城市地下综合管廊统一管理业务集成平台的设计

梅鲁海

（浙江机电职业技术学院 电气电子技术系，杭州 310053）

0 引 言

综合管廊是将各种用途的市政管线汇集到一个专用的地下隧道空间，建设和安装业务监控和管理系统，力争做到统一维护和实时管理。综合管廊附属设施中的应用子系统繁多，管廊的安全运行与监控管理需要保证各个子系统之间的数据一致，避免出现信息孤岛。因此，要建立一个灵活并且能快速响应的统一管理系统架构，该架构既可包容现有的应用，又能满足未来新的应用和业务需求，实现各个子系统信息的高度集成。这就要求管廊主体、附属设施及高压电缆、燃气、热力、给水、排水、通信等入廊管线与人之间实现信息的互联互通[1]。

一个城市地下综合管廊统一管理平台，可保证及时监测管廊内的消防、温度、有毒气体、氧气含量等环境数据，并将信息传递至监控中心，对管廊内的机械风机、排水泵、供电设备、消防设施进行监测与监控。为实现对综合管廊的环境参数、设备状况、人员安全和运行维护的统一监控和统一管理，本文运用物联网、GIS+BIM、云计算等新技术，设计一种城市地下综合管廊统一管理业务集成平台，可满足管廊管理各种子系统的业务集成和数据融合。

1 综合管廊统一管理业务集成平台架构与数据接口

综合管廊统一管理业务集成平台架构（见图1）设计总体上采用SOA的模型体系，按多层模式组织各种服务和应用，其体系的特点是松散耦合、兼容性强，便于复用和系统扩容与扩展。为更方便地对各种服务进行灵活配置，完成各种业务的数据交换，平台采用服务总线的形式，将封装的WEB Service注册到企业总线上，这样就实现了所有业务流程的统一管理和各个子系统的业务集成。利用系统的用户管理权限平台，可完成各个业务子系统的统一登录和安全认证。

图1 综合管廊统一管理业务集成平台架构

综合管廊统一管理业务集成平台主要有六大集成功能。一是用户界面集成。用户界面集成可使用户不需要反复在多个应用系统之间进行界面切换，提高操作的便捷性。二是业务流程集成。通过SOA架构，将各个系统的业务流程集成于同一平台，可方便地进行信息流程扩展和重组，提高系统的灵活性，降低系统的使用及维护成本。三是应用集成。通过SOA架构将各应用子系统功能进行封装，通过同一标准格式的数据交换和面向服务的系统调用等实现应用的集成，提高多应用子系统之间的信息共享及信息交互能力。四是数据集成。通过SOA架构实现数据标注和数据交换的集成，进行基础代码、元数据、公共数据对象等的标准化定义，完成数据共享交换平台对各类应用子系统的统一支撑。五是管理集成。通过对系统设备、系统软件等的统一配置、统一维护和更新，完成对各个业务子系统的集成管理。六是安全认证集成。为各个子系统的用户安全登录和管理建立统一的用户权限管理机制，实行统一授权管理、规范身份认证、保障用户安全[2]。

一般的综合管廊监测与监控系统，各种厂商设备采用的接口协议不尽相同。如果不对接口协议进行统一，会造成接口协议数量众多，平台数据对接非常困难。因此，平台要开发相应的组态软件来兼容各种数据格式，还要完成不同数据格式之间的相互转化，这样就会造成平台的兼容性及处理效率降低。平台采用标准化的开放接口和兼容协议，与各个业务子系统可实现无缝连接，包括多种通信接口的传输协议的转换等。其中多源数据的接入有两种实现方式：一是通过设置防火墙和软件接口等设备，利用原系统的Modbus和OPC等协议接口的输入输出功能，实现与原管廊设备安全防范系统、环境监控监测系统和数据通信系统等的信息接口对接[3]。二是为获取管廊本体及附属设施的液位、压力、温度等监测数据，可通过设置串口服务器的方式，与DCS和PLC提供的RS232/485接口进行对接，由融合控制主机统一接收串口服务器送来的监测与监控数据，控制主机再汇总，传给平台，也可通过数据库接入的方式进行数据传输。综合管廊环境与设备监控系统的数据接口对接特性见表1。

2 综合管廊业务基础平台和在线巡检管理系统

为保证平台的高效运行和数据处理的迅速准确，同时紧密结合各个业务管理子系统的实际应用，如巡检指挥、安全运行、日常维护、应急处理等，平台在数据采集和系统设计上主要通过实时数据显示和视频展示的方式，提供和呈现管廊内各个管线位置的设备运行状况参数和环境状况参数。

表1 综合管廊环境与设备监控系统的数据接口对接特性

2.1 业务基础平台

业务基础平台包括多个软件应用子系统，如果每个子系统都是独立的设计和架构，则系统的整体性和兼容性必然存在问题。从专项应用角度而言，虽然各个应用子系统是相对独立的，但从整体角度而言，还是属于同一个管理中心平台，所以必须在基础的业务设计和架构上进行统一的设计，开发公用的业务基础平台，在业务基础平台上再搭建和开发相应的专项应用系统，从而保证整个平台的统一性和完整性[4]。为向各个业务应用提供基本的框架支撑，业务基础平台提供组件化的开发部署模型，运用软件构件的复用技术。业务基础平台可提供工作流引擎、数据的建模、报表引擎、数据编码元、权限管理、配置管理及性能管理等，同时兼顾系统的灵活性、实用性、先进性和可升级性，减少系统开发成本。

2.2 在线巡检管理系统

为解决传统管廊巡检系统功能单一、实时性差、通信联络不便、业务流程分散的问题，本设计定制开发了在线巡检管理系统及对应的App。在线巡检管理系统是利用软交换、WiFi无线通信技术、NFC技术、在线流程管理技术开发的专门用于综合管廊管理的多媒体巡查巡更管理系统。该系统主要由无线语音通信、可视化闭环巡检管理、人员实时定位三大功能模块组成，将巡更、维检、人员管理、绩效考核融为一体，提高管廊运维管理效率，降低运维成本，提升安全保障[5]。

综合管廊在线巡检管理系统基于工业以太环网，主要由数据库服务器、数据分析服务器、业务操作台（人员定位、无线通信、可视化巡更）、AC控制器、无线AP、智能手机、标识卡等设备组成，如图2所示。

图2 综合管廊在线巡检管理系统

由图2可知，数据库服务器可实现各种异构数据和信息的汇聚和集中存储，为各种业务及大数据分析提供数据源；数据分析服务器可对海量数据进行融合分析，根据逻辑关系树挖掘数据深层次信息，分析其内在关联，实现灾害预测预警，为灾害超前控制提供判决手段；业务工作站可提供子系统人机界面，通过人工或自动方式实现各类子系统的业务操作和流程传递；AC控制器可实现对无线AP的集中控制和统一管理，如下发配置、修改相关配置参数、射频智能管理、接入安全控制等，并上传手机在AP上的联系信息，实现手机定位[6]；无线AP可实现WiFi无线信号覆盖，为智能手机提供通话、数据传输所需的无线传输通道；智能手机配备给管廊巡查管理人员，可实现语音通话、位置定位、巡更打卡等各类终端功能，可配合不同的App软件实现应用扩展；标识卡具有全球唯一ID码，用于标注地点、设备，通过专用智能手机可读取卡内信息，并支持双向读写，标识卡采用无源设计，具有寿命长、免维护的特点。

3 综合管廊统一管理业务集成平台的BIM和GIS可视化设计

GIS技术是一种为地理研究、地理决策和信息服务提供的计算机技术系统，又称地理信息系统。它采用地理模型的研究方法，以地理空间为依托，可实时提供多种空间和不同动态的地理信息。BIM技术应用于一些微观领域中的建筑设计，连接建筑主体不同建设阶段的过程数据和有效资源。BIM核心模块是单体精细化模型，包括最后竣工阶段和竣工后日常的运维管理过程，管理和监督的信息具有完备性、关联性、一致性、可视化、协调性和可模拟等特点。BIM模型对于三维GIS地理信息而言是一个重要的数据资源，可实现对建筑构件的精细化管理，使地理信息从宏观转向微观。GIS地理信息侧重于宏观的地理环境信息的分析，具有灵活处理各种复杂地理数据的能力，从而可完成室内与室外一体化的管理。三维GIS地理信息系统可为BIM提供决策支持，并可根据周边的宏观地理信息，提供各种空间的分析、空间的查询等三维GIS功能。BIM与GIS相结合，能更有效地提升运维管理平台的智能性[7]。

平台设置单独的GIS+BIM模块，依据CAD图纸、勘察资料及设计图纸建模，将模型及相关信息导入GIS+BIM模块，联动运维管理平台应用。BIM技术主要为平台提供综合管廊完整的工程施工信息和3D几何信息，包括管廊主体、投料口、通风口、出线口等特殊节点，以及机电设备和控制设备等，管廊内设备与附属设施之间的拓扑关系还包括监控设备提供的管廊内环境和设备运行信息等。GIS技术可使平台更宏观地呈现管廊的结构、形状、走向、长度和类型等，能赋予综合管廊所有结构和设备准确的地理信息属性。GIS技术还能更全面地展示管廊沿线周边的交通、地质、公共资源储备情况，为管廊安全管理和应急救援工作提供辅助决策。平台将BIM呈现的管廊属性赋予GIS，在三维可视化环境中提供一种身临其境的现场感，增强管廊业务人员对管廊地理空间的认知能力。平台将GIS的准确地理信息赋予BIM技术，可为模型提供真实的地理位置信息属性，保证平台空间数据、空间信息服务的准确性。

在GIS与BIM结合的模型中，平台可同步显示氧气、温湿度、可燃气体等环境状态信息和排风机、照明、排水泵等设备的状态信息，还可同步显示广播、电话等通讯设备的状态信息、灭火器等消防设备的信息，以监控视频数据和所有设备的位置信息等。此外，平台对于人员的跟踪定位主要通过GIS与BIM结合的模型与摄像头跟踪完成三维显示，巡检人员携带通讯设备进入管廊后，通过无线定位系统，平台会自动监测到人员的位置并对其跟踪，发生告警时，平台会联动调取周围的监控[8]。

在日常巡检流程中，在GIS与BIM结合的模型中可直观地看到不同管廊、不同分区、不同设备的具体位置及其状态信息，通过无线定位技术设定巡检轨迹和监控巡检人员轨迹。在应急指挥过程中，还可对GIS进行图层化的管理，查看应急物资、应急设施、设备等的位置，协助制定相应的应急逃生路线。同时可通过与广播、电话和摄像头等设备的联动，指挥人员快速撤离。

4 应用实例

十堰市地下综合管廊项目入廊管线共有9类，包括给水、中水、雨水、污水、电力、广播电视、通信、热力和燃气等，并建设安装了供电、消防、排水、照明、通风和监控等附属设备，监控中心有4个。综合管廊统一管理业务集成平台目前已在十堰市郧阳区的综合管廊内投入运行[1]，真正面向项目业务管理的实际应用，其功能包括运行监测、应急安全管理、日常巡检和维护管理等，其运行监测界面如图3所示。该平台利用烟感报警器、温湿度探测仪、气体传感器、位置探测器等先进仪器，通过火灾报警、视频监控、电子巡检、门禁控制、地理位置和人员识别等智能化系统，对采集的各种数据进行分析、融合和处理，集成各种业务流程，及时做出科学合理的决策方案。

图3 十堰市综合管廊智能化管理系统运行监测界面

5 结 语

综合管廊统一管理业务集成平台集成了环境与设备监控系统、安防系统、通信系统、火灾自动报警系统和气体报警系统等子系统，各个子系统的业务集成可实现统一管理、联动控制及数据共享。平台可采集各个子系统的设备运行参数、环境状态参数、报警参数、人员信息、维护数据、安全数据等关键数据，通过数据模型和数据挖掘，为管理者提供决策和执行依据，如对温湿度传感器、光纤感温探测器采集的长期数据进行分析，可预测不同季节、不同月份和不同工况的环境变化等。