摘要：随着我国地下综合管廊的建设规模越来越大,其运营维护管理方面的问题日益显现。分析地下综合管廊运维管理基本要求,剖析BIM+技术的适用性,得出地下综合管廊智能化运维管理的实现路径,并以实际项目为例阐述BIM+技术在综合管廊运维管理中的应用,为其他项目实施运维管理提供参考。
关键词：BIM+MR; 综合管廊; 运维管理;
Intelligent operation and maintenance management of underground integrated pipe gallery based on BIM+MR technology
TU Zhongqiang ZHAO Yingying
0 引言
随着城市地上空间的不断开发利用,地上空间资源日益紧张,地下空间的开发利用逐步受到关注,建设地下综合管廊成为地下空间合理开发利用的重要方向之一。地下综合管廊是指将两种及两种以上的管网集中布置在同一个隧道空间,可容纳电力、通信、燃气、供热、给排水等各种管线,是城市的重要基础设施,被视为城市的“生命线”。综合管廊的建成使用,可以杜绝之前由于管道维修而进行多次挖填路面造成的“马路拉链”问题,还可以对各种管线进行统一规划和管理,更好地发挥市政公共设施的作用。近年来,在国家相关政策的激励下,综合管廊从各试点城市开始向非试点城市推进,呈现出如火如荼的发展态势。
地下综合管廊容纳了维持城市功能的多专业管线,其自身的附属设备也较多,因此在运营过程中,无论是管廊所容纳管线发生故障,还是管廊自身附属设备发生故障,都会影响城市功能。为了进一步提升地下综合管廊项目运维智能化管理水平,研究地下综合管廊的运维管理十分必要。
1 综合管廊运维智能化管理基本要求
虽然建设综合管廊的初衷是便于集中管理,但考虑到其集合了多种专业管线,之中错综复杂的关系加上地下隐蔽性,势必会加大综合管廊运维管理的难度,因此需要应用先进的信息化技术攻克这一难题。从实现综合管廊智能化管理的角度出发,需要满足以下三项基本要求。
1.1 管廊内部及周围环境的可视化
管廊内管线错综复杂,有时甚至会存在交叉敷设,通过传统的二维视角无法清楚辨识管廊内管线的情况。在这种情况下,一旦管廊内部管线发生故障,将导致检修人员无法快速确定故障点的精确位置,延缓维修。为了实现综合管廊的智能化管理,首先要实现管廊内部及管廊与周围环境的关系三维可视化,在管廊三维BIM信息模型的基础及GIS地理信息模型上结合MR混合现实技术,发生管线故障时便于检修人员快速确定故障的精确位置,找到最近的检修口,为管线检修争取时间,并最大限度地保障检修人员自身安全。
1.2 智能化监控系统
综合管廊属于地下隐蔽工程,对其管理的有效性取决于监控系统的有效性。综合管廊的智能化监控系统是在设计阶段确定的,不仅包括摄像设备,还包括通信系统、传感系统、报警系统以及数据传输系统等。在管廊运营过程中,温度、湿度、烟雾等数据将会被传感器搜集,若数据出现异常,传感系统会将异常数据传递给控制系统,报警器系统接收到信号便报警,管理人员会在第一时间收到故障信号并迅速展开检修工作。物联网(IOT)技术在监控系统中应用广泛,是通过无线射频识别(RFID)、红外传感器、定位系统或激光扫描器等信息传感设备与互联网连接并进行信息交换,实现智能化识别、定位、跟踪、监控等。
1.3 基于大数据处理的运维管理平台
智能化的运维管理平台必须以对数据的高效分析处理为基础。综合管廊运维过程中的数据复杂且庞大,包含管廊本身及内部设施BIM模型数据、GIS地理信息模型数据、监测系统反馈数据以及运维管理方的维修数据等,众多参与方需要从如此庞大的数据中提取自己所需要的信息十分不易。云计算技术凭借其超大规模、虚拟化、高可靠性、按需服务等特点能够完成综合管廊运维过程中复杂、庞大的数据分析及处理,有助于创建运维管理平台,更好地为各参与方提供服务。
2 基于BIM+MR技术的综合管廊智能化运维管理实现路径
从综合管廊智能化运维管理的角度,在研究分析当前较成熟的信息化技术的基础上得到基于BIM+MR技术的智能化运维管理实现路径。
2.1 BIM、MR等信息化技术适用性分析
2.1.1 BIM技术
BIM是建筑信息模型的简称,实际上是对建筑信息的集成和应用技术。近年来,BIM技术在建设项目中的应用已经比较成熟,尤其是在国有资金项目及超大规模建筑中更能发挥其应用价值,如北京大兴国际机场、中国尊等项目。对于地下综合管廊来说,智能化运维管理的前提是必须使廊体本身以及管廊内部复杂的设备及管线可视化、可协调、可模拟,而这些要求正好符合BIM技术的特点,也就是说BIM技术可以为综合管廊的智能化运维管理提供较大帮助。
2.1.2 MR技术
在人工智能领域,虚拟现实(VR)和增强现实(AR)通过改变或影响物理现实的技术增强了人的体验感。其中,VR把人的视觉的和意识带入虚拟场景中,所见均是假象;AR把虚拟信息带入现实世界,且能够分清真假象。本文介绍的MR(混合现实)是AR的进一步改进,将虚拟环境与现实场景信息混合在一起,在虚拟环境、现实场景和用户之间搭建一个交互反馈的信息回路,其最大的优势在于用户可以用与真实世界中相同的方式与数字信息或对象进行交互,体验感更加逼真。MR技术在综合管廊运维管理方面的应用主要体现在将BIM模型与GIS模型载入MR设备软件中,可以在逼真的视觉模式下进行管廊及管廊内部的运营情况日常检查;另外,发生管廊故障时,借助MR技术将准确的虚拟模型与发现故障的管廊实体部位重叠,方便对照,提高维修效率及准确度。
2.1.3 GIS技术
GIS是一种空间信息系统,是指利用计算机硬件及软件对整个或部分地球表层空间进行地理分布数据的采集、储存、管理、处理、分析等。利用GIS技术得到管廊周围的空间信息模型,集合管廊的BIM信息模型,对综合管廊的设计、施工及后期的运维均有重要作用。例如,一旦管廊内部出现故障,可根据GIS模型分析故障点周围的地理信息,帮助检修人员快速制订有效的检修方案。
2.1.4 IOT技术
IOT技术是物联网的简称,被称为信息科技产业的第三次革命,是指通过传感设备将物体与网络相连接,实现信息交换和通信,具有智能化识别、定位、跟踪等功能。该技术非常适用于综合管廊的监测系统,通过无线射频识别(RFID)、红外传感器、定位系统等传感设备时刻搜集各种信息并反馈给控制系统,若发生异常即刻报警并将信息传递给管理人员。
2.1.5 云计算技术
云计算技术是指通过网络“云”将巨大的数据处理程序分解为无数个小程序,通过多部服务器处理和分析这些小程序,并将结果反馈给用户。该技术可以在几秒钟内完成数以万计的数据处理,十分适合综合管廊项目运营中产生的庞大而复杂的数据的处理和分析,可以为智能化管理平台的搭建提供保障。
2.2 综合管廊智能化运维管理的实现路径
结合各信息化技术与综合管廊运维管理方面的融合点,制定如图1所示的智能化运维管理实现路径。
管廊的BIM信息模型数据、周围GIS空间模型数据、物联网监测数据以及日常维修数据集合成庞大的综合管廊数据库,在智能化管理平台中利用云计算技术进行数据分析和处理,将有管廊运行正常和运行故障两种分析结果。若管廊运行故障,将故障信息数据反馈到管理平台,再次进行云计算技术的应用,检修人员佩戴MR设备(Hololens),与管廊BIM模型及周围环境GIS空间模型进行信息交互。逼真的体验感结合云计算的数据处理结果,便可快速制订维修方案,及时对管廊进行维修,并将维修数据更新,管廊运营数据库也随之更新。
3 项目应用案例
3.1 项目概况
新淮海西路综合管廊是徐州市首条开工建设的综合管廊,长约3.7km,线路西起徐萧公路,东至三环西路,与10条规划道路相交,总投资2.78亿元。管廊容纳电力、通信、给水、燃气、热力5类管线,预留再生水等管线的空间,如图2所示。整条管廊部分段为2仓,部分段为3仓。
图2 管廊内部情况
3.2 BIM+技术的应用
新淮海西路综合管廊自规划起就在积极探索BIM技术、MR技术、互联网及大数据技术的应用,设计及建造阶段BIM+技术的应用经验将应用于管廊运营维护阶段的管理工作中,主要体现在以下三个方面。
3.2.1 三维可视化检查维修
综合管廊完工投入运营后,廊体及内部管线均为隐蔽状态,检查和维修极为困难。借助MR技术,将BIM模型及GIS模型载入Hololens设备,利用360°无息幻影成像技术,可将BIM模型及GIS模型与现实场景无缝结合,找出存在的偏差处,实现廊体和管线的精准检查,及时发现管廊问题,并辅助制订维修方案。进入维修阶段后,维修人员佩戴Hololens设备,将准确的虚拟模型与发现问题的管廊实体部位重叠,方便对照,提高了维修效率及准确度。
3.2.2 智能管理系统
拥有智能化的监测系统是实现智能化运维管理的前提。新淮西路综合管廊设计了基于物联网+BIM/GIS技术的实时监测系统,能够实现同时对管廊外部环境、廊体本身结构、管廊内部管线及设备设施的实时监测。管理往往需要数据支撑,利用云平台的软硬件搜集并存储监测数据以及其他各类管廊数据资源,然后对数据进行分析、处理,最终共享给各参与方。各参与方管理活动中所产生的新数据,如维修数据,通过云平台服务实时更新在数据库中。
图1 综合管廊智能化运维管理的实现路径
3.2.3 各参与方协同工作
BIM技术及MR技术为各参与方协同工作提供了可能性。处在同一局域网内的多台MR设备可以联机,通过服务器设置,一台Hololens设备的操作可以同步到多台Hololens设备,各参与方可以在协同状态下进行模型操作。例如,维修过程中,有时会涉及多家管线单位,利用MR技术便可实现多家管廊单位协同对问题管线进行维修模拟操作,确定更加合理的维修方案。
3.3 BIM+技术应用价值
在新淮西路综合管廊项目中,将BIM技术、MR技术及物联网技术等应用于管廊监测及运维管理,可以提高综合管廊监测系统的智能化水平;借助大数据云平台技术可以在一定程度上实现综合管廊的智能化运维管理,提高综合管廊的管理效率,保证综合管廊长期、安全、稳定地为城市服务。
4 结语
随着我国综合管廊项目的不断推进,越来越多的综合管廊投入运营期,其隐蔽性及复杂的管线布置给运维管理带来极大的挑战。BIM+MR技术在综合管廊运维管理中的应用显然会提高管理效率,在很大程度上保证管廊的安全稳定。但是MR技术在综合管廊项目中的应用尚处于探索阶段,MR技术本身也存在尚未解决的问题,仍需要研发人员不断探索。
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