综合管廊智能监控系统的研究与实现

陈 惠 刘晓东 王洁瑜 郭 园

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

城市综合管廊是将电力、通信，燃气、给排水等多种管线集于一体置于城市地下特殊建造的隧道空间，可有效解决“马路拉链”“空中蜘蛛网”等城市乱象，在保障城市安全稳定运行方面意义重大。综合管廊的安全问题一直是业内重点关注的对象，随着城市建设与土地利用之间矛盾的日益激化，各类地下管线事故频发，“线缆着火”“管道泄露”“井盖吃人”等现象均暴露出综合管廊在安全管理方面存在诸多问题[1]。

近年来，国内相关学者在将BIM、物联网等技术与综合管廊平台、系统之间结合的研究不在少数：朱雪明[2]针对上海世博园区综合管廊，设计并分析了监控系统及其子系统组成，但其未提到对于监控数据的处理，仅是通过较简单的数据采集进行预警及存储；孙伟俊等[3]从火灾安全隐患以及报警角度出发，对综合管廊内火灾自动报警系统进行了设计，对防火分区、报警区以及相应防火设备部署进行了相应说明，但总体局限于综合管廊的火灾报警，未涉及其他方面；李芊等[4]基于BIM技术构建了综合管廊的运维管理系统，文章集中在强调BIM三维模型可视化的优势以及对管廊内的各类管线的智能控制，对管廊内的安全预警则是通过现有数据与数据库已有对比后做出预警，还未达到智能预警的效果。

以上研究成果表明国内虽有不少结合综合管廊与新兴技术在系统研究开发方面的工作，但在不同方面系统的设计与搭建仍不完备，本文在研究国内已有综合管廊监控系统基础上，基于物联网、BIM三维建模等技术搭建了综合管廊智能监控系统，对提升综合管廊运营质量和管理效率，快速应对突发事件，减小损失等方面具有一定意义。

1 监控系统总体设计

1.1 需求分析

在未有综合管廊智能监控系统之前，采用传统的人工巡检方式进行监控，可发现综合管廊运营管理方面存在诸多不足：

1)综合管廊建于地面建筑物密集的城市地下空间内，具有多个附属结构，人工巡检信息内容多、易造成信息遗漏；

2)综合管廊内部设施种类多，现场传感器监测产生数据量巨大，不经过处理或处理粗略后的数据难以支持管理者快速、准确的预警判断；

3)综合管廊工程埋于地下，事故发生时不能准确得知事故发生地，导致抢救工作难以展开。

可以看出综合管廊传统监测方式存在信息不连续、数据反馈滞后、运维数据分析挖掘利用不足等缺陷，如何对其进行精细、直观的监控预警是首要解决的问题。结合综合管廊实际情况，本文总结出以下两点综合管廊智能监控需求：

1)功能需求。目前市面上已有的综合管廊监控系统呈现出内容庞杂、功能模块繁多且有部分功能重叠等情况，不利于系统使用者操作。本次智能监控系统功能采取系统分块、功能整合的设计，将环境监测、精准预警、智能管理融为一体，实现综合管廊各类运维数据互联互通，消除信息孤岛，打破数据壁垒，为运维管理者提供有力的数据支撑。

2)数据需求。管廊内环境监测数据对于管廊安全环境的预判十分重要，根据GBZ/T 205—2007密闭空间作业职业危害防护规范[5]和GB/T 51274—2017城镇综合管廊监控与报警系统工程技术规范等[6]规范，将管廊内需要进行监测的环境指标列于表1。考虑到以往传感器监测数据多而杂乱，不利于快速的预警判断，本次智能监控系统将采用智能算法对传感器采集的数据进行数据处理，其结果可直接用于管廊安全预警级别判断。

表1 综合管廊环境监控指标

1.2 总体架构

综合管廊智能监控系统的总体架构分为六层，从下而上依次为感知层、接口层、数据层、模型层、应用层、展现层，如图1所示。

首先通过各类传感器及检测装置采集综合管廊内的气体、温湿度等环境数据，实现对整个管廊环境状态全面感知；后通过接口层连接数据层，数据层主要用于存储监控实时数据和历史数据，其次利用Revit等三维软件对综合管廊进行模型重构，最终构建管廊智能监控系统，主要包括4个应用层系统，在系统展现层，以PC端显示和手机端APP这两个渠道进行显示和管理。

2 三维可视化监控技术

2.1 BIM技术

1)BIM三维设计优势。

BIM理念自20世纪70年代提出以来，在可视化、量化分析和提高工程效率方面有显著作用。对于综合管廊这类大型线性工程来说，利用BIM软件进行三维建模为监控系统的搭建提供了如下便利：a.协同操作设计使三维模型的建立快速、便捷且信息共享；b.综合管廊三维模型使监控可视化且能直观反映出问题。

2)BIM模型轻量化。

综合管廊BIM模型在不同软件中传递或需要在Web浏览器显示时，往往由于模型较大而导致打开耗费时间长，故应对综合管廊BIM模型进行轻量化处理。在本次管廊监控系统中，BIM模型服务器采用B/S结构方式，B/S结构下采用WebGL实现对管廊BIM模型的轻量化处理。WebGL是基于OpenGL ES2.0标准的一个跨平台的用于在Web浏览器中绘制和渲染三维图形的API，主要采用三角形面片来构建三维几何模型[7]。综合管廊BIM三维模型轻量化包括两个方面：a.管廊三维模型轻量化显示，主要通过合并图元，即通过算法根据权重剔除相应的顶点或面，从而到达轻量化效果；b.将综合管廊原模型文件压缩为轻量化模型文件，转换为stl,obj,3ds,json等文件格式，以快速实现综合管廊三维模型的渲染和操作。

2.2 BIM与GIS数据接口设计

GIS(Geographical Information System)技术在本监控系统中主要配合综合管廊BIM模型进行数据管理、数据压缩以及三维模型数据简化与集成展示。目前BIM模型普遍使用的模型输出格式是IFC(Industry Foundation Classes)标准，而不同GIS系统间采用的是GML,OWS或CityGML标准，由于CityGML(City Geography Markup Language)标准被广泛用于GIS三维模拟，故将IFC和CityGML分别作为BIM和GIS领域的数据模型标准，通过数据解析，语义映射，从而实现两者之间的数据转换[8]，其具体流程见图2。

3 智能监控系统实现

综合管廊监控系统包括环境与设备监控系统、安全防范管理系统、预警与报警系统以及专用通讯系统。该监控系统的总体结构如图3所示。

3.1 环境与设备监控系统

环境与设备监控系统分为环境安全监测与设备监测两部分，环境安全监测依靠综合管廊内置传感器等监测设备，实时监测管廊内的气体浓度、温湿度等指标，并通过上述信息融合方法进行数据处理，直接提供决策；设备监测基于RFID技术，实现信息无接触传递，并通过无线电讯号识别设备并读写相关数据，实现设备数据自动导入，见图4。

3.2 安防监控系统

为防止非法人员对综合管廊进行破坏，在综合管廊监控系统中设置了安防系统，安防联动过程如图5所示，监测设备监测到人员非法入侵时自动将报警信号传输至中央智能监控系统，随后由该系统发出报警信号，启动报警设备如声光报警器、语音警告撤离等，并利用视频监控对报警区域的画面进行筛查以及定位入侵人员。

3.3 预警与报警系统

预警与报警系统针对管廊中如火灾、积水、爆管等特殊事故，通过实时监测温度、气体、湿度、水位等参数，辅助判断事故发生。火灾发生时，由相应位置的火灾探测器发出信号，启动自动灭火设备，同时监控中心将收到报警信号，快速采取相应措施。管廊内的其他事故根据各类事故的特点，将在如井盖、人员出入口、不同的舱室内部等相应位置设置各类探测器等监测装置，如在给水管舱室内设置爆管液位检测装置，实时监测廊内水位，一旦监测到管廊内存在非正常液位，通知管线单位关闭相关阀门。

3.4 专用通信系统

专用通信系统是为应对公共通信手段无法实现管廊内外实时通信而设置的，根据实际需求设置有线通信、无线通信等不同通信手段，无线通信主要通过无线对讲机满足综合管廊内人员间的通信需求，有线通信通过在控制中心设置VOIP交换机，用于VOIP电话的数据交换，VOIP交换机与PSTN市话进行连接，以此保证综合管廊内的VOIP电话通讯及与控制中心的联系。

4 结语

综合管廊工程目前正在大规模建设，2017年的《城镇综合管廊监控与报警系统工程技术标准》和2019年的《城市地下综合管廊运行维护及安全技术标准》的出台，对综合管廊后期安全运维、数字运维、智慧运维提出了更高的要求。本文在研究BIM三维建模技术以及BIM与GIS数据接口转换等技术的基础上建立综合管廊智能监控系统，能够实时监控管廊内环境参数，面临廊内紧急事故时做到及时、精准的预报警，一定程度上降低了城市综合管廊的灾害风险，同时减小其带来的损失，为日后实现综合管廊的安全化、智慧化助力。