基于BIM和GIS的綜合管廊智能化管理平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)

周 文，李倩楠，潘良波，楊國(guó)敬

(1.正元地理信息有限責(zé)任公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究開發(fā)中心，北京 101300;3. 北京市智慧管線安全評(píng)價(jià)及運(yùn)營(yíng)監(jiān)管工程技術(shù)研究中心，北京 101300)

0 引 言

隨著城市建設(shè)與城市規(guī)劃之間矛盾的日益激化，使得城市地下管線安全問(wèn)題越來(lái)越突出。各地頻發(fā)的地下管線事故，如“市內(nèi)看?！薄肮艿佬孤丁薄熬w吃人”等現(xiàn)象，不斷暴漏著城市地下管線建設(shè)管理工作中的問(wèn)題[1-2]。結(jié)合國(guó)外發(fā)達(dá)城市地下管線治理經(jīng)驗(yàn)，綜合管廊已經(jīng)成為未來(lái)城市基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化建設(shè)的必然趨向[3-4]。

綜合管廊普遍位于城市核心區(qū)或管線設(shè)施高度集中的主干道，附屬工程系統(tǒng)龐大，施工難度較高，綜合管廊建設(shè)工程設(shè)計(jì)、施工、竣工成果不一致的問(wèn)題日益突出。另外，綜合管廊建設(shè)投資費(fèi)用昂貴，建設(shè)完成之后，后期運(yùn)營(yíng)管理是重中之重，如何對(duì)已建成的綜合管廊實(shí)現(xiàn)精細(xì)、直觀、有效的運(yùn)營(yíng)，是必須要解決的問(wèn)題。本文在深入研究BIM（建筑信息模型）和GIS的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)BIM和GIS的結(jié)合，建設(shè)一套服務(wù)于綜合管廊規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和后期運(yùn)營(yíng)管理的平臺(tái)。它將解決綜合管廊建設(shè)完工之前各階段成果不一致問(wèn)題，同時(shí)提高管廊后期運(yùn)營(yíng)管理效率，提升運(yùn)營(yíng)管理水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文以連云港徐圩新區(qū)石化產(chǎn)業(yè)基地綜合管廊智能化管理平臺(tái)建設(shè)為例，提出系統(tǒng)構(gòu)建的思路及總體框架。

1.1 設(shè)計(jì)思路

BIM是通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬構(gòu)筑物所具有的真實(shí)信息集成工程設(shè)計(jì)中各種相關(guān)數(shù)據(jù)的工程信息模型，它的出現(xiàn)被認(rèn)為是建筑業(yè)的又一次“革命”[5-6]！隨著BIM技術(shù)優(yōu)勢(shì)的凸顯，綜合管廊與BIM技術(shù)的結(jié)合將是未來(lái)智慧管廊發(fā)展的主流方向。

將BIM 技術(shù)應(yīng)用于綜合管廊，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的三維協(xié)同規(guī)劃、施工建造全過(guò)程的一體化管控和運(yùn)維流程的智能化維護(hù)[7]。BIM可將設(shè)計(jì)成果隨時(shí)進(jìn)行管線碰撞檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行糾偏；BIM能同步提供管廊施工仿真模擬，超前模擬設(shè)計(jì)效果；BIM技術(shù)使整個(gè)建設(shè)周期具有可視性，通過(guò)對(duì)綜合管廊廊體進(jìn)行任意角度剖分，方便建模人員提前制定施工管控措施；BIM還可以提供有關(guān)資源分配以及成本、進(jìn)度、設(shè)備運(yùn)維等信息，方便施工進(jìn)程優(yōu)化管理。

GIS（地理信息系統(tǒng)）是基于計(jì)算機(jī)的工具，三維GIS不僅能表達(dá)空間對(duì)象間的平面和垂向關(guān)系，還可以進(jìn)行空間查詢、分析以及統(tǒng)計(jì)等操作[8]?；谌SGIS的綜合管廊智能化管理系統(tǒng)為管廊的全生命周期管理提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

三維GIS可為BIM在項(xiàng)目整個(gè)生命周期的實(shí)施提供三維表現(xiàn)的基礎(chǔ)、空間分析技術(shù)的能力以及模型溝通的平臺(tái)，BIM則可為三維GIS提供重要的數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)把微觀領(lǐng)域的BIM信息和宏觀領(lǐng)域的GIS信息進(jìn)行結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)從微觀到宏觀、市內(nèi)到室外、地下到地上的一體化管理。本文通過(guò)BIM與三維GIS的結(jié)合，把城市綜合管廊的規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等全生命周期內(nèi)不同階段的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行有效集成，以綜合管廊智能化管理平臺(tái)的形式為不同階段、不同需求的決策提供服務(wù)。其中，平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路如下：

平臺(tái)以數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用支撐平臺(tái)和專項(xiàng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，解決針對(duì)徐圩新區(qū)管廊管線應(yīng)用的四大問(wèn)題，即看、查、管、控。

1）看：引入地理信息技術(shù)和管線數(shù)據(jù)模型，以圖形化的方式展現(xiàn)二三維管廊管線數(shù)據(jù)和相關(guān)輔助數(shù)據(jù)，做到直觀可視、精確定位、快速出圖；

2）查：采用“圖屬一體化”解決方案，支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)面向業(yè)務(wù)的雙向查詢和快速定位；

3）管：建立合理的數(shù)據(jù)匯交機(jī)制、更新機(jī)制和分發(fā)共享機(jī)制，確保數(shù)據(jù)庫(kù)成果的完整性、準(zhǔn)確性、現(xiàn)勢(shì)性和易用性；

4）控：接入重點(diǎn)監(jiān)管設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案編制、預(yù)警分析、應(yīng)急指揮、災(zāi)后重建等功能提供數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)管線設(shè)備設(shè)施全生命周期管理。

以徐圩新區(qū)鋪設(shè)的3.8km綜合管廊的BIM建模數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將其導(dǎo)入三維GIS平臺(tái)；安裝各類傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以三維立體模型為載體，實(shí)現(xiàn)管廊精細(xì)化三維模擬，與此同時(shí)構(gòu)建監(jiān)控預(yù)警、RFID標(biāo)識(shí)系統(tǒng)以及應(yīng)急指揮響應(yīng)等專項(xiàng)系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

綜合管廊智能化管理平臺(tái)架構(gòu)（如圖1所示）由物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)、應(yīng)用支撐平臺(tái)和專題應(yīng)用系統(tǒng)（包括監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)、綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)和應(yīng)急指揮響應(yīng)系統(tǒng)等）組成，三個(gè)層次上下連接、互為支撐。

應(yīng)用支撐層建于數(shù)據(jù)層之上，為各種應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的管理和運(yùn)行維護(hù)服務(wù)，起到承上啟下的作用。應(yīng)用支撐層可支持不同物聯(lián)網(wǎng)傳感數(shù)據(jù)的接入，并能在此基礎(chǔ)上搭建不同的專題應(yīng)用系統(tǒng)。

專題應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)主要是對(duì)綜合管廊的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控管理、日常巡查養(yǎng)護(hù)、隱患管理、預(yù)警分析與推送以及對(duì)預(yù)警事件進(jìn)行日常處理和啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案綜合處置。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 The system architecture diagram

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 BIM建模系統(tǒng)

利用管線探測(cè)、無(wú)人機(jī)以及激光點(diǎn)云、傾斜攝影等先進(jìn)的陸、空、地三位一體的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管廊BIM建模，解決綜合管廊規(guī)劃現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取的問(wèn)題；通過(guò)BIM管廊數(shù)據(jù)與GIS平臺(tái)結(jié)合，將BIM管廊數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維GIS平臺(tái)中，導(dǎo)入后的綜合管廊三維模型數(shù)據(jù)和其屬性數(shù)據(jù)通過(guò)唯一ID進(jìn)行關(guān)聯(lián)，原有的相關(guān)屬性信息被完好保存，同時(shí)所有的管線三維模型和設(shè)備三維模型都和現(xiàn)實(shí)中管廊管線和設(shè)備模型一一對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)；并可與GIS地理環(huán)境共享，實(shí)現(xiàn)管廊內(nèi)各類管線的位置布局及傳導(dǎo)方位模擬，檢測(cè)管廊內(nèi)供水管線、供電管線及通訊管線等對(duì)彼此的影響關(guān)系。

2.2 監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

運(yùn)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、GIS、云計(jì)算、在線監(jiān)測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化控制、網(wǎng)絡(luò)通信及BIM技術(shù)在內(nèi)的先進(jìn)信息化技術(shù)，通過(guò)感、傳、知、用四個(gè)層次，完成對(duì)綜合管廊狀態(tài)和屬性信息的感知和應(yīng)用。通過(guò)在合適地點(diǎn)安裝多種類型的傳感器，能夠?qū)崟r(shí)獲取溫濕度、沉降、有害氣體等多種關(guān)鍵指標(biāo)，并能夠根據(jù)設(shè)定進(jìn)行報(bào)警通知，實(shí)現(xiàn)綜合管廊的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)、集中管控。監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)界面如圖2所示。

圖2 監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)Fig.2 The monitoring and early-warning system

1）三維展示

利用BIM 和三維GIS等技術(shù)手段，系統(tǒng)能夠以三維模擬的形式為石化管廊的管道及管架提供生動(dòng)直觀的展示途徑。三維展示模塊方便用戶從空間角度查看綜合管廊樁基、承臺(tái)、管架、桁架、維修通道以及管道的橫斷面、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警信息等內(nèi)容。

傳統(tǒng)形式的人工監(jiān)測(cè)采集方法存在著數(shù)據(jù)量小、不連續(xù)、反應(yīng)滯后等缺陷，一旦管廊管線出現(xiàn)問(wèn)題，往往無(wú)法找出故障原始數(shù)據(jù)，不利于事故的分析、判斷、預(yù)防和應(yīng)急。

新區(qū)公共管廊承載著多種有毒有害石化物料的輸送工作，其對(duì)安全保障方面的要求十分嚴(yán)苛。這對(duì)數(shù)據(jù)采集的即時(shí)性、全局性、連續(xù)性和精確性等方面提出了極高的要求。

在線監(jiān)測(cè)模塊與多種監(jiān)測(cè)傳感器相關(guān)聯(lián)，涵蓋管線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)（溫度、濕度、水位、氣體濃度等）、視頻監(jiān)控、安防監(jiān)測(cè)、巡檢機(jī)器人（或者人工巡查）、廣播系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警監(jiān)控、通風(fēng)系統(tǒng)、管廊結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)等，可對(duì)公共管廊運(yùn)行狀況進(jìn)行24h連續(xù)精確監(jiān)測(cè)。在管理者個(gè)人電腦或大屏幕上，監(jiān)測(cè)信息的靈活展示可以為決策者提供早期的報(bào)警信息，從而能夠?qū)φ麄€(gè)公共管廊的運(yùn)行狀態(tài)尤其是故障和險(xiǎn)情做出迅速、準(zhǔn)確的判斷。

3）預(yù)警分析

通過(guò)三維模擬在線監(jiān)測(cè)預(yù)警把實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示在傳感器安裝的真實(shí)位置上，通過(guò)各種監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取的相關(guān)信息和運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線能夠幫助管理者直觀地了解監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的近期波動(dòng)，便于管理者對(duì)事故預(yù)警事件進(jìn)行分析處理，及時(shí)提供預(yù)警信息。

4）預(yù)警推送

三維監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)預(yù)警分析，推送預(yù)警信息給綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)和應(yīng)急指揮響應(yīng)系統(tǒng)，指導(dǎo)巡查養(yǎng)護(hù)和應(yīng)急響應(yīng)。

從概念的描述看，第一學(xué)段的6個(gè)版本是結(jié)合圖形給出概念名稱；第二學(xué)段是結(jié)合圖形給出概念的文字定義；第三學(xué)段不僅給出概念的文字定義，還結(jié)合圖形說(shuō)明概念的符號(hào)表示方法．

5）歷史分析

歷史分析功能可通過(guò)時(shí)間、監(jiān)測(cè)類型、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等多種條件的篩選，快速準(zhǔn)確地對(duì)歷史預(yù)警信息進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，并能以柱狀圖、扇形圖或表格形式直觀展示。

6）基礎(chǔ)維護(hù)

系統(tǒng)能夠以簡(jiǎn)潔明晰的操作方式提供設(shè)施、監(jiān)測(cè)設(shè)備的維護(hù)和監(jiān)測(cè)項(xiàng)配置的管理。

2.3 應(yīng)急指揮響應(yīng)系統(tǒng)

應(yīng)急指揮響應(yīng)系統(tǒng)集成管廊周邊環(huán)境數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、危險(xiǎn)源數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘分析，啟動(dòng)應(yīng)急指揮預(yù)案進(jìn)行事故處置，實(shí)現(xiàn)人員、設(shè)備、資源合理調(diào)控，輔助應(yīng)急指揮。系統(tǒng)包括事故接警、事故評(píng)估、事故處置和事故總結(jié)的全系列處理流程。徐圩新區(qū)公共管廊應(yīng)急指揮響應(yīng)系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 應(yīng)急指揮響應(yīng)系統(tǒng)Fig.3 The emergency response command system

1）事故接警

通過(guò)三維GIS將基礎(chǔ)地理要素、管線、危險(xiǎn)源、自然資源等信息在地圖中綜合展示，在發(fā)生管道突發(fā)事件后，以閃爍圖標(biāo)或聲音預(yù)警等方式進(jìn)行預(yù)警，并快速定位到事故現(xiàn)場(chǎng)。

2）事故評(píng)估

進(jìn)行接警登記后，系統(tǒng)通過(guò)接入危險(xiǎn)源、重點(diǎn)區(qū)域數(shù)據(jù)，調(diào)用實(shí)時(shí)監(jiān)控（或現(xiàn)場(chǎng)視頻）、專家?guī)?、人員庫(kù)、救災(zāi)資料庫(kù)等信息，啟動(dòng)事故動(dòng)態(tài)模擬機(jī)制進(jìn)行事故影響范圍評(píng)估，預(yù)測(cè)事故危害情況，以此確定事故等級(jí)并自動(dòng)關(guān)聯(lián)應(yīng)急預(yù)案。

3）事故處置

借助三維GIS平臺(tái)以圖形方式實(shí)時(shí)更新事故最新動(dòng)態(tài)，根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的情況和事故模擬結(jié)果，制定救援方案，調(diào)動(dòng)并合理分配所需的醫(yī)療、消防、警力及其他搶險(xiǎn)資源，結(jié)合歷史道路交通信息，分析最優(yōu)救援路線，并在明確事故發(fā)生的具體原因基礎(chǔ)上，制定對(duì)關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施或區(qū)域的搶險(xiǎn)維修方案。

4）事故歸檔

事故處理結(jié)束后對(duì)事故進(jìn)行總結(jié)，形成總結(jié)報(bào)告和歷史案例知識(shí)庫(kù)，為今后發(fā)生類似的事情提供借鑒作用。

2.4 其他功能

1）綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)

綜合業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)由綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)和多臺(tái)安裝巡檢App的智能巡檢終端組成。巡檢人員手持智能巡檢終端，通過(guò)移動(dòng)通信遠(yuǎn)程交換網(wǎng)，連接到監(jiān)控中心。綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)的功能包括上下班考勤、值班管理、巡查養(yǎng)護(hù)、隱患處置、案件上報(bào)和設(shè)施維護(hù)等，有利于實(shí)現(xiàn)日常業(yè)務(wù)辦公流程化、自動(dòng)化和移動(dòng)化管理。

2）機(jī)器人巡檢系統(tǒng)

軌道式機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)的巡檢設(shè)施是軌道式機(jī)器人，可完成對(duì)綜合管廊設(shè)備、環(huán)境的移動(dòng)監(jiān)測(cè)以及信息采集[9]。通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管控，實(shí)現(xiàn)綜合管廊自動(dòng)巡檢、遠(yuǎn)程遙控巡檢、重點(diǎn)區(qū)域巡檢等功能，并能將監(jiān)測(cè)和采集的各種信息通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺魉偷街笓]中心監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

3）出入口控制與報(bào)警系統(tǒng)

出入口控制與報(bào)警系統(tǒng)可對(duì)出入綜合管廊的人員進(jìn)行身份核實(shí)。

4）RFID標(biāo)識(shí)系統(tǒng)

系統(tǒng)將歸入綜合管廊的管線采用符合標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)志、標(biāo)識(shí)進(jìn)行區(qū)別。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)BIM和GIS在該試點(diǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，為兩者在綜合管廊建設(shè)中的應(yīng)用提供一定參考。建成的管廊智能化管理平臺(tái)有助于促進(jìn)管廊綜合管理能力、養(yǎng)護(hù)能力、監(jiān)控預(yù)警以及應(yīng)急處置能力的綜合提升，實(shí)現(xiàn)綜合管廊全生命周期精細(xì)化和規(guī)范化管理以及智能化運(yùn)維。

隨著軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，BIM技術(shù)日趨成熟，由其帶來(lái)的行業(yè)價(jià)值也隨之激增。BIM和三維GIS優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，兩者的結(jié)合已經(jīng)成為綜合管廊建設(shè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，可以為綜合管廊規(guī)劃建設(shè)階段和和運(yùn)維階段諸多問(wèn)題的解決提供新的思路。