城市地下綜合管廊智慧化運營管理論述＊

劉雅莉，孟曉強

（1.河南交通職業技術學院，河南 鄭州 450000；2.中咨公路工程監理咨詢有限公司，北京 100089）

2016 年，針對中國城市規劃建設管理中存在的突出問題，在國務院發布的《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》中明確提及，到2020 年中國要建成一批在國際上具有先進水平的地下綜合管廊并投入運營，要明顯改善反復開挖地面的問題，要明顯提升管線安全水平以及防災抗災能力，逐步消除城市主要街道上空的蜘蛛網式架空線，要明顯提升城市地面景觀面貌。

近幾年來，國內的地下綜合管廊建設呈現蓬勃發展態勢。綜合管廊已日漸成為最有效的用來解決城市地下狀況與地下管網問題的方式，得到了業內的普遍認可，也代表著城市基礎設施未來發展的必然路徑和全新模式[1]。但是，當下對城市地下綜合管廊的研究仍然主要聚焦在開發利用的規劃、設計和施工階段，而較少關注綜合管廊后期的運營管理，特別是在智慧化技術應用進行后期日常維護運營方面。

隨著物聯網、大數據、VR、AI、虛擬仿真等技術的出現和不斷發展，如何運用數字化手段通過資源共享和信息互通實現對城市地下綜合管廊的智慧化維護運營，對提高管廊運營管理的效率和服務質量都將起到積極的作用[2-3]。

1 城市地下綜合管廊簡介

城市地下綜合管廊又叫管溝、共同管道、共同溝（以下簡稱“綜合管廊”）。它的定義如下：在城市道路下面集中建造很多管線的共同管道，包括電力線、通信線、廣播電視線、供水線、雨水線、污水線、中水線、熱力線、燃氣線等。在統一規劃、建設、管理的指導下，最大化、最優化利用地下空間和資源。目前綜合管廊根據所收容的管線性質主要劃分為干線管廊、支線管廊、纜線管廊和干支混合管廊4 種類型。

1.1 發展簡史

綜合管廊建設已有180 余年的發展歷史。世界上第一條綜合管廊在1833 年由法國巴黎興建，最早興建的這條管廊是以排放雨水和污水為主的重力流管線系統，管網縱橫，排污口、蓄水池眾多，后來進一步在管廊內鋪設了供水管、煤氣罐、通訊電纜等市政公用管道。

1861 年，英國在倫敦建設了一個綜合管廊，斷面是12 m×7.6 m 的半圓形，內部敷設了供水管、污水管、燃氣管、電力線纜和電信線纜，直到現在，倫敦市區的管廊數量達20 條之多。

前蘇聯在莫斯科、列寧格勒、基輔等地于1933 年修建了地下共同溝。迄今為止，莫斯科地下有130 km的綜合管廊，除煤氣管外，各種管線均有，只是截面較小，內部通風條件也較差。

日本的綜合管廊建設最早始于1926 年，當時在東京市中心的九段地區干線道路地下建設了國內第一條綜合管廊，將電力線纜、電話線路、供水管線、燃氣管線等市政基礎設施集中敷設在里面。目前，日本無論是在綜合管廊的建設速度上，還是在規劃能力、法規體系建設、工程技術等方面都是最先進的國家之一。

中國綜合管廊建設的起步相對國外其他國家較晚。1958 年，在天安門廣場地下建設了一條長度為1 076 m 的地下綜合管廊。1993 年，上海浦東新區張揚路鋪設了地下管廊，那是中國意義上第一條現代綜合管廊。

1.2 運營管理存在的問題

綜合管廊運營管理中普遍存在廊內環境差、設備維護水平低、管理技術落后、管廊安全預警和應急響應滯后等問題，具體如下：①智能化程度不足。對于較早建成并投入運營的綜合管廊，電子巡檢系統、標簽定位系統等子系統未加入建設清單。②監控單一獨立化。各監控系統單獨存在，如電力、熱力管線監測等都是來自于生產廠家的監控系統。廠家持續致力于自身專業領域內的管線監測較多，但對其他專業管線監控沒有經驗，甚至沒有考慮監測設備，加大了監控系統平臺兼容其他管線監測系統的難度。③可視化與精細化運營管理程度不高。BIM（Building Infоrmаtiоn Mоdеling）技術應用不足，只可確定管廊內設備與人員的具體位置，不可確定空間位置，導致綜合管廊可視化程度不高；另外，由于入廊管線產權單位眾多，數據壁壘現象嚴重，專業化運營管理難度大。④環境監測相關技術應用不足。運營中管廊照明系統實行遠程及實地手動開關控制，可能會出現監控中心值班人員遠程控制不及時、管廊出入人員忘記關燈等現象，導致電力被浪費。如何更好地聯動照明系統與環境監控系統，如利用人體感應控制、光照度控制、定時控制技術等使照明燈自動亮起或熄滅，是未來管廊運營管理中需要思考的問題。

2 城市智慧管廊綜合管理平臺

將BIM 技 術 和GIS （Gеоgrарhiс Infоrmаtiоn Systеm）技術基于模型管理的思想運用于城市智慧管廊綜合管理平臺中，采用三維立體模式仿真地下綜合管廊，將綜合管廊及其附屬設施、廊內管線包含周邊環境模型信息和設備運行狀態數據進行集成，把大量、分散的設備和傳感器數據轉換為系統的管理數據，讓管理人員可以實時查看采集到的監測數據及周邊環境圖像，實現對二維數據、宏觀及微觀數據的三維立體化、可視化、精細化、智慧化管理，提高綜合管廊運維水平、應急能力和經營管理水平，從而助力地下綜合管廊高效運行和快速發展。

平臺基于SOA（面向服務的架構）設計，采用3層結構，即應用層、中間層及數據層，如圖1 所示。

圖1 城市智慧管廊綜合管理平臺結構

應用層，即面向對象的應用，包括基于GIS 的信息化管理門戶網站、通風管理子系統、供電管理子系統、排水管理子系統、安全防范子系統、通訊應用管理子系統、預警與報警子系統、消防管理子系統、照明管理子系統、地理信息管理子系統、BIM 子系統等。同時，提供基于B/S（瀏覽器/服務器）模式的電腦、手機等客戶端軟件。

中間層，即提供各種應用服務支撐，采用標準接口協議，可供第三方開發。包括數據訪問、消息管理、安全服務等基礎性服務，是整個綜合監控平臺的應用基礎。

數據層，負責數據庫的訪問。而不需要關注具體的數據采集、數據傳輸和數據解析等操作，也不需要關注不同廠家、不同制式、不同類別終端設備的物理接口和拓撲方式。

2.1 平臺特征

平臺特征充分利用BIM 連接管廊全生命周期不同階段的數據、過程和資源，注重微觀領域中管廊內部的設計和實現的特點以及GIS 處理和分析宏觀地理環境中的地理數據的能力，通過對BIM 技術和GIS 技術的綜合運用和深度應用，讓管廊的宏觀、微觀管理功能和可視化功能很好地結合起來，再將各類數據及各個操作流程進行整合，打造集智能控制、降耗節能、智慧運營于一體的城市智慧管廊綜合管理平臺。

平臺具有以下幾方面的特征：①充分利用BIM 和基礎地理信息公共平臺提供的各種資源，使平臺的基礎地理數據、BIM 模型在政府部門、管線權屬單位和管廊運營公司之間得到統一。②建立全面覆蓋城市地下綜合管廊的數據庫，實現數據集成統一管理及管線數據動態更新統一管理；完善地下管線框架體系及地下管線動態更新機制，建設多種類、多時相、更新及時的綜合管廊管線管理體系，提高綜合管廊管線數據多層次服務能力。③建立綜合管廊共享服務和數據交換機制，打造一個城市地下管線安全生態圈，滿足政府部門、各個管線權屬單位、管廊運營公司的在線應用需求，徹底破解城市地下空間“信息孤島”難題。④提供安全開放的服務接口，構建綜合管廊信息資源開發和綜合利用的整體、統一框架。⑤建立綜合管廊信息化的規范標準體系、政策法規與管理制度，建立健全綜合管廊管線動態更新機制、共享標準體系和政策制度體系；實現數據采集、處理、建庫、發布、共享等的標準化和制度化，建立綜合管廊管線信息共享的長效機制。⑥通過綜合管廊管線信息共享服務，促進產業數字化轉型，使得各管線權屬單位能夠在此基礎上整合自身業務數據構建滿足自身需要的專題管線運營管理平臺。

2.2 平臺功能框架設計

2.2.1 軟件架構

平臺軟件架構設計基于BIM+GIS 技術的綜合運用，并采用“管+控”的一體化規劃設計理念。將平臺中不一樣的應用系統中類似的模塊規劃設計放在一塊，讓平臺更可靠、更好維護，也讓管廊的承載能力更容易管理，同時，又降低了建設成本、維護成本等。

所謂的類似的地方包括統一的數據傳輸平臺，適配各類物聯網終端的模塊化接入設備，構建數據倉庫，建立標準化的數據格式。城市智慧管廊綜合管理平臺軟件結構如圖2 所示。

圖2 城市智慧管廊綜合管理平臺軟件結構

2.2.2 硬件架構

平臺將依據監控的具體規范要求，在要求的點位安裝各類傳感采集終端，并對各類采集終端的點位、數據傳輸狀態、在網狀態等數據等進行比對分析，規劃處出最合理的采集終端選點，然后對這個選點、數據傳輸方式等的現場情況提出針對性解決措施。采集終端數據上傳到數據中心后，系統軟件平臺會呈現采集現場的實時工作情況，根據以往的歷史數據，加以比對分析，為系統預警研判提供一些更高級算法模型。城市智慧管廊綜合管理平臺硬件結構如圖3 所示。

圖3 城市智慧管廊綜合管理平臺硬件結構

2.2.3 實時GIS 地圖

基于實時GIS地圖搭建的綜合管廊GIS管理系統，作為整個監控調度系統的基礎平臺，可實時查看管廊本體及廊內設備和周邊附屬設施的動態運行數據，實現對管廊所有資源的綜合調度管理，隨時掌握管廊的實時工況，為集中調度和科學決策提供重要依據。

2.2.4 環境監測數據

作為管廊安全系統的感知神經，它是來自自動化控制設備的監測，可將各種情況實時傳遞給監控中心，讓中心管理及相關責任人員隨時掌控各種狀況，保證廊內管線及附屬設施處于正常工作狀態，如果有突發事故發生，能做到迅速預警并觸發相應資源處理。

2.2.5 BIM 視頻漫游

提前設置BIM 漫游路線，系統自動漫游并且顯示相應艙室視頻畫面。另外，BIM 技術的應用支撐下可以達到以下要求：對管廊重要節點、監控中心內外部結構、裝飾等進行三維建模和數據仿真分析，用于對設計效果、方案優化等進行提前模擬演練；進行管線碰撞檢查；將設計圖紙和現場進行的勘察資料通過BIM 技術進行三維建模，篩選出樁端持力層、巖面等關鍵性工程隱蔽節點，提前制定施工管控措施；通過對建筑結構、地下管線的綜合三維模型和專業軟件的虛擬場景漫游，進行可視化能力的技術交底，實時評估施工過程中安裝管線的工作狀況和效果，及時進行修正；實時掌握物資價格、工程進度等信息，以便最優化調配資源，最大限度保證工程進度。

2.2.6 異常報警

當環境監測異常或者發生非法入侵之時，通過模擬顯示屏顯示出入侵的區段及進出人數，并實時記錄入侵的時間、地點，同時通過報警設備發出報警信號，能夠查看提示詳情，并通過彈出的BIM 模型界面，進行相應操作。如緊急情況時，管理人員可啟用一鍵報警，全廊固定電話響鈴，廊內人員接聽電話。從而實現面臨突發事故快速做出應急指揮，引導管理人員進行科學決策、有序處理。

2.2.7 應用子系統

根據不同層級的管理人員所持有賬號分配相應權限，主要包括人員出入廊子系統、設備健康子系統、日常巡檢子系統、系統管理子系統、應急處置子系統及移動端APP 子系統。

人員出入廊子系統：包含門禁卡開辦、外來人員、權屬單位人員、運維人員管及管線出入廊5 個部分。從管線的前期入廊進場施工、中期入廊和后期巡檢維護維修，都可以在這個系統上實現線上辦理。

設備健康子系統：包含設備養護、維修、添加、檢測標定、替換記錄、備品備件及統計分析7 個部分。對初次進場設備的名稱、型號、參數、點位等按照統一編號規則編號，并與BIM 和GIS 系統數據進行關聯。

日常巡檢子系統：包含2 個部分，即巡檢區域和巡檢記錄，巡檢區域的分區是按照巡檢工作的任務要求，結合線路連貫性的要求，在地圖上基于GIS 功能劃分的，防止繞路或重復巡檢造成人力物力浪費。

系統管理子系統：系統包含登錄賬號管理、日志、排班、記錄查詢和警情匯總5 個部分。

應急處置子系統：系統包含演練、記錄、信號復位、會商和聯絡薄5 個部分。

移動端APP 子系統：如有工作人員入廊作業，可借助手機等移動終端對人員進行定位、通信，也可以實現接收任務、上報結果及門禁開啟等功能。

2.2.8 交接班提示

基于實時工作記錄錄入、手機掃描交接班等，系統自動創建新工作記錄構建交接班全過程閉環管理，從而讓數據完整沉淀、責任明確到人。同時，平臺能醒目顯示交接班時的未盡事宜或重要通知，以保障交接班時間安全運營。

2.2.9 值班監督

通過設置值班“打卡”功能，如通過每隔3 min“打卡”與否判斷值班人員是否在崗，作為對值班人員的考核依據。同時，支持利用視頻監察系統結合視頻監控系統的視頻分析技術，對于檢測到值班人員的離崗睡崗，系統將自動計入視頻監察記錄中，包括離崗人員、離崗時間、睡崗人員、睡崗時間，都會進行詳細的記錄；并且視頻進行留痕保存，當值班人員有疑義時可查看離崗、睡崗時的監控錄像，進行視頻的調取和查看。

3 結束語

在充分利用基礎地理信息公共平臺、管廊BIM 模型提供的各種服務的基礎上，采用先進的物聯網和智慧化手段，將管廊運營中的人員、設備、事件等要素與BIM 模型和GIS 三維空間模型進行數據關聯，通過這2 種模型搭建的數字孿生體對設備進行遠程控制。并對運維過程中采集的數據進行人工智能、大數據、云計算等分析比對，為綜合管廊的高效運營和安全運營保駕護航，提供理論依據和方案參考，真正實現智慧化、科學化、精細化、標準化的全生命周期運維管理。