基于Web 的管廊可视化信息管理系统设计与实现探讨

屈千禧

（陕西国际商贸学院 陕西 咸阳 712046）

0 引言

在国家政策及城市管理升级双重驱动背景下，综合管廊建设发展已经常态化，成为解决城市交通拥堵，便利市政设施维护和检修、减震防灾等重要途径。在城市综合管廊建设过程中，一些问题随之暴露，管线入廊难、管理协调难度大、建设成本大及运维成本高等制约管廊发展，关于综合管廊发展重点，也由管廊本体建设，转向管线布置、空间布局、运营维护、节能减排等，故对综合管廊进行可视化信息管理至关重要。根据了解，目前我国城市综合管廊巡检维护工作仍以人工巡检+监控系统相结合的管理方式，现有BIM 为主的管廊可视化系统虽然借助BIM 信息高度集成与共享技术，为管廊管理提供了丰富数据源，但是系统操作难度大、数据量大且结构复杂、硬件要求高、缺乏安全性预测功能等，均在一定程度上限制了该系统发展。本文提出基于Web 技术设计和实现的管廊可视化信息管理系统，将信息管理系统比作“大脑”，对综合管廊进行可视化、信息化管理，不仅能给运维人员带来极大便利，还能增强管廊应急管理能力，使得城市管理运营更加高效智慧。

1 管廊可视化信息管理系统功能需求分析

城市地下综合管廊是通过统筹规划设计，在城市地下建造一个集成电力、通信、燃气、给排水、供热等各类工程管线，并设置有专门检测系统、检修口和吊装口的地下管道综合走廊，是保障城市基础运行的“生命线”[1]。一旦运维管理出现问题，就会有可能引发严重后果。因此，在设计之初就要做好相关信息的搜集、储备，确保数据的完整性，为后期运维提供有效数据依据。在运维管理过程中，也要做好管廊环境数据的搜集与整理，如温度、湿度等参数信息，实时掌握管廊运行情况，确保其处于最佳状态[2]。

综合管廊在实际运行中需要借助不同终端，查看不同监控系统，了解管廊运行实时数据。这些监控系统一般相互独立，系统难以实现高效集成，很容易出现信息缺失、信息管理成本高、信息集成化程度低等问题。倘若在运维期间出现问题，难以快速定位异常，并辅助给出解决方案。因此，本文基于实际需求和综合管廊自身设施特点，决定采用B/S 架构，总结基于Web 的管廊可视化信息管理系统功能需求如下。

1.1 信息集成与共享

集成综合管廊在前期勘察、设计、BIM 几何模型、施工阶段的相关信息，将这些信息与建筑信息解耦后，筛选有效信息构建准确三维立体模型，作为参与各方主体信息共享和交流的平台，也为后期运维提供信息基础。集成和共享管廊运维过程中产生的各项信息。目前城市地下综合管廊运维一般由综合管廊运维企业、各专业入廊管线企业共同维护，存在较为复杂的信息交叉或者信息孤岛情况，必须借助系统平台实现各类数据信息的集成与共享[3]。

1.2 信息可视化管理

能够实现入廊管线、附属设施等构件信息可视化，包括构件基本信息查询、三维立体空间展示、管廊内管线展示、设备运行状态展示等。能够将BIM 几何信息转化为可视化信息，呈现在Web 页面，随后将该信息和监控动态信息、综合管廊建筑参数等进行动态耦合，便于管理人员清晰了解设备及构件运行动态。

1.3 环境数据实时采集与管理

综合管廊信息采集一般以人工巡检、监控系统相互结合的方式，巡检人员、运维人员、成本管理人员等借助手持终端与系统后台服务建立通信，将采集到的环境信息上传并存入数据库[4]；监控系统也可及时采集管廊建筑结构、入廊管线、专业设备等信息，存入数据库，并实时更新三维立体模型。将数据库的信息集成处理后，以交互形式将实时动态曲线展示在交互界面。该系统还能满足管理人员历史数据和终端节点属性信息查询功能。

1.4 环境数据预警

综合管廊是一个狭长密闭的空间，管廊内部管线复杂，环境昏暗，一旦内部出现异常问题，短时间内难以察觉，倘若后续处理不当，会造成严重后果。特别是发生火灾时，管线内部会迅速生成大量有害气体和高温烟雾，并聚集在一起，给设备及管理人员人身安全造成威胁[5]。对此，可以将CO 历史数据作为训练样本，借助交互界面在线训练LSTM 预测，实时显示和预警两小时内连续递增等CO 数据，便于相关人员知识制定应急方案。

2 管廊可视化信息管理系统整体结构及功能概要设计

该管廊可视化信息管理系统整体设计主要包括终端节点、模型轻量化、后台服务及前端页面，具体见图1。

其中，终端节点主要用于环境数据采集，一般安装在管廊舱室内部，主要组成结构有传感器、控制器及无线模块，通过传感器采集环境数据信息，采集到的数据经过TCP 通信，传输并存储至服务系统数据库[6]。模型轻量化模块，主要功能是BIM 模型数据信息解构，实现这一模块功能的关键技术为C#整合Revit 二次开发。前端页面主要由几何模型加载（使用WebGL 与HTML5 技术）、CO气体量预测（使用Tensorflow.js 框架、浏览器在线训练LSTM）、数据表展示、环境实时动态曲线（使用Ajax 技术与后台软件模块交互实现）等组成，当监测或预测某舱室异常，可即时发布预警，将预警信号发送至工作人员手持终端，并为异常情况、故障问题等解决提供科学辅助，将危害范围限制在可控空间内，避免造成更大范围、更深程度的危害，保障人员生命安全。后台软件模块，主要为系统提供数据库信息查询与更新、终端节点数据接收、前端数据展示等。

3 管廊可视化信息管理系统详细设计

3.1 环境数据预测模块

地下综合管廊舱室较多，舱室环境不同气体参数存在差异，可以基于Web 技术设计一款分布式CO 气体量预测模块，通过精准数据监测与计算，提高预测准确度，减轻整体管理压力。该模块将传统电脑端的模型训练和预测移植至Web 端，即由服务端转移至客户端，采用Tensorflow.js 框架+浏览器在线训练LSTM 技术，具体步骤见图2，可以直接在浏览器界面通过人机交互，进行该模块的训练和数控预测，有效规避了以往复杂环境部署和库文件调用，也无需后台支持，大大简化训练流程，提升训练效果。其中，CO 气体量等同于等间隔连续时间序列，LSTM 技术为深度神经网络，对连续时间序列有较为准确的预测结果。另外，不同管廊舱室环境不同，可根据其历史数据建立个性化预测结果。

3.2 模型轻量化模块

在基于BIM 技术构建的管廊信息管理系统中，BIM 几何模型会附带大量施工过程静态属性信息，导致几何模型包含信息量巨大，需要占用较大存储空间。采用C#和Revit 二次开发技术，利用Revit 绘制六面墙，共生成约4.47 MB 的项目文件，其中几何数据占比仅为12.5 K。可见，为了实现浏览器页面中建筑模型的快速、完整加载，模型轻量化导入是十分关键的前提。本文设计的信息管理系统汇总，为实现这一功能，决定采用Revit 二次开发技术将建筑模型中的Rvt 文件以及各ID 对应结合数据解析分离出来，借助Obj 文件格式中的g 行（模型组名称，数个面为一组）标识分隔出来。随后，为了在数据库中写入属性信息，利用动态链接库和ID 索引技术，从而达到轻量化目的。

3.3 数据库模块

数据库模块主要包含终端节点表、环境数据表、用户表、历史信息表等内容。具体来看：（1）终端节点表的主要功能是终端节点信息查询与更新，列表信息包括重点节点名称、对应节点ID、在实际管廊中所处位置、持续使用时间等。管理人员登录后台管理系统后，可以更新和查询节点信息；使用时间自节点启动时间计算，自动生成显示；管廊所处位置以语言描述形式展示。（2）环境数据表，顾名思义，设计传感器范围内搜集到的各项环境数据参数，如温度、湿度、CO、CH2、O2、H2S 浓度等，还包含传感器节点ID、时间戳、数据ID 等[7]，见表1。（3）用户表，主要有用户ID、名称、密码和角色等，在前端页面输入相关信息后，会自动与数据库内存储的信息相互比对，信息比对成功，显示用户登录成功，信息匹配不上，显示用户登录失败[8]。（4）历史信息表，主要为历史环境数控信息，不仅能够为用户提供查询服务，还能为气体量预测模块提供训练样本。其列表包含终端节点ID、日期、平均温湿度、平均CO 含量等，平均值为每日每小时平均值，每日零时数据自动更新。

表1 环境数据表构成

3.4 后台服务模块

后台服务模块基于Java 开发语言、SSM 整合框架和MVC 框架，该模块控制器部分前端界面为View，数据封装部分为Model，端节点为客户端。在终端节点和系统后台服务中，均采用TCP/IP 通信协议进行通信。同时，管廊内终端节点数量较大，为确保数据传输准确性和完整性，系统后台设计建构TCP 服务端线程池，利用线程池与终端节点的交互，将采集到的环境数据存入环境数据表中，能够节省大量资源。同时，该数据库持久层采用MyBatis，不仅能够掩盖JDBC细节，还能支持个性化SQL与存储过程，将数据库配置集成于XML 文件中。另外，后台服务模块还包含数据查询、实时数据采集与展示、终端节点管理、角色控制等功能。

3.5 前端模块

前端模块设计开发采用JavaScript、Highcharts、CSS、Sim.js 等技术，能够实现环境数据实时曲线展示、模型轻量化、终端节点管理等功能。其中，环境数据实时曲线展示功能实现的关键技术是Higcharts+Ajax 局部刷新技术，特定时间内相关信息查询则需要借助定时发送Ajax 请求实现，这一请求过程采用的数据传输格式有一定要求，为轻量级Json 格式。

4 管廊可视化信息管理系统实现

4.1 环境数据曲线

前端页面实现形式如下：将采集到的数据转化为数值，绘制成曲线，借助动态曲线形式，呈现给用户。页面最左端为菜单栏，用户点击不同位置终端节点栏目，主页面为实时监测数据，该数据间隔10 s 刷新一次。

4.2 轻量可视化

前端页面加载轻量化模型之后，将管廊模拟场景直接展示出来，实现场景漫游。网页左侧为菜单栏，显示不同终端节点位置，点击后会直接展现相对应的模型位置。此时，页面左侧为节点附近环境信息和建筑物信息，右上角为不同场景浏览模式，可点击鼠标切换，通过第一人称视角进行场景查看或者漫游。在漫游过程中，用户与场景交互中相关构件信息会展示在页面左侧。

4.3 数据库管理

数据库维护管理主要涉及历史信息表查询、终端节点表查询与更新。其中，历史信息表查询模块存储每日历史信息，零点更新，平均两小时对环境数据按照预先编译的存储过程进行均值处理，处理结果会直接存储在历史信息表中，该模块承担用户信息查询功能[9]。另外，该历史信息数据表还可以为在线训练LSTM 提供样本数据。在线训练LSTM 包含查询与更新两方面，查询内容为终端节点相关信息，更新内容主要为实际建筑主体相关参数信息的增补、删减、修改等。当管理员更新相关参数信息时，左侧菜单栏也会随之更新。

5 结语

综上所述，本文基于Web 技术设计的管廊可视化信息管理系统，具有信息集成与共享、信息可视化管理、环境数据实时采集与管理、环境数据预测与报警等功能，为城市地下综合管廊信息化、智能化发展做出巨大贡献。本文设计和实现的信息管理系统，对系统性能和可靠性进行了优化，能够完成管廊管理、入廊作业、巡检、应急预案管理等多方信息化管理，还能为管理人员运维提供充实数据支撑，满足信息系统扩展性、高可靠性和低耦合性需求，为城市建设发展提供强有力的支撑。