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淺談BIM+GIS在管廊機電監控與運維管控系統中的應用

時間： 2024-06-26 發布人：周靜思

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

關鍵詞：BIM；GIS；SCADA；綜合管廊；監控；物聯網

1研究背景

根據《GB50838-2015城市綜合管廊工程技術規范》及《GBT51274-2017城鎮綜合管廊監控與報警系統工程技術標準》的相關條款要求，城市綜合管廊監控報警系統用于對綜合管廊內的設備運行狀態及參數、實時環境信息、出入口狀態等進行在線監控，保障管廊內環境、設備、運維人員安全，實現綜合管廊監控與運維的自動化和智能化，但一般基于SCADA的綜合管廊監控系統只實現了設備監控報警及簡單的運維管理功能，沒有將當前主流的物聯網、BIM、GIS、SCADA、大數據等技術進行整體集成，難以對管廊內部場景及設備設施運行狀況進行可視化、集中化、全息化展示。

因此，為了實現可視化的監控技術，通過本次系統的技術研究，基于SCADA軟件接口進行二次開發，利用主流的消息隊列軟件實現設備監控實時數據和報警數據與業務數據、GIS空間數據及BIM模型數據的融合處理，再綜合管廊不同子系統的數據接口協議，初步建立了以管廊監控預警、運維管理、應急指揮、輔助決策為主要功能的綜合管廊監控與運維平臺,在此基礎上可根據不同管廊的運維管理及需求，實現管廊管理可視化、安全監管精細化、運維管理自動化、數據分析全局化、應急響應智能化，建立智慧化的綜合管廊管控體系。

2系統架構

綜合管廊監控報警與運維管控系統架構設計分為四層結構，包含驅動層、數據層、平臺層和應用層。感知層屬于硬件系統，負責對現場監控硬件設備的數據采集和控制功能。軟件架構依據數據封裝的層級可以分為一層驅動層、二層數據層、三層服務層和四層應用層。

驅動層：數據采集平臺負責通過通訊協議從前端感知層獲取綜合管廊監測監控實時數據，經過一定的業務邏輯處理，寫入監測監控實時數據庫和歷史數據庫，并可直接通過消息隊列向上層應用推送；同時數據采集系統還可以通過消息隊列接收上層應用發出的控制指令，下發至感知層，實現對設備的控制。

數據層：主要負責綜合管廊空間數據、實時監測數據和業務屬性數據的存儲，包括監測監控實時和歷史數據庫、空間數據庫、三維模型庫、視頻數據庫、專業管線數據庫、管廊設施數據庫、管廊運維庫等。其中，監測監控歷史數據和視頻數據庫由于數據量龐大，采用分布式數據庫進行存儲。

服務層：包括數據服務平臺和數據融合服務兩部分，數據服務平臺以成熟的應用平臺為基礎實現綜合管廊業務應用層所需功能服務，包括應用集成、實時消息推送、移動互聯網、視頻監控、BIM、地理信息。數據融合服務以綜合管廊平臺所涉及的各專業數據為基礎，對數據進程提取、分析、融合更工作，從而做到及時、有效、便捷的溝通和決策。

應用層：包括綜合集成與管控模塊、管廊運維管理模塊、應急管理模塊、管廊運營管理模塊組成，并可以通過平臺層進行應用系統模塊的接入實現管廊綜合管控數據的利用。應用層的功能模塊為綜合管理平臺提供監控與預警、聯動控制、運維、應急搶險、運營管理和數據分析挖掘應用。

3BIM/GIS數據處理

為了解決不同類源、異構、動態及分散的數據集成難度大的問題，在開展管廊本體及設備設施的BIM建模前，明確BIM建模標準及精度要求，包括設備設施類型及名稱、施工圖編號、里程位置等，并要明確BIM模型設備對象、應用數據庫設備對象以及SCADA設備對象的映射關系，從而實現各類數據集成及應用展示。具體BIM模型數據處理流程如圖2。

其中模型處理環節為復雜，是將由設計軟件建立的設計模型轉換為能夠導入管理平臺的管理模型，包括格式轉換、輕量化處理、模型坐標轉換、模型合并、設備信息處理等，后將處理過后的模型導入應用數據庫，從而實現與其它數據的集成融合。

GIS數據處理主要是利用TerrainPush軟件對管廊所在地理區域的高程DEM數據和影像DOM數據進行處理生成地形文件，并與地圖標注數據疊加組成三維場景，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系統功能

根據綜合管廊監控及運維需求，包括管廊環境及設備監控需求、日常運維管理需求、應急處理需求、入廊人員定位及安全管理需求等，利用BIM/GIS可視化技術的優勢，可以實現以下實用的功能或建立以下應用場景：

4.1一張圖監控

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

4.2設備報警及定位處理

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

4.3可視化檢索

由于綜合管廊一般都要安裝環控、安防、火災及可燃氣體報警、通訊、結構健康監測等多種獨立子系統，并且各個子系統的設備均分布在不同的艙室，由于分區長度不可能一樣，所以設備數量均有區別，如果利用傳統的數據查詢功能進行展示，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，點擊各個子系統則列出該系統所包含的設備類型，選中一種或某種設備類型后，則立即在地圖以特定圖標顯示管廊全線選中設備類型的分布情況，適用于用戶想快速查看管廊某一段區域某些類型設備運行情況的場景。

4.4人員定位及軌跡

綜合管廊監控運維過程中，除了要確保設備設施的運行安全外，還要對進入管廊的各類人員進行實時監控，要及時了解人員所處的位置，以免在發生應急突發情況時及時救援，確保入廊人員的安全。目前綜合管廊內部有多種室內定位技術用于人員定位，本次研究通過利用管廊內安裝的無線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，發生應急突發情況時，大大提高了入廊人員的安全保障以及監控人員的應急響應效率。

4.5入廊管線管理

在傳統的管廊監控系統中，一般都是通過數據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模型導入系統后，根本無法真實反應管線入廊情況。

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、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用數據庫后，將其與入廊管線的業務數據信息關聯起來，可以讓系統BIM模型反映管廊內部的真實管線情況，為實現后續的漫游巡檢及應急模擬功能提供支撐。

4.6漫游巡檢

在BIM模型構造與真實管廊一致時，本次研究基于VR虛擬仿真的思想，在系統的BIM模型中創建了一個虛擬的動畫人物，該人物可以按照用戶在系統中設定的巡檢路線（即艙室的起止里程）進行漫步行走，在行走過程中，周圍所有的監控設備均會顯示設備運行信息卡并嵌套在模型中，仿佛監控人員在管廊內部巡檢一樣，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數據查詢條目化展示的情況下，大大提升了系統交互性和科技感。

4.7應急模擬

綜合管廊日常運維工作中，應急預案的編制及演練是一項重要的工作，包括爆管、燃氣泄露、火災等發生幾率較大的危險事件的應急處理流程。本次研究創新性地將應急預案的處理通過借助BIM/GIS技術實現了智能化和可視化，將應急預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急處理過程的動畫演示，可推廣用于每年應急預案演練、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控、能源管理、電氣安全、照明控制、環境監測于一體，為建立可靠、安全、高效的綜合管廊管理體系提供數據支持，從數據采集、通信網絡、系統架構、聯動控制和綜合數據服務等方面的設計，解決了綜合管廊在管理過程中存在內部干擾性強、使用單位多及協調復雜的根本問題，大大提高了系統運行的可靠性和可管理性，提升了管廊基礎設施、環境和設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變電站電力監控系統、變電所環境監控系統、智能馬達監控系統、電氣火災監控系統、消防設備電源系統、防火門監控系統、智能照明系統、消防應急照明和疏散指示系統。用戶可通過瀏覽器、手機APP獲取數據，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控、統一管理、統一調度，同時滿足管廊用電可靠、安全、穩定、高效、有序的要求。

5.3平臺拓撲

5.4平臺子系統

5.4.1電力監控

電力監控主要針對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和用能情況，可實時監控高低壓供配電系統開關柜、變壓器微機保護測控裝置、發電機控制柜、ATS/STS、UPS，包括遙控、遙信、遙測、遙調、事故報警及記錄等。

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5.4.2環境監測

環境監測包括溫濕度、煙感溫感、積水浸水、可燃氣體濃度、門禁、視頻、空調、消防數據的采集、展示和預警，同時也可接入管廊艙室內的水泵和通風排煙風機等設備集成的三方系統完成管廊環境綜合監控。

5.4.3電氣安全

AcrelEMS-UT能效管理系統針對配電系統的電氣安全隱患配置相應的電氣火災傳感器、溫度傳感器，消防設備電源傳感器、防火門狀態傳感器，接入消防疏散照明以及指示燈具的狀態實時顯示，并且對UPS的蓄電池溫度、內阻進行實時監視，發生異常時通過聲光、短信、APP及時預警。

5.5相關平臺部署硬件選型清單

5.5.1電力監控及配電室環境監控系統

應用場合（10KV）		產品	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、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、柜內照明控制、RS485接口、高壓柜內電氣接點無線測溫。
	10KV計量		PZ72L- E4/UT	該儀表采用交流采樣技術，能分別測量電網中的電流、電壓、功率、功率因數和電能等參數，可通過面板薄膜開關設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協議;也可將電量信號轉換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關量輸入/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備質量監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，產品防護等級均達到IP65，符合管廊綜合監控系統中對相關產品功能、防護等級及電磁兼容的要求。
應用場合（0.4KV）		產品	型號	功能
	0.4KV進/出線		PZ72L- E4/UT	該儀表采用交流采樣技術，能分別測量電網中的電流、電壓、功率、功率因數和電能等參數，可通過面板薄膜開關設置倍率。帶RS-485通訊接口，采用Modbus協議;也可將電量信號轉換成標準的直流模擬信號輸出;或帶開關量輸入/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備質量監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，產品防護等級均達到IP65，符合管廊綜合監控系統中對相關產品功能、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、電網諧波過大保護功能,可控制電容器的投切，RS485/Modbus協議
			ANSVC	ANSVC低壓無功功率補償裝置并聯在整個供電系統中，能根據電網中負載功率因數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、控制器等組成。
			ANSVG	補償方式:線性補償，全響應時間<5ms，瞬時響應時間≤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次以內的諧波;自身損耗:≤2%，效率:>98%;監控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過PC機實時監控;具有人性化的人機交互界面，可通過該界面看到系統和本體的實時電能質量信息，操作簡單，可以遠控，也可以本控;標準模塊化設計，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控，用戶可通過按鍵編程自行設定系統參數。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和領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備質量監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，產品防護等級均達到IP65，符合管廊綜合監控系統中對相關產品功能、防護等級及電磁兼容的要求。
智能網關			Anet系列	8個RS485串口2kV隔離，2個以太網接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通訊協議設備的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上傳協議、支持多不同數據服務要求，支持斷點續傳，裝置電源:220VAC/DC。
應用場合（配電室）		產品	型號	功能
環境監測	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響應時間：1s繼電器輸出：常開觸點
	局方檢測		/	監測變壓器、開關、開關柜的局部放電
	門禁		/	常開型；感應距離：30-50mm材質：鋅合金，銀灰色電度干接點輸出
	攝像機		/	視頻監控
	開關量模塊		ARTU-KJ8	8路開關量輸入,8路繼電器輸出
智能網關			ANet-2E4SM	4路RS485串口，光耦隔離，2路以太網接口，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。

5.5.2電氣火災監控系統

應用場合		產品	型號	功能
各變電所	0.4KV出線	$C:\Documents and Settings\Administrator\桌面\1457501z.jpg$	ARCM200 系列	用于檢測TN-C-S、TN-S及局部TT系統中的剩余電流、溫度等電氣參數，從而預防電氣火災的發生。
各艙室	末端配電箱		ARCM300 系列	用于檢測TN-C-S、TN-S及局部TT系統中的剩余電流、溫度等電氣參數，從而預防電氣火災的發生。
區域變電所	區域分機		Acrel-6000/B3	接收電氣火災監控探測器信號，實現對被保護電氣線路的報警、監視、控制與管理，采用485通訊
主變點所監控	控制主機		Acrel-6000/B	接收電氣火災監控探測器信號和各區域分機數據，實現對被保護電氣線路的報警、監視、控制與管理，可采用485通訊。
配套附件
配套附件	0.4kV電流互感器		AKH-0.66	測量型互感器，采集交流電流信號。

5.5.3消防設備電源監控系統

應用場合		產品	型號	功能
消防設備電源電壓監控			AFPM3-2AVM	監測兩路三相交流電壓，二總線通訊。
區域變電所	區域分機		AFPM100/B3	接收消防設備電源監控探測器信號，實現對被保護電氣線路的報警、監視、控制與管理，可采用二總線通訊。
主變點所監控	控制主機		AFPM100/B1	接收消防設備電源監控探測器信號和各區域分機數據，實現對被保護電氣線路的報警、監視、控制與管理，可采用二總線通訊。

5.5.4防火門監控系統

應用場合		產品	型號	功能
普通艙室配電室	常開防火門		AFRD-CK(YT)-65 AFRD-CK(YT)-85 AFRD-CK(YT)-120	監測常開防火門的開閉狀態。
普通艙室配電室	常閉防火門	$D:\WinEIM\users\682\temp\dfa0e266.png$	單扇：AFRD-CB1(YT) 雙扇：AFRD-CB2(YT)	監測常閉防火門的開閉狀態。
防爆艙室	常開/常閉防火門		AFRD-MC	監測常開、常閉防火門的開閉狀態。
防爆艙室	監測模塊		AFRD-CK/CB	接收AFRD-MC的狀態信息同步傳輸至防火門監控主機。
區域變電所	區域分機		AFRD100/B3	接收防火門監控模塊和防火門一體式探測器的信號，實現對防火門開閉狀態的報警、監視、控制與管理，采用二總線通訊。
主變點所監控	控制主機		AFRD100/B	接收防火門監控模塊和防火門一體式探測器的信號以及各區域分機的實時數據，實現對防火門開閉狀態的報警、監視、控制與管理，采用二總線通訊。

5.5.5消防應急照明和疏散指示系統

應用場合		產品	型號	功能
各變電所和非防爆艙室	集中電源集中控制型消防應急標志燈具（高防護）		A-BLJC-1LROEII1W-A431H(單面安全出口)	防護等級：IP67 設備尺寸：14540015 安裝方式：壁掛
	集中電源集中控制型消防應急標志燈具（高防護）		A-BLJC-1LROEII1W-A431H(單面疏散出口)	防護等級：IP67 設備尺寸：14540015 安裝方式：壁掛
	集中電源集中控制型消防應急照明燈具（高防護）		A-ZFJC-E*W-A604T8單管式應急照明燈具	防護等級：IP67 設備尺寸：Φ26L400、Φ26L600、Φ26*L1200 安裝方式：吸頂、吊掛設備功率：3、6、9、12、15W
			A-ZFJC-E*W-A603HC高防護應急照明燈具	防護等級：IP67 設備尺寸：Φ175*H60 安裝方式：吸頂、壁掛設備功率：3、6、9、12、15W
			A-ZFJC-E*W-A603HE高防護應急照明燈具	防護等級：IP67 設備尺寸：1989855 安裝方式：吸頂、壁掛設備功率：3、6、9、12、15W
	消防應急燈具電源		A-D-0.3KVA-A200L A-D-0.5KVA-A200L A-D-0.75KVA-A200L A-D-0.1KVA-A200L	防護等級：IP65 設備尺寸：500400200、600480230 安裝方式：壁掛設備功率：0.3、0.5、0.75、1KVA 回路數量：8路
防爆艙室	集中電源集中控制型消防應急防爆標志燈具		A-BLJC-1LROEI1W-A431EX（防爆單面出口)	防護等級：IP65 防爆等級：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 設備尺寸：16537565 安裝方式：壁掛
	集中電源集中控制型消防應急防爆標志燈具		A-BLJC-1LROEI1W-A431EX（防爆單面左向)	防護等級：IP65 防爆等級：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 設備尺寸：16537565 安裝方式：壁掛
	集中電源集中控制型消防應急防爆照明燈具		A-ZFJC-E*W-A630EX	防護等級：IP65 防爆等級：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 設備尺寸：25624378 安裝方式：壁掛設備功率：3、6、10W
	集中電源集中控制型消防應急防爆照明燈具		A-ZFJC-E*W-A632EX	防護等級：IP65 防爆等級：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 設備尺寸：Φ135mm*H168mm 安裝方式：吊管安裝設備功率：3、6、9、12、15W
	消防應急燈具電源(防爆)		A-D-0.3KVA-A200EX A-D-0.5KVA-A200EX A-D-1KVA-A200EX	防護等級：IP43 設備尺寸：904702220、1354702220 安裝方式：壁掛設備功率：0.3、0.5、1KVA 回路數量：8路
區域變電所	區域分機		A-C-A100/B3	區域分機通過總線網絡實時監控各個終端，在險情發生時，自動將信息指令發布到每個終端，終端收到指令之后自動開始工作，如頻閃、變向、開、滅燈等工作，實時指示安全的疏散路線。
區域變電所	中繼器		CAN轉光纖中繼	通過CAN轉光纖中繼實現把CAN總線傳輸轉換至光纖傳輸延長通訊距離增加方案多樣性。
主變電所監控	監控主機	$C:\Users\Administrator\Desktop\琴臺柜.jpg$	A-C-A100	監控主機通過總線網絡實時監控各個終端，在險情發生時，自動將信息指令發布到每個終端，終端收到指令之后自動開始工作，如頻閃、變向、開、滅燈等工作，實時指示安全的疏散路線。

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