城市综合管廊是指利用城市地下空间建设用于多类工程线管共同铺设的隧道空间,并配设有监控中心、检修口、吊装口、人员出入口及各类检测系统,是城市运行的重要基础设施。一般城市综合管廊建设规模较大,以杭州主城区为例,截止2019年10月底投入运营的综合管廊长度达到33.47公里,入廊工程管线主要包括通信、电缆、燃气、给水、雨水,廊内配套的附属设施数量庞大,运维过程中将面对海量的运维数据,而且综合管廊内容纳的工程管线多为城市运行的重要“生命线”,对运维质量提出了极高的要求。本文针对综合管廊运维对象体量规模大、安全稳定性要求高等特点,提出将BIM技术结合到管廊运维工作中,通过分析综合管廊日常运营维护的目的及主要工作内容,充分发挥BIM自身的特点,结合具体项目,对建立以BIM运维数据库为基础的运维平台进行初步设计与实践。

综合管廊在建成投入使用后,通过确立合理的组织管理模式,开展运维管理工作,其主要目的包括:合理规划综合管廊内部有限空间,提高使用率,从而提升经济价值;控制综合管廊可能出现的各类风险因素,保障管线设施稳定运行;维护廊内环境,包括对温度、湿度、有毒有害气体的控制,延长内部设施设备的使用寿命,满足保障入廊作业需求;统筹管理各管线单位作业及日常维护工作,维持廊内正常秩序;收集整理运维过程中的设备运行信息、维保信息及各类工作资料,形成管廊运维档案,为日后开展工作提供参考依据。

管廊内部的线缆支架、预留孔洞、预留管位是有限资源,在运营过程中应合理规划空间使用,统筹控制各单位管线路由,减少不必要的空间浪费。针对有新的工程线管入廊需求时,积极响应管线单位提出的入廊申请,高效完成空间分配。

制定巡检计划,安排专业人员定期对廊体结构、出入口、逃生口、吊装口、通风口、管线引出孔、集水井、变形缝等部位进行检查,及时发现存在的隐患并妥善处理,以维护综合管廊的正常运行。

制定附属设施维护计划,做好对附属设施的检查、养护、维修、更新工作,以维持管廊的正常运营及灾害预防。维护对象包括受配电设备、通风、照明、给排水、标识系统、监控系统,防火系统等。

根据管线单位提交的维护计划,完成必要的巡检工作,做好与管线单位信息协调,保证双方信息对称。

主要包括监控调度、流程审批、信息管理三块内容。监控调度指通过视频巡查、设备监控、环境监测等方式实时掌握管廊内部运行状态,对异常情况及时作出响应;流程审批工作主要是对人员的入廊管理,对日常开展巡检工作的审批许可,以及对设备运行状态的切换控制管理;信息管理是对综合管廊附属设备运行状况、管线数据、维保信息、监控信息、申请材料的统一管理。

基于综合管廊运维管理目的及工作内容的梳理,对管廊运维平台提出以下需求:

1)实现三维可视化信息管理,在平台中应充分利用BIM技术具有的三维可视化特点,使平台具备现代化运维虚拟展示功能,提升信息的可读性及信息化管理水平。

2)实现BIM与设施管理系统信息整合。将综合管廊建造过程中创建的BIM模型数据与运维过程中设施管理系统产生的运维数据进行无缝对接,并将其作为本平台设计中的运维数据库,实现运维管理信息一体化。

3)实现设备运行状态在三维管理界面中实时显示。将实时的设备监控系统信息映射到模型对应点位,实现在模型中全面直观地掌握管廊内部设备/管线运行状态、安全状态等信息,方便管理人员了解管廊内部情况。

4)实现对运维数据库信息的调用、录入、修改、分析等功能。运维数据库是运维工作的基础,应保证数据库信息的完整性、时效性及准确性。同时运维平台应满足管理人员在海量的数据中快速准确地完成信息检索并提供简单的数据分析功能,借助数字化的手段提升管理效益。

5)应用型平台应具有易操作、强实用、可扩展的特点。本平台在设计过程中应充分结合运维工作流程,建立与业务过程相匹配的操作界面、与实际需求相符的应用模块。在系统设计上用应考虑构件化和层次化,设置扩展接口,为未来的系统升级提供保障。

通过对管廊运维平台提出的需求分析,结合对BIM技术特点的认识,重点围绕实现运维管理三维可视化、运维管理信息一体化、运维管理业务集成化三大目标来开展基于BIM的管廊运维平台的设计。

针对基于BIM的管廊运维平台业务流程较简单、对系统有扩展需求,同时为方便开发工作本平台采用分层架构,即标准架构,将系统划分为感知层、数据层、持久层、业务层、表现层五层结构。感知层主要包括对综合管廊内部摄像头、各类传感器、计量表、I/O模块等设施设备的信息采集。数据层是管廊运维数据库,其数据源包括施工过程继承的BIM模型、感知层采集的运行数据、项目外部资料信息,将以上数据进行关联,形成管廊运维数据库。在数据层与业务层之间设置持久层,提升本系统对数据库的操控性,以及更好地维护数据安全。业务层主要负责系统的逻辑分析,包括监控报警处理、数据调用与可视化呈现、数据计算与分析、运维业务流程关联、各运维模管理模块功能的实现等。表现层即管理人员操作界面,主要包括可视化三维管理界面及业务流程交互,并承担部分简单的逻辑处理功能,为运维管理工作提供一个直观、便捷、功能完备的操作环境。基于BIM的管廊运维平台系统架构如图1所示。

在管廊运维中涉及到大量的数据信息,不恰当的数据管理必会导致数据冗余、占用空间大、缺乏逻辑,影响对信息的掌握和使用。该管廊运维平台数据库的数据源包括建造过程继承下来的BIM模型、运维监控系统采集的运行数据以及人工添加的项目管理资料三部分。依据对数据的更改频率,将数据划分为基础类数据和生成类数据两类。数据库构成如图2所示。

即静态数据,这类数据在运维过程中相对稳定,一般不随运维过程而发生变化,主要包括BIM模型数据和设计施工相关资料。管廊BIM模型是管廊实体的数字孪生,它不仅包含了三维空间几何信息,同时涵盖构件物理属性及各类参数信息。在管廊项目施工完成后,对Revit族构件族添加IFC参数,可以实现将初始费用、厂家来源、初始空间布局等初始信息在BIM模型中的录入,以完善运维基础数据。BIM模型自身所包含的运维必要信息较为有限,非运维数据庞大,若将这部分数据纳入日常运维数据检索对象中,势必会增加平台运行压力,影响工作效率。在本平台中,将BIM模型转化为IFC文档,作为一个独立数据库,支持在web端的三维模型显示和对构件基础属性的调取,并提供特定业务流程中的数据检索服务,例如,空间统计、材料用量统计、设备设施定位等。

即动态数据,这类数据主要包括设施管理系统持续产生监控信息和运维管理人员对巡检、维修、保养、施工作业的录入信息。利用Monge DB作为数据库整合动态数据,并通过与BIM模型构件编码进行映射,实现运维监控数据在三维模型中的显示,更直观地展现运维信息。应用此数据库数据完成日常运维数据的采集、传输、存储、查询和分析工作,为运维管理与决策提供翔实信息。

将管廊信息进行可视化表达,不仅要求展示出三维空间位置,还要可视化的显示管廊内设备/管线的运行状态、安全状态等信息。能够实现管廊内设备/管线的基本信息的快速查询,整合多方信息的输入,方便管理者对管廊信息实时掌握。能够将监控信息与BIM三维模型信息一一对应,方便管理人员对管廊各个部位的运行状况有清晰的了解。

依靠管廊环境监控系统收集管廊内温度、湿度、含氧量、有害气体浓度等环境状况,对管廊内的环境安全进行监测和报警;依靠设备监控系统收集设备运行状况,对管廊内水管爆管和火灾等易发事故进行监测和报警。一旦发生设备故障或其他事故,在平台管理界面将出现报警提醒,管理人员能够通过该管理平台及时调取事故发生的详细状况(事故位置、地理信息、附近监控调取、事故点设备信息、相关对应维修人员和历史维保信息等),以制定应急措施。

通过已经成熟运作的管廊监控系统进行管廊内部各种专业设备信息的采集;通过巡检人员、维修人员、成本管理人员、合同管理人员上传的相关信息,实现信息的统一管理模块,随着管廊的检修和维护进行及时的信息更新,满足后续工作对历史数据的使用需求。

通过智能仪表、传感器、探测器等设备的连接,实时收集各种设备的运行和监测数据,形成设备台帐。同时基于收集各专业系统的数据,实现简单的能耗分析工作,甚至可以为城市管理中的能源管理形成基础数据。

根据平台架构设计方案,在Autodesk Forge云服务集中的Viewer模块基础上进行功能模块二次开发,并通过调用相关API接口实现数据连接,最终采用浏览器/服务器(B/S)结构开发实现以下平台应用功能:

1)人员登入。通过在浏览器中输入本地服务器网址,打开运维管理平台。平台设置管理人员登入界面,确保运维平台由专业管理人员进行操作,同时记录了管理人员的工作信息等。

2)管廊分区菜单。登入管理平台后,在首页界面展开的是被拆分的管廊模型目录,依据管廊日常运维习惯,按200米防火分区将管廊拆分成多段管理,极大的降低了平台信息处理压力,保证了平台使用过程中的稳定性。模型选择菜单界面如图3所示。

3)三维管理界面。点击查看的管廊模型,跳转至平台管理界面。左侧为模型操作及数据显示界面,右侧一列为平台子系统目录。本运维管理平台除网页端的三维模浏览、构件属性查询、构件空间移动等基础功能外,添加了包括人员定位、工单派遣、消防信息管理、消防应急、环境监测、设备安全、设备管理7个子系统,实现各类数据在BIM模型中的集成管理。

4)人员定位子系统。通过在管廊内设置高精度无线定位微基站,入廊人员佩戴嵌入微标签的胸牌,人员位置信息将被采集到服务器中,BIM运维平台通过调取对应数据,实现管廊内部人员在平台中的实时定位。使用人员定位子系统可以提升运维过程中人员调度效率,降低人力成本,为突发状况下的紧急处置争取时间,同时也是对入廊人员的安全保障。工单派遣子系统。管理员通过在BIM运维管理平台上发现问题,将问题内容进行描述上传,后台自动整合相关模型存储数据,并附上对应视角的截图,打包发送至运维管理的OA办公系统,提升工单派遣过程中信息的传递效率。工单派遣子系统界面如图4所示。

5)消防信息管理子系统。对管廊内部温感、烟感、气体探测的数据进行监测。BIM运维管理平台本地服务器将调取设施监控系统通过物联网采集的传感器数据,通过模型标签将数据显示在对应模型构件上,实现传感器数据在三维模型中直观显示。系统对传感器数据设置了正常范围区间,当数值超出该区间时,模型构件将会出现红点报警,点击异常位置可以通过信息框调取平台其他子系统功能,实现重要信息快速调取。

6)消防应急子系统。是针对消防应急情况设置,用于查看管廊内部火情蔓延情况或有害气体扩散范围等,并可以调取管廊附近消防设备的信息。如下图系统通过管廊表面的颜色深浅来表示管廊内部温度分布情况,直观的表现火势蔓延状态。

7)摄像监控系统。主要用于管廊内部监控画面的调取。打开摄像监控系统,在模型中将会显示管廊内部所有的监控设备点位,可调取对应位置监控画面。三维模型中的摄像头位置显示可以使管理人员更直观准确的调取监控。设备安全子系统界面如图5所示。

8)设备管理子系统。用于对设备工作数据的监控,查询设备型号、检修维护记录等信息,并实现在平台上对部分设备运行状态进行控制。针对设备异常的情况可调取信息框,调用设备安全、人员定位、工单派遣等子系统功能,提高问题处理效率。

基于BIM的管廊运维管理系统充分利用BIM模型三维可视化特点,以空间模型为数据载体,集成各类管廊设施设备运行数据,建立一个实时更新的地下管廊数据库,不但可以快速了解管廊中设备的运行状态,也可以与工单派遣、应急调度等系统连接起来,实现管廊智能化管理。本文在对实际项目平台开发实践中,重点实现了设备监控信息与BIM模型的集成,以及基础框架的搭建。

软件平台的开发是一个不断迭代的过程,随着业务的深入,软件工程师可以在已有的平台底层功能基础上,搭建更多的应用场景,挖掘更大的信息价值。BIM技术结合运维管理比传统运维管理有整体性强、信息丰富、直观、管理扁平化等不可比拟的优点,是未来管廊运维的必然趋势。同时,随着智慧城市理念的不断发展,管廊运维建立的运维数据库可以成为智慧城市数据基础的重要组成部分,进一步发挥其数据应用价值。