浅谈BIM+GIS在管廊机电监控与运维管控系统中的应用

程瑜

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：本文提出了一种城市综合管廊监控与报警集成管控平台的架构，并对以BIM+GIS为核心的系统功能进行了研究和分析，通过GIS实现对管廊整体及设备设施的全局定位及管理，利用BIM实现对管廊设备的空间定位，二者相互融合，创造性的提出了多种基于BIMGIS集成的功能应用，全面实现对综合管廊设备设施的可视化管控，大大提升了综合管廊监控系统的可交互性。

关键词：BIM；GIS；SCADA；综合管廊；监控；物联网

1研究背景

根据《GB50838-2015城市综合管廊工程技术规范》及《GBT51274-2017城镇综合管廊监控与报警系统工程技术标准》的相关条款要求，城市综合管廊监控报警系统用于对综合管廊内的设备运行状态及参数、实时环境信息、出入口状态等进行全方位在线监控，保障管廊内环境、设备、运维人员安全，实现综合管廊监控与运维的自动化和智能化，但一般基于SCADA的综合管廊监控系统只实现了设备监控报警及简单的运维管理功能，没有将当前主流的物联网、BIM、GIS、SCADA、大数据等技术进行整体集成，难以对管廊内部场景及设备设施运行状况进行可视化、集中化、全息化展示。

因此，为了实现可视化的监控技术，通过本次系统的技术研究，基于SCADA软件接口进行二次开发，利用主流的消息队列软件实现设备监控实时数据和报警数据与业务数据、GIS空间数据及BIM模型数据的融合处理，再综合管廊不同子系统的数据接口协议，初步建立了以管廊监控预警、运维管理、应急指挥、辅助决策为主要功能的综合管廊监控与运维平台,在此基础上可根据不同管廊的运维管理及需求，实现管廊管理可视化、安全监管精细化、运维管理自动化、数据分析全局化、应急响应智能化，建立智慧化的综合管廊管控体系。

2系统架构

综合管廊监控报警与运维管控系统架构设计分为四层结构，包含驱动层、数据层、平台层和应用层。感知层属于硬件系统，负责对现场监控硬件设备的数据采集和控制功能。软件架构依据数据封装的层级可以分为一层驱动层、二层数据层、三层服务层和四层应用层。

驱动层：数据采集平台负责通过通讯协议从前端感知层获取综合管廊监测监控实时数据，经过一定的业务逻辑处理，写入监测监控实时数据库和历史数据库，并可直接通过消息队列向上层应用推送；同时数据采集系统还可以通过消息队列接收上层应用发出的控制指令，下发至感知层，实现对设备的控制。

数据层：主要负责综合管廊空间数据、实时监测数据和业务属性数据的存储，包括监测监控实时和历史数据库、空间数据库、三维模型库、视频数据库、专业管线数据库、管廊设施数据库、管廊运维库等。其中，监测监控历史数据和视频数据库由于数据量庞大，采用分布式数据库进行存储。

服务层：包括数据服务平台和数据融合服务两部分，数据服务平台以成熟的应用平台为基础实现综合管廊业务应用层所需功能服务，包括应用集成、实时消息推送、移动互联网、视频监控、BIM、地理信息。数据融合服务以综合管廊平台所涉及的各专业数据为基础，对数据进程提取、分析、融合更工作，从而做到及时、有效、便捷的沟通和决策。

应用层：包括综合集成与管控模块、管廊运维管理模块、应急管理模块、管廊运营管理模块组成，并可以通过平台层进行应用系统模块的接入实现管廊综合管控数据的利用。应用层的功能模块为综合管理平台提供监控与预警、联动控制、运维、应急抢险、运营管理和数据分析挖掘全方位的应用。

3BIM/GIS数据处理

为了解决不同类源、异构、动态及分散的数据集成难度大的问题，在开展管廊本体及设备设施的BIM建模前，明确BIM建模标准及精度要求，包括设备设施类型及名称、施工图编号、里程位置等，并要明确BIM模型设备对象、应用数据库设备对象以及SCADA设备对象唯一的映射关系，从而实现各类数据集成及应用展示。具体BIM模型数据处理流程如图2。

其中模型处理环节为复杂，是将由设计软件建立的设计模型转换为能够导入管理平台的管理模型，包括格式转换、轻量化处理、模型坐标转换、模型合并、设备信息处理等，后将处理过后的模型导入应用数据库，从而实现与其它数据的集成融合。

GIS数据处理主要是利用TerrainPush软件对管廊所在地理区域的高程DEM数据和影像DOM数据进行处理生成地形文件，并与地图标注数据叠加组成三维场景，基于该场景能够进行二维和三维模型浏览、地图信息浏览。

4系统功能

根据综合管廊监控及运维需求，包括管廊环境及设备监控需求、日常运维管理需求、应急处理需求、入廊人员定位及安全管理需求等，利用BIM/GIS可视化技术的优势，可以实现以下实用的功能或建立以下应用场景：

4.1一张图监控

通过集成BIM及GIS展示控件，可以在系统首页一张图的方式展示综合管廊在地图上的位置及线路、各个舱室分区的沿线分布，同时还可以对管廊当前各类重要实时数据进行展示，如当前入廊人数、设备报警数等，并在GIS地图中显示报警设备的位置定位，点击分区图标和设备报警图标都可以从全局位置定位进入到设备所在舱室BIM模型的内部，实现2D到3D的快速切换。

4.2设备报警及定位处理

在日常运维值守时，一般都停留在一张图的GIS监控首页，在管廊内部有设备实时报警时，地图会立即显示当前报警设备所在的舱室分区，并且分区图标不停闪烁，点击分区图标则可以定位到报警设备，从而对报警设备进行各种操作，如安排排查、维修或者启动应急预案等。

4.3可视化检索

由于综合管廊一般都要安装环控、安防、火灾及可燃气体报警、通讯、结构健康监测等多种独立子系统，并且各个子系统的设备均分布在不同的舱室，由于分区长度不可能完全一样，所以设备数量均有区别，如果利用传统的数据查询功能进行展示，用户完全无法直观了解其分布情况。因此，利用BIM/GIS进行可视化检索则可以大大提高系统的可交互性，如在一张图首页以图标方式展示所集成的子系统，点击各个子系统则列出该系统所包含的设备类型，选中一种或某种设备类型后，则立即在地图以特定图标显示管廊全线选中设备类型的分布情况，适用于用户想快速查看管廊某一段区域某些类型设备运行情况的场景。

4.4人员定位及轨迹

综合管廊监控运维过程中，除了要确保设备设施的运行安全外，还要对进入管廊的各类人员进行实时监控，要及时了解人员所处的位置，以免在发生应急突发情况时及时救援，确保入廊人员的安全。目前综合管廊内部有多种室内定位技术用于人员定位，本次研究通过利用管廊内安装的无线AP进行人员定位，并在GIS地图上实时显示入廊人员在管廊全线的分布情况，点击定位图标则可以扩展多项实用功能，如入廊行走轨迹查询、移动通话、查看人员附近视频、查看附近逃生口等，发生应急突发情况时，大大提高了入廊人员的安全保障以及监控人员的应急响应效率。

4.5入廊管线管理

在传统的管廊监控系统中，一般都是通过数据录入和查询的方式维护当前管廊入廊管线的信息，即使系统通过BIM插件集成了BIM模型，但是在建模初期，建模人员本不掌握也不可能掌握未来管廊的入廊管线信息，因此，大部分BIM模型建模时要么均不建立管线模型，要么把设计标准把所有要入廊的管线全部建好，并且管线没有任何属性信息，导致后期BIM模型导入系统后，根本无法真实反应管线入廊情况。

所以，在建模初期，一定要考虑到后期运维需求，将所有管线BIM模型建好，并且要对每一根管线创建必备的属性信息，包括管线类型、空间位置、是否显示、颜色、所在舱室分区、起止里程等，在后期进行模型处理时，将所有属性信息导入应用数据库后，将其与入廊管线的业务数据信息关联起来，可以让系统BIM模型完全反映管廊内部的真实管线情况，为实现后续的漫游巡检及应急模拟功能提供支撑。

4.6漫游巡检

在BIM模型构造完全与真实管廊一致时，本次研究基于VR虚拟仿真的思想，在系统的BIM模型中创建了一个虚拟的动画人物，该人物可以按照用户在系统中设定的巡检路线（即指定舱室的起止里程）进行漫步行走，在行走过程中，周围所有的监控设备均会显示设备运行信息卡并嵌套在模型中，仿佛监控人员在管廊内部巡检一样，主要是计算并存储了管廊全线各个舱室的BIM模型的空间坐标点，确保用户可以自定义任何巡检路径。在目前用户厌倦对传统数据查询条目化展示的情况下，大大提升了系统交互性和科技感。

4.7应急模拟

综合管廊日常运维工作中，应急预案的编制及演练是一项重要的工作，包括爆管、燃气泄露、火灾等发生几率较大的危险事件的应急处理流程。本次研究创新性地将应急预案的处理通过借助BIM/GIS技术实现了智能化和可视化，将应急预案的流程划分为工作步骤，并利用工作流引擎进行特定的处理，后利用动画编制程序进行应急处理过程的动画演示，可推广用于每年应急预案演练、新人培训以及管廊对外接待，能有效提高管廊运维管理水平。

5AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台

5.1平台概述

AcrelEMS-UT综合管廊能效管理平台集电力监控、能源管理、电气安全、照明控制、环境监测于一体，为建立可靠、安全、高效的综合管廊管理体系提供数据支持，从数据采集、通信网络、系统架构、联动控制和综合数据服务等方面的设计，解决了综合管廊在管理过程中存在内部干扰性强、使用单位多及协调复杂的根本问题，大大提高了系统运行的可靠性和可管理性，提升了管廊基础设施、环境和设备的使用和恢复效率。

5.2平台组成

安科瑞城市地下综合管廊能效管理系统是一个深度集成的自动化平台，它集成了10KV/O.4KV变电站电力监控系统、变电所环境监控系统、智能马达监控系统、电气火灾监控系统、消防设备电源系统、防火门监控系统、智能照明系统、消防应急照明和疏散指示系统。用户可通过浏览器、手机APP获取数据，通过一个平台即可全局、整体的对管廊用电和用电安全进行进行集中监控、统一管理、统一调度，同时满足管廊用电可靠、安全、稳定、高效、有序的要求。

5.3平台拓扑

5.4平台子系统

5.4.1电力监控

电力监控主要针对10/0.4kV地面或地下变电所，对变电所高压回路配置微机保护装置及多功能仪表进行保护和监控，对0.4kV出线配置多功能计量仪表，用于测控出线回路电气参数和用能情况，可实时监控高低压供配电系统开关柜、变压器微机保护测控装置、发电机控制柜、ATS/STS、UPS，包括遥控、遥信、遥测、遥调、事故报警及记录等。

5.4.2环境监测

环境监测包括温湿度、烟感温感、积水浸水、可燃气体浓度、门禁、视频、空调、消防数据的采集、展示和预警，同时也可接入管廊舱室内的水泵和通风排烟风机等设备集成的三方系统完成管廊环境综合监控。

5.4.3电气安全

AcrelEMS-UT能效管理系统针对配电系统的电气安全隐患配置相应的电气火灾传感器、温度传感器，消防设备电源传感器、防火门状态传感器，接入消防疏散照明以及指示灯具的状态实时显示，并且对UPS的蓄电池温度、内阻进行实时监视，发生异常时通过声光、短信、APP及时预警。

5.5相关平台部署硬件选型清单

5.5.1电力监控及配电室环境监控系统

 

应用场合（10KV）	产品	型号	功能

	10KV进/馈线		AM6-L	相间电流速断保护，相间限时电流速断保护（可带低压闭锁），相间过电流保护（可带低压闭锁），两段式零序过流保护，反时限相间过流保护（可带低压闭锁），零序反时限过流保护，过负荷保护，控制回路异常告警。
10/0.4KV变压器	AML-S	分合闸位置、手车工作/试验位置、接地刀闸位置、硬接点信号(保护跳闸、装置告警、控制回路断线、装置异常、未储能、事故总等)、报文(过流、过负荷、超温报警、过温报警、装置告警、PT断线、CT断线、对时异常等)、遥控开关、故障波形分析(故障录波、故障波形、故障记录、跳闸、故障电流电压)等。
智能操控装置

	ASD500	一次回路动态模拟图、弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、自动温湿度控制及显示（标配一路强制加热）、远方/就地旋钮、分合闸旋钮、储能旋钮、人体感应、柜内照明控制、RS485接口、高压柜内电气接点无线测温。
10KV计量

	PZ72L- E4/UT	该仪表采用交流采样技术，能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数，可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口，采用Modbus协议;也可将电量信号转换成标准的直流模拟信号输出;或带开关量输入/输出，继电器报警输出等功能。具有许昌开普研究院有限公司、继电保护及自动化设备质量监督检验检测合格的型式检验报告证书和电磁兼容检验证书，产品防护等级均达到IP65，符合管廊综合监控系统中对相关产品功能、防护等级及电磁兼容的要求。
应用场合（0.4KV）	产品	型号	功能
	0.4KV进/出线

	PZ72L- E4/UT	该仪表采用交流采样技术，能分别测量电网中的电流、电压、功率、功率因数和电能等参数，可通过面板薄膜开关设置倍率。带RS-485通讯接口，采用Modbus协议;也可将电量信号转换成标准的直流模拟信号输出;或带开关量输入/输出，继电器报警输出等功能。具有许昌开普研究院有限公司、继电保护及自动化设备质量监督检验检测合格的型式检验报告证书和电磁兼容检验证书，产品防护等级均达到IP65，符合管廊综合监控系统中对相关产品功能、防护等级及电磁兼容的要求。
无功补偿		ARC	测量I、U、Hz、cosΦ，具备过电压保护、欠流锁定、电网谐波过大保护功能,可控制电容器的投切，RS485/Modbus协议
	ANSVC	ANSVC低压无功功率补偿装置并联在整个供电系统中，能根据电网中负载功率因数的变化通过控制器控制电力电容器投切进行补偿,无功功率补偿装置采用散件组成方案，主要以电容电抗、投切开关、控制器等组成。

	ANSVG	补偿方式:线性补偿，全响应时间<5ms，瞬时响应时间≤100us;补偿效果:≥0.99，可补偿容性无功和感性无功，滤除5、7、9、11、13次以内的谐波;自身损耗:≤2%，效率:>98%;监控以及显示具备远程通讯接口，可以通过PC机实时监控;具有人性化的人机交互界面，可通过该界面看到系统和本体的实时电能质量信息，操作简单，可以远控，也可以本控;标准模块化设计，缩短交付周期，同时提高了使用的可靠性和可维护性。
温湿度控制器		WHD72- 11/UT	智能型温湿度控制器以数码管方式显示温湿度值，有加热器、传感器故障指示、变送功能、带有RS485通讯接口可供远程监控，用户可通过按键编程自行设定系统参数。该仪表集测量、显示、控制及通讯于一体，精度高、测量范围宽，是一种适合于各个行业和领域的温湿度测量控制仪表。具有许昌开普研究院有限公司、继电保护及自动化设备质量监督检验检测合格的型式检验报告证书和电磁兼容检验证书，产品防护等级均达到IP65，符合管廊综合监控系统中对相关产品功能、防护等级及电磁兼容的要求。
智能网关		Anet系列	8个RS485串口2kV隔离，2个以太网接口，支持ModbusRTU、IEC-60870-5-101/103/104、CJ/T188、DL/T645等通讯协议设备的接入，支持ModbusRTU、ModbusTCP、IEC-60870-5-104等上传协议、支持多不同数据服务要求，支持断点续传，装置电源:220VAC/DC。
应用场合（配电室）	产品	型号	功能
环境监测	温湿度		/	用于配电房温度和湿度。工作电源：AC/DC85～265V工作温度：-40.0℃～99.9℃工作湿度：0%RH～99%RH
烟雾		/	光电式烟雾传感;电源正极（DC12V）：+12V，继电器输出：常开触点
水侵		/	接触式水浸传感器，监测变电所、电缆沟、控制室等场所积水情况，工作电源：DC10-30V工作温度：-20℃~+60℃工作湿度：0%RH~80%RH响应时间：1s继电器输出：常开触点
局方检测

	/	监测变压器、开关、开关柜的局部放电
门禁		/	常开型；感应距离：30-50mm材质：锌合金，银灰色电度干接点输出
摄像机

	/	视频监控
开关量模块		ARTU-KJ8	8路开关量输入,8路继电器输出
智能网关

ANet-2E4SM

4路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPCUA、ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT；（主模块）输入电源：DC12V～36V。支持4G扩展模块，485扩展模块,可扩展16路。

 

5.5.2电气火灾监控系统

 

应用场合	产品	型号	功能
各变电所	0.4KV出线		ARCM200 系列	用于检测TN-C-S、TN-S及局部TT系统中的剩余电流、温度等电气参数，从而预防电气火灾的发生。
各舱室	末端配电箱

	ARCM300 系列	用于检测TN-C-S、TN-S及局部TT系统中的剩余电流、温度等电气参数，从而预防电气火灾的发生。
区域 变电所	区域分机		Acrel-6000/B3	接收电气火灾监控探测器信号，实现对被保护电气线路的报警、监视、控制与管理，采用485通讯
主变点所 监控	控制主机

	Acrel-6000/B	接收电气火灾监控探测器信号和各区域分机数据，实现对被保护电气线路的报警、监视、控制与管理，可采用485通讯。
配套附件
0.4kV电流 互感器		AKH-0.66	测量型互感器，采集交流电流信号。

 

5.5.3消防设备电源监控系统

 

应用场合	产品	型号	功能
消防设备电源电压监控

	AFPM3-2AVM	监测两路三相交流电压，二总线通讯。
区域 变电所	区域分机		AFPM100/B3	接收消防设备电源监控探测器信号，实现对被保护电气线路的报警、监视、控制与管理，可采用二总线通讯。
主变点所 监控	控制主机

AFPM100/B1

接收消防设备电源监控探测器信号和各区域分机数据，实现对被保护电气线路的报警、监视、控制与管理，可采用二总线通讯。

 

5.5.4防火门监控系统

 

应用场合	产品	型号	功能
普通舱室 配电室	常开防火门

	AFRD-CK(YT)-65 AFRD-CK(YT)-85 AFRD-CK(YT)-120	监测常开防火门的开闭状态。
常闭防火门

	单扇：AFRD-CB1(YT) 双扇：AFRD-CB2(YT)	监测常闭防火门的开闭状态。
防爆舱室	常开/常闭 防火门

	AFRD-MC	监测常开、常闭防火门的开闭状态。
监测模块		AFRD-CK/CB	接收AFRD-MC的状态信息同步传输至防火门监控主机。
区域 变电所	区域分机		AFRD100/B3	接收防火门监控模块和防火门一体式探测器的信号，实现对防火门开闭状态的报警、监视、控制与管理，采用二总线通讯。
主变点所 监控	控制主机

AFRD100/B

接收防火门监控模块和防火门一体式探测器的信号以及各区域分机的实时数据，实现对防火门开闭状态的报警、监视、控制与管理，采用二总线通讯。

 

5.5.5消防应急照明和疏散指示系统

 

应用场合	产品	型号	功能
各变电所和非防爆舱室	集中电源集中控制型消防应急标志灯具（高防护）

	A-BLJC-1LROEII1W-A431H(单面安全出口)	防护等级：IP67 设备尺寸：145*400*15 安装方式：壁挂

	A-BLJC-1LROEII1W-A431H(单面疏散出口)	防护等级：IP67 设备尺寸：145*400*15 安装方式：壁挂
集中电源集中控制型消防应急照明灯具（高防护）

	A-ZFJC-E*W-A604T8单管式应急照明灯具	防护等级：IP67 设备尺寸：Φ26*L400、Φ26*L600、Φ26*L1200 安装方式：吸顶、吊挂 设备功率：3、6、9、12、15W

	A-ZFJC-E*W-A603HC高防护应急照明灯具	防护等级：IP67 设备尺寸：Φ175*H60 安装方式：吸顶、壁挂 设备功率：3、6、9、12、15W

	A-ZFJC-E*W-A603HE高防护应急照明灯具	防护等级：IP67 设备尺寸：198*98*55 安装方式：吸顶、壁挂 设备功率：3、6、9、12、15W
消防应急灯具电源

	A-D-0.3KVA-A200L A-D-0.5KVA-A200L A-D-0.75KVA-A200L A-D-0.1KVA-A200L	防护等级：IP65 设备尺寸：500*400*200、600*480*230 安装方式：壁挂 设备功率：0.3、0.5、0.75、1KVA 回路数量：8路
防爆舱室	集中电源集中控制型消防应急防爆标志灯具		A-BLJC-1LROEI1W-A431EX（防爆单面出口)	防护等级：IP65 防爆等级：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 设备尺寸：165*375*65 安装方式：壁挂
	A-BLJC-1LROEI1W-A431EX（防爆单面左向)	防护等级：IP65 防爆等级：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 设备尺寸：165*375*65 安装方式：壁挂
集中电源集中控制型消防应急防爆照明灯具

	A-ZFJC-E*W-A630EX	防护等级：IP65 防爆等级：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 设备尺寸：256*243*78 安装方式：壁挂 设备功率：3、6、10W

	A-ZFJC-E*W-A632EX	防护等级：IP65 防爆等级：ExdeIICT6Gb/ExtDA21IP66T80℃ 设备尺寸：Φ135mm*H168mm 安装方式：吊管安装 设备功率：3、6、9、12、15W
消防应急灯具电源(防爆)

	A-D-0.3KVA-A200EX A-D-0.5KVA-A200EX A-D-1KVA-A200EX	防护等级：IP43 设备尺寸：904*702*220、1354*702*220 安装方式：壁挂 设备功率：0.3、0.5、1KVA 回路数量：8路
区域 变电所	区域分机		A-C-A100/B3	区域分机通过总线网络实时监控各个终端，在险情发生时，自动将信息指令发布到每个终端，终端收到指令之后自动开始工作，如频闪、变向、开、灭灯等工作，实时指示安全的疏散路线。
中继器		CAN转光纤中继	通过CAN转光纤中继实现把CAN总线传输转换至光纤传输延长通讯距离增加方案多样性。
主变电所 监控	监控主机

A-C-A100

监控主机通过总线网络实时监控各个终端，在险情发生时，自动将信息指令发布到每个终端，终端收到指令之后自动开始工作，如频闪、变向、开、灭灯等工作，实时指示安全的疏散路线。

 

6结语

综上所述，城市综合管廊基础设施建设对城市发展起到非常积极的促进作用。相关部门及工程建设单位，应该在认识到科技产品应用对综合管廊建设重要性的基础上，积极采取有效措施，以改善综合管廊建设环境，提高其应用效率。在充分了解物联网融合通信系统后，继续寻找创新突破之法，将该系统技术更加有效地应用于城市建设工程中，使其发挥大效用，对民众的生产生活起到更大的促进作用。相关技术研发人员，也应该加大技术研发力度，进一步推陈出新，应用相关技术推动城市发展。

参考文献

【1】GB/T51274—2017，城镇综合管廊监控与报警系统工程技术标准[S].

【2】GB50838-2015，城市综合管廊工程技术规范[S].

【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05

【4】张绪伟.BIM+GIS在城市综合管廊监控报警与运维管控系统中的应用

审核编辑 黄宇