綜合管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

陳 惠 劉曉東 王潔瑜 郭 園

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

城市綜合管廊是將電力、通信，燃?xì)?、給排水等多種管線集于一體置于城市地下特殊建造的隧道空間，可有效解決“馬路拉鏈”“空中蜘蛛網(wǎng)”等城市亂象，在保障城市安全穩(wěn)定運(yùn)行方面意義重大。綜合管廊的安全問題一直是業(yè)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象，隨著城市建設(shè)與土地利用之間矛盾的日益激化，各類地下管線事故頻發(fā)，“線纜著火”“管道泄露”“井蓋吃人”等現(xiàn)象均暴露出綜合管廊在安全管理方面存在諸多問題[1]。

近年來，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者在將BIM、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與綜合管廊平臺(tái)、系統(tǒng)之間結(jié)合的研究不在少數(shù)：朱雪明[2]針對(duì)上海世博園區(qū)綜合管廊，設(shè)計(jì)并分析了監(jiān)控系統(tǒng)及其子系統(tǒng)組成，但其未提到對(duì)于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的處理，僅是通過較簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行預(yù)警及存儲(chǔ)；孫偉俊等[3]從火災(zāi)安全隱患以及報(bào)警角度出發(fā)，對(duì)綜合管廊內(nèi)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)防火分區(qū)、報(bào)警區(qū)以及相應(yīng)防火設(shè)備部署進(jìn)行了相應(yīng)說明，但總體局限于綜合管廊的火災(zāi)報(bào)警，未涉及其他方面；李芊等[4]基于BIM技術(shù)構(gòu)建了綜合管廊的運(yùn)維管理系統(tǒng)，文章集中在強(qiáng)調(diào)BIM三維模型可視化的優(yōu)勢(shì)以及對(duì)管廊內(nèi)的各類管線的智能控制，對(duì)管廊內(nèi)的安全預(yù)警則是通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫已有對(duì)比后做出預(yù)警，還未達(dá)到智能預(yù)警的效果。

以上研究成果表明國內(nèi)雖有不少結(jié)合綜合管廊與新興技術(shù)在系統(tǒng)研究開發(fā)方面的工作，但在不同方面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建仍不完備，本文在研究國內(nèi)已有綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，基于物聯(lián)網(wǎng)、BIM三維建模等技術(shù)搭建了綜合管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)提升綜合管廊運(yùn)營質(zhì)量和管理效率，快速應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，減小損失等方面具有一定意義。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

在未有綜合管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)之前，采用傳統(tǒng)的人工巡檢方式進(jìn)行監(jiān)控，可發(fā)現(xiàn)綜合管廊運(yùn)營管理方面存在諸多不足：

1)綜合管廊建于地面建筑物密集的城市地下空間內(nèi)，具有多個(gè)附屬結(jié)構(gòu)，人工巡檢信息內(nèi)容多、易造成信息遺漏；

2)綜合管廊內(nèi)部設(shè)施種類多，現(xiàn)場(chǎng)傳感器監(jiān)測(cè)產(chǎn)生數(shù)據(jù)量巨大，不經(jīng)過處理或處理粗略后的數(shù)據(jù)難以支持管理者快速、準(zhǔn)確的預(yù)警判斷；

3)綜合管廊工程埋于地下，事故發(fā)生時(shí)不能準(zhǔn)確得知事故發(fā)生地，導(dǎo)致?lián)尵裙ぷ麟y以展開。

可以看出綜合管廊傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式存在信息不連續(xù)、數(shù)據(jù)反饋滯后、運(yùn)維數(shù)據(jù)分析挖掘利用不足等缺陷，如何對(duì)其進(jìn)行精細(xì)、直觀的監(jiān)控預(yù)警是首要解決的問題。結(jié)合綜合管廊實(shí)際情況，本文總結(jié)出以下兩點(diǎn)綜合管廊智能監(jiān)控需求：

1)功能需求。目前市面上已有的綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)呈現(xiàn)出內(nèi)容龐雜、功能模塊繁多且有部分功能重疊等情況，不利于系統(tǒng)使用者操作。本次智能監(jiān)控系統(tǒng)功能采取系統(tǒng)分塊、功能整合的設(shè)計(jì)，將環(huán)境監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)預(yù)警、智能管理融為一體，實(shí)現(xiàn)綜合管廊各類運(yùn)維數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，消除信息孤島，打破數(shù)據(jù)壁壘，為運(yùn)維管理者提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

2)數(shù)據(jù)需求。管廊內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于管廊安全環(huán)境的預(yù)判十分重要，根據(jù)GBZ/T 205—2007密閉空間作業(yè)職業(yè)危害防護(hù)規(guī)范[5]和GB/T 51274—2017城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范等[6]規(guī)范，將管廊內(nèi)需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的環(huán)境指標(biāo)列于表1?？紤]到以往傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)多而雜亂，不利于快速的預(yù)警判斷，本次智能監(jiān)控系統(tǒng)將采用智能算法對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其結(jié)果可直接用于管廊安全預(yù)警級(jí)別判斷。

表1 綜合管廊環(huán)境監(jiān)控指標(biāo)

1.2 總體架構(gòu)

綜合管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為六層，從下而上依次為感知層、接口層、數(shù)據(jù)層、模型層、應(yīng)用層、展現(xiàn)層，如圖1所示。

首先通過各類傳感器及檢測(cè)裝置采集綜合管廊內(nèi)的氣體、溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)管廊環(huán)境狀態(tài)全面感知；后通過接口層連接數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層主要用于存儲(chǔ)監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，其次利用Revit等三維軟件對(duì)綜合管廊進(jìn)行模型重構(gòu)，最終構(gòu)建管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括4個(gè)應(yīng)用層系統(tǒng)，在系統(tǒng)展現(xiàn)層，以PC端顯示和手機(jī)端APP這兩個(gè)渠道進(jìn)行顯示和管理。

2 三維可視化監(jiān)控技術(shù)

2.1 BIM技術(shù)

1)BIM三維設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。

BIM理念自20世紀(jì)70年代提出以來，在可視化、量化分析和提高工程效率方面有顯著作用。對(duì)于綜合管廊這類大型線性工程來說，利用BIM軟件進(jìn)行三維建模為監(jiān)控系統(tǒng)的搭建提供了如下便利：a.協(xié)同操作設(shè)計(jì)使三維模型的建立快速、便捷且信息共享；b.綜合管廊三維模型使監(jiān)控可視化且能直觀反映出問題。

2)BIM模型輕量化。

綜合管廊BIM模型在不同軟件中傳遞或需要在Web瀏覽器顯示時(shí)，往往由于模型較大而導(dǎo)致打開耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，故應(yīng)對(duì)綜合管廊BIM模型進(jìn)行輕量化處理。在本次管廊監(jiān)控系統(tǒng)中，BIM模型服務(wù)器采用B/S結(jié)構(gòu)方式，B/S結(jié)構(gòu)下采用WebGL實(shí)現(xiàn)對(duì)管廊BIM模型的輕量化處理。WebGL是基于OpenGL ES2.0標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)跨平臺(tái)的用于在Web瀏覽器中繪制和渲染三維圖形的API，主要采用三角形面片來構(gòu)建三維幾何模型[7]。綜合管廊BIM三維模型輕量化包括兩個(gè)方面：a.管廊三維模型輕量化顯示，主要通過合并圖元，即通過算法根據(jù)權(quán)重剔除相應(yīng)的頂點(diǎn)或面，從而到達(dá)輕量化效果；b.將綜合管廊原模型文件壓縮為輕量化模型文件，轉(zhuǎn)換為stl,obj,3ds,json等文件格式，以快速實(shí)現(xiàn)綜合管廊三維模型的渲染和操作。

2.2 BIM與GIS數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

GIS(Geographical Information System)技術(shù)在本監(jiān)控系統(tǒng)中主要配合綜合管廊BIM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)壓縮以及三維模型數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化與集成展示。目前BIM模型普遍使用的模型輸出格式是IFC(Industry Foundation Classes)標(biāo)準(zhǔn)，而不同GIS系統(tǒng)間采用的是GML,OWS或CityGML標(biāo)準(zhǔn)，由于CityGML(City Geography Markup Language)標(biāo)準(zhǔn)被廣泛用于GIS三維模擬，故將IFC和CityGML分別作為BIM和GIS領(lǐng)域的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)據(jù)解析，語義映射，從而實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[8]，其具體流程見圖2。

3 智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)包括環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范管理系統(tǒng)、預(yù)警與報(bào)警系統(tǒng)以及專用通訊系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.1 環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)分為環(huán)境安全監(jiān)測(cè)與設(shè)備監(jiān)測(cè)兩部分，環(huán)境安全監(jiān)測(cè)依靠綜合管廊內(nèi)置傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管廊內(nèi)的氣體濃度、溫濕度等指標(biāo)，并通過上述信息融合方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，直接提供決策；設(shè)備監(jiān)測(cè)基于RFID技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息無接觸傳遞，并通過無線電訊號(hào)識(shí)別設(shè)備并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)入，見圖4。

3.2 安防監(jiān)控系統(tǒng)

為防止非法人員對(duì)綜合管廊進(jìn)行破壞，在綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置了安防系統(tǒng)，安防聯(lián)動(dòng)過程如圖5所示，監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)到人員非法入侵時(shí)自動(dòng)將報(bào)警信號(hào)傳輸至中央智能監(jiān)控系統(tǒng)，隨后由該系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，啟動(dòng)報(bào)警設(shè)備如聲光報(bào)警器、語音警告撤離等，并利用視頻監(jiān)控對(duì)報(bào)警區(qū)域的畫面進(jìn)行篩查以及定位入侵人員。

3.3 預(yù)警與報(bào)警系統(tǒng)

預(yù)警與報(bào)警系統(tǒng)針對(duì)管廊中如火災(zāi)、積水、爆管等特殊事故，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、氣體、濕度、水位等參數(shù)，輔助判斷事故發(fā)生。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由相應(yīng)位置的火災(zāi)探測(cè)器發(fā)出信號(hào)，啟動(dòng)自動(dòng)滅火設(shè)備，同時(shí)監(jiān)控中心將收到報(bào)警信號(hào)，快速采取相應(yīng)措施。管廊內(nèi)的其他事故根據(jù)各類事故的特點(diǎn)，將在如井蓋、人員出入口、不同的艙室內(nèi)部等相應(yīng)位置設(shè)置各類探測(cè)器等監(jiān)測(cè)裝置，如在給水管艙室內(nèi)設(shè)置爆管液位檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廊內(nèi)水位，一旦監(jiān)測(cè)到管廊內(nèi)存在非正常液位，通知管線單位關(guān)閉相關(guān)閥門。

3.4 專用通信系統(tǒng)

專用通信系統(tǒng)是為應(yīng)對(duì)公共通信手段無法實(shí)現(xiàn)管廊內(nèi)外實(shí)時(shí)通信而設(shè)置的，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置有線通信、無線通信等不同通信手段，無線通信主要通過無線對(duì)講機(jī)滿足綜合管廊內(nèi)人員間的通信需求，有線通信通過在控制中心設(shè)置VOIP交換機(jī)，用于VOIP電話的數(shù)據(jù)交換，VOIP交換機(jī)與PSTN市話進(jìn)行連接，以此保證綜合管廊內(nèi)的VOIP電話通訊及與控制中心的聯(lián)系。

4 結(jié)語

綜合管廊工程目前正在大規(guī)模建設(shè)，2017年的《城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和2019年的《城市地下綜合管廊運(yùn)行維護(hù)及安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的出臺(tái)，對(duì)綜合管廊后期安全運(yùn)維、數(shù)字運(yùn)維、智慧運(yùn)維提出了更高的要求。本文在研究BIM三維建模技術(shù)以及BIM與GIS數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換等技術(shù)的基礎(chǔ)上建立綜合管廊智能監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控管廊內(nèi)環(huán)境參數(shù)，面臨廊內(nèi)緊急事故時(shí)做到及時(shí)、精準(zhǔn)的預(yù)報(bào)警，一定程度上降低了城市綜合管廊的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減小其帶來的損失，為日后實(shí)現(xiàn)綜合管廊的安全化、智慧化助力。