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BIM+GIS在管廊機電監(jiān)控與運維管控系統(tǒng)中的應(yīng)用

發(fā)布時間： 2024-07-18　　點擊次數(shù)： 426次

摘要：本文提出了一種城市綜合管廊監(jiān)控與報警集成管控平臺的架構(gòu)，并對以BIM+GIS為核心的系統(tǒng)功能進行了研究和分析，通過GIS實現(xiàn)對管廊整體及設(shè)備設(shè)施的全局定位及管理，利用BIM實現(xiàn)對管廊設(shè)備的空間定位，二者相互融合，創(chuàng)造性的提出了多種基于BIM\GIS集成的功能應(yīng)用，全面實現(xiàn)對綜合管廊設(shè)備設(shè)施的可視化管控，大大提升了綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)的可交互性。

關(guān)鍵詞：BIM；GIS；SCADA；綜合管廊；監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)

1研究背景

根據(jù)《GB50838-2015城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》及《GBT51274-2017城鎮(zhèn)綜合管廊監(jiān)控與報警系統(tǒng)工程技術(shù)標準》的相關(guān)條款要求，城市綜合管廊監(jiān)控報警系統(tǒng)用于對綜合管廊內(nèi)的設(shè)備運行狀態(tài)及參數(shù)、實時環(huán)境信息、出入口狀態(tài)等進行在線監(jiān)控，保障管廊內(nèi)環(huán)境、設(shè)備、運維人員安全，實現(xiàn)綜合管廊監(jiān)控與運維的自動化和智能化，但一般基于SCADA的綜合管廊監(jiān)控系統(tǒng)只實現(xiàn)了設(shè)備監(jiān)控報警及簡單的運維管理功能，沒有將當前主流的物聯(lián)網(wǎng)、BIM、GIS、SCADA、大數(shù)據(jù)等技術(shù)進行整體集成，難以對管廊內(nèi)部場景及設(shè)備設(shè)施運行狀況進行可視化、集中化、全息化展示。

因此，為了實現(xiàn)可視化的監(jiān)控技術(shù)，通過本次系統(tǒng)的技術(shù)研究，基于SCADA軟件接口進行二次開發(fā)，利用主流的消息隊列軟件實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控實時數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、GIS空間數(shù)據(jù)及BIM模型數(shù)據(jù)的融合處理，再綜合管廊不同子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口協(xié)議，初步建立了以管廊監(jiān)控預(yù)警、運維管理、應(yīng)急指揮、輔助決策為主要功能的綜合管廊監(jiān)控與運維平臺,在此基礎(chǔ)上可根據(jù)不同管廊的運維管理及需求，實現(xiàn)管廊管理可視化、安全監(jiān)管精細化、運維管理自動化、數(shù)據(jù)分析全局化、應(yīng)急響應(yīng)智能化，建立智慧化的綜合管廊管控體系。

2系統(tǒng)架構(gòu)

綜合管廊監(jiān)控報警與運維管控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計分為四層結(jié)構(gòu)，包含驅(qū)動層、數(shù)據(jù)層、平臺層和應(yīng)用層。感知層屬于硬件系統(tǒng)，負責對現(xiàn)場監(jiān)控硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制功能。軟件架構(gòu)依據(jù)數(shù)據(jù)封裝的層級可以分為一層驅(qū)動層、二層數(shù)據(jù)層、三層服務(wù)層和四層應(yīng)用層。

驅(qū)動層：數(shù)據(jù)采集平臺負責通過通訊協(xié)議從前端感知層獲取綜合管廊監(jiān)測監(jiān)控實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的業(yè)務(wù)邏輯處理，寫入監(jiān)測監(jiān)控實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，并可直接通過消息隊列向上層應(yīng)用推送；同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還可以通過消息隊列接收上層應(yīng)用發(fā)出的控制指令，下發(fā)至感知層，實現(xiàn)對設(shè)備的控制。

數(shù)據(jù)層：主要負責綜合管廊空間數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)的存儲，包括監(jiān)測監(jiān)控實時和歷史數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、三維模型庫、視頻數(shù)據(jù)庫、專業(yè)管線數(shù)據(jù)庫、管廊設(shè)施數(shù)據(jù)庫、管廊運維庫等。其中，監(jiān)測監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)庫由于數(shù)據(jù)量龐大，采用分布式數(shù)據(jù)庫進行存儲。

服務(wù)層：包括數(shù)據(jù)服務(wù)平臺和數(shù)據(jù)融合服務(wù)兩部分，數(shù)據(jù)服務(wù)平臺以成熟的應(yīng)用平臺為基礎(chǔ)實現(xiàn)綜合管廊業(yè)務(wù)應(yīng)用層所需功能服務(wù)，包括應(yīng)用集成、實時消息推送、移動互聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控、BIM、地理信息。數(shù)據(jù)融合服務(wù)以綜合管廊平臺所涉及的各專業(yè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對數(shù)據(jù)進程提取、分析、融合更工作，從而做到及時、有效、便捷的溝通和決策。

應(yīng)用層：包括綜合集成與管控模塊、管廊運維管理模塊、應(yīng)急管理模塊、管廊運營管理模塊組成，并可以通過平臺層進行應(yīng)用系統(tǒng)模塊的接入實現(xiàn)管廊綜合管控數(shù)據(jù)的利用。應(yīng)用層的功能模塊為綜合管理平臺提供監(jiān)控與預(yù)警、聯(lián)動控制、運維、應(yīng)急搶險、運營管理和數(shù)據(jù)分析挖掘應(yīng)用。

3BIM/GIS數(shù)據(jù)處理

為了解決不同類源、異構(gòu)、動態(tài)及分散的數(shù)據(jù)集成難度大的問題，在開展管廊本體及設(shè)備設(shè)施的BIM建模前，明確BIM建模標準及精度要求，包括設(shè)備設(shè)施類型及名稱、施工圖編號、里程位置等，并要明確BIM模型設(shè)備對象、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫設(shè)備對象以及SCADA設(shè)備對象的映射關(guān)系，從而實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)集成及應(yīng)用展示。具體BIM模型數(shù)據(jù)處理流程如圖2。

其中模型處理環(huán)節(jié)為復雜，是將由設(shè)計軟件建立的設(shè)計模型轉(zhuǎn)換為能夠?qū)牍芾砥脚_的管理模型，包括格式轉(zhuǎn)換、輕量化處理、模型坐標轉(zhuǎn)換、模型合并、設(shè)備信息處理等，后將處理過后的模型導入應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)與其它數(shù)據(jù)的集成融合。

GIS數(shù)據(jù)處理主要是利用TerrainPush軟件對管廊所在地理區(qū)域的高程DEM數(shù)據(jù)和影像DOM數(shù)據(jù)進行處理生成地形文件，并與地圖標注數(shù)據(jù)疊加組成三維場景，基于該場景能夠進行二維和三維模型瀏覽、地圖信息瀏覽。

4系統(tǒng)功能

根據(jù)綜合管廊監(jiān)控及運維需求，包括管廊環(huán)境及設(shè)備監(jiān)控需求、日常運維管理需求、應(yīng)急處理需求、入廊人員定位及安全管理需求等，利用BIM/GIS可視化技術(shù)的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)以下實用的功能或建立以下應(yīng)用場景：

4.1一張圖監(jiān)控

通過集成BIM及GIS展示控件，可以在系統(tǒng)首頁一張圖的方式展示綜合管廊在地圖上的位置及線路、各個艙室分區(qū)的沿線分布，同時還可以對管廊當前各類重要實時數(shù)據(jù)進行展示，如當前入廊人數(shù)、設(shè)備報警數(shù)等，并在GIS地圖中顯示報警設(shè)備的位置定位，點擊分區(qū)圖標和設(shè)備報警圖標都可以從全局位置定位進入到設(shè)備所在艙室BIM模型的內(nèi)部，實現(xiàn)2D到3D的快速切換。

4.2設(shè)備報警及定位處理

在日常運維值守時，一般都停留在一張圖的GIS監(jiān)控首頁，在管廊內(nèi)部有設(shè)備實時報警時，地圖會立即顯示當前報警設(shè)備所在的艙室分區(qū)，并且分區(qū)圖標不停閃爍，點擊分區(qū)圖標則可以定位到報警設(shè)備，從而對報警設(shè)備進行各種操作，如安排排查、維修或者啟動應(yīng)急預(yù)案等。

4.3可視化檢索

由于綜合管廊一般都要安裝環(huán)控、安防、火災(zāi)及可燃氣體報警、通訊、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等多種獨立子系統(tǒng)，并且各個子系統(tǒng)的設(shè)備均分布在不同的艙室，由于分區(qū)長度不可能一樣，所以設(shè)備數(shù)量均有區(qū)別，如果利用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢功能進行展示，用戶無法直觀了解其分布情況。因此，利用BIM/GIS進行可視化檢索則可以大大提高系統(tǒng)的可交互性，如在一張圖首頁以圖標方式展示所集成的子系統(tǒng)，點擊各個子系統(tǒng)則列出該系統(tǒng)所包含的設(shè)備類型，選中一種或某種設(shè)備類型后，則立即在地圖以特定圖標顯示管廊全線選中設(shè)備類型的分布情況，適用于用戶想快速查看管廊某一段區(qū)域某些類型設(shè)備運行情況的場景。

4.4人員定位及軌跡

綜合管廊監(jiān)控運維過程中，除了要確保設(shè)備設(shè)施的運行安全外，還要對進入管廊的各類人員進行實時監(jiān)控，要及時了解人員所處的位置，以免在發(fā)生應(yīng)急突發(fā)情況時及時救援，確保入廊人員的安全。目前綜合管廊內(nèi)部有多種室內(nèi)定位技術(shù)用于人員定位，本次研究通過利用管廊內(nèi)安裝的無線AP進行人員定位，并在GIS地圖上實時顯示入廊人員在管廊全線的分布情況，點擊定位圖標則可以擴展多項實用功能，如入廊行走軌跡查詢、移動通話、查看人員附近視頻、查看附近逃生口等，發(fā)生應(yīng)急突發(fā)情況時，大大提高了入廊人員的安全保障以及監(jiān)控人員的應(yīng)急響應(yīng)效率。

4.5入廊管線管理

在傳統(tǒng)的管廊監(jiān)控系統(tǒng)中，一般都是通過數(shù)據(jù)錄入和查詢的方式維護當前管廊入廊管線的信息，即使系統(tǒng)通過BIM插件集成了BIM模型，但是在建模初期，建模人員本不掌握也不可能掌握未來管廊的入廊管線信息，因此，大部分BIM模型建模時要么均不建立管線模型，要么把設(shè)計標準把所有要入廊的管線全部建好，并且管線沒有任何屬性信息，導致后期BIM模型導入系統(tǒng)后，根本無法真實反應(yīng)管線入廊情況。

所以，在建模初期，一定要考慮到后期運維需求，將所有管線BIM模型建好，并且要對每一根管線創(chuàng)建的屬性信息，包括管線類型、空間位置、是否顯示、顏色、所在艙室分區(qū)、起止里程等，在后期進行模型處理時，將所有屬性信息導入應(yīng)用數(shù)據(jù)庫后，將其與入廊管線的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息關(guān)聯(lián)起來，可以讓系統(tǒng)BIM模型反映管廊內(nèi)部的真實管線情況，為實現(xiàn)后續(xù)的漫游巡檢及應(yīng)急模擬功能提供支撐。

4.6漫游巡檢

在BIM模型構(gòu)造與真實管廊一致時，本次研究基于VR虛擬仿真的思想，在系統(tǒng)的BIM模型中創(chuàng)建了一個虛擬的動畫人物，該人物可以按照用戶在系統(tǒng)中設(shè)定的巡檢路線（即艙室的起止里程）進行漫步行走，在行走過程中，周圍所有的監(jiān)控設(shè)備均會顯示設(shè)備運行信息卡并嵌套在模型中，仿佛監(jiān)控人員在管廊內(nèi)部巡檢一樣，主要是計算并存儲了管廊全線各個艙室的BIM模型的空間坐標點，確保用戶可以自定義任何巡檢路徑。在目前用戶厭倦對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢條目化展示的情況下，大大提升了系統(tǒng)交互性和科技感。

4.7應(yīng)急模擬

綜合管廊日常運維工作中，應(yīng)急預(yù)案的編制及演練是一項重要的工作，包括爆管、燃氣泄露、火災(zāi)等發(fā)生幾率較大的危險事件的應(yīng)急處理流程。本次研究創(chuàng)新性地將應(yīng)急預(yù)案的處理通過借助BIM/GIS技術(shù)實現(xiàn)了智能化和可視化，將應(yīng)急預(yù)案的流程劃分為工作步驟，并利用工作流引擎進行特定的處理，后利用動畫編制程序進行應(yīng)急處理過程的動畫演示，可推廣用于每年應(yīng)急預(yù)案演練、新人培訓以及管廊對外接待，能有效提高管廊運維管理水平。

5AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺

5.1平臺概述

AcrelEMS-UT綜合管廊能效管理平臺集電力監(jiān)控、能源管理、電氣安全、照明控制、環(huán)境監(jiān)測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數(shù)據(jù)支持，從數(shù)據(jù)采集、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)架構(gòu)、聯(lián)動控制和綜合數(shù)據(jù)服務(wù)等方面的設(shè)計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內(nèi)部干擾性強、使用單位多及協(xié)調(diào)復雜的根本問題，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境和設(shè)備的使用和恢復效率。

5.2平臺組成

安科瑞城市地下綜合管廊能效管理系統(tǒng)是一個深度集成的自動化平臺，它集成了10KV/O.4KV變電站電力監(jiān)控系統(tǒng)、變電所環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、智能馬達監(jiān)控系統(tǒng)、電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、消防設(shè)備電源系統(tǒng)、防火門監(jiān)控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數(shù)據(jù)，通過一個平臺即可全局、整體的對管廊用電和用電安全進行進行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩(wěn)定、高效、有序的要求。

5.3平臺拓撲

5.4平臺子系統(tǒng)

5.4.1電力監(jiān)控

電力監(jiān)控主要針對10/0.4kV地面或地下變電所，對變電所高壓回路配置微機保護裝置及多功能儀表進行保護和監(jiān)控，對0.4kV出線配置多功能計量儀表，用于測控出線回路電氣參數(shù)和用能情況，可實時監(jiān)控高低壓供配電系統(tǒng)開關(guān)柜、變壓器微機保護測控裝置、發(fā)電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調(diào)、事故報警及記錄等。

5.4.2環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調(diào)、消防數(shù)據(jù)的采集、展示和預(yù)警，同時也可接入管廊艙室內(nèi)的水泵和通風排煙風機等設(shè)備集成的三方系統(tǒng)完成管廊環(huán)境綜合監(jiān)控。

5.4.3電氣安全

AcrelEMS-UT能效管理系統(tǒng)針對配電系統(tǒng)的電氣安全隱患配置相應(yīng)的電氣火災(zāi)傳感器、溫度傳感器，消防設(shè)備電源傳感器、防火門狀態(tài)傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態(tài)實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內(nèi)阻進行實時監(jiān)視，發(fā)生異常時通過聲光、短信、APP及時預(yù)警。

5.5相關(guān)平臺部署硬件選型清單

5.5.1電力監(jiān)控及配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

應(yīng)用場合（10KV）		產(chǎn)品	型號	功能
	10KV進/饋線		AM6-L	相間電流速斷保護，相間電流速斷保護（可帶低壓閉鎖），相間過電流保護（可帶低壓閉鎖），兩段式零序過流保護，反時限相間過流保護（可帶低壓閉鎖），零序反時限過流保護，過負荷保護，控制回路異常告警。
	10/0.4KV變壓器		AML-S	分合閘位置、手車工作/試驗位置、接地刀閘位置、硬接點信號(保護跳閘、裝置告警、控制回路斷線、裝置異常、未儲能、事故總等)、報文(過流、過負荷、超溫報警、過溫報警、裝置告警、PT斷線、CT斷線、對時異常等)、遙控開關(guān)、故障波形分析(故障錄波、故障波形、故障記錄、跳閘、故障電流電壓)等。
	智能操控裝置		ASD500	一次回路動態(tài)模擬圖、彈簧儲能指示、高壓帶電顯示及閉鎖、驗電、核相、自動溫濕度控制及顯示（標配一路強制加熱）、遠方/就地旋鈕、分合閘旋鈕、儲能旋鈕、人體感應(yīng)、柜內(nèi)照明控制、RS485接口、高壓柜內(nèi)電氣接點無線測溫。
	10KV計量		PZ72L- E4/UT	該儀表采用交流采樣技術(shù)，能分別測量電網(wǎng)中的電流、電壓、功率、功率因數(shù)和電能等參數(shù)，可通過面板薄膜開關(guān)設(shè)置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協(xié)議;也可將電量信號轉(zhuǎn)換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關(guān)量輸入/輸出，繼電器報警輸出等功能。具有許昌開普研究院有限公司、繼電保護及自動化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢測合格的型式檢驗報告證書和電磁兼容檢驗證書，產(chǎn)品防護等級均達到IP65，符合管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)中對相關(guān)產(chǎn)品功能、防護等級及電磁兼容的要求。
應(yīng)用場合（0.4KV）		產(chǎn)品	型號	功能
	0.4KV進/出線		PZ72L- E4/UT	該儀表采用交流采樣技術(shù)，能分別測量電網(wǎng)中的電流、電壓、功率、功率因數(shù)和電能等參數(shù)，可通過面板薄膜開關(guān)設(shè)置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協(xié)議;也可將電量信號轉(zhuǎn)換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關(guān)量輸入/輸出，繼電器報警輸出等功能。具有許昌開普研究院有限公司、繼電保護及自動化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢測合格的型式檢驗報告證書和電磁兼容檢驗證書，產(chǎn)品防護等級均達到IP65，符合管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)中對相關(guān)產(chǎn)品功能、防護等級及電磁兼容的要求。
	無功補償		ARC	測量I、U、Hz、cosΦ，具備過電壓保護、欠流鎖定、電網(wǎng)諧波過大保護功能,可控制電容器的投切，RS485/Modbus協(xié)議
			ANSVC	ANSVC低壓無功功率補償裝置并聯(lián)在整個供電系統(tǒng)中，能根據(jù)電網(wǎng)中負載功率因數(shù)的變化通過控制器控制電力電容器投切進行補償,無功功率補償裝置采用散件組成方案，主要以電容電抗、投切開關(guān)、控制器等組成。
			ANSVG	補償方式:線性補償，全響應(yīng)時間<5ms，瞬時響應(yīng)時間≤100us;補償效果:≥0.99，可補償容性無功和感性無功，濾除5、7、9、11、13次以內(nèi)的諧波;自身損耗:≤2%，效率:>98%;監(jiān)控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過PC機實時監(jiān)控;具有人性化的人機交互界面，可通過該界面看到系統(tǒng)和本體的實時電能質(zhì)量信息，操作簡單，可以遠控，也可以本控;標準模塊化設(shè)計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。
	溫濕度控制器		WHD72- 11/UT	智能型溫濕度控制器以數(shù)碼管方式顯示溫濕度值，有加熱器、傳感器故障指示、變送功能、帶有RS485通訊接口可供遠程監(jiān)控，用戶可通過按鍵編程自行設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)。該儀表集測量、顯示、控制及通訊于一體，精度高、測量范圍寬，是一種適合于各個行業(yè)和領(lǐng)域的溫濕度測量控制儀表。具有許昌開普研究院有限公司、繼電保護及自動化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢測合格的型式檢驗報告證書和電磁兼容檢驗證書，產(chǎn)品防護等級均達到IP65，符合管廊綜合監(jiān)控系統(tǒng)中對相關(guān)產(chǎn)品功能、防護等級及電磁兼容的要求。
智能網(wǎng)關(guān)			Anet系列	8個RS485串口2kV隔離，2個以太網(wǎng)接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通訊協(xié)議設(shè)備的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上傳協(xié)議、支持多不同數(shù)據(jù)服務(wù)要求，支持斷點續(xù)傳，裝置電源:220VAC/DC。
應(yīng)用場合（配電室）		產(chǎn)品	型號	功能
環(huán)境監(jiān)測	溫濕度		/	用于配電房溫度和濕度。工作電源：AC/DC85～265V工作溫度：-40.0℃～99.9℃工作濕度：0%RH～99%RH
	煙霧		/	光電式煙霧傳感;電源正極（DC12V）：+12V，繼電器輸出：常開觸點
	水侵		/	接觸式水浸傳感器，監(jiān)測變電所、電纜溝、控制室等場所積水情況，工作電源：DC10-30V工作溫度：-20℃~+60℃工作濕度：0%RH~80%RH響應(yīng)時間：1s繼電器輸出：常開觸點
	局方檢測		/	監(jiān)測變壓器、開關(guān)、開關(guān)柜的局部放電
	門禁		/	常開型；感應(yīng)距離：30-50mm材質(zhì)：鋅合金，銀灰色電度干接點輸出
	攝像機		/	視頻監(jiān)控
	開關(guān)量模塊		ARTU-KJ8	8路開關(guān)量輸入,8路繼電器輸出
智能網(wǎng)關(guān)			ANet-2E4SM	4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網(wǎng)接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模塊）輸入電源：DC12V～36V。支持4G擴展模塊，485擴展模塊,可擴展16路。