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文獻標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2024）12-070-04中圖分類號：TP271

★郭亮亮（山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西太原030012）

關(guān)鍵詞：綜合管廊；多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集；數(shù)字孿生；智能化運維

隨著全國范圍內(nèi)一批試點城市綜合管廊完成及各地市大批地下綜合管廊項目的開工建設(shè)，我國地下綜合管廊建設(shè)取得了顯著進步和成就，尤其是在土建主體方面，已完工和將完工的數(shù)量都創(chuàng)出歷史新高。而與之相對應(yīng)的綜合管廊智能化建設(shè)，卻步伐相對滯后，建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和水平也參差不齊。近年來，國務(wù)院多次發(fā)文，要求推動城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)運行智能化，推動大數(shù)據(jù)和虛擬仿真技術(shù)在城市生命線規(guī)劃設(shè)計和運行管理中的應(yīng)用；要求大力推動5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)在城市地下市政基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、智能化建設(shè)中的應(yīng)用。為此，開展綜合管廊智能監(jiān)管系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用十分必要。

1　主要問題和研究意義

我國地下綜合管廊建設(shè)與歐美等國家相比起步較晚，但目前各省市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐明顯加快，同時也在探索市政管線綜合敷設(shè)的創(chuàng)新技術(shù)，以滿足將電力、通信、燃氣、給排水、熱力等市政公用管線集中敷設(shè)在同一地下建造的隧道空間內(nèi)，進而進行綜合開發(fā)利用，節(jié)約城市建設(shè)用地，美化城市景觀。在地下綜合管廊建設(shè)的智能化建設(shè)進程中，往往存在以下幾個方面的問題亟需解決。

（1）綜合管廊監(jiān)管系統(tǒng)大多簡單堆砌、隨意集成，缺少對管廊智能化的整體認識，沒有任何的分析處理和決策響應(yīng)，無法提供切實有效的智能管理建議和參考，故而不能稱之為管廊智能化，更無法實現(xiàn)智慧管廊。

（2）綜合管廊監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)偏重硬件、輕視軟件，應(yīng)用效果差。現(xiàn)在多數(shù)已完成的綜合管廊智能化系統(tǒng)，都存在偏重硬件設(shè)備而忽視軟件平臺的問題，使用效果和應(yīng)用體驗大打折扣。

（3）后續(xù)管理忽視運營、缺乏維護，運維效率低。綜合管廊從其規(guī)劃、論證、建設(shè)到投運、管理、維護直到終止，是一個全生命周期的過程，缺少綜合化的運營管理平臺和設(shè)施維護系統(tǒng)，無法真正體現(xiàn)智能化運維和智慧化管廊。

（4）新技術(shù)應(yīng)用不足。智慧管廊涉及物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、BIM、GIS等多種新型技術(shù)，而綜合管廊目前的集成水平仍然較低，傳統(tǒng)作業(yè)方式需升級換代。

針對當(dāng)前綜合管廊智能化建設(shè)的諸多問題，本文通過研究綜合管廊特征多源異構(gòu)數(shù)據(jù)高速采集存儲、實時計算技術(shù)，實現(xiàn)了海量時序數(shù)據(jù)的存儲與計算，并基于綜合管廊大數(shù)據(jù)建立三維數(shù)字化模型，開展了智能化運維和運營，促進了人工智能與城市基礎(chǔ)設(shè)施的深度融合，實現(xiàn)了全生命周期管廊建筑結(jié)構(gòu)安全和服役狀態(tài)的可知可控以及管廊建設(shè)、運營精細化管理，提升了城市基礎(chǔ)設(shè)施智能化水平。

推進城市地下綜合管廊信息化建設(shè)，實現(xiàn)管廊規(guī)劃、建設(shè)、運行、維護及管理、服務(wù)的智慧化，是提升智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施功能和運行能力的必然要求，有利于全面實現(xiàn)綜合管廊的全面感知、智能監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)警、仿真模擬等智慧化管理，以及提高綜合管廊的智能化運營運維水平。

2　系統(tǒng)架構(gòu)

綜合管廊智能監(jiān)管系統(tǒng)從架構(gòu)上如圖1所示，分為現(xiàn)地層、分監(jiān)控中心層、總調(diào)度中心層。在現(xiàn)地層，通過環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、可燃氣體報警系統(tǒng)、通信系統(tǒng)在內(nèi)的多種智能化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實時感知獲取管廊本體、環(huán)境、火災(zāi)、可燃氣體的實時情況；在分監(jiān)控中心層，主要實現(xiàn)現(xiàn)地數(shù)據(jù)匯聚及現(xiàn)地聯(lián)動控制；在總調(diào)度中心層，依托數(shù)據(jù)中臺提供的數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)管廊各類型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲，同時按照數(shù)據(jù)資源管理的統(tǒng)一要求，實現(xiàn)分中心數(shù)據(jù)匯聚、資源目錄管理、數(shù)據(jù)共享交換等數(shù)據(jù)管理功能。

圖1 綜合管廊智能監(jiān)管系統(tǒng)總體架構(gòu)

3　技術(shù)路線

該系統(tǒng)總體技術(shù)路線如圖2所示，分為以下三步：第一，基于TDengine搭建大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實現(xiàn)綜合管廊數(shù)據(jù)的存儲與計算；第二，基于GIS和BIM的數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)管廊設(shè)備精細構(gòu)件的集成共享與三維可視化運維管理；第三，基于高維多尺度自適應(yīng)模型實現(xiàn)智慧管廊實時動態(tài)可視和運營安全狀態(tài)的實時風(fēng)險辨識預(yù)警。

（1）首先，研究實現(xiàn)多渠道、多模式、多結(jié)構(gòu)式管廊信息采集功能，實現(xiàn)主流物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議接入適配、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)解析等關(guān)鍵能力，打通終端與云端的雙向數(shù)據(jù)通道；其次，基于國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫TDengine，結(jié)合數(shù)據(jù)分片、虛擬節(jié)點組等技術(shù)，輕松實現(xiàn)水平擴展與實時備份，完成集群擴容，保證高可用，真正實現(xiàn)管廊時序數(shù)據(jù)的分布式存儲^[1]。

（2）采用BIM建模的方式，將地下綜合管廊內(nèi)的基建設(shè)施、入廊管線、附屬設(shè)施等構(gòu)建三維模塊，形成地下空間形象、直觀的立體三維可視化，通過時空數(shù)據(jù)培養(yǎng)城市智慧管廊大腦，將城市智慧管廊打造成可感知、可判斷、可快速反應(yīng)、會學(xué)習(xí)的生命體，從而反映相對應(yīng)的地下管廊的全生命周期過程。

（3）在研究綜合管廊環(huán)境及設(shè)備狀況和實時火災(zāi)等風(fēng)險隱患發(fā)展趨勢評估技術(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建管廊全生命周期管理體系框架，涵蓋信息管理、空間定位、運營維護等多功能模塊，基于綜合管廊數(shù)字化模型開展智能化運維和運營，實現(xiàn)智慧管廊整體的實時動態(tài)可視和運營安全狀態(tài)的實時風(fēng)險辨識與預(yù)警。

圖2 綜合管廊智能監(jiān)管系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究路線

4　關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）綜合管廊特征多源異構(gòu)數(shù)據(jù)高速采集、海量時序數(shù)據(jù)的存儲與實時計算技術(shù)

面對管廊運營管理單位及入廊管線單位多類型、多渠道的分散信息資源，建成管廊接入平臺，實現(xiàn)管廊主體、入廊管線、管廊附屬設(shè)施等數(shù)據(jù)的全面接入監(jiān)管。統(tǒng)一的接入渠道、多模式的接入融合、標(biāo)準(zhǔn)化的接入模式，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)構(gòu)建通用的管廊信息資源接入系統(tǒng)，便利將來不同來源渠道信息資源的高效整合。

·數(shù)據(jù)接入技術(shù)

綜合管廊設(shè)備接入技術(shù)，通過海量設(shè)備并發(fā)連接管理，以及設(shè)備連接的生命周期管理，實現(xiàn)主流物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議接入適配、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)計算等關(guān)鍵能力，實現(xiàn)終端與云端的雙向數(shù)據(jù)通道，助力綜合管廊實時預(yù)警、數(shù)字孿生三維可視化等應(yīng)用創(chuàng)新。

·海量時序數(shù)據(jù)分布式存儲技術(shù)

基于國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫TDengine，結(jié)合綜合管廊氣體濃度、溫度、濕度、人員位置、消防探測器、通信設(shè)備以及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)的時序性、結(jié)構(gòu)化等特點，根據(jù)“一個數(shù)據(jù)采集點一張表”“一個超級表下有多個數(shù)據(jù)采集表”獨特的數(shù)據(jù)模型設(shè)計，充分利用其處理時序數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，定義超級表與數(shù)據(jù)采集表，實現(xiàn)海量時序數(shù)據(jù)的高效存儲與查詢。TDengine是完全去中心化的，結(jié)合數(shù)據(jù)分片、虛擬節(jié)點組等技術(shù)，可輕松實現(xiàn)水平擴展與實時備份，完成集群擴容，保證高可用，真正實現(xiàn)時序數(shù)據(jù)的分布式存儲。

（2）基于GIS和BIM的數(shù)字孿生技術(shù)

綜合智慧管廊可視化系統(tǒng)，主要采用BIM建模的方式，將地下綜合管廊內(nèi)的基建設(shè)施、入廊管線、附屬設(shè)施等構(gòu)建三維模塊，形成地下空間形象、直觀的立體三維可視化，能夠直觀查看管廊內(nèi)部結(jié)構(gòu)、入廊管線的分布情況、管廊各出口的位置和安裝在管廊內(nèi)部附屬設(shè)施的位置，同時也能反映綜合管廊本體與周圍地形、地物、建筑物的關(guān)系。以地下管廊的自然生態(tài)等基底模型作為骨架，對管廊系統(tǒng)的建筑物、構(gòu)筑物通過GIS、BIM等數(shù)字化手段形成血肉，搭載IoT物聯(lián)感知形成神經(jīng)系統(tǒng)，充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，通過三維可視化技術(shù)對管廊的地下部分在虛擬空間中完成映射，實現(xiàn)數(shù)字孿生呈現(xiàn)，通過時空數(shù)據(jù)培養(yǎng)城市智慧管廊大腦，將城市智慧管廊打造成可感知、可判斷、可快速反應(yīng)、會學(xué)習(xí)的生命體，從而反映相對應(yīng)的地下管廊的全生命周期過程^[2]。

·數(shù)字建模技術(shù)

通過在系統(tǒng)中對綜合管廊本體1:1仿真數(shù)字建模，從物理管廊到高擬真的數(shù)字孿生虛擬管廊的重構(gòu)，是建立城市地下管廊在虛擬空間中完成精準(zhǔn)映射的基礎(chǔ)。首先依托管廊管線的BIM模型和CAD圖對管廊本體、入廊管線、附屬設(shè)施完成三維之后，通過三維可視化數(shù)字孿生引擎對三維模型導(dǎo)入再加工，結(jié)合實體的顏色、材質(zhì)以及環(huán)境的光線、視覺角度等對模型進行材質(zhì)、光澤的渲染和烘培，使得模型的仿真程度和視覺效果大大提升。其次要按照現(xiàn)實的管廊構(gòu)成梳理所有三維模型的結(jié)構(gòu)關(guān)系，組合成與現(xiàn)實管廊結(jié)構(gòu)完全一致的三維可視化模型，在綜合管廊平臺上實現(xiàn)現(xiàn)實管廊系統(tǒng)從整體布局到結(jié)構(gòu)細節(jié)高度仿真的1:1高擬真虛擬重建。

·多維異構(gòu)信息可視化融合技術(shù)

綜合智慧管廊可視化系統(tǒng)數(shù)字孿生是利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，三者缺一不可。因此在完成三維物理模型的高擬真虛擬重建之后，還需解決傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)的問題。此外，為了直觀展現(xiàn)地圖、視頻信息，還需要實現(xiàn)GIS地圖與視頻信息融合功能。通過綜合智慧管廊可視化系統(tǒng)將傳感器的實時數(shù)據(jù)與地下管廊的三維物理模型、GIS地圖、視頻監(jiān)控進行數(shù)據(jù)組態(tài)匹配，對三維多源異構(gòu)互補信息進行可視化融合，使得三維物理模型與數(shù)據(jù)聯(lián)動交融，并通過數(shù)據(jù)驅(qū)動三維模型的動畫。

（3）基于綜合管廊數(shù)字化模型的智能化運維和運營技術(shù)

·綜合管廊環(huán)境及設(shè)備狀況評估技術(shù)

針對管廊巡檢業(yè)務(wù)智能化水平低、人力制定巡檢計劃效率低的問題，將巡檢問題抽象為旅行商問題（TSP），并根據(jù)智慧管廊實際運營需求，提出一種考慮檢點設(shè)備優(yōu)先級的代理模型輔助元啟發(fā)式優(yōu)化方法求解路徑規(guī)劃問題，實現(xiàn)危險檢點優(yōu)先巡檢、安全檢點推后巡檢的理念，提升巡檢質(zhì)量和效率。搭建以XGBoost為核心的地下綜合管廊環(huán)境安全狀況評估模型，訓(xùn)練其在管廊安全狀態(tài)分類的能力。同時針對管廊設(shè)備運行過程中易受變載荷、變工況和大擾動影響，提出基于填充采樣準(zhǔn)則的專家知識與考慮模型估值和其不確定度信息的高維多尺度自適應(yīng)注意力機制深度學(xué)習(xí)結(jié)合的方法建立管廊整體實時風(fēng)險辨識與預(yù)警模型。

·綜合管廊實時火災(zāi)風(fēng)險隱患發(fā)展趨勢評估技術(shù)

針對綜合管廊承載能量龐大、散熱效果不佳、導(dǎo)致火災(zāi)風(fēng)險隱患極大等特點，提出一種基于YOLO V5框架的實時火焰蔓延位置及蔓延速度和火焰寬度的提取方法，使得獲取火災(zāi)發(fā)展趨勢、評估事故嚴(yán)重性和評價預(yù)期損失成為可能。針對復(fù)雜的建筑火災(zāi)場景，提出一種較低成本的火災(zāi)熱點識別模型，并應(yīng)用于嵌入式設(shè)備，獲取火災(zāi)的實時動態(tài)發(fā)展情況，可為火災(zāi)現(xiàn)場消防救援提供實時火場信息，如火災(zāi)規(guī)模（火焰寬度）、火災(zāi)發(fā)展速度（火焰前鋒蔓延速度）等，為滅火救援戰(zhàn)術(shù)的制定提供依據(jù)。

5　結(jié)論

目前，該綜合管廊智能監(jiān)管系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)已在山西太原科技創(chuàng)新城、太原晉源東區(qū)等綜合管廊得到應(yīng)用，并取得了良好的社會經(jīng)濟效益。綜合管廊智能化建設(shè)的應(yīng)用，有效提高了管廊綜合管理能力。同時，基于三維可視化數(shù)據(jù)，有效節(jié)約了運維階段的人力、財力資源投入，對推動綜合管廊行業(yè)整體信息化管理水平提升也提供了一定指導(dǎo)作用。

作者簡介：

郭亮亮（1981-），男，山西晉城人，正高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，研究方向為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、新一代信息技術(shù)、智慧礦山、工業(yè)自動化控制技術(shù)設(shè)計與研發(fā)。

參考文獻：

[1]趙遠清.城市地下綜合管廊規(guī)劃設(shè)計與安全運維技術(shù)研究[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2022.

[2]張濤,戴文濤,丁寧.智慧城市綜合管廊技術(shù)理論與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2021.

摘自《自動化博覽》2024年12月刊