摘要:文章以江南中心綠道武九線綜合管廊工程為依托, 結合物聯網、智能識別、大數據分析、深度學習、異構運算、可視化等信息化技術,以智慧化、人性化、便捷物聯、高度信息安全為思路,  建立了數字化智慧管廊運維平臺。平臺采用了BIM+GIS融合應用、機器人自動巡檢、高精度無線定位等技術,建立了可視化管理、人員管理、管廊信息管理、安全監測與報警等子系統,為實現綜合管廊安全、高效的運行提供了保障。

關鍵詞: 綜合管廊；BIM+GIS；自動巡檢；無線定位；安全監測與報警

0、引言

隨著綜合管廊建設的推進,全各中大型城市積極投入到綜合管廊的建設中,城市管廊規模越來越龐大。綜合管廊空間斷面設計復雜,納入管線種類多,在運營過程中具有施工組織復雜、工程量大、項目工程管理難度大等特點,在工程進度、成本、安全、質量等綜合管理方面均存在困難,傳統管理模式已無法滿足綜合管廊快速發展的需求[2]。因此需要建立有效的機制和手段來進行管理。

近年來,隨著家政策的引導,廣大專家學者積極投入到綜合管廊運維管理研究中來,形成了系列的綜合管廊信息化管理手段。通過機器人巡檢技術,百D地圖定位方法等建立了體化的管廊運維平臺,并在沈陽市南運河管廊進行了應用。以某項目為依托,采用物聯網、大數據等信息技術,建立了綜合管廊運維管理系統。提出了綜合管廊運維體化建設方案, 并實現了BIM全生命周期應用。通過對智慧管廊運營系統進行研究,結合其特點進行分析,對機器人巡檢技術在管廊中的應用進行了初步研究。張立新等根據綜合管廊全生命周期的管控要求,對BIM技術在管廊中的全生命周期的應用進行了研究。

智慧化、信息化管理是綜合管廊運維管理的重要發展方向,是實現智慧城市、智慧市政的主要手段。本文以江南中心綠道武九線綜合管廊工程為依托,進行了能實現定位、安全保障、監測預警減災、日常巡檢巡查、物業管理、應急處置等功能的數字化智慧管廊運維平臺研究。

1、研究背景

1.1項目概況

江南中心綠道武九鐵路北環線綜合管廊工程(友誼大道~建設十路)位武漢市武昌區、青山區、洪山區,包括主線和支線。主線管廊沿武九鐵路北環線控制廊道布置,起于友誼大道,止于建設十路,全長約13.24公里。支線管廊沿德平路布置,起于武九鐵路,止于團結大道,全長約2.98公里。

1.2項目特點及需求

本項目是武漢市城建重要工程,也是武漢市市級直管的綜合管廊工程,系建設+運維全生命周期管理的管廊項目,采用傳統的管廊運維管理方式存在人力成本高、信息采集落后且分散、應急響應慢、運維管理水平低等弊端,對入廊管線及廊體本身構成定的安全隱患,急需借助新興技術手段探索開發出個綜合性運維管理平臺。通過期的充分實踐調研,得到平臺主要需求為:

(1)結合物聯網、BIM+GIS等信息技術及管廊建設施工和運營 維護過程中的需求,感測、分析、整合城市綜合管廊系統運行中各項關鍵信息;

(2)基于智慧化、人性化、便捷物聯、高度信息安全的思路, 綜合利用管廊智能化管理技術,實現對管廊的各類信息和運行狀態全方W的在線實時監控和智能控制;

(3)基于智能識別、大數據分析、深度學習、異構運算、可視化等技術,對管廊進行精細化管理和科學決策,大大提高管廊的管理效率、降低管廊的運維成本和風險。

 2、平臺建設的總體目標及總體架構

2.1總體目標

建設數字化智慧管廊運維平臺的總體目標:

(1)為了降低運營成本投入,加快應急響應速度,減少事后扯皮現象發生;

(2)將眾多單位的數據進行統整合利用,打通數據通道,形成統的數據標準;

(3) 改善傳統巡檢手段,提升應急處置能力,提高運維管理的智能化水平。實現運維狀態實時監控、預警減災防災、應急處置等功能齊全的數字化智慧管廊運維平臺。

 2.2總體架構

圖2 平臺架構圖

平臺的應用架構是平臺搭建的主要思路和方法,為了保證各個系統之間能實現數據共享,確保數據的致性,避免出現信息孤島, 需設計個靈活的應用系統架構,既可以包容現有的應用又能滿足未來新的應用需求,使各個系統信息的高度集成,使得基于不同平臺、不同語言實現的應用系統能夠很好地進行信息交互,從而讓系統平臺變得更有彈性,能更快地響應業務需求。數字化智慧管廊運維平臺以計算機技術、網絡技術、電氣控制技術、傳感器技術及機器人技術為基礎,采用基于組件的SOA平臺應用架構進行構建,主要包括物理層、數據層、應用層、展示層,如圖2所示。通過高度集成的數字化智慧管廊運維平臺實現對綜合管廊的綜合管理、實時控制、智能監測;通過數字化智慧管廊運維平臺中的建筑信息模型(BIM)和3D地理信息系統(3D GIS)等手段對管廊及內部管線進行可視化管理;通過引入管廊巡檢機器人配合自主滅火機器人完成對管廊內環境、設備、管線的不間斷智能巡檢和應急火災處置,實現人工與機器的有效協同,實現24h不間斷監控。

3、平臺關鍵技術

3.1BIM+GIS融合應用

管廊在設計、施工、運營維護等各個階段均使用BIM技術和GIS 技術,并將二者進行有機結合。通過此方式,將管廊全生命周期的數據資料進行集成和管理,為不同決策者在不同階段,不同需求提供數據和技術支持。GIS技術具有整體功能的作用,可以將綜合管廊內的大量空間信息(如出線口以及特殊節點等地理位置、機電設備、控制設備等各專業相關設備的數量、類別、地理位置分布等)進行屬性掌握,實時監控各種設備的運行狀態,高效的管理帶有地理信息復雜數據,為綜合管廊運營維護的輔助決策提供具有空間信息功能的依據。BIM技術具有很強的呈現功能,將BIM呈現的管廊屬性賦予GIS,可通過三維可視化的方式進行呈現,讓人有種身臨其鏡的感覺,使運維管理方及管廊作業人員更好的對管廊地理空間進行認知。該模塊解決了基于空間位置的設施管理,通過對象比的復原,形成所見即所得的管理模式。

3.2機器人自動巡檢技術

機器人環境適應能力強,在惡劣環境下能正常工作,可深入危情現場,能夠有效地配合巡檢工作。通過將高清攝像頭、紅外成像、無線傳感器等設備集成于智能巡檢機器人, 再制定定期巡檢、應急響應巡檢等不同的巡檢模式,實現對廊內各類設施、設備的全覆蓋檢測。由機器人替代部分人工巡檢充當特殊環境下的先行探檢,增強了人員和管廊的安全系數,有效提高管廊的運行效率,大大減少管廊災害和事故的發生。具體的形式有:在巡檢機器人上設置各類型氣體監測傳感器,實現氣體質量分數動態監測,當檢測到管廊內某種氣體含量超過安全限值時,巡檢機器人將立即上傳報警信息至綜合監控平臺,并發出聲光報警信號;通過紅外熱成像技術,使用巡檢機器人動態監測管廊內溫度變化情況,當檢測到管廊內溫度超過安全限值時,巡檢機器人將立即上傳報警信息至綜合監控平臺,并發出聲光報警信號;結合基于機器視覺的廊體結構健康狀態監測指標、識別技術與評價方法,進行管廊結構本體缺陷隱患的辨識,通過巡檢機器人攝像頭采集到的影像資料,實現結構表觀缺陷、病害的智能識別,通過長時間巡檢影像資料實現外觀缺陷、病害發展趨勢監測,實現管廊結構外觀智能檢測的目的,為后續管廊結構、病害維護提供參考。

3.3高精度無線定位技術

根據城市地下綜合管廊的運維管理環境,需要對地上、地下、廊內不同位置的工作人員進行定位及軌跡追蹤,同時在日常巡檢、應急救援、執行任務等情景下都需要對相關人員進行精確定位。建設數字化智慧管廊運維平臺采用高精度無線定位系統,用于入廊人員的安全保障和位置追蹤,通過該定位系統可在控制中心的屏幕上顯示出當人員的位置和行進軌跡,并且可以根據人員位置合理調度巡檢、搶險等任務的安排。此外,在發生危險或緊急事件時,控制中心可以與人員攜帶的標簽進行聯動,通過警報聲或振動提示人員進行撤離。

4、平臺主要功能模塊

平臺主要由可視化管理、人員管理、管廊信息管理、安全監測與報警巡檢四大模塊及若干組件構成,其功能構成如圖3所示:

圖3 平臺功能圖

4.1可視化管理模塊

可視化管理主要分為通過3DGIS+BIM的建筑模型融合業務系統的實時數據信息,實現管廊實時管理的可視化和通過大數據計算分析的階段性管理分析統計可視化。

(1)作為信息可視化的管理工具,3DGIS主要應用于建筑外部的宏觀區域,BIM主要應用于建筑內部的區域。3DGIS提供綜合管廊及周邊信息的宏觀模型,為區域管理、系統宏觀管理、空間管理、災害管理等提供基礎;BIM提供綜合管廊內部的精細化模型,為設備設施管理、維護維修管理、安全管理、應急管理、模擬巡檢等提供基礎。兩者相結合構建個與現場致的模型,通過業務數據的實時傳輸和呈現,可實現可視化管理、虛擬巡檢等功能。(2)大數據可視化主要借助于圖形化手段,清晰有效地傳達與溝通信息[10]。管廊數據信息具有復雜性、分散性、不確定性、動態性等特點,通過大數據分析技術融合分析海量的數據,將同類型數據或關聯數據集中到個專題頁面進行圖像化呈現展示,將專業的復雜的數據進行圖像化歸集,為管廊管理者的決策提供支持。

4.2人員管理模塊

人員管理模塊旨在加強管廊內運維管理人員作業行為的監控監管。人員管理模塊主要由人員定位系統、人員管理系統、任務管理系統三大部分組成。

(1)人員定位系統:人員定位系統分為地面人員APP定位及廊內人員高精度無線定位,高精度無線定位用于入廊人員的安全保障和位置追蹤,通過本模塊可在控制中心的屏幕上實時顯示出當人員的位置和行進軌跡,并且可以根據人員位置合理調度巡檢、搶險等任務的安排;此外,在發生危險或緊急事件時,控制中心可以與人員攜帶的標簽進行聯動,通過警報聲或振動提示人員進行撤離。(2)人員管理系統:人員管理系統主要負責管廊相關工作人員的信息管理。(3)任務管理系統:任務管理系統主要通過控制中心的綜合管理平臺向工作人員巡檢終端的APP完成任務的派發,工作人員通過APP接收任務后往指D地點完成任務,通過人員定位和RFID標簽功能可實現過程的監管,完成任務后通過APP上傳相關音視頻巡檢資料進行任務閉合。

4.3管廊信息管理模塊

管廊信息系統模塊旨在對管廊的各種文件資料、入廊管線、設備等進行信息化管理,使線下繁瑣且工作量大的工作線上化,便于保存、管理和查看。管廊信息系統包括廊倉管理、入廊管線管理、文件資料管理、設備管理及備品管理。

4.4安全監測與報警巡檢模塊

安全監測與報警巡檢模塊旨在提高管廊本體、入廊管線、相關環境的安全監控及管理水平。物聯網技術是本系統的核心部分,利用端傳感器監測廊內各類信息,依托各種通信網絡進行信息交互和共享,利用大數據技術,對海量的感知數據和信息進行分析處理, 實現智能化報警,以保障入廊管線的健康安全狀況。同時,通過智慧管廊綜合管理系統內接入的自動控制系統和綜合機器人系統還可完成針對各類報警的應急處理,進步提高運維的安全性。該模塊下的部分系統如:

(1)環境監測系統監測項目包括甲烷、硫化氫、二氧化碳、溫濕度等。(2)入侵監測系統主要通過在管廊內重要節點,例如人員出入口、投料口、通風口、引出段等,設置紅外微波探測器和聲光報警器,對 出入人員或物體進行監測,從而實現非授權進入報警。(3)廊體監測系統通過在管廊內壁安裝壓差式形變傳感器對管廊本體的沉降進行監測,采用裂縫計對頂管與標準段處的平面位移進行監測。系統根據獲取的數據,對影響管廊結構安全的超限指標進行分析并實時報警,及時發現病害并判斷其安全狀況,以便及時采取措施,保障管廊結構穩定。(4)視頻監控系統通過采用低照度高清網絡攝像頭結合硬盤錄像機,可實現視頻實時監測、錄像查詢、移動偵測等功能,監測范圍覆蓋管廊內所有重要節點。(5)綜合巡檢機器人系統通過精確的智能視頻算法分析及紅外成像,對設備進行*巡檢,發現人工肉眼難以發現的微小熱缺陷情況,并且機器人不會產生勞累、困倦等現象,能夠保證巡檢質量;機器人更可接入工業以太網環網,實現在調度室內通過管理平臺對機器人進行重點區域調度巡查;機器人輔助管廊監控,保障了管廊管線設施安全,通過監測管廊內各類設施設備狀態,預防設備故障隱患,提高管線的巡檢效率和設備使用壽命;巡檢機器人與消防機器人聯動配合,在發現火災隱患時能夠迅速到達火災現場完成應急消防滅火。

5、安科瑞產品在綜合管廊智能化監控管理系統的應用

5.1火災報警系統

火災報警系統在整個管廊智能化系統監控中也具有重要性建設應用意義，要想保障整個系統應用的監控管理能力提升，就應該在系統應用中，及時將系統應用內的火災警報監督控制管理工作化。火災自動報警系統包括:火災自動報警系統、防火門監控系統、電氣火災監控系統。

電氣火災監控系統（管廊地下部分）產品選型

Acrel-6000電氣火災監控系統由Acrel-6000系列監控設備、ARCM200BL、ARCM200L系列監控探測器和配套附件組成。系統各設備之間均采用RS485總線進行連接，施工布線簡單方便。

Acrel-6000/B1電氣火災監控設備簡介

注：地下管廊使用的動力箱/柜符合管廊相關標準，防護等級達IP65

 5.2 環境及設備監控系統

在綜合管廊智能化建設管理中，為了將整體的智能化管廊建設工作開展性能提升，需要在管廊建設中，對其對應區域內的設備運行以及對應的環境監測工作開展進行分析，并且在分析中，按照具體的管廊建設處理中的設備控制進行科學的系統監控規劃。該部分環境監控系統的實施中，系統對應的環境及設備監控共分為以下幾點：是環境監測設備；二是排水設備；三是通風設備；四是照明設備，只有將對應的環境監測設備和監控系統運行系統建設好，才能保障在系統的監控運行中，將整個系統應用的監督控制管理能力發揮出來。

安科瑞配電室綜合監控系統，可實現管廊內智能開關柜運行監控、高壓開關柜帶電顯示、電流電壓等負載運行監控、母線測溫監測、電纜測溫監測、環境監測、有害氣體監測、安防監控、取暖通風、門禁、燈光、風機、除濕機、空調控制等功能。實現動力環境各數據的檢測與設備控制，實現動力環境化，避免運行環境的失控導致配電設備運行故障，保證維護人員安全，延長設備使用壽命，減少配電室粗放式管理導致成本過高，同時實現配電動力環境的分布式遠程管理。

5.2.1系統結構

  配電室綜合監控系統以智能控制為核心，通過物聯網技術的集成應用，實現配電室內環境的全天候狀態監視和智能控制。系統由485通信和網絡通信混合組網，完成站端視頻、環境數據以及安全防范等數據的采集和監控，適配于當下多種應用場景。

系統結構

系統遵循物聯網分層分布式物理體系，即設備層、網絡層、站控層，構建而成*體化的智慧管理平臺系統。

監控系統架構采用平臺化SOA架構，具有良好的可擴展性。當數據接入量大或者訪問用戶數大的時候，可以通過部署多個應用實例來提高系統服務能力。同時可根據用戶的使用要求，靈活配置運行的服務組件。

在個區域內部署時的典型場景如下圖，配電室的各類智能檢測設備通過有線或無線網絡連接到監控中心，單個配電室或箱變的監測數據可集中上傳到監控中心或者物聯網平臺。

5.2.2監控范圍

  系統把環境、視頻、通風、照明、安全防范、消防、次設備輔助監控等所有監控量在系統主界面上進行體化顯示和控制，避免各系統孤立顯示和控制。

1. 環境監控子系統

  配電室綜合監控設備安裝在配電室、箱變、變電所內，通過采集和傳輸技術，可以實時監測配電室內的重要場所和設備的工作環境，如溫度、濕度、電纜溝水位、漏水/水浸、有害氣體(SF₆，H₂S，NO，CO，O₂，O₃)、TVOC、煙霧、明火、人體感應、噪聲等。
  當檢測到環境量出現異常時，可及時顯示、報警，并可通過通信網絡將數據上傳至系統平臺。根據預先設置的上下限值，聯動控制空調、視頻、燈光、加熱裝置、除濕器、通風機、聲光報警等設備。保障配電室場所的電力設備安全運行。防止因環境改變、非授權活動、設備狀態變化等引起的事故，滿足配電室遠程運維的可靠管控要求。為新型現代化配電室的智能化、可視化、自動化、互動化做有效支撐。
  站端設備包含各種傳感器（溫度、濕度、漏水、水位、有害氣體等）。系統平臺可以直觀的顯示出被監測量的大小或狀態，以及被監測量的實時值或各種故障發生的情況。

  告警功能：在監控中心對環境參量超過預設值時發出視聽告警，在監控系統的人機界面上閃爍顯示，同時可以提供警示燈、報警音箱、語音、短信通知等多種告警方式。
  設備狀態檢測：系統可以實時監控配電室內各監測設備（傳感器）以及通信線路，自動診斷設備及鏈路故障，并實時顯示在界面上。
  數據查詢：環境監測數據、狀態監測數據及遠程控制數據的歷史數據查詢。

2. 消防監控子系統

  煙霧、溫感、明火等火災消防信息的接入，聯動聲光報警器進行報警，以及通過短信方式自動通知值班維護人員。

3. 安防監控子系統

  紅外雙鑒、紅外對射、震動、門磁等安防相關設備接入 ，并可實時播放告警語音、發送提醒短信等。

4. 無線測溫子系統

  無源無線測溫產品由主機（或收發器）和傳感器兩部分組成。主要應用在高低壓開關柜內母排搭接點，斷路器觸頭、電纜接頭、大電流設備等電氣連接點和其他易過熱點等位置的溫度檢測，并把測量結果通過網絡上傳到監控中心數據庫服務器，通過軟件分析能夠對溫度過高發出告警信息，實現溫度故障的早期預測，防患于未然。
5. 饋線監測子系統

  可以監測開關柜局放和饋線回路的開關狀態、溫度、電壓、電流、功率、功率因數、有功、無功、諧波、電能量采集等。支持設置上下限的告警值，實現語音播放、發送短信等聯動提醒方式。

6. 變壓器監測子系統

  變壓器三相繞組溫度檢測、風機運行狀態、震動檢測。支持設置上下限的告警值，實現語音播放、發送短信等聯動提醒方式。

7. 視頻監控子系統

  視頻監控采用數字監控系統，實現專業監控功能。支持海康主流硬盤錄像機和數字高清攝像機系列產品。

8. 溫濕度控制子系統

  溫濕度控制器運用傳感器檢測柜內的溫度與濕度值，并通過控制外接的風扇與加熱器對溫度與濕度值進行調節，可有效防止因低溫、高溫造成的設備故障以及受潮或結露引起的爬電、閃絡事故的發生。

9. 門禁控制子系統

  系統支持人員進入出去時間人員記錄，系統提供設備或網絡故障報警、非法闖入報警、門開超時報警、非法刷卡報警以及脅迫報警等。

10. 空調節能控制子系統

  可以控制空調開機、關機、升溫、降溫等，并能夠直接調整空調的溫度值。

11. 燈光控制系統子系統

  可以遠程控制燈光的關閉和打開。

12. 其他控制功能

  水泵控制。
  加熱器控制。
  聲光報警器控制：遠程控制啟動和關閉，避免擾民。
  風機控制：實現對主、副新風機的智能控制。
  除濕機控制：室內除濕機控制以及與濕度聯動。
  其它設備控制。

5.2.3硬件選型

6、結語

本文以江南中心綠道武九線綜合管廊工程為依托,對數字化智慧廊運維平臺進行研究。平臺基于智慧化、人性化、便捷物聯、高度信息安全的思路,結合物聯網、BIM+GIS、智能識別、大數據分析、深度學習、異構運算、可視化等技術,可實現對管廊各類信息和運行狀態全方W實時監測、應急處置、科學決策,精細化管理等,可解決管廊傳統運維過程中的各種困難,使管廊信息化管理更進步。通過該平臺的建設,可預見此平臺后期在江南中心綠道武九線綜合管廊應用后,對降低現場和管理人員的勞動強度,提高工作效率、及時發現運維過程中的安全隱患都能發揮出積極的效果,為管廊安全、高效運行提供保障。