城市地下综合管廊智慧化运营管理论述＊

刘雅莉，孟晓强

（1.河南交通职业技术学院，河南 郑州 450000；2.中咨公路工程监理咨询有限公司，北京 100089）

2016 年，针对中国城市规划建设管理中存在的突出问题，在国务院发布的《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中明确提及，到2020 年中国要建成一批在国际上具有先进水平的地下综合管廊并投入运营，要明显改善反复开挖地面的问题，要明显提升管线安全水平以及防灾抗灾能力，逐步消除城市主要街道上空的蜘蛛网式架空线，要明显提升城市地面景观面貌。

近几年来，国内的地下综合管廊建设呈现蓬勃发展态势。综合管廊已日渐成为最有效的用来解决城市地下状况与地下管网问题的方式，得到了业内的普遍认可，也代表着城市基础设施未来发展的必然路径和全新模式[1]。但是，当下对城市地下综合管廊的研究仍然主要聚焦在开发利用的规划、设计和施工阶段，而较少关注综合管廊后期的运营管理，特别是在智慧化技术应用进行后期日常维护运营方面。

随着物联网、大数据、VR、AI、虚拟仿真等技术的出现和不断发展，如何运用数字化手段通过资源共享和信息互通实现对城市地下综合管廊的智慧化维护运营，对提高管廊运营管理的效率和服务质量都将起到积极的作用[2-3]。

1 城市地下综合管廊简介

城市地下综合管廊又叫管沟、共同管道、共同沟（以下简称“综合管廊”）。它的定义如下：在城市道路下面集中建造很多管线的共同管道，包括电力线、通信线、广播电视线、供水线、雨水线、污水线、中水线、热力线、燃气线等。在统一规划、建设、管理的指导下，最大化、最优化利用地下空间和资源。目前综合管廊根据所收容的管线性质主要划分为干线管廊、支线管廊、缆线管廊和干支混合管廊4 种类型。

1.1 发展简史

综合管廊建设已有180 余年的发展历史。世界上第一条综合管廊在1833 年由法国巴黎兴建，最早兴建的这条管廊是以排放雨水和污水为主的重力流管线系统，管网纵横，排污口、蓄水池众多，后来进一步在管廊内铺设了供水管、煤气罐、通讯电缆等市政公用管道。

1861 年，英国在伦敦建设了一个综合管廊，断面是12 m×7.6 m 的半圆形，内部敷设了供水管、污水管、燃气管、电力线缆和电信线缆，直到现在，伦敦市区的管廊数量达20 条之多。

前苏联在莫斯科、列宁格勒、基辅等地于1933 年修建了地下共同沟。迄今为止，莫斯科地下有130 km的综合管廊，除煤气管外，各种管线均有，只是截面较小，内部通风条件也较差。

日本的综合管廊建设最早始于1926 年，当时在东京市中心的九段地区干线道路地下建设了国内第一条综合管廊，将电力线缆、电话线路、供水管线、燃气管线等市政基础设施集中敷设在里面。目前，日本无论是在综合管廊的建设速度上，还是在规划能力、法规体系建设、工程技术等方面都是最先进的国家之一。

中国综合管廊建设的起步相对国外其他国家较晚。1958 年，在天安门广场地下建设了一条长度为1 076 m 的地下综合管廊。1993 年，上海浦东新区张扬路铺设了地下管廊，那是中国意义上第一条现代综合管廊。

1.2 运营管理存在的问题

综合管廊运营管理中普遍存在廊内环境差、设备维护水平低、管理技术落后、管廊安全预警和应急响应滞后等问题，具体如下：①智能化程度不足。对于较早建成并投入运营的综合管廊，电子巡检系统、标签定位系统等子系统未加入建设清单。②监控单一独立化。各监控系统单独存在，如电力、热力管线监测等都是来自于生产厂家的监控系统。厂家持续致力于自身专业领域内的管线监测较多，但对其他专业管线监控没有经验，甚至没有考虑监测设备，加大了监控系统平台兼容其他管线监测系统的难度。③可视化与精细化运营管理程度不高。BIM（Building Infоrmаtiоn Mоdеling）技术应用不足，只可确定管廊内设备与人员的具体位置，不可确定空间位置，导致综合管廊可视化程度不高；另外，由于入廊管线产权单位众多，数据壁垒现象严重，专业化运营管理难度大。④环境监测相关技术应用不足。运营中管廊照明系统实行远程及实地手动开关控制，可能会出现监控中心值班人员远程控制不及时、管廊出入人员忘记关灯等现象，导致电力被浪费。如何更好地联动照明系统与环境监控系统，如利用人体感应控制、光照度控制、定时控制技术等使照明灯自动亮起或熄灭，是未来管廊运营管理中需要思考的问题。

2 城市智慧管廊综合管理平台

将BIM 技 术 和GIS （Gеоgrарhiс Infоrmаtiоn Systеm）技术基于模型管理的思想运用于城市智慧管廊综合管理平台中，采用三维立体模式仿真地下综合管廊，将综合管廊及其附属设施、廊内管线包含周边环境模型信息和设备运行状态数据进行集成，把大量、分散的设备和传感器数据转换为系统的管理数据，让管理人员可以实时查看采集到的监测数据及周边环境图像，实现对二维数据、宏观及微观数据的三维立体化、可视化、精细化、智慧化管理，提高综合管廊运维水平、应急能力和经营管理水平，从而助力地下综合管廊高效运行和快速发展。

平台基于SOA（面向服务的架构）设计，采用3层结构，即应用层、中间层及数据层，如图1 所示。

图1 城市智慧管廊综合管理平台结构

应用层，即面向对象的应用，包括基于GIS 的信息化管理门户网站、通风管理子系统、供电管理子系统、排水管理子系统、安全防范子系统、通讯应用管理子系统、预警与报警子系统、消防管理子系统、照明管理子系统、地理信息管理子系统、BIM 子系统等。同时，提供基于B/S（浏览器/服务器）模式的电脑、手机等客户端软件。

中间层，即提供各种应用服务支撑，采用标准接口协议，可供第三方开发。包括数据访问、消息管理、安全服务等基础性服务，是整个综合监控平台的应用基础。

数据层，负责数据库的访问。而不需要关注具体的数据采集、数据传输和数据解析等操作，也不需要关注不同厂家、不同制式、不同类别终端设备的物理接口和拓扑方式。

2.1 平台特征

平台特征充分利用BIM 连接管廊全生命周期不同阶段的数据、过程和资源，注重微观领域中管廊内部的设计和实现的特点以及GIS 处理和分析宏观地理环境中的地理数据的能力，通过对BIM 技术和GIS 技术的综合运用和深度应用，让管廊的宏观、微观管理功能和可视化功能很好地结合起来，再将各类数据及各个操作流程进行整合，打造集智能控制、降耗节能、智慧运营于一体的城市智慧管廊综合管理平台。

平台具有以下几方面的特征：①充分利用BIM 和基础地理信息公共平台提供的各种资源，使平台的基础地理数据、BIM 模型在政府部门、管线权属单位和管廊运营公司之间得到统一。②建立全面覆盖城市地下综合管廊的数据库，实现数据集成统一管理及管线数据动态更新统一管理；完善地下管线框架体系及地下管线动态更新机制，建设多种类、多时相、更新及时的综合管廊管线管理体系，提高综合管廊管线数据多层次服务能力。③建立综合管廊共享服务和数据交换机制，打造一个城市地下管线安全生态圈，满足政府部门、各个管线权属单位、管廊运营公司的在线应用需求，彻底破解城市地下空间“信息孤岛”难题。④提供安全开放的服务接口，构建综合管廊信息资源开发和综合利用的整体、统一框架。⑤建立综合管廊信息化的规范标准体系、政策法规与管理制度，建立健全综合管廊管线动态更新机制、共享标准体系和政策制度体系；实现数据采集、处理、建库、发布、共享等的标准化和制度化，建立综合管廊管线信息共享的长效机制。⑥通过综合管廊管线信息共享服务，促进产业数字化转型，使得各管线权属单位能够在此基础上整合自身业务数据构建满足自身需要的专题管线运营管理平台。

2.2 平台功能框架设计

2.2.1 软件架构

平台软件架构设计基于BIM+GIS 技术的综合运用，并采用“管+控”的一体化规划设计理念。将平台中不一样的应用系统中类似的模块规划设计放在一块，让平台更可靠、更好维护，也让管廊的承载能力更容易管理，同时，又降低了建设成本、维护成本等。

所谓的类似的地方包括统一的数据传输平台，适配各类物联网终端的模块化接入设备，构建数据仓库，建立标准化的数据格式。城市智慧管廊综合管理平台软件结构如图2 所示。

图2 城市智慧管廊综合管理平台软件结构

2.2.2 硬件架构

平台将依据监控的具体规范要求，在要求的点位安装各类传感采集终端，并对各类采集终端的点位、数据传输状态、在网状态等数据等进行比对分析，规划处出最合理的采集终端选点，然后对这个选点、数据传输方式等的现场情况提出针对性解决措施。采集终端数据上传到数据中心后，系统软件平台会呈现采集现场的实时工作情况，根据以往的历史数据，加以比对分析，为系统预警研判提供一些更高级算法模型。城市智慧管廊综合管理平台硬件结构如图3 所示。

图3 城市智慧管廊综合管理平台硬件结构

2.2.3 实时GIS 地图

基于实时GIS地图搭建的综合管廊GIS管理系统，作为整个监控调度系统的基础平台，可实时查看管廊本体及廊内设备和周边附属设施的动态运行数据，实现对管廊所有资源的综合调度管理，随时掌握管廊的实时工况，为集中调度和科学决策提供重要依据。

2.2.4 环境监测数据

作为管廊安全系统的感知神经，它是来自自动化控制设备的监测，可将各种情况实时传递给监控中心，让中心管理及相关责任人员随时掌控各种状况，保证廊内管线及附属设施处于正常工作状态，如果有突发事故发生，能做到迅速预警并触发相应资源处理。

2.2.5 BIM 视频漫游

提前设置BIM 漫游路线，系统自动漫游并且显示相应舱室视频画面。另外，BIM 技术的应用支撑下可以达到以下要求：对管廊重要节点、监控中心内外部结构、装饰等进行三维建模和数据仿真分析，用于对设计效果、方案优化等进行提前模拟演练；进行管线碰撞检查；将设计图纸和现场进行的勘察资料通过BIM 技术进行三维建模，筛选出桩端持力层、岩面等关键性工程隐蔽节点，提前制定施工管控措施；通过对建筑结构、地下管线的综合三维模型和专业软件的虚拟场景漫游，进行可视化能力的技术交底，实时评估施工过程中安装管线的工作状况和效果，及时进行修正；实时掌握物资价格、工程进度等信息，以便最优化调配资源，最大限度保证工程进度。

2.2.6 异常报警

当环境监测异常或者发生非法入侵之时，通过模拟显示屏显示出入侵的区段及进出人数，并实时记录入侵的时间、地点，同时通过报警设备发出报警信号，能够查看提示详情，并通过弹出的BIM 模型界面，进行相应操作。如紧急情况时，管理人员可启用一键报警，全廊固定电话响铃，廊内人员接听电话。从而实现面临突发事故快速做出应急指挥，引导管理人员进行科学决策、有序处理。

2.2.7 应用子系统

根据不同层级的管理人员所持有账号分配相应权限，主要包括人员出入廊子系统、设备健康子系统、日常巡检子系统、系统管理子系统、应急处置子系统及移动端APP 子系统。

人员出入廊子系统：包含门禁卡开办、外来人员、权属单位人员、运维人员管及管线出入廊5 个部分。从管线的前期入廊进场施工、中期入廊和后期巡检维护维修，都可以在这个系统上实现线上办理。

设备健康子系统：包含设备养护、维修、添加、检测标定、替换记录、备品备件及统计分析7 个部分。对初次进场设备的名称、型号、参数、点位等按照统一编号规则编号，并与BIM 和GIS 系统数据进行关联。

日常巡检子系统：包含2 个部分，即巡检区域和巡检记录，巡检区域的分区是按照巡检工作的任务要求，结合线路连贯性的要求，在地图上基于GIS 功能划分的，防止绕路或重复巡检造成人力物力浪费。

系统管理子系统：系统包含登录账号管理、日志、排班、记录查询和警情汇总5 个部分。

应急处置子系统：系统包含演练、记录、信号复位、会商和联络薄5 个部分。

移动端APP 子系统：如有工作人员入廊作业，可借助手机等移动终端对人员进行定位、通信，也可以实现接收任务、上报结果及门禁开启等功能。

2.2.8 交接班提示

基于实时工作记录录入、手机扫描交接班等，系统自动创建新工作记录构建交接班全过程闭环管理，从而让数据完整沉淀、责任明确到人。同时，平台能醒目显示交接班时的未尽事宜或重要通知，以保障交接班时间安全运营。

2.2.9 值班监督

通过设置值班“打卡”功能，如通过每隔3 min“打卡”与否判断值班人员是否在岗，作为对值班人员的考核依据。同时，支持利用视频监察系统结合视频监控系统的视频分析技术，对于检测到值班人员的离岗睡岗，系统将自动计入视频监察记录中，包括离岗人员、离岗时间、睡岗人员、睡岗时间，都会进行详细的记录；并且视频进行留痕保存，当值班人员有疑义时可查看离岗、睡岗时的监控录像，进行视频的调取和查看。

3 结束语

在充分利用基础地理信息公共平台、管廊BIM 模型提供的各种服务的基础上，采用先进的物联网和智慧化手段，将管廊运营中的人员、设备、事件等要素与BIM 模型和GIS 三维空间模型进行数据关联，通过这2 种模型搭建的数字孪生体对设备进行远程控制。并对运维过程中采集的数据进行人工智能、大数据、云计算等分析比对，为综合管廊的高效运营和安全运营保驾护航，提供理论依据和方案参考，真正实现智慧化、科学化、精细化、标准化的全生命周期运维管理。