淺談BIM+GIS在管廊機電監控與運維管控係統中的應用

摘要：本文提出了一種城市綜合管廊監控與(yu) 報警集成管控平台的架構，並對以BIM+GIS為(wei) 核心的係統功能進行了研究和分析，通過GIS實現對管廊整體(ti) 及設備設施的全局定位及管理，利用BIM實現對管廊設備的空間定位，二者相互融合，創造性的提出了多種基於(yu) BIM\GIS集成的功能應用，全麵實現對綜合管廊設備設施的可視化管控，大大提升了綜合管廊監控係統的可交互性。

關(guan) 鍵詞：BIM；GIS；SCADA；綜合管廊；監控；物聯網

1研究背景

根據《GB50838-2015城市綜合管廊工程技術規範》及《GBT51274-2017城鎮綜合管廊監控與(yu) 報警係統工程技術標準》的相關(guan) 條款要求，城市綜合管廊監控報警係統用於(yu) 對綜合管廊內(nei) 的設備運行狀態及參數、實時環境信息、出入口狀態等進行在線監控，保障管廊內(nei) 環境、設備、運維人員安全，實現綜合管廊監控與(yu) 運維的自動化和智能化，但一般基於(yu) SCADA的綜合管廊監控係統隻實現了設備監控報警及簡單的運維管理功能，沒有將當前主流的物聯網、BIM、GIS、SCADA、大數據等技術進行整體(ti) 集成，難以對管廊內(nei) 部場景及設備設施運行狀況進行可視化、集中化、全息化展示。

因此，為(wei) 了實現可視化的監控技術，通過本次係統的技術研究，基於(yu) SCADA軟件接口進行二次開發，利用主流的消息隊列軟件實現設備監控實時數據和報警數據與(yu) 業(ye) 務數據、GIS空間數據及BIM模型數據的融合處理，再綜合管廊不同子係統的數據接口協議，初步建立了以管廊監控預警、運維管理、應急指揮、輔助決(jue) 策為(wei) 主要功能的綜合管廊監控與(yu) 運維平台,在此基礎上可根據不同管廊的運維管理及需求，實現管廊管理可視化、安全監管精細化、運維管理自動化、數據分析全局化、應急響應智能化，建立智慧化的綜合管廊管控體(ti) 係。

2係統架構

綜合管廊監控報警與(yu) 運維管控係統架構設計分為(wei) 四層結構，包含驅動層、數據層、平台層和應用層。感知層屬於(yu) 硬件係統，負責對現場監控硬件設備的數據采集和控製功能。軟件架構依據數據封裝的層級可以分為(wei) 一層驅動層、二層數據層、三層服務層和四層應用層。

驅動層：數據采集平台負責通過通訊協議從(cong) 前端感知層獲取綜合管廊監測監控實時數據，經過一定的業(ye) 務邏輯處理，寫(xie) 入監測監控實時數據庫和曆史數據庫，並可直接通過消息隊列向上層應用推送；同時數據采集係統還可以通過消息隊列接收上層應用發出的控製指令，下發至感知層，實現對設備的控製。

數據層：主要負責綜合管廊空間數據、實時監測數據和業(ye) 務屬性數據的存儲(chu) ，包括監測監控實時和曆史數據庫、空間數據庫、三維模型庫、視頻數據庫、專(zhuan) 業(ye) 管線數據庫、管廊設施數據庫、管廊運維庫等。其中，監測監控曆史數據和視頻數據庫由於(yu) 數據量龐大，采用分布式數據庫進行存儲(chu) 。

服務層：包括數據服務平台和數據融合服務兩(liang) 部分，數據服務平台以成熟的應用平台為(wei) 基礎實現綜合管廊業(ye) 務應用層所需功能服務，包括應用集成、實時消息推送、移動互聯網、視頻監控、BIM、地理信息。數據融合服務以綜合管廊平台所涉及的各專(zhuan) 業(ye) 數據為(wei) 基礎，對數據進程提取、分析、融合更工作，從(cong) 而做到及時、有效、便捷的溝通和決(jue) 策。

應用層：包括綜合集成與(yu) 管控模塊、管廊運維管理模塊、應急管理模塊、管廊運營管理模塊組成，並可以通過平台層進行應用係統模塊的接入實現管廊綜合管控數據的利用。應用層的功能模塊為(wei) 綜合管理平台提供監控與(yu) 預警、聯動控製、運維、應急搶險、運營管理和數據分析挖掘的應用。

3BIM/GIS數據處理

為(wei) 了解決(jue) 不同類源、異構、動態及分散的數據集成難度大的問題，在開展管廊本體(ti) 及設備設施的BIM建模前，明確BIM建模標準及精度要求，包括設備設施類型及名稱、施工圖編號、裏程位置等，並要明確BIM模型設備對象、應用數據庫設備對象以及SCADA設備的映射關(guan) 係，從(cong) 而實現各類數據集成及應用展示。具體(ti) BIM模型數據處理流程如圖2。

其中模型處理環節為(wei) 複雜，是將由設計軟件建立的設計模型轉換為(wei) 能夠導入管理平台的管理模型，包括格式轉換、輕量化處理、模型坐標轉換、模型合並、設備信息處理等，後將處理過後的模型導入應用數據庫，從(cong) 而實現與(yu) 其它數據的集成融合。

GIS數據處理主要是利用TerrainPush軟件對管廊所在地理區域的高程DEM數據和影像DOM數據進行處理生成地形文件，並與(yu) 地圖標注數據疊加組成三維場景，基於(yu) 該場景能夠進行二維和三維模型瀏覽、地圖信息瀏覽。

4係統功能

根據綜合管廊監控及運維需求，包括管廊環境及設備監控需求、日常運維管理需求、應急處理需求、入廊人員定位及安全管理需求等，利用BIM/GIS可視化技術的優(you) 勢，可以實現以下實用的功能或建立以下應用場景：

4.1一張圖監控

通過集成BIM及GIS展示控件，可以在係統首頁一張圖的方式展示綜合管廊在地圖上的位置及線路、各個(ge) 艙室分區的沿線分布，同時還可以對管廊當前各類重要實時數據進行展示，如當前入廊人數、設備報警數等，並在GIS地圖中顯示報警設備的位置定位，點擊分區圖標和設備報警圖標都可以從(cong) 全局位置定位進入到設備所在艙室BIM模型的內(nei) 部，實現2D到3D的快速切換。

4.2設備報警及定位處理

在日常運維值守時，一般都停留在一張圖的GIS監控首頁，在管廊內(nei) 部有設備實時報警時，地圖會(hui) 立即顯示當前報警設備所在的艙室分區，並且分區圖標不停閃爍，點擊分區圖標則可以定位到報警設備，從(cong) 而對報警設備進行各種操作，如安排排查、維修或者啟動應急預案等。

4.3可視化檢索

由於(yu) 綜合管廊一般都要安裝環控、安防、火災及可燃氣體(ti) 報警、通訊、結構健康監測等多種獨立子係統，並且各個(ge) 子係統的設備均分布在不同的艙室，由於(yu) 分區長度不可能一樣，所以設備數量均有區別，如果利用傳(chuan) 統的數據查詢功能進行展示，用戶無法直觀了解其分布情況。因此，利用BIM/GIS進行可視化檢索則可以大大提高係統的可交互性，如在一張圖首頁以圖標方式展示所集成的子係統，點擊各個(ge) 子係統則列出該係統所包含的設備類型，選中一種或某種設備類型後，則立即在地圖以特定圖標顯示管廊全線選中設備類型的分布情況，適用於(yu) 用戶想快速查看管廊某一段區域某些類型設備運行情況的場景。

4.4人員定位及軌跡

綜合管廊監控運維過程中，除了要確保設備設施的運行安全外，還要對進入管廊的各類人員進行實時監控，要及時了解人員所處的位置，以免在發生應急突發情況時及時救援，確保入廊人員的安全。目前綜合管廊內(nei) 部有多種室內(nei) 定位技術用於(yu) 人員定位，本次研究通過利用管廊內(nei) 安裝的無線AP進行人員定位，並在GIS地圖上實時顯示入廊人員在管廊全線的分布情況，點擊定位圖標則可以擴展多項實用功能，如入廊行走軌跡查詢、移動通話、查看人員附近視頻、查看附近逃生口等，發生應急突發情況時，大大提高了入廊人員的安全保障以及監控人員的應急響應效率。

4.5入廊管線管理

在傳(chuan) 統的管廊監控係統中，一般都是通過數據錄入和查詢的方式維護當前管廊入廊管線的信息，即使係統通過BIM插件集成了BIM模型，但是在建模初期，建模人員本不掌握也不可能掌握未來管廊的入廊管線信息，因此，大部分BIM模型建模時要麽(me) 均不建立管線模型，要麽(me) 把設計標準把所有要入廊的管線全部建好，並且管線沒有任何屬性信息，導致後期BIM模型導入係統後，根本無法真實反應管線入廊情況。

所以，在建模初期，一定要考慮到後期運維需求，將所有管線BIM模型建好，並且要對每一根管線創建的屬性信息，包括管線類型、空間位置、是否顯示、顏色、所在艙室分區、起止裏程等，在後期進行模型處理時，將所有屬性信息導入應用數據庫後，將其與(yu) 入廊管線的業(ye) 務數據信息關(guan) 聯起來，可以讓係統BIM模型反映管廊內(nei) 部的真實管線情況，為(wei) 實現後續的漫遊巡檢及應急模擬功能提供支撐。

4.6漫遊巡檢

在BIM模型構造與(yu) 真實管廊一致時，本次研究基於(yu) VR虛擬仿真的思想，在係統的BIM模型中創建了一個(ge) 虛擬的動畫人物，該人物可以按照用戶在係統中設定的巡檢路線（即室的起止裏程）進行漫步行走，在行走過程中，周圍所有的監控設備均會(hui) 顯示設備運行信息卡並嵌套在模型中，仿佛監控人員在管廊內(nei) 部巡檢一樣，主要是計算並存儲(chu) 了管廊全線各個(ge) 艙室的BIM模型的空間坐標點，確保用戶可以自定義(yi) 任何巡檢路徑。在目前用戶厭倦對傳(chuan) 統數據查詢條目化展示的情況下，大大提升了係統交互性和科技感。

4.7應急模擬

綜合管廊日常運維工作中，應急預案的編製及演練是一項重要的工作，包括爆管、燃氣泄露、火災等發生幾率較大的危險事件的應急處理流程。本次研究創新性地將應急預案的處理通過借助BIM/GIS技術實現了智能化和可視化，將應急預案的流程劃分為(wei) 工作步驟，並利用工作流引擎進行特定的處理，後利用動畫編製程序進行應急處理過程的動畫演示，可推廣用於(yu) 每年應急預案演練、新人培訓以及管廊對外接待，能有效提高管廊運維管理水平。

5AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平台

5.1平台概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平台集18luck新客户端、能源管理、電氣安全、照明控製、環境監測於(yu) 一體(ti) ，為(wei) 建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體(ti) 係提供數據支持，從(cong) 數據采集、通信網絡、係統架構、聯動控製和綜合數據服務等方麵的設計，解決(jue) 了綜合管廊在管理過程中存在內(nei) 部幹擾性強、使用單位多及協調複雜的根本問題，大大提高了係統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環境和設備的使用和恢複效率。

5.2平台組成

安科瑞城市地下綜合管廊能效管理係統是一個(ge) 深度集成的自動化平台，它集成了10KV/O.4KV變電站18luck新客户端係統、變電所環境監控係統、智能馬達監控係統、電氣火災監控係統、消防設備電源係統、防火門監控係統、智能照明係統、消防應急照明和疏散指示係統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，通過一個(ge) 平台即可全局、整體(ti) 的對管廊用電和用電安全進行進行集中監控、統一管理、統一調度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。

5.3平台拓撲

5.4平台子係統

5.4.118luck新客户端

18luck新客户端主要針對10/0.4kV地麵或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀(yi) 表進行保護和監控，對0.4kV出線配置多功能計量儀(yi) 表，用於(yu) 測控出線回路電氣參數和用能情況，可實時監控高低壓供配電係統開關(guan) 櫃、變壓器微機保護測控裝置、發電機控製櫃、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

5.4.2環境監測

環境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體(ti) 濃度、門禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內(nei) 的水泵和通風排煙風機等設備集成的三方係統完成管廊環境綜合監控。

5.4.3電氣安全

 AcrelEMS-UT能效管理係統針對配電係統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳(chuan) 感器、溫度傳(chuan) 感器，消防設備電源傳(chuan) 感器、防火門狀態傳(chuan) 感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，並且對UPS的蓄電池溫度、內(nei) 阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

5.5相關(guan) 平台部署硬件選型清單

5.5.118luck新客户端及配電室環境監控係統