一种综合管廊智慧运维管理平台体系架构的研究

汪小波，暴 雨，李开华

（中铁西南科学研究院有限公司，成都 611731）

0 引言

《全国城市市政基础设施建设“十三五”规划》提出，到2020年，综合管廊建设达到8640公里，目前已建与在建达到目标。《2020中国城市地下空间发展蓝皮书》统计，根据全国31个省级行政区划单位公布的城市地下综合管廊建设规划，合计拟建设城市地下综合管廊12000公里以上。

综合管廊是城市的生命线，包含了支持居民生活和工业的基本公共服务，需要得到高效的维护。但随着综合管廊规模不断扩大，里程数增加，纳入的管线种类越来越多，传统管理模式已无法满足综合管廊的运维需求，必须借助科技的力量来减轻运维人员的工作量，智能化是综合管廊运维管理的重要发展方向。多地先后都结合智能化手段建设了运维管理平台，但采用的信息技术、运维数据分类、功能模块划分、体系架构都缺乏统一标准。随着综合管廊智慧运维的发展，亟待建立统一的智慧运维体系架构，明确各层的需求、功能、服务、接口等。

1 综合管廊运维管理平台体系架构研究现状

王婉等分析了综合管廊智能运维的关键影响敏感性因素。Xianfei Yin等研究了管廊运维数据类型，针对综合管廊项目运维特点，提出了基于BIM的综合管廊运维管理系统。梁忠恕介绍了新加坡滨海湾综合管廊的智慧运维平台和标准作业流程。安徽阜阳试点项目实际应用验证了感知、传输、数据、服务、应用5层体系的运维管理平台，上海北岛西路管廊项目采用了支撑层、感知层、数据层、中间服务层、业务服务层、接入层、用户层的7层系统架构。相关文献中的综合管廊运维管理平台的系统架构的统计分析如表1所示。

表1 综合管廊运维管理平台系统架构统计分析

续表1

2 一种五层智慧运维管理平台体系架构

图1提出了一种综合管廊智慧运维管理平台5层体系架构，从下向上依次是物理层、传输层、数据层、服务层和应用层。平台可以应用于PC机的Web系统、工业大屏、移动App、巡检机器人等。

图1 本文提出的综合管廊运维管理平台5层体系架构（续）

图1 本文提出的综合管廊运维管理平台5层体系架构

3 管廊运维管理平台物理层

综合管廊中已大量应用传感器、RFID、物联网、无线定位、红外线热成像、摄像头等技术和设备，形成了丰富的综合管廊信息系统，例如，管廊结构监测系统、环境监测系统、视频系统、入侵监测系统、人员定位系统、监控通风设备、排水系统设备、火灾自动报警系统、电子巡查管理系统、机器人巡检等系统。但这些系统大多还是局部性的粗糙应用，并没有精细化的明确综合管廊的运维需求。表2从全局的角度，结合综合管廊运维特点，将物理层的感知智能分为综合管廊环境、本体结构、入廊管线、附属系统设备及运维系统五种类型，明确了综合管廊运维管理平台中物理层的精细需求，如监测项目、方法、工具、内容、测点布置和处置装置等。

表2 综合管廊运维管理平台物理层感知智能的功能需求

续表2

4 管廊运维管理平台传输层

廊内各类通信技术的使用是管廊安全稳定运行的前提之一，很大程度上决定了管廊运维过程中的实用性及有效性。运维管理平台的传输层包含管廊内实时数据采集系统到分控中心，分控中心到总控中心，以及控制中心与控制设备之间的数据传输。管廊内可以通过分布式光纤、5G无线传感网络、WIFI等技术搭建。此外，由于存在远程IO，同时网络节点数量多，拓扑复杂，故对现场网络实时性有很高的要求，可以采用新一代基于工业实时以太网技术的自动化总线标准PROFINET。

5 管廊运维管理平台数据层

5.1 运维数据来源

图2从综合管廊的各个生命期阶段及不同结构部分，分析了综合管廊运维数据的主要来源。其中，管廊BIM建筑模型，主要包含规划设计阶段的几何信息，如模型的空间位置关系和构件尺寸等。管廊BIM结构模型，主要包含建造施工阶段的非几何信息，如结构材质、设备型号等。入廊管线BIM模型，包含铺设路径、管线用途、性质、使用单位等。内部设备设施BIM模型，包含附属设施几何尺寸、材质、构造、名称、型号等。完成施工建造后，应依据实际建造情况对设计阶段的BIM模型进行校验，以提交虚实一致、精确的BIM竣工模型。

图2 综合管廊运维数据来源分析

3D GIS模型包含管线的起始点、监测设备、安全进出口等的位置。入廊管线BIM模型、内部设备设施BIM模型、和3D GIS模型，通常在建造施工阶段获取，也可以在之后的运维阶段新增。

管廊内基础监测信息主要包含环境类参数，如温湿度、氧含量、有毒气体、可燃气体浓度等，和介质类参数，如水流量、用气量、用电量、水压、气压、电缆接头温度、积水坑液位等。

运维数据主要包含运营、维护、安全、施工四大部分，如设备和传感器列表、员工信息、产品数据、供应商信息、设备维护计划和其他传统维护管理数据等。

数据层主要包含BIM模型数据库、GIS数据库、周边环境数据、实时监控数据、运维数据库等。

5.2 基于场景的高性能数据服务

综合管廊运维会产生海量数据，且数据类型丰富，需要高性能的数据服务。Grossmann M等从数据项的更新频率及查询使用两个角度，对数据及其应用情景进行了研究。结合综合管廊的特征和Grossmann M的数据分类方法，可以对综合管廊运维数据进行如图3所示的分类，根据其对存储、读写、查询等的不同需求，从而相应的设置特定的数据服务器提供不同情景的高性能数据服务。

图3 基于更新频率和查询使用的情景分类高性能数据服务

（1）静态BIM数据。主要包括从前期设计和施工BIM竣工模型继承的综合管廊精确的建筑模型和结构模型、入廊管线模型、廊内的内部设备模型。

（2）静态位置数据。管廊本体结构、入廊管线、附属设施的位置坐标数据。例如，内部管线的起点、接口、终点、所属单位及周围环境、路径缩略图等。

（3）静态运维数据。即运维基础数据，例如，传感器和设备列表，入廊管线的铺设路径、管线用途、性质、管理单位等。

（4）动态位置数据。移动对象，如巡检人员、机器人等的动态位置数据。

（5）动态运维数据。例如，值班、巡检、作业、检修、维护、应急响应等数据。

（6）实时监测数据（历史和预测数据、时序数据）。具有静态位置的传感器实时动态采集的管廊内的环境、设备、管线等状态数据都带有时间标记，对象ID与时间标记共同唯一标识一笔历史数据。历史数据一旦创建就不能修改。对于历史和预测，可以通过使用压缩算法或完全放弃某些数据的存储历史来减少数据量。

6 管廊运维管理平台服务层

综合管廊运维管理平台的服务层主要包含第三方的服务，如位置服务、BIM引擎、3DGIS引擎、工作流引擎等。

位置服务是综合管廊运维中常用的基础服务，可采取分段分舱的方式提供，包含ID查询、范围查询、最近邻居查询等功能，其层级规模具有高可伸缩性。综合管廊分段分舱示意图如图4所示。

图4对应的位置服务如图5所示，位置服务由一组层级结构的位置服务器协作提供，每个位置服务器负责一片地理区域。仅叶子服务器才负责存储在其负责区域中的对象的位置坐标。高层服务器服务区域由其下全部叶子服务器负责区域组成，且仅存储前向指针而不存储对象坐标。沿着前向指针可以逐级索引到叶子服务器，从而找到对象的实际位置坐标。叶子服务器1负责中间分段管廊的中间舱室，叶子服务器2负责中间分段管廊的右侧舱室。位置服务器1负责中间分段管廊所有舱室。叶子服务器3负责右侧分段管廊的中间舱室，位置服务器2负责右侧分段管廊所有舱室。根服务器负责全部管廊区域。

图4 综合管廊分段分舱示意

图5 综合管廊分段分舱位置服务

7 管廊运维管理平台应用层

应用层的核心功能主要划分为运营管理（Operations）、维护管理（Maintenance）、安全管理（Security）和施工管理（Engineering）四大子系统。

运营管理子系统主要包含供应商管理、安装公司管理、系统管理、组织机构管理、人员管理、资料管理、设备管线管理、合同管理、成本管理、设备设施运行状态管理、空间管理、日常巡视检查、进出管廊监管理、值班（日常值守）管理系统、指挥调度系统、绩效考核管理系统、设施损坏赔偿等。

维护管理子系统主要包含设施设备保洁、养护管理、维修管理、检测管理、大中修管理、更新改造、安全保护、设备资产管理、备品备件管理、技术档案管理、隐患管理、故障管理等。

安全管理子系统主要包含火灾和水淹应急预案、停电应急预案、暴力事件应急预案、传染病应变计划、烟霾（严重空气污染）应急计划、事故报告模式等。

工程管理子系统主要包含保护区控制区管理、施工监管、管线入廊管理、新管廊接管管理等。

8 原型系统

本文基于BIM+3D GIS技术，采用Autodesk Revit设计了综合管廊BIM模型，并导出为UDBX数据源格式，通过Supermap iDesktop软件生成工作空间与三维场景。将管廊模型、第三方公开的地理地图信息、该地理位置的数字高程地形地势信息、其他辅助构件等数据有机融合，形成一体化的三维场景，方便了用户对使用现场环境有直观、便捷、高效的理解。原型系统实现了BIM可视化漫游、环境监测、入廊管线监测、附属设施监测、运维管理等功能（图6）。

图6 基于BIM和3D GIS的综合管廊智慧运维管理平台原型系统

9 结语

我国综合管廊已逐步从快速建设期进入了正式运维管理期，丰富的智慧运维管理技术和手段被采纳实施，但如何综合应用各种智慧运维技术、尽快提出统一的运维管理平台体系架构标准成为智慧运维管理的关键问题之一。本文分析了综合管廊运维管理平台的体系架构的研究现状，提出了一种5层体系架构，并对每一层进行了深入的分析和探讨。在物理层分析了综合管廊主要的监测对象和方法。在数据层分析了运维数据来源的不同生命期和所处位置，并提出了一种基于情景的综合管廊运维数据高性能服务方法。在服务层提出了一种分段分舱的位置服务方法。在应用层把核心运维工作分成了运营、维护、安全和施工四大子系统。最后，本文实现了一个基于Web的综合管廊运维管理原型系统，对提出的5层平台体系架构进行了验证。