基于BIM+GIS+IoT的智慧管廊综合监管平台研究

杨振宇

（中冶赛迪重庆信息技术有限公司，重庆 401122）

1 概述

随着我国经济的快速发展，大多数城市规划建设越来越密集，众多城市存在“城市病”，该问题在城市的市政设施建设中尤其突出。如地上电网、电杆等密布形成的“天空蜘蛛网”现象[1-2]。地下管线因更新、故障、事故等原因，需要反复开挖路面导致的“马路拉链”现象等。这些现象不仅影响城市建设用地的正常使用和市容市貌，还造成了高昂的施工成本与巨大安全隐患[3]。管廊以集约化设计为理念，对电力、通信、给排水、燃气、暖气等管线进行统一化管理，实现智慧管廊综合监管平台的建设，对于适应当前信息化发展需要、提升管廊管理效益等具有重要意义。

近年来，国内相关研究者将BIM、GIS、IoT、大数据等技术与智慧管廊综合监控平台相结合进行研究。朱雪明[4]主要针对上海世博园区管廊，描述了综合监控平台及其子系统的组成，但没有对管廊监控数据进行分析。

李芊等[5]利用BIM技术构建了智慧管廊的运维管理系统，强调了BIM三维模型可视化在智慧管廊应用的优势，能够智能监控廊内设备，但没有利用大数据技术将现有数据与数据库已有对比后进行预警分析，没有实现预警、协助领导决策的效果。

综上所述，国内有较多将目前先进的信息化、数字化、智能化技术运用到综合管廊的研究，但仍不够完善。本文将BIM、GIS、物联网等技术运用到管廊综合监控平台中，实现技术的集成，有利于提高智慧管廊管理效益，促进全面感知和智慧管理具有重要价值[6]。

2 需求目的

为响应国家以及天津市地下管廊建设的号召，实施管廊综合监控平台，加速管廊运营改革创新，引领管廊管理数字化转型，助力城市品质提升，创造高品质生活。该系统以物联网、云计算、大数据、移动互联等技术为基础，综合运用感知、GIS、BIM等手段，以管廊安全运行为目标，建立科学合理的管廊智能化体系，形成以管廊综合监控、运营、数据应用以及应急指挥等功能为一体的管廊综合监控平台。

（1）通过对机电设备、环境、视频、安防设备等物联网设备的数据整合，实现对天津市管廊的统一监控和应急指挥，提升天津管廊的安全管理效率。

（2）以管廊安全运行为核心，将物联网、GIS、BIM等技术进行整合，实现管廊全生命周期精细化和规范化管理以及智能化运维。

（3）整合管廊设备以及业务相关数据，形成面向权属单位、城市管理平台、市政部门到政府相应管理部门的统一数据通道，实现天津市管廊数据交换和共享。

（4）以大数据分析技术为基础，结合管廊实时数据，通过对数据进行多层次、多维度、多形式的查询、分析和可视化，加强管廊信息化管理、提高工作效率、辅助领导决策。

3 技术架构

总体技术架构如图1所示。

图1 总体技术架构

综合监控平台整体技术系统架构分为前端、业务应用、应用支撑和物联感知。环控、消防、通信等系统的数据通过数据采集软件将数据提供给上层业务系统进行展示和应用。平台采用前后端分离的架构，前端通过统一网关进行业务服务的请求，后端业务服务基于微服务的架构进行业务功能的支撑和服务治理。

（1）前端。

前端实现平台业务的展示和操作，业务逻辑实现在业务应用层通过服务的形式和客户端进行连接，根据业务需求进行不同组合，最终实现终端展示。

（2）业务应用。

业务服务层为前端提供业务服务接口，主要包括综合监控、运维系统、应急管理、数据分析、App应用及大屏可视化。平台基于springBoot实现微服务管理，使用redis缓存能够有效缓解数据库压力，提高性能。

（3）应用支撑。

应用支撑主要对平台公共的权限、日志、缓存、GIS等基础公共功能提供相应支撑，提供数据采集的能力，将物联感知的数据提供给上层应用进行展示和应用。

（4）物联感知。

通过OPC、MODBUS及HTTP等通信方式，实现物联感知设备的数据采集及控制。

4 建设内容

综合监控平台总体架构如图2所示。

图2 综合监控平台总体架构

秉承管廊综合监控平台的需求目的，智慧管廊综合监控平台主要建设内容包括基础管理、综合监控、运维管理、运营管理、应急指挥调度、数据分析、移动App、大屏可视化驾驶舱等模块。

4.1 基础管理

基础管理作为管廊综合监控平台的基础公共模块，为管廊监控、运维管理、应急指挥等业务系统提供统一的权限、工作流及主数据管理。基础管理主要包括部门管理、通信录管理、账号管理、角色管理、权限管理、日志管理、工作流管理等功能。

4.2 综合监控

综合监控运用物联网技术，实现对管廊内部环境检测数据、安防视频、消防报警、设备故障等信息的实时监控，能够实时获取温湿度、有害气体、设备故障等多种关键指标，并能够根据设置参数进行告警通知。本项目保留各个子系统独立运行能力，降低系统运维风险，综合监控平台与各个子系统工作站实现通信，完成统一集成管理。

（1）管廊信息可视化。

管理信息可视化实现基于地理信息系统的综合信息门户、三维BIM的一体化监控。以“一张图”模式展示所有环境与设备监测信息、预警与报警信息等，为综合监控平台提供统一的基于BIM+GIS的人机交互界面。

（2）设备监控。

设备监控将环控系统、安防系统、通信系统、消防系统等数据通过监控中心进行实时采集，实现设备状态显示、设备告警显示、设备远程控制等功能。

（3）人员监控。

通过无线AP实现对入廊人员的可视化查找、定位，以图标的方式标识合法入廊人员，跟踪其在廊内的活动情况，点击图标可查看当前入廊人员详情

（4）告警管理。

告警管理对管廊内所有实时历史报警数据进行管理，系统实时、自动根据用户设置进行报警提示。

（5）联动管理。

管廊设备触发联动信号时，能够根据联动规则启动联动设备。

（6）结构健康监测。

对结构状态进行连续的、实时的、在线的健康状态监测和评估，对结构的安全性进行实时、准确的评价，扩展传统人工检测内容，实现预测维修，提高养护维修的管理水平，保障管廊结构的可靠性、安全性和耐久性，避免潜在的灾难性事件发生。

管廊全景如图3所示。

图3 管廊全景图

4.3 运维管理

运维管理模块利用信息化手段，对管廊运维问题进行快捷、规范处理，动态掌握管廊内部及人员调动和值班的实时情况，包括排班管理、巡检管理、维护管理、工单管理、隐患管理等日常运维管理功能，实现对管廊资源的运维服务和运维人员的全闭环管理。

4.4 运营管理

通过对入廊作业、设备资产、备品备件、档案资料、考试等管理，为其他的业务模块提供数据支持，提高管廊运营服务。

4.5 应急指挥调度

对管廊重点区域进行全方位实时监控，实现应急预案流程化管理、应急资源实时概览、应急指挥远程调度，为重大事件动态辨识、监控和风险评估等提供技术支撑，建立统一的应急指挥调度模块，让事件发现更及时、处理更高效、指挥调度更自如，主要包括应急预案管理、应急指挥调度、应急工作管理。

4.6 数据分析

数据分析子系统以管廊日常监控和运维过程中产生的海量数据为基础，进行大数据深入分析与挖掘，以丰富的可视化报表、图形等方式对各类数据进行分析和展示，为管廊安全、经济、高效运营提供有价值的决策建议。主要包括告警分析、环境分析、设备分析、入廊分析、辅助决策、报表功能等功能。

4.7 GIS/BIM管理平台

（1）地理信息系统。

地理信息系统为综合监控平台提供地理信息服务，并实现基本功能，包括GIS一张图、数据编辑、图形编辑、管线编辑、管线设备编辑。

（2）BIM应用管理。

基于BIM模型和管线数据进行数据转换处理，融入GIS平台。主要功能包括BIM管廊图显示功能，在三维场景中用户可全方位浏览管廊模型和查看接入模型的数据，可以随意拖动管廊模型，查看管廊内部和外部的情况，点击管廊模型通过小弹框可查看对应的相关信息。

4.8 移动端App

移动端App是面向工作人员（管理人员、监理人员、作业人员、评估人员等，可按照管廊养护相关部门设置）的工具，提供移动端操作功能，方便工作人员远程接受任务、执行任务、上传结果、查询信息等，能够实现成本降低、信息安全、信息化进程加快、工作高效快捷、工作流程规范自动化、竞争能力提升等优点。

主要功能包括设备信息查询、工单管理、流程管理、管廊监控、告警/隐患上报等功能。

4.9 大屏可视化驾驶舱

大屏可视化驾驶舱作为智慧管廊管控系统的展示平台，通过图表、图形、地图等视觉元素，展现管廊数据蕴含的信息，集成了三维动画显示功能和GIS地理信息系统功能，使数据的呈现更直观、快速和易于接收。主要包括综合监控、漫游巡检、数据分析等功能。

综合监控如图4所示，漫游巡检如图5所示。

图4 综合监控

图5 漫游巡检

5 结语

本文基于物联网、GIS、BIM、大数据等技术建立智慧管廊综合监管平台，能够实时监控管廊内设备、环境参数。面临紧急事故时，能够进行告警提示以及启动应急指挥调度，减少了经济损失和人员伤亡，为实现管廊综合监控平台的安全化、智慧化助力。城市管廊的信息化、智能化、数字化建设是当前城市管廊建设的总趋势，是提升管廊建设和管理效益的重要举措。