基于BIM和GIS的综合管廊智能化管理平台研究与实现

周 文，李倩楠，潘良波，杨国敬

(1.正元地理信息有限责任公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究开发中心，北京 101300;3. 北京市智慧管线安全评价及运营监管工程技术研究中心，北京 101300)

0 引 言

随着城市建设与城市规划之间矛盾的日益激化，使得城市地下管线安全问题越来越突出。各地频发的地下管线事故，如“市内看海”“管道泄露”“井盖吃人”等现象，不断暴漏着城市地下管线建设管理工作中的问题[1-2]。结合国外发达城市地下管线治理经验，综合管廊已经成为未来城市基础设施现代化建设的必然趋向[3-4]。

综合管廊普遍位于城市核心区或管线设施高度集中的主干道，附属工程系统庞大，施工难度较高，综合管廊建设工程设计、施工、竣工成果不一致的问题日益突出。另外，综合管廊建设投资费用昂贵，建设完成之后，后期运营管理是重中之重，如何对已建成的综合管廊实现精细、直观、有效的运营，是必须要解决的问题。本文在深入研究BIM（建筑信息模型）和GIS的基础上，实现BIM和GIS的结合，建设一套服务于综合管廊规划、设计、建设和后期运营管理的平台。它将解决综合管廊建设完工之前各阶段成果不一致问题，同时提高管廊后期运营管理效率，提升运营管理水平。

1 系统总体设计

本文以连云港徐圩新区石化产业基地综合管廊智能化管理平台建设为例，提出系统构建的思路及总体框架。

1.1 设计思路

BIM是通过数字信息仿真模拟构筑物所具有的真实信息集成工程设计中各种相关数据的工程信息模型，它的出现被认为是建筑业的又一次“革命”[5-6]！随着BIM技术优势的凸显，综合管廊与BIM技术的结合将是未来智慧管廊发展的主流方向。

将BIM 技术应用于综合管廊，能够实现设计过程的三维协同规划、施工建造全过程的一体化管控和运维流程的智能化维护[7]。BIM可将设计成果随时进行管线碰撞检测，及时发现问题并进行纠偏；BIM能同步提供管廊施工仿真模拟，超前模拟设计效果；BIM技术使整个建设周期具有可视性，通过对综合管廊廊体进行任意角度剖分，方便建模人员提前制定施工管控措施；BIM还可以提供有关资源分配以及成本、进度、设备运维等信息，方便施工进程优化管理。

GIS（地理信息系统）是基于计算机的工具，三维GIS不仅能表达空间对象间的平面和垂向关系，还可以进行空间查询、分析以及统计等操作[8]。基于三维GIS的综合管廊智能化管理系统为管廊的全生命周期管理提供强有力的技术支撑。

三维GIS可为BIM在项目整个生命周期的实施提供三维表现的基础、空间分析技术的能力以及模型沟通的平台，BIM则可为三维GIS提供重要的数据来源，通过把微观领域的BIM信息和宏观领域的GIS信息进行结合，能够实现从微观到宏观、市内到室外、地下到地上的一体化管理。本文通过BIM与三维GIS的结合，把城市综合管廊的规划设计、建设施工、运营维护等全生命周期内不同阶段的数据资料进行有效集成，以综合管廊智能化管理平台的形式为不同阶段、不同需求的决策提供服务。其中，平台的设计思路如下：

平台以数据库建设为基础，设计开发应用支撑平台和专项业务系统，解决针对徐圩新区管廊管线应用的四大问题，即看、查、管、控。

1）看：引入地理信息技术和管线数据模型，以图形化的方式展现二三维管廊管线数据和相关辅助数据，做到直观可视、精确定位、快速出图；

2）查：采用“图属一体化”解决方案，支持系统实现面向业务的双向查询和快速定位；

3）管：建立合理的数据汇交机制、更新机制和分发共享机制，确保数据库成果的完整性、准确性、现势性和易用性；

4）控：接入重点监管设备实时监控数据，为系统实现应急预案编制、预警分析、应急指挥、灾后重建等功能提供数据支撑，实现管线设备设施全生命周期管理。

以徐圩新区铺设的3.8km综合管廊的BIM建模数据为基础，将其导入三维GIS平台；安装各类传感器进行实时监控，以三维立体模型为载体，实现管廊精细化三维模拟，与此同时构建监控预警、RFID标识系统以及应急指挥响应等专项系统。

1.2 系统架构

综合管廊智能化管理平台架构（如图1所示）由物联网传感器系统、应用支撑平台和专题应用系统（包括监控预警系统、综合业务系统和应急指挥响应系统等）组成，三个层次上下连接、互为支撑。

应用支撑层建于数据层之上，为各种应用系统提供统一的管理和运行维护服务，起到承上启下的作用。应用支撑层可支持不同物联网传感数据的接入，并能在此基础上搭建不同的专题应用系统。

专题应用系统的建设主要是对综合管廊的运行状况进行监测数据采集、监控管理、日常巡查养护、隐患管理、预警分析与推送以及对预警事件进行日常处理和启动应急预案综合处置。

图1 系统架构Fig.1 The system architecture diagram

2 系统功能实现

2.1 BIM建模系统

利用管线探测、无人机以及激光点云、倾斜摄影等先进的陆、空、地三位一体的数据采集技术，实现管廊BIM建模，解决综合管廊规划现场数据获取的问题；通过BIM管廊数据与GIS平台结合，将BIM管廊数据导入到三维GIS平台中，导入后的综合管廊三维模型数据和其属性数据通过唯一ID进行关联，原有的相关属性信息被完好保存，同时所有的管线三维模型和设备三维模型都和现实中管廊管线和设备模型一一对应关联；并可与GIS地理环境共享，实现管廊内各类管线的位置布局及传导方位模拟，检测管廊内供水管线、供电管线及通讯管线等对彼此的影响关系。

2.2 监控预警系统

运用先进的物联网、GIS、云计算、在线监测、工业自动化控制、网络通信及BIM技术在内的先进信息化技术，通过感、传、知、用四个层次，完成对综合管廊状态和属性信息的感知和应用。通过在合适地点安装多种类型的传感器，能够实时获取温湿度、沉降、有害气体等多种关键指标，并能够根据设定进行报警通知，实现综合管廊的统一监测、集中管控。监控预警系统界面如图2所示。

图2 监控预警系统Fig.2 The monitoring and early-warning system

1）三维展示

利用BIM 和三维GIS等技术手段，系统能够以三维模拟的形式为石化管廊的管道及管架提供生动直观的展示途径。三维展示模块方便用户从空间角度查看综合管廊桩基、承台、管架、桁架、维修通道以及管道的横断面、实时监测、预警信息等内容。

传统形式的人工监测采集方法存在着数据量小、不连续、反应滞后等缺陷，一旦管廊管线出现问题，往往无法找出故障原始数据，不利于事故的分析、判断、预防和应急。

新区公共管廊承载着多种有毒有害石化物料的输送工作，其对安全保障方面的要求十分严苛。这对数据采集的即时性、全局性、连续性和精确性等方面提出了极高的要求。

在线监测模块与多种监测传感器相关联，涵盖管线状态监测、环境监测（温度、湿度、水位、气体浓度等）、视频监控、安防监测、巡检机器人（或者人工巡查）、广播系统、火灾报警监控、通风系统、管廊结构沉降监测等，可对公共管廊运行状况进行24h连续精确监测。在管理者个人电脑或大屏幕上，监测信息的灵活展示可以为决策者提供早期的报警信息，从而能够对整个公共管廊的运行状态尤其是故障和险情做出迅速、准确的判断。

3）预警分析

通过三维模拟在线监测预警把实时监测数据展示在传感器安装的真实位置上，通过各种监测设备获取的相关信息和运行数据的实时曲线能够帮助管理者直观地了解监测数据的近期波动，便于管理者对事故预警事件进行分析处理，及时提供预警信息。

4）预警推送

三维监控预警系统通过预警分析，推送预警信息给综合业务系统和应急指挥响应系统，指导巡查养护和应急响应。

从概念的描述看，第一学段的6个版本是结合图形给出概念名称；第二学段是结合图形给出概念的文字定义；第三学段不仅给出概念的文字定义，还结合图形说明概念的符号表示方法．

5）历史分析

历史分析功能可通过时间、监测类型、监测点等多种条件的筛选，快速准确地对历史预警信息进行汇总统计，并能以柱状图、扇形图或表格形式直观展示。

6）基础维护

系统能够以简洁明晰的操作方式提供设施、监测设备的维护和监测项配置的管理。

2.3 应急指挥响应系统

应急指挥响应系统集成管廊周边环境数据、实时监测信息、危险源数据、影像数据，通过数据挖掘分析，启动应急指挥预案进行事故处置，实现人员、设备、资源合理调控，辅助应急指挥。系统包括事故接警、事故评估、事故处置和事故总结的全系列处理流程。徐圩新区公共管廊应急指挥响应系统界面如图3所示。

图3 应急指挥响应系统Fig.3 The emergency response command system

1）事故接警

通过三维GIS将基础地理要素、管线、危险源、自然资源等信息在地图中综合展示，在发生管道突发事件后，以闪烁图标或声音预警等方式进行预警，并快速定位到事故现场。

2）事故评估

进行接警登记后，系统通过接入危险源、重点区域数据，调用实时监控（或现场视频）、专家库、人员库、救灾资料库等信息，启动事故动态模拟机制进行事故影响范围评估，预测事故危害情况，以此确定事故等级并自动关联应急预案。

3）事故处置

借助三维GIS平台以图形方式实时更新事故最新动态，根据已经发生的情况和事故模拟结果，制定救援方案，调动并合理分配所需的医疗、消防、警力及其他抢险资源，结合历史道路交通信息，分析最优救援路线，并在明确事故发生的具体原因基础上，制定对关键设备设施或区域的抢险维修方案。

4）事故归档

事故处理结束后对事故进行总结，形成总结报告和历史案例知识库，为今后发生类似的事情提供借鉴作用。

2.4 其他功能

1）综合业务系统

综合业务管理系统由综合业务系统和多台安装巡检App的智能巡检终端组成。巡检人员手持智能巡检终端，通过移动通信远程交换网，连接到监控中心。综合业务系统的功能包括上下班考勤、值班管理、巡查养护、隐患处置、案件上报和设施维护等，有利于实现日常业务办公流程化、自动化和移动化管理。

2）机器人巡检系统

轨道式机器人智能巡检系统的巡检设施是轨道式机器人，可完成对综合管廊设备、环境的移动监测以及信息采集[9]。通过对设备进行统一管控，实现综合管廊自动巡检、远程遥控巡检、重点区域巡检等功能，并能将监测和采集的各种信息通过无线传输的方式传送到指挥中心监测平台。

3）出入口控制与报警系统

出入口控制与报警系统可对出入综合管廊的人员进行身份核实。

4）RFID标识系统

系统将归入综合管廊的管线采用符合标准的标志、标识进行区别。

3 结束语

通过BIM和GIS在该试点中的实际应用，为两者在综合管廊建设中的应用提供一定参考。建成的管廊智能化管理平台有助于促进管廊综合管理能力、养护能力、监控预警以及应急处置能力的综合提升，实现综合管廊全生命周期精细化和规范化管理以及智能化运维。

随着软硬件技术的飞速发展，BIM技术日趋成熟，由其带来的行业价值也随之激增。BIM和三维GIS优势互补，两者的结合已经成为综合管廊建设发展的重要趋势，可以为综合管廊规划建设阶段和和运维阶段诸多问题的解决提供新的思路。