综合管廊作为一种基础设施管网布置形式, 是解决城市地下空间布局不合理、提高城市地下空间利用率的有效解决途径。2015年8月, 国务院办公厅印发《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》, 目标是到2020年建成一批具有国际先进水平的地下综合管廊并投入运营。住建部于2016年8月颁布了《2016-2020年建筑业信息化发展纲要》文件, 提出大力推进BIM、GIS等先进技术在综合管廊建设中的应用。同时需要建立综合管廊管理平台, 形成智能化城市综合管廊的运营。

随着国家政策的颁布, 资金的投入和管廊技术的成熟, 近几年越来越多的大中城市已开始着手综合管廊的建设。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。

传统模式下的城市管廊管理已不能满足城市发展的需求, 迫切需要提出新型的符合管廊发展趋势的地下综合管廊运维管理平台。综合管廊运维管理平台能够打破管廊内各系统中的信息孤岛, 将设计、运营和施工成果容纳到运维管理中, 保证故障及危险排除的有效性、及时性;合理地进行排班管理, 保障运维的高效性。本文以沈阳南运河综合管廊为例, 结合“BIM+GIS”、AI、机器人自动巡检及百度地图定位等技术, 对南运河综合管廊运维管理平台进行研究探索。

沈阳南运河管廊工程西起南京南街, 东至善邻路, 全长约12.828公里。沿线附近均为沈阳市老城区, 管线迁改量大, 多次穿越生态公园, 涉及生态环境保护, 施工要求高。综合以上所述项目难点, 南运河管廊工程更需要规范、高效、精细化的管理。南运河管廊示意图如图1所示。

南运河管廊运维管理平台在管廊相关标准和规范建设的前提下, 以支持管廊全生命周期的安全运维管理为目标, 平台采用互联网+模式、集成地理信息系统 (GIS) 、建筑信息模型 (BIM) 、物联网 (IOT) 、人工智能 (AI) 技术于一体, 采用面向服务的构架模式 (SOA) , 模块化设计, 使各功能服务相互独立, 灵活调用, 可最大限度地满足不同用户的需求, 且便于后续升级和维护。系统可实现融合互动, 真实、全面、直观地展现综合管廊全貌, 给客户带来全新的真实现场感和交互感。南运河管廊企在开发盾构管廊与老城区智慧城市建设相结合的管廊运行管理新模式。

本项目将GIS平台和BIM模型通过B/S模式整合进行管廊运维管理平台的建设。以已经完成的管廊内外BIM模型为基础, 通过3DGIS一体化技术, 将BIM模型与倾斜摄影模型、地形模型、三维管线等多元空间数据结合在一起, 实现宏观与微观相辅相成、管廊内外的管理一体化。在数据传输时, 利用GIS提供的BI导入方法, 通过BIM数据主流格式IFC为中间媒介进行对接传输, 保证模型和属性的正确关联, 从BIM到3D GIS平台实现完整的数据传输, BIM数据导入流程如图2所示。

管廊机器人自动巡检作为新型智能化巡检模式, 可运用于管廊内电力管线、通讯管线、燃气管线、给水排水管线的巡检工作。管廊采用挂轨式机器人巡检系统, 巡检系统主要由巡检机器人、通讯网络、巡检轨道、防火门感应系统、充电系统、信息储存管理系统。巡检系统分为3个工作层, 信息采集与管理层, 通讯层和巡检运行层。管廊内每个舱室都设有无线AP, 全天候为机器人提供巡行所需信号。

机器人可根据管理人员设定自动进行巡检任务, 在百度地图上能够精准定位机器人的地理位置, 并将位置清晰显示在管理办公室的大屏中, 如图3所示。此外, 机器人搭配热红外成像仪, 即使黑暗环境中也能传回高质量画面;还搭载多种传感器, 监控管廊内温度、湿度和各种有毒气体, 精准判断潜在危险。传统的机器人巡检系统管理平台只能接受到机器人传输过来的运行时间和运行距离, 并不能精准确定机器人所在位置, 而结合百度地图和BIM系统能对机器人实行精准定位。机器人电量过低时自动前往最近的充电桩进行充电, 百度地图上也标注了距离最近的充电桩位置, 能清楚看到机器人运行动向。当巡检机器人在管廊中遇到防火分隔时, 机器人与防火分隔上的感应器协同作用, 使之安全通过防火门。机器人如遇危险情况、障碍物, 将安全停止, 保障机器人与环境的安全。当环境异常时机器人可自动判断报警, 事故位置精准定位, 及时通知管理人员查看发生情况。操作人员可遥控机器人进一步查看现场的情况, 很大程度上取代了传统的人工巡检, 安全快捷。机器人自动巡检系统实现了机器人、城市基础地理信息、城市遥感信息一体化, 适应智慧城市的发展趋势。

移动巡检技术与管廊监控系统、BIM系统联动, 方便巡检人员管理, 检查结果自动上传至中控指挥中心的大屏幕。巡检人员可在手机上下载专门定制的南运河管廊巡检APP, 如图4所示。

将手机连接上移动网, 巡检人员登录账号实现临时巡检功能。巡检人员入廊巡检时, 可拍摄管廊现场不符合施工规范或者设备故障的相关照片或者视频, 然后打包上报至指挥中心平台。在运维平台的巡检情况这一栏里可以查询所有巡检人员所上报的图片或者视频, 同时能够详细了解反馈的故障信息, 以及结合GIS和百度地图定位方法能够看到巡检人员上传数据时所在的具体位置。

该技术不仅能够保障管廊运行的安全性, 提高解决廊内问题的效率, 同时体现了管廊运维管理的细节化, 符合城市精细化管理和智慧城市的发展趋势。

运维管理平台主要由四大系统构成:管廊监控系统、管廊管理系统、BIM管理系统和管廊办公系统, 四大系统相互协调工作, 从廊内、廊外对管廊进行更加精细化、高效率、高水平的管理, 如图5所示。

南运河管廊监控系统是基于现代网络和通讯技术, 融合管廊各类信息资源, 通过数字智能化手段, 建立的立体的、全方位一体化的综合决策和指挥系统, 形成和具备精确指向和处理能力, 迅速处置各类管廊突发事故, 实现管廊本体与管廊附属设施管理, 包含综合管廊运行状态显示、巡检运维状态显示、环境与设备监控系统、安全防范系统、电气系统、通信系统、机器人系统、火灾自动报警系统及可燃气体探测报警系统等功能。同时综合管廊监控系统可对以上系统进行远程监测、操作和管理, 并能提供监测数据、系统设备状态的历史数据的报表等信息。管廊监控四大子系统如下:

环境与设备监控系统:主要对综合管廊内气体、温湿度、液位等参数进行监测和报警。为管廊内设备营造一个健康的运行环境, 对管廊内气体、温湿度、液位等进行全面监测, 同时联动风机水泵等设备。

(1) 对管廊内可燃气体、氧气、硫化氢等气体浓度进行实时监测, 保证进入管廊巡检人员的生命安全;

(2) 对管廊内环境温度、湿度进行实时监测, 同时联动风机控制单元, 为管廊内设备营造一个良好的运行环境;

(3) 对管廊内集水井液位进行实时监测, 同时联动水泵控制单元, 保障管廊内设备安全运行。

安全防范系统的主要设计范围包括视频监控系统、入侵报警系统、出入口控制系统及在线式电子巡检系统。

(1) 视频监控系统:对管廊内重要位置进行全方位实时监测回传;

(2) 入侵报警系统:防止非法人员入侵, 对非法入侵者监测并报警;

(3) 出入口控制系统:对管廊出入口实施管理, 强化安全防范功能;

(4) 在线式电子巡检系统:实现人员定位、故障上报、二维码设备扫描等功能, 提高管廊日常巡检的工作效率。

通信系统采用有线/无线的方式, 形成统一指挥、功能齐全、运转高效的应急机制, 实现对各级用户进行统一调度, 对突发事件的快速上报、迅速处置。主要包含以下两个系统:

(1) 光纤电话系统:采用的IP技术, 将音频在LAN上进行传送, 可提供电话广播业务接入, 实现远距离光纤网络传输;

(2) 无线语音系统:通过布置无线AP进行信号覆盖, 在工业智能手机上安装相应的APP, 结合光纤电话系统实现无线语音通话功能, 同时实现人员定位、巡检。

火灾自动报警系统由火灾探测及报警系统、可燃气体探测报警系统、消防应急照明及疏散指示系统、防火门监控系统、电源监控系统、气体灭火控制系统、光纤测温系统组成。监控中心报警主机与报警控制分机通过单模光纤组成环形火灾报警通讯网络。

(1) 火灾自动报警系统接收到感温光缆的火灾监测信号或手动报警按钮的报警信号时, 在管廊内发出声光报警, 以警示管廊内部的工作人员;

(2) 系统同时在监控中心进行声光报警, 软件界面弹窗报警, 联动视频监控系统切换至火灾报警区域画面, 警告监控中心工作人员采取相关应措施。

管廊管理实现了管廊监测数据, 历史预警信息的统计分析, 并结合设备管理、故障管理、保养管理、隐患管理、资料库管理以及对突发事故的应急指挥等功能, 为管廊的安全运维提供决策支持。

(1) 设备管理

针对设备入库、设备安装、设备检修、设备报废、设备查询、设备变更等项目进行设备类型、生产厂家、采购批次、日期、价格、设备状态、使用单位、安装地址等相关信息的记录与管理, 并支持相关信息的实时查询与推送, 实现管理智能化。

(2) 故障管理

对设备故障、设备维修、设备大修计划等方面进行相应的信息、时间、位置、人员、任务、结果等综合信息系统化管理。

(3) 保养管理

对设备保养的内容、计划、任务、监控、结果、费用等方面进行相应的信息、时间、位置、人员、任务、过程、结果等综合信息系统化管理。

(4) 隐患管理

通过系统平台及巡检人员的综合监测, 实现隐患报备、评估、整改、消除的智能化系统管理, 并通过系统的隐患统计、实时掌握隐患多发区及多发设备, 将安全放在首位, 做到时刻防患于未然。

(5) 管廊应急指挥

通过系统平台的综合指挥管理, 对应急事件、应急通讯录、应急仓库、应急资源等信息进行统筹规划整理分类。并提供各类事件的多样化应急预案, 同时提供对人员的合理编制预案, 保证应急工作的有序化、合理化、系统化、智能化, 实现应急事件的最优化处理。

(6) 资料库管理

以大数据的模式对资料库进行综合运维管理, 实现资料储备、更新、分类检索等功能。

(7) 预警管理

在预警管理界面, 可对预警项目进行修改设置, 达到全方位安防预警调控系统的协调与稳定。同时对历史预警情况形成图表、报表、趋势图等形式呈现, 有利于监管者对全局的把控。

成熟、智能化的综合管廊运维管理平台应该满足的功能需求有:管廊运行信息的实时采集、有效的信息集成和分配、可视化的信息管理及自动安全监测与报警。针对以上功能, 南运河管廊采用BIM技术手段, 将管廊规划设计的成果导入到BIM运维管理平台中, 真正将设计、施工的成果运用到管廊的运维, 采用三维可视化方式进行管廊精细化管理。实现管廊三维模拟巡检、入廊空间分析、以及关键点定位的全方位监控管理。

(1) 场景:飞行路径、场景漫游 (模拟巡检、查看设备信息) 、断面管理 (任意视角切入查看管廊运行情况及内部结构) 、双屏对比 (地上地下双屏信息对比) 、屏幕截图;

(2) 量算:水平距离、垂直距离、空间距离、地表距离、水平面积、地表面积、空间面积;

(3) 查询:属性查询、坐标查询、坐标定位;

(4) 分析:入廊空间 (廊内管线排布情况) 、剖切分析 (地上地下无死角对比观察) 、挖填方分析 (管线空间排布、土方量计算) ;

(5) 标绘:动态特效 (模拟火、烟、爆炸、喷雾、喷泉、喷泉组、小水枪、动态水面的效果) 、应急标绘 (人员逃生路线、集结地域标注) 。

管廊办公管理系统针对运维公司日常工作, 实现管线入廊、管线收费等功能, 为管廊经营管理提供决策依据, 实现监、管、控一体化的运维管理方案。

管廊办公系统包括档案管理、入廊审批、公文收发、绩效管理、入廊企业管理、咨费管理、组织机构管理、系统管理等, 重点实现管廊日常收费与办公审批。

南运河管廊智慧运维管理平台通过四大系统的协调与联动, 实现管廊本地设备的安防与监控, 管廊附属设施的监控与报警, 管廊应急指挥, 管廊日常巡检、管廊工作人员的安全管理与监督、入廊管理与审批。将廊内管理与廊外管理相结合、管廊与城市管理相结合, 实现人员精细化管理, 大幅提高了管廊管理效率与水平, 打造先进的管廊智慧运维管理体系。