基于BIM+GIS的城市地下综合管廊运维管理平台架构研究与应用

周果林，胡伟，熊剑

（湖南中建管廊运营有限公司）

1 引言

2015年4月，国家财政部、住房城乡建设部公示了地下综合管廊10个试点城市名单[1]，管廊建设在我国全面展开。以传统方式铺设地下管线容易造成“马路拉链”和“空中蜘蛛网”现象，严重浪费财力物力，导致交通堵塞，留存安全隐患。综合管廊将电力、通信、给水、排水，燃气等管线统一规划集中铺设，提高了地下空间利用率，一旦在运营维护阶段发生故障和灾害事故，就会产生连锁效应和衍生灾害，直接威胁整个城市的公共安全，给人民的生活造成重大影响[2]。为进一步实现对城市综合管廊及入廊管线全生命周期高效的运维管理，需要建立一套经济、实用、科学、安全标准化的综合管廊运维管理平 台[3]。 将 BIM（Building Information Management） 技 术 和 GIS（Geographic Information System）技术基于模型管理的思想运用于管廊运维管理平台中，对平台运行架构和功能模块架构进行了研究和设计，本设计集成管廊本体、附属设施、入廊管线及管廊周边地理环境模型信息和设备实施运行数据，实现从二维到三维、宏观到微观的立体化、可视化管理，为管廊运营和运维平台开发提供理论依据和技术参考。

2 国内外综合管廊运维管理现状分析

综合管廊起源于19世纪的欧洲，目前日本、俄罗斯、美国以及国内台湾、北京、杭州、广州等都建有综合管廊并且投入运营数年。国内外关于综合管廊的相关研究，大多集中于综合管廊的可行性分析、规划、设计以及建设，总体而言，综合管廊运维管理相关的研究非常少[4]。根据2015年国家财政部、住房城乡建设部等部门联合出台的政策，我国各大城市要合理大力发展地下管廊建设，城市不能光有“面子”工程，更要解决好“里子”问题。

国内外部分地下管廊虽已运营数年，但在管廊运维管理方面存在以下不足：

1）管廊运维管理方式落后

目前已建成运营的地下管廊大多借鉴传统物业管理系统对综合管廊进行运维管理，部分地区甚至依然采用传统纸质文档记录日常运维管理。以上管理方式在应急指挥调度、后期资料查阅、巡检结果反馈等诸多方面存在缺乏统筹、耗时耗工、反馈滞后等问题。

2）管廊运维管理各单位管理机制及联动性不足

地下管廊运维管理需专业管廊运营公司、管线权属单位及当地政府协同配合进行。已运营的地下管廊缺乏甚至没有一个信息化、标准化的综合管廊运维管理平台，难以实现统一管理和政府实时监督。

3）保障管廊安全高效运行的辅助系统缺乏或功能性不足

综合管廊属地下密闭空间环境，附属设施及入廊管线较多，需消防、气体监测及温湿度传感器、通风、火灾自动报警、防入侵、视频监控、无线通信等多个子系统协同运作保障地下管廊高效安全运营。

4）管廊运营过程中产生的数据统计分析再利用不足

在管廊运维过程中随着时间推移会产生大量数据，根据已有的运行数据可利用云计算技术进行大数据统计分析，有效预测将来运维过程中可能发生的事件。

现在国家大力发展管廊建设，未来几年将会有大量管廊建成，专业的管廊运营公司利用信息化手段对管廊实施安全高效运维管理，是发挥地下管廊综合效用的前提，所以建成一套经济、实用、科学、安全的管廊运维管理平台迫在眉睫。

3 BIM技术和GIS技术简介及应用现状

3.1 BIM技术简介及应用现状

BIM以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，建立建筑模型，目的在于提高建筑工程管理水平、加强各方信息沟通、检查前期设计不足与错误、优化工程设计，优化施工方案，建设、勘察设计、施工、监理、政府监督部门之间的信息共享平台。

近些年来建筑行业在BIM 3D建筑信息模型基础上，融入“时间进度信息”与“成本造价信息”，形成五维建筑信息模型，通过“5D”建筑信息模型，实现以“进度控制”、“投资控制”、“质量控制”、“合同管理”、“资源管理”为目标的数字化三控两管项目总控系统。随着BIM 技术的发展成熟，BIM 相关的研究、应用也从房屋建筑领域逐渐延伸至基础设施领域[5]，如地铁站运维管理、基础设施灾害管理、数据中心运维管理等。

3.2 GIS技术简介及应用现状

GIS系统是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

GIS技术的应用主要体现在两方面，一是利用GIS系统来处理用户的数据；二是在GIS的基础上，利用它的开发函数库，二次开发出用户的专用的地理信息系统软件应用程序，辅助决策者从地区或者城市的精度范围进行危机反应和灾害管理[6]。如，运用 GIS 建立的城市地下天然气管道火灾预警模型，能够迅速确定受天然气管道影响的危险区域，同时判定可能造成天然气火灾蔓延的区域[7]，这对预防和控制危险性火灾、部署消防力量具有重大意义。此外，为提高对管理者的决策支持，有研究将城市地下管线网 GIS 系统与数据挖掘模型结合，实现了地下管线的数据集成、数据挖掘以及有用信息的高效获取[8]。

3.3 BIM技术和GIS技术结合应用

BIM连接了建筑生命期不同阶段的数据、过程和资源，从设计、施工到运维都是围绕BIM的单体精细化模型来进行的，注重于微观领域中建筑内部的设计与实现；而GIS则一直致力于宏观地理环境的研究，同时具备处理和分析宏观地理环境中地理数据的能力。对于BIM来说，三维GIS可基于周边宏观的地理信息，提供各种空间查询及空间分析等三维GIS功能，为BIM提供决策支持；而对于三维GIS来说，BIM模型则是一个重要的数据来源。

虽然BIM 和 GIS 的集成运用能够为综合管廊运营的可视化、宏观以及微观管理功能的结合提供基础。但目前为止，GIS 与 BIM 数据的集成还存在很大的问题，如集成后数据丢失、可视化效果不好、无法进行空间数据分析等。为了促进 BIM 和 GIS 技术的融合应用，将各类模型数据整合集成在一个平台上，实现更加理想的运维管理效果，需进一步研究建立 GIS 与 BIM 之间模型精细度的映射算法、映射规则以及语义映射表等内容。

4 管廊运维管理平台运行模式及架构

不管是传统的施工项目、BT项目还是新型的PPP项目，地下综合管廊建设期都需政府部门及相关管线单位参与，建成后专业的管廊运营公司接管运营，在运营公司前期进场及后期运营过程中，还可能需要管廊设计单位和施工单位协助解决运维过程中出现的各种疑难问题。为了给参与管廊建设、运营各单位提供一个全天候的便捷的交流和运维管理平台，将各类数据及各个操作流程整合到BIM模型和GIS模型中，建立基于BIM+GIS并采用B/S（浏览器/服务器）运行模式的管廊运维管理平台（见图1）。

平台的数据源包括基础地理信息数据、管廊BIM模型、管线设备出事数据、业务台账数据和后期管廊运维数据等，原始数据经平台工具加工为标准格式后，经由监控中心内网传输到应用层供平台使用。由于各类数据量大，因此，平台采用B/S运行模式时能否快速、流畅地加载和浏览模型是关键。除了需要进行模型瘦身和优化外，采用合适的BIM模型浏览工具也很重要。

基于BIM+GIS的管廊运维管理平台主要包含监控系统和管理系统，为管廊运维公司、权属单位和政府监管部门提供设施设备快速定位、维修计划生成、专业数据分析和图表报告生成服务功能，可分为物理支撑层、数据资源层、服务界面层、应用层以及用户层5部分（见图2）。

5 监控系统主界面功能区设计

目前已投入运营的部分管廊中，具有建立在传统物业管理平台基础上地下管廊运维管理平台，特点是功能不全、信息化程度不高及联动性差等。本文以长沙管廊项目为立足点，从实际运维的角度出发，结合前期试运维经验和不断修正的管廊运维方案，设计了基于BIM+GIS技术运维管理平台功能模块及监控主界面模拟交互界面，监控主界面主要包括实时GIS地图区、环境监测数据区、BIM漫游+视频区报警提示区、报警提示区、子系统菜单区、交接提示区和值班监督区（见图3）。

图1 管廊运维管理平台运行模式图

图2 管廊运维管理平台运行架构图

图3 运维管理模拟平台监控主界面交互图

以上7个功能模块（区）的功能简介：

1）实时GIS地图区

利用GIS地图技术，可纵观全局和快速浏览综合管廊任意位置、任意舱室、任意设备的实时运行状态，并实时显示廊内人员的位置及BIM漫游路线。

2）环境监测数据区

实时显示BIM漫游路线廊道内环境检测传感器上传的监测数据。

3）BIM漫游+视频区

提前设置好BIM漫游路线，系统根据设置自动漫游，并显示漫游位置及相应舱室的视频画面。

4）报警提示区

当环境监测数据高于或低于安全阈值时，以及发生非法入侵时，系统会提示报警，点击相应按钮便会显示详情，并通过弹出的BIM模型界面，进行相应操作。

5）子系统菜单区

该区域包含廊内人员、监控界面、报警消息、管理系统、阈值设置、视频设置6个子系统入口。

6）交接提示区

该区域显示交接班时的未尽事宜或重要通知。

7）值班监督区

该区的“点我”按钮（初始为灰色），以值班人员在系统上的最后一次操作开始计时，每隔3分钟（可设置）变成绿色持续30秒，“点我”按钮变成绿色期间值班人员未点击则视为离岗。点击记录可作为值班人员考核依据。

6 管理系统功能模块介绍

管廊运维管理平台大体上分为监控系统和管理系统，监控系统主要侧重于监控值班人员，管理系统侧重于管理人员，平台根据不同人员所持有账号分配相应功能模块进入权限。管理系统功能模块主要包括出入廊管理、设备管理、巡检管理、系统管理、应急流程，以及手机 APP（见图 4）。

6.1 出入廊管理

管廊本体及附属设施竣工后，各管线单位管线陆续入廊。出入廊管理模块包含门禁卡办理、外来参观人员、权属单位人员、运营公司人员和管线出入廊五个小模块。从前期管线入廊进场施工，到中期管线入廊，再到后期管廊运营公司及管线权属单位的巡检维护维修，通过平台进行在线申请审批、许可跟踪；运营公司在巡检维护维修中采集的数据、巡检结果、出入管廊的人员操作和历史行进路线等通过BIM模型和GIS模型联动实时远程监督、精确定位跟踪和操作全程记录等。

6.2 设备管理

图4 管理系统功能模块组成图

设备管理模块包含7个小模块，分别是设备添加、设备养护、设备维修、检测标定、设备替换记录、备品备件和统计分析。设备初次进场投入运行开始，对设备的名称、参数、型号、安装位置等按照统一编号规则进行编号，并与BIM模型和GIS模型关联。将 GIS模型放大后可清晰直观看到不同舱室及内部设备的基础数据和实时运行状态，点击GIS模型则会进入对应位置的BIM模型，可通过BIM模型和GIS模型对设备进行开关控制，并对设备的养护维修内容、结果、养护维修人、养护周期等数据全程跟踪并自动生成电子台账，对设备进行全生命周期管理。

6.3 巡检管理

巡检管理模块分为巡检区域和巡检记录两个子模块。巡检区域模块总览管廊总体分布及周边环境情况，可结合巡检任务量、巡检路线连贯性等直接在GIS模型地图上进行合理的划分，以防因区域划分和路线设定不合理带来绕路巡检、重复巡检等人力物力浪费，并可同时设定巡检日期、分配巡检任务，巡检区域划分一步到位。巡检区域划分确定后，系统会自动记录巡检区域划分的操作，形成一张对应的电子表单以便查阅，如区域划分不当还可在表单中修改，该表单还可根据需要导出。巡检记录模块主要记录划分的巡检区域以及巡检人、巡检日期等信息。

6.4 系统管理

系统管理设置账号管理、排班管理、运维日志、登录记录、报警信息汇总五个子模块。账号管理模块主要针对PC端和移动端管理员及用户的登录账号进行统一有效管理；排班管理模块主要针对出差率较高、工作变动性大的现场管理人员以及工勤人员进行排班，排班流程在一张电子表单上操作完成，且随时可以根据需要对已完成的排班进行编辑修改。运行日志模块主要记录风机、水泵、照明控制箱、井盖的运行状态、控制方式和报警状态，以及温湿度传感器、液位传感器、气体监测传感器的数据。登录记录模块主要记录何时、何人、何号登录哪个系统，该记录可供事故责任排查使用。报警信息汇总模块对平台发出的所有报警信息进行汇总，记录内容包括报警日期、报警位置、报警分类、报警等级、报警对象、报警描述、操作反馈等，值班人员可通过BIM模型和GIS模型对报警事件进行处理。

6.5 应急管理

应急流程模块包含信号复位、通讯录、会商系统、应急演练、应急记录5个子模块，每个子模块紧密联动形成一个完整的应急流程。具体操作流程如下：

1)平台会根据报警详情通过后台计算分析采取相应的操作，同时会发送应急通知给相关人员；

2)值班人员可对报警信号复位待确定其真实性后，派抢修人员赶往现场，还可通过进入BIM模型和GIS模型，对风机、水泵、声光报警器等采取开关控制；

3)值班人员可通过查找通讯录，推送重要信息给指定的领导小组、监控中心、分控中心、巡防人员、机修人员等；

4)负责人可以通过会商系统，结合管廊GIS模型地图，对现场救援进行实时指挥；

5)为提高公司应对突发紧急事件的能力，可通过“应急演练”模块给平台加载模拟应急事件信号，进行突发事件应对演练。

应急记录模块主要记录应急事件和应急演练的整个过程，包括时间、地点、内容、平台操作、会商记录等。

6.6 手机端

在我们日常生活中智能手机使用频率非常高，随着智能手机配置越来越高，手机功能不在局限于打电话和发短信，可以开发一款移动端APP来辅助完成管廊运维管理。本文设计的手机端集成了申请审批、我的任务、今日当班、通知公告、应急预案、统计分析、经验分享、发起聊天、位置查看等功能模块。当人员在管廊内部作业时，可通过手机连接廊内无线局域网，与廊内布设的RFID进行通信，实现巡检任务接收、巡检结果上报、人员实时定位、巡检区域电子围栏、无线即时通讯及门禁开启等功能[9,10]。

7 结语

阐述了管廊建设的背景和意义，分析了国内外管廊运维管理的现状，针对目前管廊运维管理方式落后、部门联动性差、安全保障子系统缺乏和运维数据利用不充分等问题，以长沙管廊项目为立足点，结合前期试运维经验，提出了基于BIM+GIS技术的城市地下综合管廊运维管理平台设计方案，设计了平台功能模块架构，搭建了模拟平台交互界面。在理论上和设计思路上，模拟平台采用了先进的信息化管理手段，将管廊运维中每个事件及每一步操作与BIM模型和GIS模型关联，通过BIM模型和GIS模型对设备实施远程控制，并对运维中产生的数据利用云计算技术进行大数据分析处理，对后续运维起到指引和预防作用，真正做到了信息化、标准化、精细化的全生命周期闭环式流程管理，为开发管廊运维管理平台提供了技术支持和方案参考。

[1] 财政部经济建设司,住房城乡建设部城市建设司. 2015年地下综合管廊试点城市名单公示［EB/OL］.

[2] Chang JR，Lin H S. Preliminary Study on Application of Building Information Modeling to Underground Pipeline Management［A］//Recent Developments in Evaluation of Pavements and Paving Materials[C]. ASCE，2014: 69-76.

[3] 施晨欢，王凯，李嘉军，等.基于BIM的FM运维管理平台研究—申都大厦运维管理平台应用实践[J].土木建筑工程信息技术，2014,6(6)：50-57.

[4] 郑立宁,罗春燕,王建. 综合管廊智能化运维管理技术综述[J]. 地下空间与工程学报. 2017(S1).

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[6] Humber J, Cote E I, Glass M, et al. Fate and Transport Modeling: Quantifying Potential Impacts for Pipeline Integrity and Emergency Response Preparedness［A］/ / 2012 9th International Pipeline Conference[C]. American Society of Mechanical Engineers, 2012:339-343.

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