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王蘭
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：通過對城市地下綜合管廊智慧化運營管理的論述，闡述如何通過信息化技術(shù)手段將綜合管廊及其附屬設(shè)施、廊內(nèi)管線包含周圍環(huán)境中一些模型的參數(shù)和資料，以及設(shè)備運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行采集和運算，實現(xiàn)管廊相關(guān)數(shù)據(jù)從二維數(shù)據(jù)、宏觀及微觀數(shù)據(jù)到三維立體化、可視化轉(zhuǎn)變，為管廊綜合管控一體化平臺的開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞：綜合管廊；智慧化；BIM+GIS；運營管理
0引言
2016年，針對中國城市規(guī)劃建設(shè)管理中存在的突出問題，在國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)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(fù)開挖地面的問題，要明顯提升管線安全水平以及防災(zāi)抗災(zāi)能力，逐步消除城市主要街道上空的蜘蛛網(wǎng)式架空線，要明顯提升城市地面景觀面貌。
近幾年來，國內(nèi)的地下綜合管廊建設(shè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢。綜合管廊已日漸成為較有效的用來解決城市地下狀況與地下管網(wǎng)問題的方式，得到了業(yè)內(nèi)的普遍認(rèn)可，也代表著城市基礎(chǔ)設(shè)施未來發(fā)展的必然路徑和全新模式[1]。但是，當(dāng)下對城市地下綜合管廊的研究仍然主要聚焦在開發(fā)利用的規(guī)劃、設(shè)計和施工階段，而較少關(guān)注綜合管廊后期的運營管理，特別是在智慧化技術(shù)應(yīng)用進行后期日常維護運營方面。
隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、VR、AI、虛擬仿真等技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，如何運用數(shù)字化手段通過資源共享和信息互通實現(xiàn)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(wù)質(zhì)量都將起到積極的作用。
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?xì)饩€等。在統(tǒng)一規(guī)劃、建設(shè)、管理的指導(dǎo)下，較大化、較優(yōu)化利用地下空間和資源。目前綜合管廊根據(jù)所收容的管線性質(zhì)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。
綜合管廊建設(shè)已有180余年的發(fā)展歷史。綜合管廊在1833年由法國巴黎興建，較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(tǒng)，管網(wǎng)縱橫，排污口、蓄水池眾多，后來進一步在管廊內(nèi)鋪設(shè)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(shè)了一個綜合管廊，斷面是12m×7.6m的半圓形，內(nèi)部敷設(shè)了供水管、污水管、燃?xì)夤?、電力線纜和電信線纜，直到現(xiàn)在，倫敦市區(qū)的管廊數(shù)量達20條之多。
前蘇聯(lián)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130km的綜合管廊，除煤氣管外，各種管線均有，只是截面較小，內(nèi)部通風(fēng)條件也較差。
日本的綜合管廊建設(shè)較早始于1926年，當(dāng)時在東京市中心的九段地區(qū)干線道路地下建設(shè)了一條綜合管廊，將電力線纜、電話線路、供水管線、燃?xì)夤芫€等市政基礎(chǔ)設(shè)施集中敷設(shè)在里面。目前，日本無論是在綜合管廊的建設(shè)速度上，還是在規(guī)劃能力、法規(guī)體系建設(shè)、工程技術(shù)等方面都是較先進的國家之一。
中國綜合管廊建設(shè)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(shè)了一條長度為1076m的地下綜合管廊。1993年，上海浦東新區(qū)張揚路鋪設(shè)了地下管廊，那是中國意義上第一條現(xiàn)代綜合管廊。
綜合管廊運營管理中普遍存在廊內(nèi)環(huán)境差、設(shè)備維護水平低、管理技術(shù)落后、管廊安全預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)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(tǒng)、標(biāo)簽定位系統(tǒng)等子系統(tǒng)未加入建設(shè)清單。②監(jiān)控單一獨立化。各監(jiān)控系統(tǒng)單獨存在，如電力、熱力管線監(jiān)測等都是來自于生產(chǎn)廠家的監(jiān)控系統(tǒng)。廠家持續(xù)致力于自身專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的管線監(jiān)測較多，但對其他專業(yè)管線監(jiān)控沒有經(jīng)驗，甚至沒有考慮監(jiān)測設(shè)備，加大了監(jiān)控系統(tǒng)平臺兼容其他管線監(jiān)測系統(tǒng)的難度。③可視化與精細(xì)化運營管理程度不高。BIM（BuildingInformationModeling）技術(shù)應(yīng)用不足，只可確定管廊內(nèi)設(shè)備與人員的具體位置，不可確定空間位置，導(dǎo)致綜合管廊可視化程度不高；另外，由于入廊管線產(chǎn)權(quán)單位眾多，數(shù)據(jù)壁壘現(xiàn)象嚴(yán)重，專業(yè)化運營管理難度大。④環(huán)境監(jiān)測相關(guān)技術(shù)應(yīng)用不足。運營中管廊照明系統(tǒng)實行遠(yuǎn)程及實地手動開關(guān)控制，可能會出現(xiàn)監(jiān)控中心值班人員遠(yuǎn)程控制不及時、管廊出入人員忘記關(guān)燈等現(xiàn)象，導(dǎo)致電力被浪費。如何更好地聯(lián)動照明系統(tǒng)與環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，如利用人體感應(yīng)控制、光照度控制、定時控制技術(shù)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。
將BIM技術(shù)和GIS（GeographicInformat*tem）技術(shù)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(shè)施、廊內(nèi)管線包含周邊環(huán)境模型信息和設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行集成，把大量、分散的設(shè)備和傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的管理數(shù)據(jù)，讓管理人員可以實時查看采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)及周邊環(huán)境圖像，實現(xiàn)對二維數(shù)據(jù)、宏觀及微觀數(shù)據(jù)的三維立體化、可視化、精細(xì)化、智慧化管理，提高綜合管廊運維水平、應(yīng)急能力和經(jīng)營管理水平，從而助力地下綜合管廊有效運行和快速發(fā)展。
平臺基于SOA（面向服務(wù)的架構(gòu)）設(shè)計，采用3層結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用層、中間層及數(shù)據(jù)層，如圖1所示。應(yīng)用層，即面向?qū)ο蟮膽?yīng)用，包括基于GIS的信息化管理門戶網(wǎng)站、通風(fēng)管理子系統(tǒng)、供電管理子系統(tǒng)、排水管理子系統(tǒng)、安全防范子系統(tǒng)、通訊應(yīng)用管理子系統(tǒng)、預(yù)警與報警子系統(tǒng)、消防管理子系統(tǒng)、照明管理子系統(tǒng)、地理信息管理子系統(tǒng)、BIM子系統(tǒng)等。同時，提供基于B/S（瀏覽器/服務(wù)器）模式的電腦、手機等客戶端軟件。
中間層，即提供各種應(yīng)用服務(wù)支撐，采用標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，可供第三方開發(fā)。包括數(shù)據(jù)訪問、消息管理、安全服務(wù)等基礎(chǔ)性服務(wù)，是整個綜合監(jiān)控平臺的應(yīng)用基礎(chǔ)。
數(shù)據(jù)層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫的訪問。而不需要關(guān)注具體的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)解析等操作，也不需要關(guān)注不同廠家、不同制式、不同類別終端設(shè)備的物理接口和拓?fù)浞绞健?/p>
圖1城市智慧管廊綜合管理平臺結(jié)構(gòu)
平臺特征充分利用BIM連接管廊全生命周期不同階段的數(shù)據(jù)、過程和資源，注重微觀領(lǐng)域中管廊內(nèi)部的設(shè)計和實現(xiàn)的特點以及GIS處理和分析宏觀地理環(huán)境中的地理數(shù)據(jù)的能力，通過對BIM技術(shù)和GIS技術(shù)的綜合運用和深度應(yīng)用，讓管廊的宏觀、微觀管理功能和可視化功能很好地結(jié)合起來，再將各類數(shù)據(jù)及各個操作流程進行整合，打造集智能控制、降耗節(jié)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(chǔ)地理信息公共平臺提供的各種資源，使平臺的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、BIM模型在政府部門、管線權(quán)屬單位和管廊運營公司之間得到統(tǒng)一。②建立全面覆蓋城市地下綜合管廊的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成統(tǒng)一管理及管線數(shù)據(jù)動態(tài)更新統(tǒng)一管理；完善地下管線框架體系及地下管線動態(tài)更新機制，建設(shè)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(shù)據(jù)多層次服務(wù)能力。③建立綜合管廊共享服務(wù)和數(shù)據(jù)交換機制，打造一個城市地下管線安全生態(tài)圈，滿足政府部門、各個管線權(quán)屬單位、管廊運營公司的在線應(yīng)用需求，破解城市地下空間“信息孤島"難題。④提供安全開放的服務(wù)接口，構(gòu)建綜合管廊信息資源開發(fā)和綜合利用的整體、統(tǒng)一框架。⑤建立綜合管廊信息化的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)體系、政策法規(guī)與管理制度，建立健全綜合管廊管線動態(tài)更新機制、共享標(biāo)準(zhǔn)體系和政策制度體系；實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、建庫、發(fā)布、共享等的標(biāo)準(zhǔn)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(wù)，促進產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，使得各管線權(quán)屬單位能夠在此基礎(chǔ)上整合自身業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)構(gòu)建滿足自身需要的專題管線運營管理平臺。
平臺軟件架構(gòu)設(shè)計基于BIM+GIS技術(shù)的綜合運用，并采用“管+控"的一體化規(guī)劃設(shè)計理念。將平臺中不一樣的應(yīng)用系統(tǒng)中類似的模塊規(guī)劃設(shè)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(shè)成本、維護成本等。
所謂的類似的地方包括統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸平臺，適配各類物聯(lián)網(wǎng)終端的模塊化接入設(shè)備，構(gòu)建數(shù)據(jù)倉庫，建立標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式。城市智慧管廊綜合管理平臺軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
他
圖2城市智慧管廊綜合管理平臺軟件結(jié)構(gòu)
平臺將依據(jù)監(jiān)控的具體規(guī)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(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、在網(wǎng)狀態(tài)等數(shù)據(jù)等進行比對分析，規(guī)劃處出較合理的采集終端選點，然后對這個選點、數(shù)終端數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心后，系統(tǒng)軟件平臺會呈現(xiàn)采集現(xiàn)場的實時工作情況，根據(jù)以往的歷史數(shù)據(jù)，加以比對分析，為系統(tǒng)預(yù)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(jié)構(gòu)如圖3所示。
他
圖3城市智慧管廊綜合管理平臺硬件結(jié)構(gòu)
基于實時GIS地圖搭建的綜合管廊GIS管理系統(tǒng)，作為整個監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，可實時查看管廊本體及廊內(nèi)設(shè)備和周邊附屬設(shè)施的動態(tài)運行數(shù)據(jù)，實實時工況，為集中調(diào)度和科學(xué)決策提供重要依據(jù)。
作為管廊安全系統(tǒng)的感知神經(jīng)，它是來自自動化控制設(shè)備的監(jiān)測，可將各種情況實時傳遞給監(jiān)控中心，讓中心管理及相關(guān)責(zé)任人員隨時掌控各種狀況，保證廊內(nèi)管線及附屬設(shè)施處于正常工作狀態(tài)，如果有突發(fā)事故發(fā)生，能做到迅速預(yù)警并觸發(fā)相應(yīng)資源處理。
提前設(shè)置BIM漫游路線，系統(tǒng)自動漫游并且顯示相應(yīng)艙室視頻畫面。另外，BIM技術(shù)的應(yīng)用支撐下可以達到以下要求：對管廊重要節(jié)點、監(jiān)控中心內(nèi)外部結(jié)構(gòu)、裝飾等進行三維建模和數(shù)據(jù)仿真分析，用于對設(shè)計效果、方案優(yōu)化等進行提前模擬演練；進行管線碰撞檢查；將設(shè)計圖紙和現(xiàn)場進行的勘察資料通過BIM技術(shù)進行三維建模，篩選出樁端持力層、巖面等關(guān)鍵性工程隱蔽節(jié)點，提前制定施工管控措施；通過對建筑結(jié)構(gòu)、地下管線的綜合三維模型和專業(yè)軟件的虛擬場景漫游，進行可視化能力的技術(shù)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，以便較優(yōu)化調(diào)配資源，較大限度保證工程進度。
當(dāng)環(huán)境監(jiān)測異?；蛘甙l(fā)生非法入侵之時，通過模擬顯示屏顯示出入侵的區(qū)段及進出人數(shù)，并實時記錄入侵的時間、地點，同時通過報警設(shè)備發(fā)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(yīng)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(nèi)人員接聽電話。從而實現(xiàn)面臨突發(fā)事故快速做出應(yīng)急指揮，引導(dǎo)管理人員進行科學(xué)決策、有序處理。
根據(jù)不同層級的管理人員所持有賬號分配相應(yīng)權(quán)限，主要包括人員出入廊子系統(tǒng)、設(shè)備健康子系統(tǒng)、日常巡檢子系統(tǒng)、系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、應(yīng)急處置子系統(tǒng)及移動端APP子系統(tǒng)。
人員出入廊子系統(tǒng)：包含門禁卡開辦、外來人員、權(quán)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(tǒng)上實現(xiàn)線上辦理。
設(shè)備健康子系統(tǒng)：包含設(shè)備養(yǎng)護、維修、添加、檢測標(biāo)定、替換記錄、備品備件及統(tǒng)計分析7個部分。對初次進場設(shè)備的名稱、型號、參數(shù)、點位等按照統(tǒng)一編號規(guī)則編號，并與BIM和GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)。
日常巡檢子系統(tǒng)：包含2個部分，即巡檢區(qū)域和巡檢記錄，巡檢區(qū)域的分區(qū)是按照巡檢工作的任務(wù)要求，結(jié)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(fù)巡檢造成人力物力浪費。
系統(tǒng)管理子系統(tǒng)：系統(tǒng)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(yīng)急處置子系統(tǒng)：系統(tǒng)包含演練、記錄、信號復(fù)位、會商和聯(lián)絡(luò)薄5個部分。
移動端APP子系統(tǒng)：如有工作人員入廊作業(yè)，可借助手機等移動終端對人員進行定位、通信，也可以實現(xiàn)接收任務(wù)、上報結(jié)果及門禁開啟等功能。
基于實時工作記錄錄入、手機掃描交接班等，系統(tǒng)自動創(chuàng)建新工作記錄構(gòu)建交接班全過程閉環(huán)管理，從而讓數(shù)據(jù)完整沉淀、責(zé)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。
通過設(shè)置值班“打卡"功能，如通過每隔3min“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(jù)。同時，支持利用視頻監(jiān)察系統(tǒng)結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻分析技術(shù)，對于檢測到值班人員的離崗睡崗，系統(tǒng)將自動計入視頻監(jiān)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(xì)的記錄；并且視頻進行留痕保存，當(dāng)值班人員有疑義時可查看離崗、睡崗時的監(jiān)控錄像，進行視頻的調(diào)取和查看。
3 AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺
3.1平臺概述
AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監(jiān)控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監(jiān)測于一體，為建立可靠、安全、有效的綜合管廊管理體系提供數(shù)據(jù)支持，從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)架構(gòu)、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的設(shè)計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內(nèi)部干擾性強、使用單位多及協(xié)調(diào)復(fù)雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境和設(shè)備的使用和恢復(fù)效率。
3.2平臺組成
安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統(tǒng)是一個深度集成的自動化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能馬達監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、有效、有序的要求。
3.3平臺拓?fù)?/p>
3.4平臺子系統(tǒng)
3.4.1電力監(jiān)控
電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報警及記錄等。
3.4.2環(huán)境監(jiān)測
環(huán)境監(jiān)測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃?xì)怏w濃度、門禁、視頻、空調(diào)、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預(yù)警，同時也可接入管廊艙室內(nèi)的水泵和通風(fēng)排煙風(fēng)機等設(shè)備集成的第三方系統(tǒng)完成管廊環(huán)境綜合監(jiān)控。
3.4.3電氣安全
AcrelEMS-UT能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應(yīng)的電氣火災(zāi)傳感器、溫度傳感器，消防設(shè)備電源傳感器、防火門狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預(yù)警。
3.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單
3.5.1電力監(jiān)控及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)
在充分利用基礎(chǔ)地理信息公共平臺、管廊BIM模型提供的各種服務(wù)的基礎(chǔ)上，采用先進的物聯(lián)網(wǎng)和智慧化手段，將管廊運營中的人員、設(shè)備、事件等要素與BIM模型和GIS三維空間模型進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過這2種模型搭建的數(shù)字孿生體對設(shè)備進行遠(yuǎn)程控制。并對運維過程中采集的數(shù)據(jù)進行人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等分析比對，為綜合管廊的有效運營和安全運營保駕護航，提供理論依據(jù)和方案參考，實現(xiàn)智慧化、科學(xué)化、精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化的全生命周期運維管理。
參考文獻
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