浅谈数字化智慧管廊运维平台研究与应用

摘要:文章以江南中心绿道武九线综合管廊工程为依托, 结合物联网、智能识别、大数据分析、深度学习、异构运算、可视化等信息化技术,以智慧化、人性化、便捷物联、高度信息安全为思路,  建立了数字化智慧管廊运维平台。平台采用了BIM+GIS融合应用、机器人自动巡检、高精度无线定位等技术,建立了可视化管理、人员管理、管廊信息管理、安全监测与报警等子系统,为实现综合管廊安全、高效的运行提供了保障。

关键词: 综合管廊；BIM+GIS；自动巡检；无线定位；安全监测与报警

0、引言

随着综合管廊建设的推进,全各中大型城市积极投入到综合管廊的建设中,城市管廊规模越来越庞大。综合管廊空间断面设计复杂,纳入管线种类多,在运营过程中具有施工组织复杂、工程量大、项目工程管理难度大等特点,在工程进度、成本、安全、质量等综合管理方面均存在困难,传统管理模式已无法满足综合管廊快速发展的需求[2]。因此需要建立有效的机制和手段来进行管理。

近年来,随着家政策的引导,广大专家学者积极投入到综合管廊运维管理研究中来,形成了系列的综合管廊信息化管理手段。通过机器人巡检技术,百D地图定位方法等建立了体化的管廊运维平台,并在沈阳市南运河管廊进行了应用。以某项目为依托,采用物联网、大数据等信息技术,建立了综合管廊运维管理系统。提出了综合管廊运维体化建设方案, 并实现了BIM全生命周期应用。通过对智慧管廊运营系统进行研究,结合其特点进行分析,对机器人巡检技术在管廊中的应用进行了初步研究。张立新等根据综合管廊全生命周期的管控要求,对BIM技术在管廊中的全生命周期的应用进行了研究。

智慧化、信息化管理是综合管廊运维管理的重要发展方向,是实现智慧城市、智慧市政的主要手段。本文以江南中心绿道武九线综合管廊工程为依托,进行了能实现定位、安全保障、监测预警减灾、日常巡检巡查、物业管理、应急处置等功能的数字化智慧管廊运维平台研究。

1、研究背景

1.1项目概况

江南中心绿道武九铁路北环线综合管廊工程(友谊大道~建设十路)位武汉市武昌区、青山区、洪山区,包括主线和支线。主线管廊沿武九铁路北环线控制廊道布置,起于友谊大道,止于建设十路,全长约13.24公里。支线管廊沿德平路布置,起于武九铁路,止于团结大道,全长约2.98公里。

1.2项目特点及需求

本项目是武汉市城建重要工程,也是武汉市市级直管的综合管廊工程,系建设+运维全生命周期管理的管廊项目,采用传统的管廊运维管理方式存在人力成本高、信息采集落后且分散、应急响应慢、运维管理水平低等弊端,对入廊管线及廊体本身构成定的安全隐患,急需借助新兴技术手段探索开发出个综合性运维管理平台。通过期的充分实践调研,得到平台主要需求为:

(1)结合物联网、BIM+GIS等信息技术及管廊建设施工和运营 维护过程中的需求,感测、分析、整合城市综合管廊系统运行中各项关键信息;

(2)基于智慧化、人性化、便捷物联、高度信息安全的思路, 综合利用管廊智能化管理技术,实现对管廊的各类信息和运行状态全方W的在线实时监控和智能控制;

(3)基于智能识别、大数据分析、深度学习、异构运算、可视化等技术,对管廊进行精细化管理和科学决策,大大提高管廊的管理效率、降低管廊的运维成本和风险。

 2、平台建设的总体目标及总体架构

2.1总体目标

建设数字化智慧管廊运维平台的总体目标:

(1)为了降低运营成本投入,加快应急响应速度,减少事后扯皮现象发生;

(2)将众多单位的数据进行统整合利用,打通数据通道,形成统的数据标准;

(3) 改善传统巡检手段,提升应急处置能力,提高运维管理的智能化水平。实现运维状态实时监控、预警减灾防灾、应急处置等功能齐全的数字化智慧管廊运维平台。

 2.2总体架构

图2 平台架构图

平台的应用架构是平台搭建的主要思路和方法,为了保证各个系统之间能实现数据共享,确保数据的致性,避免出现信息孤岛, 需设计个灵活的应用系统架构,既可以包容现有的应用又能满足未来新的应用需求,使各个系统信息的高度集成,使得基于不同平台、不同语言实现的应用系统能够很好地进行信息交互,从而让系统平台变得更有弹性,能更快地响应业务需求。数字化智慧管廊运维平台以计算机技术、网络技术、电气控制技术、传感器技术及机器人技术为基础,采用基于组件的SOA平台应用架构进行构建,主要包括物理层、数据层、应用层、展示层,如图2所示。通过高度集成的数字化智慧管廊运维平台实现对综合管廊的综合管理、实时控制、智能监测;通过数字化智慧管廊运维平台中的建筑信息模型(BIM)和3D地理信息系统(3D GIS)等手段对管廊及内部管线进行可视化管理;通过引入管廊巡检机器人配合自主灭火机器人完成对管廊内环境、设备、管线的不间断智能巡检和应急火灾处置,实现人工与机器的有效协同,实现24h不间断监控。

3、平台关键技术

3.1BIM+GIS融合应用

管廊在设计、施工、运营维护等各个阶段均使用BIM技术和GIS 技术,并将二者进行有机结合。通过此方式,将管廊全生命周期的数据资料进行集成和管理,为不同决策者在不同阶段,不同需求提供数据和技术支持。GIS技术具有整体功能的作用,可以将综合管廊内的大量空间信息(如出线口以及特殊节点等地理位置、机电设备、控制设备等各专业相关设备的数量、类别、地理位置分布等)进行属性掌握,实时监控各种设备的运行状态,高效的管理带有地理信息复杂数据,为综合管廊运营维护的辅助决策提供具有空间信息功能的依据。BIM技术具有很强的呈现功能,将BIM呈现的管廊属性赋予GIS,可通过三维可视化的方式进行呈现,让人有种身临其镜的感觉,使运维管理方及管廊作业人员更好的对管廊地理空间进行认知。该模块解决了基于空间位置的设施管理,通过对象比的复原,形成所见即所得的管理模式。

3.2机器人自动巡检技术

机器人环境适应能力强,在恶劣环境下能正常工作,可深入危情现场,能够有效地配合巡检工作。通过将高清摄像头、红外成像、无线传感器等设备集成于智能巡检机器人, 再制定定期巡检、应急响应巡检等不同的巡检模式,实现对廊内各类设施、设备的全覆盖检测。由机器人替代部分人工巡检充当特殊环境下的先行探检,增强了人员和管廊的安全系数,有效提高管廊的运行效率,大大减少管廊灾害和事故的发生。具体的形式有:在巡检机器人上设置各类型气体监测传感器,实现气体质量分数动态监测,当检测到管廊内某种气体含量超过安全限值时,巡检机器人将立即上传报警信息至综合监控平台,并发出声光报警信号;通过红外热成像技术,使用巡检机器人动态监测管廊内温度变化情况,当检测到管廊内温度超过安全限值时,巡检机器人将立即上传报警信息至综合监控平台,并发出声光报警信号;结合基于机器视觉的廊体结构健康状态监测指标、识别技术与评价方法,进行管廊结构本体缺陷隐患的辨识,通过巡检机器人摄像头采集到的影像资料,实现结构表观缺陷、病害的智能识别,通过长时间巡检影像资料实现外观缺陷、病害发展趋势监测,实现管廊结构外观智能检测的目的,为后续管廊结构、病害维护提供参考。

3.3高精度无线定位技术

根据城市地下综合管廊的运维管理环境,需要对地上、地下、廊内不同位置的工作人员进行定位及轨迹追踪,同时在日常巡检、应急救援、执行任务等情景下都需要对相关人员进行精确定位。建设数字化智慧管廊运维平台采用高精度无线定位系统,用于入廊人员的安全保障和位置追踪,通过该定位系统可在控制中心的屏幕上显示出当人员的位置和行进轨迹,并且可以根据人员位置合理调度巡检、抢险等任务的安排。此外,在发生危险或紧急事件时,控制中心可以与人员携带的标签进行联动,通过警报声或振动提示人员进行撤离。

4、平台主要功能模块

平台主要由可视化管理、人员管理、管廊信息管理、安全监测与报警巡检四大模块及若干组件构成,其功能构成如图3所示:

图3 平台功能图

4.1可视化管理模块

可视化管理主要分为通过3DGIS+BIM的建筑模型融合业务系统的实时数据信息,实现管廊实时管理的可视化和通过大数据计算分析的阶段性管理分析统计可视化。

(1)作为信息可视化的管理工具,3DGIS主要应用于建筑外部的宏观区域,BIM主要应用于建筑内部的区域。3DGIS提供综合管廊及周边信息的宏观模型,为区域管理、系统宏观管理、空间管理、灾害管理等提供基础;BIM提供综合管廊内部的精细化模型,为设备设施管理、维护维修管理、安全管理、应急管理、模拟巡检等提供基础。两者相结合构建个与现场致的模型,通过业务数据的实时传输和呈现,可实现可视化管理、虚拟巡检等功能。(2)大数据可视化主要借助于图形化手段,清晰有效地传达与沟通信息[10]。管廊数据信息具有复杂性、分散性、不确定性、动态性等特点,通过大数据分析技术融合分析海量的数据,将同类型数据或关联数据集中到个专题页面进行图像化呈现展示,将专业的复杂的数据进行图像化归集,为管廊管理者的决策提供支持。

4.2人员管理模块

人员管理模块旨在加强管廊内运维管理人员作业行为的监控监管。人员管理模块主要由人员定位系统、人员管理系统、任务管理系统三大部分组成。

(1)人员定位系统:人员定位系统分为地面人员APP定位及廊内人员高精度无线定位,高精度无线定位用于入廊人员的安全保障和位置追踪,通过本模块可在控制中心的屏幕上实时显示出当人员的位置和行进轨迹,并且可以根据人员位置合理调度巡检、抢险等任务的安排;此外,在发生危险或紧急事件时,控制中心可以与人员携带的标签进行联动,通过警报声或振动提示人员进行撤离。(2)人员管理系统:人员管理系统主要负责管廊相关工作人员的信息管理。(3)任务管理系统:任务管理系统主要通过控制中心的综合管理平台向工作人员巡检终端的APP完成任务的派发,工作人员通过APP接收任务后往指D地点完成任务,通过人员定位和RFID标签功能可实现过程的监管,完成任务后通过APP上传相关音视频巡检资料进行任务闭合。

4.3管廊信息管理模块

管廊信息系统模块旨在对管廊的各种文件资料、入廊管线、设备等进行信息化管理,使线下繁琐且工作量大的工作线上化,便于保存、管理和查看。管廊信息系统包括廊仓管理、入廊管线管理、文件资料管理、设备管理及备品管理。

4.4安全监测与报警巡检模块

安全监测与报警巡检模块旨在提高管廊本体、入廊管线、相关环境的安全监控及管理水平。物联网技术是本系统的核心部分,利用端传感器监测廊内各类信息,依托各种通信网络进行信息交互和共享,利用大数据技术,对海量的感知数据和信息进行分析处理, 实现智能化报警,以保障入廊管线的健康安全状况。同时,通过智慧管廊综合管理系统内接入的自动控制系统和综合机器人系统还可完成针对各类报警的应急处理,进步提高运维的安全性。该模块下的部分系统如:

(1)环境监测系统监测项目包括甲烷、硫化氢、二氧化碳、温湿度等。(2)入侵监测系统主要通过在管廊内重要节点,例如人员出入口、投料口、通风口、引出段等,设置红外微波探测器和声光报警器,对 出入人员或物体进行监测,从而实现非授权进入报警。(3)廊体监测系统通过在管廊内壁安装压差式形变传感器对管廊本体的沉降进行监测,采用裂缝计对顶管与标准段处的平面位移进行监测。系统根据获取的数据,对影响管廊结构安全的超限指标进行分析并实时报警,及时发现病害并判断其安全状况,以便及时采取措施,保障管廊结构稳定。(4)视频监控系统通过采用低照度高清网络摄像头结合硬盘录像机,可实现视频实时监测、录像查询、移动侦测等功能,监测范围覆盖管廊内所有重要节点。(5)综合巡检机器人系统通过精确的智能视频算法分析及红外成像,对设备进行*巡检,发现人工肉眼难以发现的微小热缺陷情况,并且机器人不会产生劳累、困倦等现象,能够保证巡检质量;机器人更可接入工业以太网环网,实现在调度室内通过管理平台对机器人进行重点区域调度巡查;机器人辅助管廊监控,保障了管廊管线设施安全,通过监测管廊内各类设施设备状态,预防设备故障隐患,提高管线的巡检效率和设备使用寿命;巡检机器人与消防机器人联动配合,在发现火灾隐患时能够迅速到达火灾现场完成应急消防灭火。

5、安科瑞产品在综合管廊智能化监控管理系统的应用

5.1火灾报警系统

火灾报警系统在整个管廊智能化系统监控中也具有重要性建设应用意义，要想保障整个系统应用的监控管理能力提升，就应该在系统应用中，及时将系统应用内的火灾警报监督控制管理工作化。火灾自动报警系统包括:火灾自动报警系统、防火门监控系统、电气火灾监控系统。

电气火灾监控系统（管廊地下部分）产品选型

Acrel-6000电气火灾监控系统由Acrel-6000系列监控设备、ARCM200BL、ARCM200L系列监控探测器和配套附件组成。系统各设备之间均采用RS485总线进行连接，施工布线简单方便。

Acrel-6000/B1电气火灾监控设备简介

注：地下管廊使用的动力箱/柜符合管廊相关标准，防护等级达IP65

 5.2 环境及设备监控系统

在综合管廊智能化建设管理中，为了将整体的智能化管廊建设工作开展性能提升，需要在管廊建设中，对其对应区域内的设备运行以及对应的环境监测工作开展进行分析，并且在分析中，按照具体的管廊建设处理中的设备控制进行科学的系统监控规划。该部分环境监控系统的实施中，系统对应的环境及设备监控共分为以下几点：是环境监测设备；二是排水设备；三是通风设备；四是照明设备，只有将对应的环境监测设备和监控系统运行系统建设好，才能保障在系统的监控运行中，将整个系统应用的监督控制管理能力发挥出来。

安科瑞配电室综合监控系统，可实现管廊内智能开关柜运行监控、高压开关柜带电显示、电流电压等负载运行监控、母线测温监测、电缆测温监测、环境监测、有害气体监测、安防监控、取暖通风、门禁、灯光、风机、除湿机、空调控制等功能。实现动力环境各数据的检测与设备控制，实现动力环境化，避免运行环境的失控导致配电设备运行故障，保证维护人员安全，延长设备使用寿命，减少配电室粗放式管理导致成本过高，同时实现配电动力环境的分布式远程管理。

5.2.1系统结构

  配电室综合监控系统以智能控制为核心，通过物联网技术的集成应用，实现配电室内环境的全天候状态监视和智能控制。系统由485通信和网络通信混合组网，完成站端视频、环境数据以及安全防范等数据的采集和监控，适配于当下多种应用场景。

系统结构

系统遵循物联网分层分布式物理体系，即设备层、网络层、站控层，构建而成*体化的智慧管理平台系统。

监控系统架构采用平台化SOA架构，具有良好的可扩展性。当数据接入量大或者访问用户数大的时候，可以通过部署多个应用实例来提高系统服务能力。同时可根据用户的使用要求，灵活配置运行的服务组件。

在个区域内部署时的典型场景如下图，配电室的各类智能检测设备通过有线或无线网络连接到监控中心，单个配电室或箱变的监测数据可集中上传到监控中心或者物联网平台。

5.2.2监控范围

  系统把环境、视频、通风、照明、安全防范、消防、次设备辅助监控等所有监控量在系统主界面上进行体化显示和控制，避免各系统孤立显示和控制。

1. 环境监控子系统

  配电室综合监控设备安装在配电室、箱变、变电所内，通过采集和传输技术，可以实时监测配电室内的重要场所和设备的工作环境，如温度、湿度、电缆沟水位、漏水/水浸、有害气体(SF₆，H₂S，NO，CO，O₂，O₃)、TVOC、烟雾、明火、人体感应、噪声等。
  当检测到环境量出现异常时，可及时显示、报警，并可通过通信网络将数据上传至系统平台。根据预先设置的上下限值，联动控制空调、视频、灯光、加热装置、除湿器、通风机、声光报警等设备。保障配电室场所的电力设备安全运行。防止因环境改变、非授权活动、设备状态变化等引起的事故，满足配电室远程运维的可靠管控要求。为新型现代化配电室的智能化、可视化、自动化、互动化做有效支撑。
  站端设备包含各种传感器（温度、湿度、漏水、水位、有害气体等）。系统平台可以直观的显示出被监测量的大小或状态，以及被监测量的实时值或各种故障发生的情况。

  告警功能：在监控中心对环境参量超过预设值时发出视听告警，在监控系统的人机界面上闪烁显示，同时可以提供警示灯、报警音箱、语音、短信通知等多种告警方式。
  设备状态检测：系统可以实时监控配电室内各监测设备（传感器）以及通信线路，自动诊断设备及链路故障，并实时显示在界面上。
  数据查询：环境监测数据、状态监测数据及远程控制数据的历史数据查询。

2. 消防监控子系统

  烟雾、温感、明火等火灾消防信息的接入，联动声光报警器进行报警，以及通过短信方式自动通知值班维护人员。

3. 安防监控子系统

  红外双鉴、红外对射、震动、门磁等安防相关设备接入 ，并可实时播放告警语音、发送提醒短信等。

4. 无线测温子系统

  无源无线测温产品由主机（或收发器）和传感器两部分组成。主要应用在高低压开关柜内母排搭接点，断路器触头、电缆接头、大电流设备等电气连接点和其他易过热点等位置的温度检测，并把测量结果通过网络上传到监控中心数据库服务器，通过软件分析能够对温度过高发出告警信息，实现温度故障的早期预测，防患于未然。
5. 馈线监测子系统

  可以监测开关柜局放和馈线回路的开关状态、温度、电压、电流、功率、功率因数、有功、无功、谐波、电能量采集等。支持设置上下限的告警值，实现语音播放、发送短信等联动提醒方式。

6. 变压器监测子系统

  变压器三相绕组温度检测、风机运行状态、震动检测。支持设置上下限的告警值，实现语音播放、发送短信等联动提醒方式。

7. 视频监控子系统

  视频监控采用数字监控系统，实现专业监控功能。支持海康主流硬盘录像机和数字高清摄像机系列产品。

8. 温湿度控制子系统

  温湿度控制器运用传感器检测柜内的温度与湿度值，并通过控制外接的风扇与加热器对温度与湿度值进行调节，可有效防止因低温、高温造成的设备故障以及受潮或结露引起的爬电、闪络事故的发生。

9. 门禁控制子系统

  系统支持人员进入出去时间人员记录，系统提供设备或网络故障报警、非法闯入报警、门开超时报警、非法刷卡报警以及胁迫报警等。

10. 空调节能控制子系统

  可以控制空调开机、关机、升温、降温等，并能够直接调整空调的温度值。

11. 灯光控制系统子系统

  可以远程控制灯光的关闭和打开。

12. 其他控制功能

  水泵控制。
  加热器控制。
  声光报警器控制：远程控制启动和关闭，避免扰民。
  风机控制：实现对主、副新风机的智能控制。
  除湿机控制：室内除湿机控制以及与湿度联动。
  其它设备控制。

5.2.3硬件选型

6、结语

本文以江南中心绿道武九线综合管廊工程为依托,对数字化智慧廊运维平台进行研究。平台基于智慧化、人性化、便捷物联、高度信息安全的思路,结合物联网、BIM+GIS、智能识别、大数据分析、深度学习、异构运算、可视化等技术,可实现对管廊各类信息和运行状态全方W实时监测、应急处置、科学决策,精细化管理等,可解决管廊传统运维过程中的各种困难,使管廊信息化管理更进步。通过该平台的建设,可预见此平台后期在江南中心绿道武九线综合管廊应用后,对降低现场和管理人员的劳动强度,提高工作效率、及时发现运维过程中的安全隐患都能发挥出积极的效果,为管廊安全、高效运行提供保障。