某国家级新区智慧管廊建设方案探讨

曾拾生 田淑杭

摘 要：在综合管廊建设中，除需解决设计和施工难题，以及新工艺、新设备、新材料的应用外，为保证综合管廊的可靠运行，需建立以智慧化平台为核心，配套高标准的设备及标准化的运营维护手段，以实现综合管廊百年工程的安全、经济、高效的运营。本文以某国家级新区综合管廊工程为例，对综合管廊的建设方案进行了探讨。

关键词：地下综合管廊;BIM+GIS全生命周期管控;可视化;一体化

中图分类号：TU990.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0023-03

0 引言

某国家级新区是18个国家级新区之一，新区均规划建设综合管廊，综合管廊平面布置结合城市中心区、商业中心、城市地下空间高强度成片集中开发区、重要广场，高铁、机场、港口等重大道路以及景观道路下，配合轨道交通、地下道路、城市地下综合体等建设工程地段和其他不宜开挖路面的路段，分别在主要道路布置综合管廊。综合管廊为双舱结构，入廊管廊包含给水、电力、通信、再生水管线，规划建设综合管廊100多公里。

综合管廊随道路分期建设，近期建设三条主要城市道路综合管廊、以及综合管廊监控中心，三条道路综合管廊总长约60公里。

1 综合管廊信息化建设思路、目标和总体架构

1.1 综合管廊建设总体思路

为了实现新区智慧管廊的建设目标，通过智能传感器、物联网、智能控制、空间地理信息可视化等技术，打造一体化的智慧管廊系统，建设智慧管廊展厅和参观段，构建建設、运维、培训、服务完整的标准体系。

1.2 建设目标

智慧化综合管廊建设将以”超时代理念、超想象便捷、超纬度管控、超稳定运营”的建设理念，以未来智慧城市发展为目标：

（1）实现一体化的分析决策和综合管控，保障运营维护的“安全、经济、便捷、高效”;（2）打造“管理可视化、维检自动化、应急智能化、数据标准化、分析全局化、管控精准化”的管廊;（3）构建建设、运维、培训、服务的完整体系，为智慧城市建设和发展奠定坚实的基础。

1.3 综合管廊系统架构

智慧管廊系统的控制对象是管廊（管廊、管线和廊内人员），要保障管廊的安全。智慧管廊系统的服务对象是管廊运维公司、管线公司、政府和相关职能部门，保证管廊运维的便捷、高效和经济。

智慧管廊系统是由软硬件组成的一体化系统，利用物联网和先进的控制技术对管廊的廊体、管线和廊内人员进行感知、智能控制，保证管廊（管廊、管线和廊内人员）的安全。利用GIS、BIM、大数据等先进技术以及AR、VR和机器人等先进的装备，提高综合管廊运维管理水平，降低综合管廊运维成本，实现管廊运维的便捷性和经济性，实现综合管廊从数字化到智能化，再到智慧化的转变。

智慧管廊系统的总体架构自下而上要包括物联网层、数据层、平台层、应用层，囊括了包括环境与设备监控系统、安全防范系统、通信系统、火灾自动报警系统和地理信息系统等在内的多个功能模块。

（1）物联网层：是平台体系架构的基础，实现对控制对象（管廊、管线和廊内人员）的数据感知、智能控制，并通过执行设备的动作，实现对控制对象的闭环智能控制，保证控制对象的安全。（2）数据层：实现数据采集、数据处理和数据存储。数据要包括空间、环境、设备、人员、管理等子系统的所有数据，采用BIM技术实现管廊数据从规划、设计、施工和运营的全生命周期传导;开发中间件实现不同通讯协议的系统数据信息在本层汇集，避免信息孤岛、IT黑洞三数据。选用技术先进的实时、历史、关系、空间数据库系统。（3）平台层：是基础服务支撑平台，为整个平台应用提供GIS和协同管理的封装服务和组件。采用SCADA、GIS和运维管理数据共享，深度集成。应用层以软件和服务为核心，基于各业务子系统及数据处理模组，通过相应的编程模型和API 来对数据进行处理、分析，并生成分析结果，同时接收各类用户操作指令，生成操作处理结果，最终建立各种功能应用和发布，实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。（4）应用层：将应用层的处理结果通过预设的设备或者软件展示给管理、运维人员，同时提供人机操作接口。依托地理信息系统和BIM，建设二、三维与全景融合的监测系统，实现二维平面图、三维动态模型和全景环境相辅相成的环境监测信息、设备运行状态、安全防范与报警信息实时显示展示系统。通过二维GIS了解管廊的全局概览，通过BIM三维建模，提供管廊、通道、管路、线路、设备的虚拟再现，将检测数据通过全景环境进行现场的展示，同时与控制系统进行联动。主要呈现包括三维展示、集中监控（环境和设备监控、安防、消防）、运维管理、应急调度、分析决策、智慧管网等。

2 综合管廊关键技术分析

基于“建设国家级新区的智慧管廊示范工程”的项目定位，本方案以“安全稳定、技术先进、经济实用、维护便捷、开放扩展”为原则，以打造“管理可视化、维检自动化、应急智能化、数据标准化、分析全局化、管控精准化”的综合管廊，构建完善的建设、运维、培训、服务体系，实现一体化的分析决策与综合管控为目标，深度解析项目需求，全面提升智慧化水平。某国家级新区智慧管廊建设将应用和集成先进的信息技术，为综合管廊本体、廊内管线、入廊人员提供安全防范措施，确保设备、人员的财产和生命安全;建立贯穿规划、设计、施工、运维全过程的BIM+GIS模型，实现模型的轻量化和信息全记录、全追溯;利用云平台、大数据、物联网技术，进行智慧化危机处理与决策，打造全生命周期的智慧管控平台;建立管线、设备的安装、维检流程，通过安全、先进的软件系统，使管廊运营体系规范化、标准化，降低综合管廊运维成本，保障管廊、管线和人员的安全，提高管控水平和效率，实现综合管廊百年工程的安全、经济、高效的运营。

2.1 智慧管廊技术应用

2.1.1 云计算和大数据的应用

智慧管廊管控平台利用云计算、大数据分析等技术，结合专家模型，可实现设备故障分析、能耗分析、管线管网分析、事故预判分析、人脸识别分析等功能，提高管廊运维管理水平，实现管廊真正的智慧化管控。

2.1.2 多系统数据融合和联动

智慧管廊系统将视频监控、入侵报警、井盖监控、火灾报警、环境监测等不同的系统进行数据融合，从而避免数据孤岛，实现不同系统之间的设备联动。

2.1.3 廊体检测和分析

在参观段，采用应力光纤和水准仪实现管廊廊体的形变检测，并通过数据分析实现管廊形变的预测。

2.1.4 管线检测和分析

在参观段，采用电缆光纤测温和数据分析，实现电缆温度的检测和报警;采用漏水检测仪表对水管道进行漏水检测。

2.1.5 人员定位技术

系统可以通过WiFi无线网络和GPS/北斗能够在线实时定位巡检人员的位置。

2.1.6 电子标签系统

系统可以通过智能终端在现场扫描二维码就可以直接监控管廊设备状态。

2.1.7 机器人巡检

在参观段，采用机器人进行智能巡检。机器人巡检采用轨道移动方式，搭载高清摄像机及红外热成像仪，实现隧道实时监控与红外热成像诊断;集成有害气体、烟雾、光照度、温湿度等传感器以及定位装置系统，使用户实时掌控管廊环境信息，并通过指挥调度中心实现对巡检机器人的控制。

2.2 智慧管廊系统功能

2.2.1 智慧城市一张图

系统基于空间可视化等技术，集合二维地理信息、三维建模、卫星影像、室内地图等，以“一张图”模式以组件的方式向上层应用提供可视化的基于位置的服务，可直观的展示综合管廊整体情况、预警告警位置及报警状态、以及查看对应地面上的情况。支持二维地图和管廊内部结构图的综合展示，满足大范围地下综合管廊的监控和管理的需要，具有丰富的地图展示效果。

2.2.2 BIM+GIS全生命周期管控

智慧管廊管控平台利用BIM加GIS技术，保证管廊的规划、设计、施工等数据的无损传导，同时结合物联网层的检测数据及运维管理数据，实现管廊运行状态及资产的三维可视化、运维管理的便捷化、智能化。

2.2.3 建设、运维、培训、服务完整的标准体系

在项目的生命周期过程中，打造建设、运维、培训、服务完整的标准体系。

2.2.4 数据可视化

将智慧管廊采集、运行的数据、分析处理的数据、全生命周期传递的数据通过丰富多样的图形显示上大屏展示。

2.2.5 标准的日常运维和应急管理

智慧管廊管控平台移动端应用，通过管廊内的无线AP接入平台网络，辅助运维人员进行巡检、保养、维修等。同时，还可在事故状态下，向廊内工作人员推送应急消息、逃生路线等，保障人员安全。

2.2.6 人员疏散

当管廊内发生危险隐患时，系统平台可通过危险源传感器定位到危险发生区域，同时在系统内通过定位到维护人员信息，在指挥调度中心可通过视频监控掌握现场情况，掌握事故点周围情况、地面上的情况，可在地图上规划出最佳逃生路径，可通过无线对讲、应急电话、PDA终端设备等多种方式告知现场人员附近出入口位置，引导人员按照最佳逃生路径疏散。

2.2.7 隐患管理

对威胁管廊管线及其附属设施的安全隐患因素进行分类，实现隐患的可视化管理，可查询统计隐患位置信息、状态信息、所属业务部门等信息。

3 智慧管廊建设方案

智慧管廊系统包括物联网层、数据层、平台层和应用层。

3.1 物联网层

智慧管廊系统的物联网层实现通过检测感知设备、智能控制单元和执行机构的闭环控制，满足管廊（管廊、管线和廊内人员）的安全。

3.1.1 管廊感知

管廊感知系統通过多种检测仪表和检测装置，对管廊进行多角度、全方位感知，主要包括：环境检测、视频检测、入侵报警、井盖监控、门禁、有线通讯、无线通讯、人员定位、火灾报警、离线巡更、机器人巡检、廊体检测、管线检测和智能巡检仪等。其中机器人巡检、廊体检测、管线检测只在参观段中进行设置，属于哨关路工程范围;智能巡检仪在监控中心范围内统一考虑。

3.1.2 智能控制

智能控制通过智能控制单元、供配电系统协调工作实现。

3.1.3 执行设备

执行设备包括消防设备、通风设备、排水设备、照明设备。

3.2 数据层

智慧管廊数据按照信息对象分类，包括管廊本体数据、管廊设备数据和入廊管线数据，按照信息建立时间分建设信息、历史运行信息和实时运行信息。这些信息要经过信息冗余和冲突的处理，避免信息失真和缺失。

要打造管廊真实、实用和完备的数据体系，需要做到以下三点：

3.2.1 建立基于BIM+GIS的数据全生命周期传导

在规划阶段，采用GIS技术，构建指标体系、规划要素数据化、规划控制要素具象，得到带有各控制要素的规划热点图，并作为设计的控制条件;在设计阶段，在规划的数据基础上，采用BIM的协同设计，保证设计的质量，并同时打造工程数据基础;在施工中，利用GIS、BIM、云计算、物联网、二维码等信息化技术，进行施工管理，实现数字竣工移交。智慧管廊管控平台利用BIM加GIS技术，保证管廊的规划、设计、施工等数据的无损传导，同时结合物联网层的检测数据及运维管理数据，实现管廊运行状态及资产的三维可视化、运维管理的便捷化、智能化。

3.2.2 实现实时数据的多系统集成

智慧管廊管控平台利用私有云技术，对计算资源、存储资源、网络资源虚拟化，在虚拟的资源池中建立服务。利用云架构，可以大大降低业务部署时间和故障恢复时间，增加系统稳定性，并且便于后期系统扩展。智慧管廊管控平台可实现数据的分布式存储，从而满足监控中心的数据存储要求。

3.2.3 运维管理数字化

智慧管廊系统有效的数字化运维管廊，将管理数据进行有效存储和分析，并进行流程的优化。

3.3 平台层

3.3.1 智慧管廊硬件

智慧管廊平台采用光线+屏蔽双绞线的光纤网络，云服务器和工作站都通过以太网线连接到核心交换机，ACU通过单模光纤连接至核心交换机，并配备PDA、VR、移动设备等智能装备。

3.3.2 智慧管廊软件

本工程监控中心软件平台架构使用SOA的思路，结合Web Service技术，实现数据处理和管理、多系统集成、业务管理、系统诊断模块、自动语音播报模块、BIM數据导入模块、分析决策等功能。

3.3.3 信息安全

运用先进的设备和技术，保护网络系统中的软件、硬件及数据信息资源，使之免受偶然或恶意的破坏、篡改和泄露，保证系统的正常运行、网络服务的不中断。采用保证关键网络设备的业务处理能力具备冗余空间，满足业务高峰期需要;应保证接入网络和核心网络的带宽满足业务高峰期需要;根据各部门的工作职能、重要性和所涉及信息的重要程度等因素，划分不同的子网或网段，并按照方便管理和控制的原则为各子网、网段分配IP地址。

3.4 应用层

智慧管廊平台应用包括三维可视化、运维管理、应急预案、智能装备应用等。

3.4.1 三维可视化

集成三维GIS系统，实现可视化监控，实现管廊设备设施的数据记录和管理，实现管廊运维的虚拟模拟。实现基础设施设备档案记录及维护的平台，将与各类管线的相关原始信息存入计算机信息数据库中，实现动态数据的实时传送和监视，达到对基础设施及设备的信息化和可视化。实现整个管廊系统的漫游浏览、分区显示、动画导航、空间测量、设备动态信息显示、实时数据监控、设备信息查询、监控画面调取、车辆人员定位等功能。

3.4.2 运维管理

综合管廊运维管理实现人员管理、资产管理、成本管理和档案管理四个部分。实现人员、设备的有序高效管理。

3.4.3 应急预案管理

应急管理系统包括紧急告警与人员安全系统、应急预案管理、应急任务分配、应急车辆管理、应急人员与车辆定位跟踪等。

3.4.4 应急演练和模拟培训

通过三维虚拟技术，实现事故的模拟，并在系统中对工作人员进行事故应急演练。

3.4.5 数据共享和自动信息上报

平台可以实现同政府、管线公司和相关职能部门的数据共享，当发生事故时，可以完成自动信息上报。

3.4.6 智能装备应用

智慧管廊系统采用了移动互联网、VR、AR、机器人辅助巡检等先进的技术和装备来实现综合管廊的信息化、网络化和智慧化。

4 结语

某国家级新区是18个国家级新区之一，新区管委会对新区综合管廊建设寄予厚望，要求以“高起点规划、高标准建设”的原则，着力打造智慧管廊示范工程。某国家级新区智慧管廊的建设充分吸收了国内外的先进技术及运维经验，采用可靠、稳定的硬件设备和软件程序，实现对管廊内环境监测和设备近远程的管理和控制，保障设备、管线、人员安全，达到维护综合管廊的正常运行和事故应急处置等目标。