BIM+GIS的综合管廊智能化管理平台研究与实现

周文，李倩楠，潘良波，杨国敬

(1.正元地理信息有限责任公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究开发中心，北京 101300；3.北京市智慧管线安全评价及运营监管工程技术研究中心，北京 101300)

BIM+GIS的综合管廊智能化管理平台研究与实现

周文1，2，3*，李倩楠1，2，3，潘良波1，2，3，杨国敬1，2，3

(1.正元地理信息有限责任公司，北京 101300； 2.正元地理信息研究开发中心，北京 101300；3.北京市智慧管线安全评价及运营监管工程技术研究中心，北京 101300)

基于设计并实现综合管廊智能化管理平台(包含BIM建模、监控预警、综合业务以及应急指挥响应等专题应用系统)的目的，综合运用BIM(建筑信息模型)、GIS、智能化控制与城市市政设施的运营管理服务等技术手段，结合连云港徐圩新区综合管廊智能化管理平台建设的实例，得出 BIM和GIS技术结合可为综合管廊智能化建设存在的问题提供新的解决思路的结论，并对BIM和GIS技术在管廊智能化管理中的应用做了总结和展望。

BIM；GIS；综合管廊；监控预警系统

1 引 言

随着城市建设与城市规划之间矛盾的日益激化，使得城市地下管线安全问题越来越突出。各地频发的地下管线事故，如“市内看海”、“管道泄露”、“井盖吃人”等现象，不断暴露着城市地下管线建设管理工作中的问题。结合国外发达城市地下管线治理经验，综合管廊已经成为未来城市基础设施现代化建设的必然趋向[1，2]。

综合管廊普遍位于城市核心区或管线设施高度集中的主干道，附属工程系统庞大，施工难度较高，综合管廊建设工程设计、施工、竣工成果不一致的问题日益突出。另外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。本文在深入研究BIM(建筑信息模型)和GIS的基础上，实现BIM和GIS的结合，建设一套服务于综合管廊规划、设计、建设和后期运营管理的平台。它将解决综合管廊建设完工之前各阶段成果不一致问题，同时提高管廊后期运营管理效率，提升运营管理水平。

2 BIM、GIS简介

BIM是通过数字信息仿真模拟构筑物所具有的真实信息集成工程设计中各种相关数据的工程信息模型，它的出现被认为是建筑业的又一次“革命”[3，4]！随着BIM技术优势凸显，综合管廊与BIM技术的结合将是未来智慧管廊发展的主流方向。

将BIM技术应用于综合管廊，能够实现设计过程的三维协同规划、施工建造全过程的一体化管控和运维流程的智能化维护[5]。BIM可将设计成果随时进行管线碰撞检测，及时发现问题并进行纠偏；BIM能同步提供管廊施工仿真模拟，超前模拟设计效果；BIM技术使整个建设周期具有可视性，通过对综合管廊廊体进行任意角度剖分，方便建模人员提前制定施工管控措施；BIM还可以提供有关资源分配以及成本、进度、设备运维等信息，方便施工进程优化管理。

GIS(地理信息系统)是基于计算机的工具，三维GIS不仅能表达空间对象间的平面和垂向关系，还可以进行空间查询、分析以及统计等操作[6]。基于三维GIS的综合管廊智能化管理系统为管廊的全生命周期管理提供强有力的技术支撑。

3 系统总体设计

本文以连云港徐圩新区石化产业基地综合管廊智能化管理平台建设为例，提出系统构建的思路及总体框架。

3.1 设计思路

通过BIM管廊数据与GIS平台结合，将BIM管廊数据导入到三维GIS平台中，导入后的综合管廊三维模型数据和其属性数据通过唯一ID进行关联，原有的相关属性信息被完好保存，同时所有的管线三维模型和设备三维模型都和现实中管廊管线和设备模型一一对应关联。

以徐圩新区铺设的 3.8 km综合管廊的BIM建模数据为基础，将其导入三维GIS平台；安装各类传感器进行实时监控，以三维立体模型为载体，实现管廊精细化三维模拟，与此同时构建监控预警、RFID标识系统以及应急指挥响应等专项系统。

3.2 系统架构

综合管廊智能化管理平台架构(如图1所示)由物联网传感器系统、应用支撑平台和专题应用系统(包括监控预警系统、综合业务系统和应急指挥响应系统等)组成，三个层次上下连接、互为支撑。

应用支撑层建于数据层之上，为各种应用系统提供统一的管理和运行维护服务，起到承上启下的作用。应用支撑层可支持不同物联网传感数据的接入，并能在此基础上搭建不同的专题应用系统。

专题应用系统的建设主要是对综合管廊的运行状况进行监测数据采集、监控管理、日常巡查养护、隐患管理、预警分析与推送以及对预警事件进行日常处理和启动应急预案综合处置。

图1系统架构

4 系统功能实现

系统采用目前最为流行的SOA架构进行设计。二维地图采用ArcGIS平台，三维地图采用公司从底层自主研发的Genius World(正元天地)平台，结合BIM技术实现对整个综合管廊场景的三维仿真模拟；将开发架构分为三层，客户端采用Extjs、XML、JSON等前端技术实现；应用层采用MVC框架、后台服务采用C#语言实现；数据层中的数据访问通过ODBC接口实现，数据存储与管理采用Oracle数据库。

4.1 BIM建模系统

利用管线探测、无人机以及激光点云、倾斜摄影等先进的陆、空、地三位一体的数据采集技术，实现管廊BIM建模，解决综合管廊规划现场数据获取的问题；并可与GIS地理环境共享，实现管廊内各类管线的位置布局及传导方位模拟，检测管廊内供水管线、供电管线及通讯管线等对彼此的影响关系。

为解决场景中大量三维BIM对象显示、查询速度慢的难题，Genius World平台采用LOD(多细节层次模型)技术，同时使用数据剪裁技术保障“三维场景范围”性能，并通过空间索引和渲染索引双重索引机制来降低性能消耗。

4.2 监控预警系统

运用先进的物联网技术，通过感、传、知、用四个层次，完成对综合管廊状态和属性信息的感知和应用。通过在合适地点安装多种类型的传感器，包括管线状态监测、环境监测(温度、湿度、水位、气体浓度等)、视频监控、安防监测、巡检机器人(或者人工巡查)、广播系统、火灾报警监控、通风系统、管廊结构沉降监测等，能够实时获取温湿度、沉降、有害气体等多种关键指标，并能够根据设定进行报警通知，实现综合管廊的统一监测、集中管控。实时数据信息通过设备传感器存储到服务器的实时数据库，综合管廊智能化管理平台的B/S系统对实时数据进行统计、分析，以统计图表的方式展示给用户，另外还可以将各种传感器的实时数据信息通过大屏进行展示，为用户提供预警辅助决策，并能通过远程控制和调用部分设备(通风、排水泵、电气设备等)来应对紧急发生状况以及不方便人工入场或人工入场危险的场所。监控预警系统界面如图2所示。

图2监控预警系统

(1)三维展示

综合管廊桩基、承台、管架、桁架、维修通道以及管道的三维模拟展示、属性信息维护、横断面查询、实时监测信息查看、预警信息通报。

(2)在线监控

包括视频监控、管廊的地基沉降监测、红外边界监测、管道泄露监测、管道光缆振动监测、温湿度传感监测、气体传感监测、管道压力监测等。

(3)预警分析

通过各种监测设备获取的相关信息和运行数据，对事故预警事件进行分析处理，及时提供预警信息。

(4)预警推送

三维监控预警系统通过预警分析，推送预警信息给综合业务系统和应急指挥响应系统，指导巡查养护和应急响应。

(5)历史分析

历史分析功能是通过时间、监测类型、监测点等多种条件的筛选，快速准确地对历史预警信息进行汇总统计，并能以柱状图、扇形图或表格形式直观展示。

(6)基础维护

以简洁明晰的操作方式提供设施、监测设备的维护和监测项配置的管理。

4.3 综合业务系统

综合业务管理系统由综合业务系统和多台安装巡检App的智能巡检终端组成。巡检人员手持智能巡检终端，通过移动通信远程交换网，连接到监控中心。综合业务系统的功能包括上下班考勤、值班管理、巡查养护、隐患处置、案件上报和设施维护等，有利于实现日常业务办公流程化、自动化和移动化管理。

4.3.1 手机端

(1)我的任务

接收到的任务分为紧急任务和养护任务，巡检人员根据岗位职责能够接收到相应的任务。

(2)巡检上报

巡查上报主要是针对巡查人员对管理区域内发生的各类管廊相关问题情况进行上报或用户根据巡查过程中所发现的问题处理后对处理结果的上报。

(3)上下班考勤

巡检人员每天需要在指定的有效考勤时间范围内进行考勤打卡，系统会将考勤人员相关信息(人员，位置，时间)上传至服务器端进行统计分析。

4.3.2 PC端

(1)轨迹回放

轨迹回放功能可以对巡查员的巡查轨迹进行回放，追踪巡检员任一时间段的运动轨迹，便于管理部门对巡查人员进行考勤。

(2)养护管理

管理部门在对管架、管道进行养护的过程中，可以利用养护管理模块对现场的养护信息进行记录，并将记录信息向系统进行反馈，及时在系统中显示相应的现场信息和养护工作进展。

(3)事故热区

该功能可以通过对事故数据的统计分析，对事故的可能性地区做出预测，颜色比较深的区域即为事故高发区，可为决策分析提供依据。

4.4 应急指挥响应系统

应急指挥响应系统集成管廊周边环境数据、实时监测信息、危险源数据、影像数据，通过数据挖掘分析，启动应急指挥预案进行事故处置，实现人员、设备、资源合理调控，辅助应急指挥。系统包括隐患监测、事故确定、事故分析、事故处置和事故总结的全系列处理流程。徐圩新区公共管廊应急指挥响应系统界面如图3所示。

图3应急指挥响应系统

(1)应急指挥预案

管廊应急预案是应急指挥响应系统的制度保障，有利于提高综合管廊突发事故综合应对能力。预案管理分为预案列表、预案编制、和预案演练三个模块[7]。

(2)事故管理

对管廊事故的详细信息进行记录整理。

(3)事故模拟

模拟事故的应急指挥决策演习。包括搜索力量调度和人员的疏散等模拟分析。

(4)辅助决策

对在线监测信息进行汇总以及初步分析，为灾害或者事故的处理提供决策依据。

(5)统计分析

可以选择多种周期或自定义报表方式对监测数据进行统计分析，统计可能造成的损失等各项指标数据，协助管理者了解管廊长期运转情况，为决策分析提供更清晰直观的数据支撑。

(6)灾后评估

辅助制定灾后善后处理、重建计划等工作决策。

(7)专家案例库

收集整理管廊历史运行数据和已有的知识库，形成专家库和历史案例库两大专题类信息。

4.5 机器人巡检系统

轨道式机器人智能巡检系统的巡检设施是轨道式机器人，可完成对综合管廊设备、环境的移动监测以及信息采集[8]。通过对设备进行统一管控，实现综合管廊自动巡检、远程遥控巡检、重点区域巡检等功能，并能将监测和采集的各种信息通过无线传输的方式传送到指挥中心监测平台。

4.6 出入口控制与报警系统

出入口控制与报警系统的主要作用是对出入综合管廊的人员进行身份核实，如果具备进入管廊的权限，可以放行，如果没有授权，将不被允许进入，同时记录事件发生的相关信息。如果有强行非法入侵事件发生，能够及时与报警系统联动，发出报警信号。

4.7 RFID标识系统

归入综合管廊的管线，需采用符合相关标准的标志、标识进行区别，标志、标识应设置在显眼区域，明确标注管线规格、属性、产权单位、联系电话等信息，为管廊维护工作人员对管线和设备进行日常维护提供指示。

5 结 语

通过BIM和GIS在该试点中的实际应用，为二者在综合管廊建设中的应用提供一定参考。建成的管廊智能化管理平台有助于促进管廊综合管理能力、养护能力、监控预警以及应急处置能力的综合提升，实现综合管廊全生命周期精细化和规范化管理以及智能化运维。

随着软硬件技术的飞速发展，BIM技术日趋成熟，由其带来的行业价值也随之激增。BIM和三维GIS优势互补，两者的结合已经成为综合管廊建设发展的重要趋势，可以为综合管廊规划建设阶段和运维阶段诸多问题的解决提供新的思路。

[1] 梁荐，郝志成. 浅议城市地下综合管廊发展现状及应对措施[J]. 城市建筑，2013(14)：286～287.

[2] 詹洁霖. 城市综合管廊布局规划案例研究[J]. 城市道桥与防洪，2013(10)：67～71.

[3] 张泳. 建筑信息模型(BIM)的概念框架[J]. 价值工程，2012，31(8)：33～34.

[4] 李江舵. 浅谈BIM技术及应用[J]. 中小企业管理与科技旬刊，2014(2)：293～294.

[5] 曹旭明，张士彤. BIM技术在机电施工阶段的应用[J]. 建筑技术，2013，44(10)：909～912.

[6] 谭泽琼. 三维GIS空间数据模型发展现状[J]. 企业技术开发：下，2011(10)：79～80.

[7] 成亮，马彬墛，李秋雄等. 扁平化指挥信息系统预案管理系统及方法[P]. 中国，CN103886423A.2014-06-25.

[8] 曹涛，孙大庆，杨墨等. 变电站智能巡检机器人散热系统分析[J]. 机械设计与制造，2012(9)：161～163.

StudyandImplementationoftheCompositePipeGalleryIntelligentManagementPlatformBasedonBIM+GISTechnology

Zhou Wen1，2，3，Li Qiannan1，2，3，Pan Liangbo1，2，3，Yang Guojing1，2，3
(1.Zhengyuan Geographic Information Engineering Co.，Ltd，Beijing 101300，China；2.Zhengyuan Geographic Information Research and Development Center，Beijing 101300，China；3.Beijing Engineering Research Center of Smart Pipeline Assessment and Operating Regulation，Beijing 101300，China)

It aim at designing and implementing special application systems of the composite pipe gallery intelligent management platform，which contains the BIM modeling，the monitor-control and early-warning system，the integrated service system and the emergency response command system，by using technology of BIM (building information model)，GIS，intelligent control and urban municipal facilities operation management services，etc.，Combining Xu Wei new district as an instances to construct composite pipe gallery intelligent management platform，draws a conclusion that BIM combined with GIS technology can provide a new solution for intelligent comprehensive pipe gallery construction problems，and gives a summary and outlook on BIM and GIS technology in the application of the pipe gallery intelligent management.

BIM；GIS；pipe gallery；the monitor-control and early-warning system

1672-8262(2017)06-31-05

P208

A

2017—02—21

周文(1985—)，男，硕士，工程师，主要从事地理信息软件开发与管理。