綜合管廊智慧運維管理平臺應(yīng)用研究

魏華杰

（中國一冶集團有限公司，湖北 武漢 430081）

隨著我國地下綜合管廊建設(shè)推廣，管廊智慧運維平臺系統(tǒng)功能也愈加完善。李芊等[1]基于BIM技術(shù)設(shè)計了一種智慧管廊運維管理系統(tǒng)，具體分析了應(yīng)用三維可視化在管廊運維管理領(lǐng)域的優(yōu)勢；朱雪明[2]對上海世博會世博園區(qū)綜合管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)組成進行了介紹并對系統(tǒng)實現(xiàn)的基本數(shù)據(jù)采集內(nèi)容和基本系統(tǒng)聯(lián)動功能要點做了總結(jié)；李朝棟等[3]基于沈陽某綜合管廊工程背景和GB/T 51274—2017《城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準》的要求，設(shè)計了各子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)的運維管理系統(tǒng)；劉諾晨[4]針對BIM+GIS智慧管廊運維管理平臺的可視化效果展開研究，通過Unity3D軟件優(yōu)化，使得BIM+GIS的運維管理平臺的可視化功能具有實際的應(yīng)用價值。綜合管廊智慧管理平臺是綜合管廊建設(shè)的重要組成部分，是運維單位不可或缺的工具，雖然平臺系統(tǒng)功能不斷完善，但是目前仍存在一些需要解決的問題：

1）BIM、GIS、SCADA等系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)不充分，跨系統(tǒng)聯(lián)動場景開發(fā)不足，各子系統(tǒng)的雖有基本數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，但數(shù)據(jù)融合有待進一步加深；

2）巡檢雖然利用了巡更系統(tǒng)、手機端巡檢等方式，但是還需要人員經(jīng)常入廊，針對平臺結(jié)合機器人的自動巡檢方式還有待提升；

3）運營管理數(shù)據(jù)分析利用不足，導(dǎo)致無法進行有效的自動預(yù)警，日常的報表分析仍需要投入人力、物力。

針對以上管廊運維管理平臺存在的問題，本文以北方某城市綜合管廊項目的平臺建設(shè)為背景，對平臺架構(gòu)和功能進行設(shè)計。

1 總體設(shè)計思路

智慧管廊運維管理平臺總體架構(gòu)采用“管、控、營”一體化的設(shè)計理念，從平臺架構(gòu)設(shè)計、廊內(nèi)各項數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析和各專業(yè)智能聯(lián)動等多個方面考慮；解決地下綜合管廊運營運維過程中因管線產(chǎn)權(quán)單位數(shù)量多、管線種類多且復(fù)雜導(dǎo)致的各專業(yè)干擾性強，難以及時有效溝、通協(xié)、調(diào)解決的難題；同時設(shè)置多級管理架構(gòu)，實現(xiàn)對綜合管廊內(nèi)部設(shè)備的遠程管理與聯(lián)動控制。

智慧管廊運維管理平臺總體架構(gòu)為五級體系，自下而上依次為設(shè)備執(zhí)行層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和展示層。設(shè)備執(zhí)行層是平臺體系架構(gòu)的核心，是廊內(nèi)監(jiān)控數(shù)據(jù)采集過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，通過該層設(shè)置的各類攝像頭、傳感器以及探測儀器實現(xiàn)對綜合管廊全領(lǐng)域內(nèi)環(huán)境和設(shè)備的全過程監(jiān)控；利用傳輸層和數(shù)據(jù)層的傳輸和存儲功能將海量數(shù)據(jù)提供給上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行大數(shù)據(jù)分析、實時控制、展示和應(yīng)用。見圖1。

圖1 智慧管廊運維管理平臺總體架構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)功能

統(tǒng)一管理平臺以BIM+GIS系統(tǒng)為基礎(chǔ)，融合聯(lián)動安全防范系統(tǒng)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等，實現(xiàn)平臺數(shù)據(jù)的深度融合和系統(tǒng)聯(lián)動。

2.1 BIM+GIS系統(tǒng)

平臺信息可視化實現(xiàn)基于地理信息系統(tǒng)的綜合信息門戶、三維BIM的一體化監(jiān)控、融合SCADA的信息采集數(shù)據(jù)以及視頻信息。以“一張圖”模式展示所有環(huán)境與設(shè)備監(jiān)測信息、預(yù)警與報警信息、安防信息等，為綜合監(jiān)控平臺提供統(tǒng)一的、基于BIM+GIS+SCADA的人機交互界面。

BIM+GIS技術(shù)實現(xiàn)管廊空間以及設(shè)施設(shè)備三維呈現(xiàn)，可確定地下管廊精確分布位置，實現(xiàn)管廊所有出入口、通風(fēng)口、投料口管廊內(nèi)附屬設(shè)施的精確定位和查詢，既可總覽全局關(guān)鍵參數(shù)，又可從主要參數(shù)逐級導(dǎo)航到設(shè)備詳細參數(shù)。見圖2和圖3。

圖2 管廊GIS系統(tǒng)展現(xiàn)

圖3 管廊BIM系統(tǒng)展現(xiàn)

運維人員可方便地實現(xiàn)地下廊體可視化監(jiān)控，減少入廊巡視頻次，提高運維效率。

2.2 綜合監(jiān)控系統(tǒng)

智慧運維管理平臺的綜合監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋了GB/T 51274—2017要求的管廊內(nèi)設(shè)置環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、預(yù)警與報警系統(tǒng)并增加了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)和機器人巡檢系統(tǒng)。各系統(tǒng)的傳感設(shè)備及執(zhí)行設(shè)備均按照防火分區(qū)設(shè)置。

2.2.1 環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

包括環(huán)境檢測、通風(fēng)設(shè)備和排水設(shè)備監(jiān)控、照明監(jiān)控和配電監(jiān)控。環(huán)境檢測包括廊內(nèi)溫度、濕度、氧氣濃度、集水坑水位、硫化氫氣體監(jiān)測。系統(tǒng)可根據(jù)需要對風(fēng)機、水泵、照明進行遠程啟停并對電力系統(tǒng)參數(shù)進行監(jiān)控。管廊內(nèi)部各專業(yè)設(shè)備實時狀態(tài)能夠在監(jiān)控中心大屏上顯示，同時在控制系統(tǒng)操作界面以數(shù)據(jù)報表的形式體現(xiàn)。系統(tǒng)能夠顯示設(shè)備目前的運行狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，傳感器及時發(fā)出故障信號，管理人員通過攝像頭身處監(jiān)控室便能夠了解設(shè)備故障發(fā)生時間和地點以及故障原因，方便及時、準確地指導(dǎo)設(shè)備進行維修和保養(yǎng)。

2.2.2 安全防范系統(tǒng)

為保障管廊內(nèi)設(shè)施安全，有針對性地設(shè)置有效安全防范措施并在監(jiān)控中心設(shè)置相應(yīng)顯示、記錄和控制設(shè)備，當(dāng)有外人非法入侵管廊時及時報警，控制中心采取相應(yīng)措施。安防系統(tǒng)包括門禁、防入侵、電子井蓋、電子巡更系統(tǒng)等。

2.2.3 通信系統(tǒng)

為實現(xiàn)綜合管廊內(nèi)各區(qū)間巡檢維修人員之間及與控制中心值班人員之間內(nèi)部無障礙溝通，配備獨立的內(nèi)部語音通信系統(tǒng)，每個防火分區(qū)每艙設(shè)置通信點；同時綜合管廊內(nèi)部實施無死角無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實現(xiàn)監(jiān)控中心對管廊內(nèi)無線通信主要設(shè)備運行狀態(tài)和入廊巡檢維修人員狀況的實時監(jiān)測，滿足巡檢維修人員日常工作通信需求。

2.2.4 預(yù)警與報警系統(tǒng)

主要針對電力艙室設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。監(jiān)控中心消防控制室設(shè)置中心火災(zāi)報警控制柜，柜內(nèi)設(shè)火災(zāi)報警聯(lián)動主機、防火門監(jiān)控主機及消防電源監(jiān)控主機，通過監(jiān)控與報警統(tǒng)一管理平臺進行軟硬件整合，實現(xiàn)對火災(zāi)報警系統(tǒng)的監(jiān)控。在綜合管廊內(nèi)設(shè)置感溫、感煙探測器及消防區(qū)域控制器，同時配合設(shè)置現(xiàn)場報警按鈕，構(gòu)成綜合管廊內(nèi)火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。

2.2.5 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

由于本項目距離地鐵施工地段較近，為避免地鐵施工及運行對管廊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，設(shè)置了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，采用壓差式沉降儀、傾角測量儀、三軸測振儀等設(shè)備，實時監(jiān)測廊體結(jié)構(gòu)的沉降、傾斜及振動信息。綜合管廊振動及沉降監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測管廊受力情況，保證結(jié)構(gòu)安全承載；對整個結(jié)構(gòu)狀態(tài)進行連續(xù)的、實時的、在線的健康狀態(tài)監(jiān)測和評估，對結(jié)構(gòu)的安全性作出實時、準確的評價，極大地延拓傳統(tǒng)人工檢測內(nèi)容，實現(xiàn)預(yù)測維修，提高養(yǎng)護維修的管理水平，保障管廊結(jié)構(gòu)的可靠性、安全性和耐久性，避免潛在的災(zāi)難性事件發(fā)生。

2.2.6 智能機器人巡檢系統(tǒng)

機器人本體搭載紅外熱成像儀、攝像機、氣體傳感器等設(shè)備，可針對電力艙、綜合艙等艙室進行智能巡檢，可識別環(huán)境溫度及氣體變化等事故情況并將事故信號上傳至統(tǒng)一管理平臺，方便管理人員針對巡檢信息進行處理。

結(jié)合機器人的功能特點，開發(fā)了自動巡檢模式：通過平臺巡檢管理模塊定義巡檢內(nèi)容、巡檢路程、巡檢時間、巡檢條目，定時觸發(fā)機器人按照平臺預(yù)設(shè)進行巡檢；機器人巡檢過程中的視頻信息、位置信息和報警信息，能夠同步顯示在統(tǒng)一管理平臺的BIM和GIS界面上，相關(guān)數(shù)據(jù)與巡檢管理模塊聯(lián)通，生成巡檢記錄和巡檢報告，同時巡檢時發(fā)生的告警信息與平臺告警管理模塊聯(lián)動，生成告警記錄，推送給運維人員。自動巡檢功能極大降低了人員入廊巡檢頻次，提高了巡檢管理精細化程度。

2.2.7 綜合監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動

運行過程中可實現(xiàn)監(jiān)控與報警系統(tǒng)各子系統(tǒng)本系統(tǒng)和跨系統(tǒng)聯(lián)動控制，可實現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)設(shè)自動調(diào)度聯(lián)動、人員監(jiān)控中心手動調(diào)度聯(lián)動，還可以通過設(shè)置權(quán)限實現(xiàn)管廊內(nèi)人員手動調(diào)度聯(lián)動。本功能模塊向設(shè)備下發(fā)聯(lián)動指令、記錄聯(lián)動日志、提供聯(lián)動界面通知等，主要實現(xiàn)告警聯(lián)動設(shè)備跟蹤與處置、人員活動時設(shè)備節(jié)能聯(lián)動的功能。各系統(tǒng)聯(lián)動控制和調(diào)度場景較多，典型聯(lián)動控制策略如下。

1）當(dāng)某段防火區(qū)氧氣含量、溫度、濕度、有毒有害氣體濃度超過或低于各自設(shè)定閾值時，檢測儀表發(fā)出報警信號，同時綜合監(jiān)控平臺自動啟動該區(qū)段的通風(fēng)設(shè)備，強制換氣，保障工作人員和綜合管廊內(nèi)設(shè)施的安全。

2）在管廊集水坑內(nèi)設(shè)置液位計，現(xiàn)場水泵控制箱根據(jù)液位報警信號自動啟動水泵，強制排水，保障集水坑積水液位保持在警戒液位之下；當(dāng)集水坑內(nèi)液位超過超高液位時，向監(jiān)控中心報警，同時聯(lián)動攝像機監(jiān)控確認，以便工作人員采取其他措施處理事故。在燃氣艙設(shè)置防爆型液位計，根據(jù)液位高低控制水泵啟停。

3）當(dāng)非法人員由外部公共區(qū)域通過投料口進入管廊內(nèi)部時，入侵報警系統(tǒng)可以聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將攝像機現(xiàn)場圖像切換到監(jiān)控中心的大屏幕顯示器上。

4）當(dāng)有人進入管廊內(nèi)部巡檢時，出入口控制系統(tǒng)可聯(lián)動照明控制系統(tǒng)，將現(xiàn)場區(qū)域的照明燈打開。

5）視頻監(jiān)控與火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的聯(lián)動?；馂?zāi)報警系統(tǒng)出現(xiàn)火警信號時，該區(qū)域攝像機信號切換到控制室監(jiān)視器上，觀察火情大小、是否報；同時進行記錄，方便事后以報警事件為條件的查詢和回放。

6）機器人系統(tǒng)與BIM+GIS系統(tǒng)聯(lián)動，機器人拍攝畫面呈現(xiàn)于BIM或GIS界面上，數(shù)據(jù)和畫面同步，在巡檢和應(yīng)急處置的場景下，可快速搜集數(shù)據(jù)，展現(xiàn)現(xiàn)場狀態(tài)。

2.3 應(yīng)急管理系統(tǒng)

包括隱患管理、應(yīng)急預(yù)案管理、應(yīng)急指揮處置、應(yīng)急保障管理，依據(jù)運維單位的應(yīng)急管理體制，實現(xiàn)平臺化管理。平臺典型應(yīng)急管理應(yīng)用功能實現(xiàn)：現(xiàn)場接收到應(yīng)急事件報警時，地理信息系統(tǒng)+BIM平臺自動顯示報警地點并發(fā)出報警提示；獲取事件或報警信息后，自動調(diào)取事件周邊攝像機圖像，自動切換至監(jiān)控中心大屏以便及時了解事件詳情，在展示平臺自動顯示事件發(fā)生點周邊可控制的設(shè)備；應(yīng)急模塊自動生成相關(guān)預(yù)警、告示、提醒等相關(guān)信息并在管理員確認后發(fā)布，及時發(fā)布預(yù)警信息以防止事態(tài)擴大；發(fā)現(xiàn)事件后要求可自動顯示事件發(fā)生點附加的應(yīng)急資源，包括應(yīng)急人員和車輛、醫(yī)院；事件處理過程要求能夠全程監(jiān)控，可將過程通過系統(tǒng)反映到總監(jiān)控中心。對于重大事件，可將地理信息系統(tǒng)地圖、監(jiān)控視頻和數(shù)據(jù)等切換顯示至視頻會商系統(tǒng)，便于應(yīng)急事件的應(yīng)急會商和指揮調(diào)度。

2.4 數(shù)據(jù)分析

實現(xiàn)對管廊環(huán)境參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、事故告警、入廊人員活動等信息的匯總統(tǒng)計并與歷史同期水平進行對比分析。

2.4.1 統(tǒng)計分析功能

1）告警統(tǒng)計。實現(xiàn)分年、月、日、時段分析；告警類別分析；分級別分析；分艙室、分設(shè)備、分管線分析；分告警處理時長分析；分監(jiān)控員分析；告警趨勢分析；告警同比環(huán)比分析。

2）環(huán)境趨勢分析。分年、月、日、時段分析；分艙室分析；分防火分區(qū)分析；分傳感器分析；環(huán)境參數(shù)趨勢分析；環(huán)境參數(shù)同比環(huán)比分析。

3）設(shè)備維護及能耗分析。按照分年、月、日、時段分析；按照不同艙室進行分析；按照不同設(shè)備類型進行分析；實現(xiàn)能耗趨勢分析、設(shè)備維護信息及健康度分析。

4）入廊活動分析。實現(xiàn)分年、月、日、時段分析；分艙室分析；分防火分區(qū)分析；分單位、組織、人員分析；分入廊作業(yè)分析；入廊時長分段分析；結(jié)合人員安全告警分析。

2.4.2 輔助決策功能

對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運維過程信息數(shù)據(jù)進行采集處理情況下，對海量運維過程信息、能耗信息、設(shè)備養(yǎng)護信息進行處理，輸出運維決策評估和建議。針對設(shè)備能耗分析、人員入廊活動分析等數(shù)據(jù)，配置相關(guān)預(yù)警規(guī)則，設(shè)置運維決策建議，制定多種節(jié)能運維措施，為管理單位在低碳運行、安全運行方面提供輔助決策。

隨著運維數(shù)據(jù)的不斷積累，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗沉淀，持續(xù)對平臺決策功能迭代更新。

3 結(jié)語

通過BIM+GIS、機器人、結(jié)構(gòu)檢測等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合數(shù)據(jù)分析功能和輔助決策功能，切實保障了運維人員人身安全和管廊運行安全，減輕了人員工作量，提升了運維管理準確度，提高了管廊綜合應(yīng)急響應(yīng)速度、提升了安全運營能力，實現(xiàn)了綜合管廊運營期間規(guī)范化和智能化管理的目標(biāo)。該平臺在工程實踐中的成功應(yīng)用，為其他同類地下綜合管廊運營運維管理提供參考和借鑒。