廊在前期勘察、設計、BIM 幾何模型、施工階段的相關信息，將這些信息與建筑信息解耦后，篩選有效信息構建準確三維立體模型，作為參與各方主體信息共享和交流的平臺，也為后期運維提供信息基礎。集成和共享管廊運維過程中產生的各項信息。目前城市地下綜合管廊運維一般由綜合管廊運維企業、各專業入廊管線企業共同維護，存在較為復雜的信息交叉或者信息孤島情況，必須借助系統平臺實現各類數據信息的集成與共享[3]。

1.2 信息可視化管理

能夠實現入廊管線、附屬設施等構件信息可視化，包括構件基本信息查詢、三維立體空間展示、管廊內管線展示、設備運行狀態展示等。能夠將BIM 幾何信息轉化為可視化信息，呈現在Web 頁面，隨后將該信息和監控動態信息、綜合管廊建筑參數等進行動態耦合，便于管理人員清晰了解設備及構件運行動態。

1.3 環境數據實時采集與管理

綜合管廊信息采集一般以人工巡檢、監控系統相互結合的方式，巡檢人員、運維人員、成本管理人員等借助手持終端與系統后臺服務建立通信，將采集到的環境信息上傳并存入數據庫[4]；監控系統也可及時采集管廊建筑結構、入廊管線、專業設備等信息，存入數據庫，并實時更新三維立體模型。將數據庫的信息集成處理后，以交互形式將實時動態曲線展示在交互界面。該系統還能滿足管理人員歷史數據和終端節點屬性信息查詢功能。

1.4 環境數據預警

綜合管廊是一個狹長密閉的空間，管廊內部管線復雜，環境昏暗，一旦內部出現異常問題，短時間內難以察覺，倘若后續處理不當，會造成嚴重后果。特別是發生火災時，管線內部會迅速生成大量有害氣體和高溫煙霧，并聚集在一起，給設備及管理人員人身安全造成威脅[5]。對此，可以將CO 歷史數據作為訓練樣本，借助交互界面在線訓練LSTM 預測，實時顯示和預警兩小時內連續遞增等CO 數據，便于相關人員知識制定應急方案。

2 管廊可視化信息管理系統整體結構及功能概要設計

該管廊可視化信息管理系統整體設計主要包括終端節點、模型輕量化、后臺服務及前端頁面，具體見圖1。

其中，終端節點主要用于環境數據采集，一般安裝在管廊艙室內部，主要組成結構有傳感器、控制器及無線模塊，通過傳感器采集環境數據信息，采集到的數據經過TCP 通信，傳輸并存儲至服務系統數據庫[6]。模型輕量化模塊，主要功能是BIM 模型數據信息解構，實現這一模塊功能的關鍵技術為C#整合Revit 二次開發。前端頁面主要由幾何模型加載（使用WebGL 與HTML5 技術）、CO氣體量預測（使用Tensorflow.js 框架、瀏覽器在線訓練LSTM）、數據表展示、環境實時動態曲線（使用Ajax 技術與后臺軟件模塊交互實現）等組成，當監測或預測某艙室異常，可即時發布預警，將預警信號發送至工作人員手持終端，并為異常情況、故障問題等解決提供科學輔助，將危害范圍限制在可控空間內，避免造成更大范圍、更深程度的危害，保障人員生命安全。后臺軟件模塊，主要為系統提供數據庫信息查詢與更新、終端節點數據接收、前端數據展示等。

3 管廊可視化信息管理系統詳細設計

3.1 環境數據預測模塊

地下綜合管廊艙室較多，艙室環境不同氣體參數存在差異，可以基于Web 技術設計一款分布式CO 氣體量預測模塊，通過精準數據監測與計算，提高預測準確度，減輕整體管理壓力。該模塊將傳統電腦端的模型訓練和預測移植至Web 端，即由服務端轉移至客戶端，采用Tensorflow.js 框架+瀏覽器在線訓練LSTM 技術，具體步驟見圖2，可以直接在瀏覽器界面通過人機交互，進行該模塊的訓練和數控預測，有效規避了以往復雜環境部署和庫文件調用，也無需后臺支持，大大簡化訓練流程，提升訓練效果。其中，CO 氣體量等同于等間隔連續時間序列，LSTM 技術為深度神經網絡，對連續時間序列有較為準確的預測結果。另外，不同管廊艙室環境不同，可根據其歷史數據建立個性化預測結果。

3.2 模型輕量化模塊

在基于BIM 技術構建的管廊信息管理系統中，BIM 幾何模型會附帶大量施工過程靜態屬性信息，導致幾何模型包含信息量巨大，需要占用較大存儲空間。采用C#和Revit 二次開發技術，利用Revit 繪制六面墻，共生成約4.47 MB 的項目文件，其中幾何數據占比僅為12.5 K。可見，為了實現瀏覽器頁面中建筑模型的快速、完整加載，模型輕量化導入是十分關鍵的前提。本文設計的信息管理系統匯總，為實現這一功能，決定采用Revit 二次開發技術將建筑模型中的Rvt 文件以及各ID 對應結合數據解析分離出來，借助Obj 文件格式中的g 行（模型組名稱，數個面為一組）標識分隔出來。隨后，為了在數據庫中寫入屬性信息，利用動態鏈接庫和ID 索引技術，從而達到輕量化目的。

3.3 數據庫模塊

數據庫模塊主要包含終端節點表、環境數據表、用戶表、歷史信息表等內容。具體來看：（1）終端節點表的主要功能是終端節點信息查詢與更新，列表信息包括重點節點名稱、對應節點ID、在實際管廊中所處位置、持續使用時間等。管理人員登錄后臺管理系統后，可以更新和查詢節點信息；使用時間自節點啟動時間計算，自動生成顯示；管廊所處位置以語言描述形式展示。（2）環境數據表，顧名思義，設計傳感器范圍內搜集到的各項環境數據參數，如溫度、濕度、CO、CH2、O2、H2S 濃度等，還包含傳感器節點ID、時間戳、數據ID 等[7]，見表1。（3）用戶表，主要有用戶ID、名稱、密碼和角色等，在前端頁面輸入相關信息后，會自動與數據庫內存儲的信息相互比對，信息比對成功，顯示用戶登錄成功，信息匹配不上，顯示用戶登錄失敗[8]。（4）歷史信息表，主要為歷史環境數控信息，不僅能夠為用戶提供查詢服務，還能為氣體量預測模塊提供訓練樣本。其列表包含終端節點ID、日期、平均溫濕度、平均CO 含量等，平均值為每日每小時平均值，每日零時數據自動更新。

表1 環境數據表構成

3.4 后臺服務模塊

后臺服務模塊基于Java 開發語言、SSM 整合框架和MVC 框架，該模塊控制器部分前端界面為View，數據封裝部分為Model，端節點為客戶端。在終端節點和系統后臺服務中，均采用TCP/IP 通信協議進行通信。同時，管廊內終端節點數量較大，為確保數據傳輸準確性和完整性，系統后臺設計建構TCP 服務端線程池，利用線程池與終端節點的交互，將采集到的環境數據存入環境數據表中，能夠節省大量資源。同時，該數據庫持久層采用MyBatis，不僅能夠掩蓋JDBC細節，還能支持個性化SQL與存儲過程，將數據庫配置集成于XML 文件中。另外，后臺服務模塊還包含數據查詢、實時數據采集與展示、終端節點管理、角色控制等功能。

3.5 前端模塊

前端模塊設計開發采用JavaScript、Highcharts、CSS、Sim.js 等技術，能夠實現環境數據實時曲線展示、模型輕量化、終端節點管理等功能。其中，環境數據實時曲線展示功能實現的關鍵技術是Higcharts+Ajax 局部刷新技術，特定時間內相關信息查詢則需要借助定時發送Ajax 請求實現，這一請求過程采用的數據傳輸格式有一定要求，為輕量級Json 格式。

4 管廊可視化信息管理系統實現

4.1 環境數據曲線

前端頁面實現形式如下：將采集到的數據轉化為數值，繪制成曲線，借助動態曲線形式，呈現給用戶。頁面最左端為菜單欄，用戶點擊不同位置終端節點欄目，主頁面為實時監測數據，該數據間隔10 s 刷新一次。

4.2 輕量可視化

前端頁面加載輕量化模型之后，將管廊模擬場景直接展示出來，實現場景漫游。網頁左側為菜單欄，顯示不同終端節點位置，點擊后會直接展現相對應的模型位置。此時，頁面左側為節點附近環境信息和建筑物信息，右上角為不同場景瀏覽模式，可點擊鼠標切換，通過第一人稱視角進行場景查看或者漫游。在漫游過程中，用戶與場景交互中相關構件信息會展示在頁面左側。

4.3 數據庫管理

數據庫維護管理主要涉及歷史信息表查詢、終端節點表查詢與更新。其中，歷史信息表查詢模塊存儲每日歷史信息，零點更新，平均兩小時對環境數據按照預先編譯的存儲過程進行均值處理，處理結果會直接存儲在歷史信息表中，該模塊承擔用戶信息查詢功能[9]。另外，該歷史信息數據表還可以為在線訓練LSTM 提供樣本數據。在線訓練LSTM 包含查詢與更新兩方面，查詢內容為終端節點相關信息，更新內容主要為實際建筑主體相關參數信息的增補、刪減、修改等。當管理員更新相關參數信息時，左側菜單欄也會隨之更新。

5 結語

綜上所述，本文基于Web 技術設計的管廊可視化信息管理系統，具有信息集成與共享、信息可視化管理、環境數據實時采集與管理、環境數據預測與報警等功能，為城市地下綜合管廊信息化、智能化發展做出巨大貢獻。本文設計和實現的信息管理系統，對系統性能和可靠性進行了優化，能夠完成管廊管理、入廊作業、巡檢、應急預案管理等多方信息化管理，還能為管理人員運維提供充實數據支撐，滿足信息系統擴展性、高可靠性和低耦合性需求，為城市建設發展提供強有力的支撐。