城市综合管廊智能化运维系统研究

黄云竹 周军 陈春苗

摘   要：基于对城市地下综合管廊运维期的需求分析，文章针对性地构建了智能化运维管理系统，该系统将BIM+GIS、物联网、云计算等技术相融合，从数据层、平台层、应用层3个层次阐述系统框架结构，旨在实现管廊的信息化管理，提升运维效率及水平。

关键词：综合管廊;信息化;集成管理

综合管廊是存在于城市地下的一项重要的市政基础设施，可实现给排水、消防、电力、通信、燃气等各类市政工程管线的集成化管理，便于后期维护与检修，保障城市的正常运行，被称为城市“生命线”，在新区建设及旧城改造中作用尤为明显。

1    我国综合管廊研究现状

与传统市政管线布设方式相比，综合管廊有效缓解了架空线网密集、直埋管线检修所产生的“马路拉链”问题，可实现市政工程管线的集成化、规模化管理，增强城市的抗风险能力。因其特有优势，近些年来在我国得到了快速发展，并计划用10年时间建成较为完善的城市地下管线体系。为此，2015—2016年，国家共设25个综合管廊试点城市，探索综合管廊在建设及管理方面的先进技术，为综合管廊的在全国的推进积累经验。但同时，我国综合管廊发展也面临着诸多考验，例如综合管廊的建设成本比较高、监督制度不完善、后期运维管理跟不上等。

2    综合管廊运维期需求分析

管理平台的基础是数据，重点是利用信息技术将终端传感器或探测器采集的数据进行加工处理，反映管线当前的运行情况，及时发现存在的安全隐患，为维修养护提供依据。整个过程主要包括4个方面的需求：

（1）数据采集与存储。准确、快速地采集到廊体及周围环境数据是开展有效运维的前提条件，将采集到的监测数据进行存储，以供后续分析使用，这就要求设备要兼具大容量性、高稳定性。

（2）阈值设定与预警。对采集到的数据进行分析处理，得到各类监控指标，按照现行规范或有关要求设计阈值，超过阈值进行预警，提醒管理人员运行出现异常。

（3）隐患排查与处置。由于我国工程健康监测发展的还不是很完善，因此，有必要配合定期的人工监测、特殊事件后的专项检测以及预警后的应急监测同步开展，修正传感器设备的采集数据。这就要求管理平台要有兼容性、协同性和高效性，能够融合不同采集方式的数据，为后期处置提供决策依据。

（4）信息追溯与分析。管廊的建设和运维都处于探索阶段，若能将管廊运行中的各类信息汇总，建立综合信息库，不仅能了解病害发生发展过程，针对性地制定养护方案，还能为日后管廊设计及养护提供借鉴。

3    综合管廊智能化运维系统构建

3.1  系统总体框架

针对管廊在运维管理上的需求，本系统由数据层、平台层、应用层组成。数据层以传感监测技术为主要的数据采集手段，辅助机器人巡检以及必要的人工巡查，得到能够反映管廊运行状态的基础数据。平台层将所采集的数据进行分析处理，并通过阈值预警。应用层根据预警信息针对性地制定处置方案，并对病害处置进行后续跟踪，实现管廊养护的闭合式管理[1]。同时，利用BIM+GIS技术，将病害发生的过程进行动态模拟，预测其发展趋势，建立管廊运维数据库。

3.2  系统细分

3.2.1  数据层搭建

将管廊数据化是构建综合管廊智能化运维系统的基础，为确保数据真实可靠，采用传感器采集、机器人巡检、人工巡查3种方式结合构建系统数据层。

（1）传感器采集。传感器位于系统终端，负责各类基础数据的采集，其性能对整个系统至关重要。主要选用光纤传感、智能传感两种方式。

光纤传感器凭借其测试精度高、耐腐蚀性能优良以及抗电磁干扰的能力强等优点广泛应用于地下工程的检测系统中[2]。智能传感器在传感监测的基础上还能在其内部对原始数据进行加工处理，且可通过标准接口实现与外界的数据交换，具有自诊断、自校准、数值处理、双向通信以及信息存储和记忆功能。本系统取二者所长，以光纤传感器为主，智能传感器为辅，对管廊内压力、位移形变、温湿度、液位、气体（可燃气体、H2S，O2等）质量浓度、水位等实时进行全面监测，并将数据初步整合后储存至平台层。

（2）机器人巡检。作为新兴智能化巡检模式逐步被应用于城市地下基础设施的养护，巡检系统由巡检机器人、巡检轨道、充电系统以及网络通信和信息存储管理系统组成，可对管廊内的给排水管线、燃气管线、电力管线、通信管线进行自动巡检。巡检机器人携带多种传感器，搭载摄像头和红外成像仪，随时将管廊内画面高质量地传回管理端并同时储存至数据层，结合GPS和遥感技术，管理平台可远程指挥机器人到达指定位置，对异常的管廊数据进行更加详细的检测，进行数据确认，修正传感数据可能存在的误差。

（3）人工巡检。巡检机器人可节约人力，却无法取代人工巡检工作灵活性高的优势。所以本系统采用人工定期巡检、特殊事件后的专项检测以及预警后的应急监测加以辅助，进一步保证数据的准确性。还可对监测系统以及巡检机器人工作状况等进行同步校验，以保证整个数据层的正常运行。

3.2.2  平台层搭建

平台层将利用数据层的信息，为应用层提供数据处理、阈值预警和三维动态模拟病害的服务。

（1）数据处理。利用BIM技术建立管廊模型并添加管廊微观信息，通过云计算将大量数据进行集中处理与诊断，形成一个数据中心操作环境，同时将不同的数据规范化、标准化，将资源进行整合，并分析方案进行数据分类和方案报备，为用户提供一个客观、系统、可视化的数据库[3]。

（2）阈值预警。管廊事故的发生，必然有一个从量变到质变的过程，会借助具体的特征表现出来，为此，选用阈值预警作为系统的监控机制。使用大數据技术，对历史数据进行切实有效的分析，得到管廊正常运行的各项数据指标范围，结合相关规范规定设定阈值进行分级预警。若监测数据在阈值范围内浮动则可判定管廊处于正常状态，当监测数据在阈值范围之外时，系统自动生成预警信息并传送至指定联系人。

（3）病害三维动态模拟。发现问题是根本，了解病害并有效预测发展趋势，从而采取行之有效的防治措施才是管廊运维的重中之重。

平台层利用BIM+GIS技术，将病害详细位置、周围环境、运维物资等数据上传至云端，供相关管理人员查看。同时系统可三维模拟病害的发生过程，预测病害趋势，做到病害联动处理。该过程主要包括病害特征模拟、病害发展趋势模拟两个环节。首先，利用数据层获得的信息，在BIM模型中模拟病害发生;其次，利用可视化的方法将病害发展过程进行三维模拟，预测可能引发的连锁问题;最后，对相应部位进行密集监测检验分析的有效性，采取合理安排解决方案，降低可能造成的损失，体现“防大于治”的运维理念。

3.2.3  应用层搭建

应用层负责为管廊用户提供辅助决策及闭合式的流程管理。

（1）信息传送。相关专业技术负责人可下载手机APP客户端，通过登录自己的账号查看权限范围内的数据，当系统所设置的阈值警报发生，平台会自动将报警信息和定位发送给指定技术负责人手机端，便于管理人员及时开展后续处置工作。

（2）预案管理。管廊的应用层为用户提供预案帮助，根据系统记录的历史处理方案及解决效果，建立管廊常规事件预案库。当常规事件发生时，预案管理系统自动匹配最优处理手段并迅速采取措施。例如：当管廊传感系统监测到廊内温度超过系统规定的上限时，风控装置自动开启。该系统实现常规事件的自动化处理。

（3）专家辅助决策。事故处置对效率及效果要求极高，因此，系统设有专家辅助决策库，分类储存大量管廊病害防治案例，根据事故详细情况调用相关处理办法以供技术管理人员参考，便于做出快速反应。并对后期效果进行跟踪管理，分析处置方法的优缺点，同步更新数据库，实现管廊的闭合式养护管理。

（4）构建管廊信息库。运维数据的积累对推动综合管廊进一步发展有很大价值，为此，系统构建了信息库，将病害类型、处置方案、跟踪管理的信息进行集成共享，提高数据的利用率，加强管理人员对信息的掌控。同时，对发生频率较高的病害及区域进行标记，作为后续管理重心，也为其他管廊优化设计提供依据。

4    结语

我国综合管廊的建设已逐步进入正轨，随着大数据时代的来临，城市综合管廊信息化建设也不容忽视，以监测数据为基础构建的综合信息化智能管理平台，能提升管廊运维管理的效率和水平，提高组织单位之间的协同性，对推动综合管廊在我国的进一步发展具有重要意义。

[参考文献]

[1]陈春苗.我国城市地下综合管廊发展问题分析及对策研究[J].地产，2019（16）：32.

[2]MOYO P，BROWNJOHN J，SURESH R，et al.Development of fiber Bragg grating sensors for monitoring civil infrastructure[J].engineering structures，2005（12）：1828-1834.

[3]張文豪，李蕊，陈建.大数据技术在水利工程信息化建设中的运用[J].科技创新与应用，2020（6）：177-178.

Abstract：Based on the requirement analysis of the operation and maintenance period of the urban underground integrated pipe gallery， this paper constructs the intelligent operation and maintenance management system， which integrates BIM+GIS， Internet of Things， cloud computing and other technologies， and expounds the system framework structure from three levels： data layer， platform layer and application layer， in order to realize the information management of the pipe gallery and improve the efficiency and level of operation and maintenance.

Key words：integrated pipe gallery; information; integrated management