BIM 与物联网技术在综合管廊设备运维管理中的应用

高媛，王勇，崔恒东，耿丹阳

（1.南京城建隧桥经营管理有限责任公司；2.中冶京诚工程技术有限公司）

1 引言

BIM 技术因其可优化设计方案，模拟施工进度、施工工艺，管线管网模型碰撞检测等优点，正广泛应用于管廊全工艺流程。将BIM 技术引入综合管廊运维管理系统中，可实现管廊各阶段协同作业、各入廊单位信息互通、降低管廊安全事故风险等功能[1]。将BIM 技术引入至综合管廊全生命周期应用中，对管廊设计、施工、运维等阶段的BIM 应用进行总结分析[2]。BIM 技术将管廊内设备转化成虚拟的三维模型，利用数字化技术，为管廊设备提供完整的、与实际情况一致的工程设备信息库。该信息库包含管廊设备的几何、空间、设备属性等信息，利用该信息库可实现管廊设备数字化模型与实际模型的信息融合，为综合管廊设备运维管理系统提供模型基础。

近年来，物联网技术因其可将各种需要监控、连接、互动的物体或过程等各种需要的信息与互联网结合形成的一个巨大网络，实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制的特点，物联网技术在各行业系统采集数据中得到广泛应用。将物联网技术引入至地下综合管廊智慧管控平台中，实现对传感采集资料、人员工作信息的动态采集[3]。应用物联网技术采集电力通信设备数据应用于电网设备全生命周期管理[4]。物联网技术通过装载在设备上的传感器实时、动态地获取设备信息与设备状态，按照工业互联网通信协议，将管廊设备信息传输至设备运维管理系统，实现设备运维管理系统对物联环境的感知，为综合管廊设备运维管理平台提供空间物联环境信息。

上述文献虽然将BIM 和物联网技术应用到综合管廊的运维管理中，但是忽略了对综合管廊设备故障预测、智能运维，本文依托BIM 与物联网技术，整合数字孪生理念，打造综合管廊设备运维管理系统。

2 系统架构

为保证管廊安全稳定运行，管廊的辅助设施及监控系统设备是不可或缺的。综合管廊辅助设施及监控系统设备包括通风、供电、排水、监控、火灾报警等多个专项系统设备，实现管廊本体、入廊管线、管廊环境及管廊内设施设备的监控和管理。随着综合管廊建设规模的加大，接入至综合管廊运维管理平台的辅助设施及监控系统设备也成倍增加，与此同时，设备与平台之间传输的数据量也会呈指数形式增加。接入平台设备数量、平台与设备通讯的数据量的大幅增加加大了综合管廊设备运维管理的复杂程度。

为解决上述问题，基于BIM 和物联网技术，提出了一种综合管廊设备运维管理系统，该系统平台系统架构说明如下。该系统框架自下而上包括物联感知层、网络层、数据层、平台层和应用层，如图1 所示。

①物联感知层是整个系统获取数据的基础，也是整体架构的基础。物联感知层提供综合管廊内各个专项系统设备监测及其状态数据，利用传感器、网关等设备实现设备监测数据及其状态数据的传输。

②网络层通过有线及无线网络实现对物联感知层各专项系统设备的数据交换，并为平台层提供实时监控数据。网络层支持常用物联网通讯协议，还可为5G 网络传输提供接口。

③数据层是数据存储和管理的中心。数据库主要包括：基础数据库、空间数据库、运维数据库、实时监测数据库和BIM 模型数据库等。平台的数据源包括设备BIM 模型、设备运行数据、设备监测数据、设备属性数据和后期管廊设备运维数据等，实现综合管廊设备各类数据、信息的集中存储、管理、分析与共享，为管廊设备智能运维提供完整的、有效的数据支撑。

④平台层可实现对数据层数据的处理，开发中间件实现不同通讯协议的系统数据信息在本层汇集，避免信息孤岛、IT 黑洞三数据；选用技术先进的实时、历史、关系、空间数据库系统保证数据的有效、安全存储。

⑤应用层将平台层的各个系统进行集成，将平台层的处理结果通过预设的设备或者软件展示给管理者和使用者。管理者和使用者主要包括设备供应商、运维人员、管理人员和巡检人员等。应用层以软件和服务为核心，基于各业务子系统及数据处理模组，通过相应的编程模型和API 来对数据进行处理、分析，并生成分析结果，同时接收各类用户操作指令，生成操作处理结果，最终建立各种功能应用和发布，实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。主要应用服务包括数据展示、集中监控、分析决策、移动端等。

3 关键技术

3.1 设备编码

实现管廊设备运维管理需将大量管廊设备接入城市级综合管廊设备运维管理平台，完成此项工作要建立一个科学合理、系统、可延、兼容、综合实用的分类体系，将管廊设备按一定的原则和方法进行分类。按照此分类方法通过统一的编码规则，为每一个管廊设备确定唯一的、有效的编码。编码间的逻辑性及可识别性，使得编码易于识别，实现管廊内设备与其三维BIM 模型设备的一一对应，做到每一编码保证其代表的设备是唯一，每一个设备都有一个确定的编码[5]。

3.2 数据采集

综合管廊设备管理平台与管廊设备的数据传输需要满足以下要求：

①满足各种工业通讯协议；

②数据传输速度快，可承载数据量大；

③数据报警预处理。基于以上要求本文采用物联网平台作为管廊设备与设备运维管理平台的信息中转平台，物联网平台以百万级设备接入能力，数万数据点每秒的读写性能，超高的压缩率，端到端的安全防护，为数据传输提供极速、安全的信息通道。

综合管廊设备管理平台支持现有、标准的通讯协议，如：Profinet、modbus、TCP/IP、OPC UA。针对非标准协议，支持设备通过MQTT、CoAP、HTTPS 连接物联网平台。综合管廊设备管理平台数据传输协议采用模块化、可配置管理。

针对数据传输时，网络状况不稳定或者网络传输设备维护等设备数据与平台传输断网或者弱网环境的情况下，数据利用缓存机制，待网络恢复后可将数据同步至综合管廊设备管理平台。

3.3 数据存储

管廊综合空间数据库存储和管理基础数据库、空间数据库、运维数据库、实时监测数据库和BIM 模型数据库。其中，基础数据库主要包含管廊设备的尺寸、属性、内部材料等数据内容。空间数据库主要包括设备各类空间坐标等数据内容。运维数据库包括设备历史运行维护数据、巡查数据、保养维修等数据内容。实时监测数据库包括各设备实时运行监测、设备状态和监测时间等数据内容。BIM 模型数据库包括设备及其附件建模数据等数据内容[6-8]。

图2 管廊风机、水泵三维模型

图3 管廊风机部分设备属性展示

图4 管廊风机部分监测数据展示

图5 管廊风机运行状况展示

3.4 数据孪生

实现设备故障预判、智能运维，将实际监测数据、设备历史运维数据等数据实时反映在BIM 模型中，需要依赖数据孪生的概念。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

依托数据孪生的概念，将管廊附属设施设备中发生的事件全部上传至相应的BIM 模型数字孪生体作为计算和记录，管廊设备在维护管廊正常运行过程中损耗、故障等，都能够在数字孪生体BIM 模型中的数据里有所反映。根据各设备采集的历史数据，构建层次化的部件、设备的健康指标体系，并使用深度学习算法实现设备故障预测，实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，基于预测的结果，对维修策略以及备品备件的管理策略进行优化[9-10]。

4 平台实际应用

以某项目应用为例，将该系统应用于综合管廊设备管理中。对管廊中风机、水泵等设备进行三维建模，风机、水泵的三维模型如图2 所示。

管廊设备模型可实现模型属性展示，以管廊风机为例，管廊风机属性如图3所示。

管廊设备实时监测数据也可上传到平台以管廊风机为例，如图4 所示。

图4 中，status 表示风机是否运行，true 表明风机正在运行，speed 代表风机运行速度，单位为r/min。

管廊设备依据设备历史运行数据，可预测设备运行状况，以风机运行状况为例（见图5）。

由上述可以看出，综合管廊设备管理系统依托BIM 和物联网技术，整合数据孪生的概念，可实现管廊设备的数据及连接状态的监测及其健康状况判断。

5 结语

综合管廊设备运维管理平台利用物联网技术从管廊设备及其传感器获取海量数据，利用管廊设备BIM 模型，整合数字孪生概念，对数据进行分析，用以识别设备故障隐患，预测故障发生的趋势，诊断故障，实现风险的提前识别，大大降低故障发生频率，提高综合管廊安全保障，提升综合管廊的运维的智慧化、智能化水平。未来可进一步完善系统功能将设备数字模型及其属性信息展示到GIS 地图中，还可深化神经网络学习、深度学习等人工智能方法实现设备故障智能预测，提高设备备品备件率转化率。