文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2024）12-070-04中圖分類(lèi)號(hào)：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(yùn)維

隨著全國(guó)范圍內(nèi)一批試點(diǎn)城市綜合管廊完成及各地市大批地下綜合管廊項(xiàng)目的開(kāi)工建設(shè)，我國(guó)地下綜合管廊建設(shè)取得了顯著進(jìn)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(duì)應(yīng)的綜合管廊智能化建設(shè)，卻步伐相對(duì)滯后，建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和水平也參差不齊。近年來(lái)，國(guó)務(wù)院多次發(fā)文，要求推動(dòng)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)運(yùn)行智能化，推動(dòng)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(jì)和運(yùn)行管理中的應(yīng)用；要求大力推動(dòng)5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)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(kāi)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(wèn)題和研究意義

我國(guó)地下綜合管廊建設(shè)與歐美等國(guó)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(shí)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?xì)狻⒔o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(jìn)而進(jìn)行綜合開(kāi)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(jìn)程中，往往存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題亟需解決。

（1）綜合管廊監(jiān)管系統(tǒng)大多簡(jiǎn)單堆砌、隨意集成，缺少對(duì)管廊智能化的整體認(rèn)識(shí)，沒(méi)有任何的分析處理和決策響應(yīng)，無(wú)法提供切實(shí)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(wú)法實(shí)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(tái)的問(wèn)題，使用效果和應(yīng)用體驗(yàn)大打折扣。

（3）后續(xù)管理忽視運(yùn)營(yíng)、缺乏維護(hù)，運(yùn)維效率低。綜合管廊從其規(guī)劃、論證、建設(shè)到投運(yùn)、管理、維護(hù)直到終止，是一個(gè)全生命周期的過(guò)程，缺少綜合化的運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)和設(shè)施維護(hù)系統(tǒng)，無(wú)法真正體現(xiàn)智能化運(yùn)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(jì)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(jí)換代。

針對(duì)當(dāng)前綜合管廊智能化建設(shè)的諸多問(wèn)題，本文通過(guò)研究綜合管廊特征多源異構(gòu)數(shù)據(jù)高速采集存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了海量時(shí)序數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與計(jì)算，并基于綜合管廊大數(shù)據(jù)建立三維數(shù)字化模型，開(kāi)展了智能化運(yùn)維和運(yùn)營(yíng)，促進(jìn)了人工智能與城市基礎(chǔ)設(shè)施的深度融合，實(shí)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(yùn)營(yíng)精細(xì)化管理，提升了城市基礎(chǔ)設(shè)施智能化水平。

推進(jìn)城市地下綜合管廊信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)管廊規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)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(yùn)行能力的必然要求，有利于全面實(shí)現(xiàn)綜合管廊的全面感知、智能監(jiān)測(cè)、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(yùn)營(yíng)運(yùn)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(guò)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?xì)怏w報(bào)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(shí)時(shí)感知獲取管廊本體、環(huán)境、火災(zāi)、可燃?xì)怏w的實(shí)時(shí)情況；在分監(jiān)控中心層，主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)匯聚及現(xiàn)地聯(lián)動(dòng)控制；在總調(diào)度中心層，依托數(shù)據(jù)中臺(tái)提供的數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)管廊各類(lèi)型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)，同時(shí)按照數(shù)據(jù)資源管理的統(tǒng)一要求，實(shí)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(shí)現(xiàn)綜合管廊數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與計(jì)算；第二，基于GIS和BIM的數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)管廊設(shè)備精細(xì)構(gòu)件的集成共享與三維可視化運(yùn)維管理；第三，基于高維多尺度自適應(yīng)模型實(shí)現(xiàn)智慧管廊實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視和運(yùn)營(yíng)安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)預(yù)警。

（1）首先，研究實(shí)現(xiàn)多渠道、多模式、多結(jié)構(gòu)式管廊信息采集功能，實(shí)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(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)TDengine，結(jié)合數(shù)據(jù)分片、虛擬節(jié)點(diǎn)組等技術(shù)，輕松實(shí)現(xiàn)水平擴(kuò)展與實(shí)時(shí)備份，完成集群擴(kuò)容，保證高可用，真正實(shí)現(xiàn)管廊時(shí)序數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)^[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(guò)時(shí)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(huì)學(xué)習(xí)的生命體，從而反映相對(duì)應(yīng)的地下管廊的全生命周期過(guò)程。

（3）在研究綜合管廊環(huán)境及設(shè)備狀況和實(shí)時(shí)火災(zāi)等風(fēng)險(xiǎn)隱患發(fā)展趨勢(shì)評(píng)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(yùn)營(yíng)維護(hù)等多功能模塊，基于綜合管廊數(shù)字化模型開(kāi)展智能化運(yùn)維和運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)智慧管廊整體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視和運(yùn)營(yíng)安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)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(shí)序數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)

面對(duì)管廊運(yùn)營(yíng)管理單位及入廊管線單位多類(lèi)型、多渠道的分散信息資源，建成管廊接入平臺(tái)，實(shí)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(guò)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(lái)不同來(lái)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(guò)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(shí)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(jì)算等關(guān)鍵能力，實(shí)現(xiàn)終端與云端的雙向數(shù)據(jù)通道，助力綜合管廊實(shí)時(shí)預(yù)警、數(shù)字孿生三維可視化等應(yīng)用創(chuàng)新。

·海量時(shí)序數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)技術(shù)

基于國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)TDengine，結(jié)合綜合管廊氣體濃度、溫度、濕度、人員位置、消防探測(cè)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(bào)警系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)序性、結(jié)構(gòu)化等特點(diǎn)，根據(jù)“一個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)一張表”“一個(gè)超級(jí)表下有多個(gè)數(shù)據(jù)采集表”獨(dú)特的數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)，充分利用其處理時(shí)序數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，定義超級(jí)表與數(shù)據(jù)采集表，實(shí)現(xiàn)海量時(shí)序數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)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(diǎn)組等技術(shù)，可輕松實(shí)現(xiàn)水平擴(kuò)展與實(shí)時(shí)備份，完成集群擴(kuò)容，保證高可用，真正實(shí)現(xiàn)時(shí)序數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)。

（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(shí)也能反映綜合管廊本體與周?chē)匦巍⒌匚铩⒔ㄖ锏年P(guān)系。以地下管廊的自然生態(tài)等基底模型作為骨架，對(duì)管廊系統(tǒng)的建筑物、構(gòu)筑物通過(guò)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(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，通過(guò)三維可視化技術(shù)對(duì)管廊的地下部分在虛擬空間中完成映射，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生呈現(xiàn)，通過(guò)時(shí)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(huì)學(xué)習(xí)的生命體，從而反映相對(duì)應(yīng)的地下管廊的全生命周期過(guò)程^[2]。

·數(shù)字建模技術(shù)

通過(guò)在系統(tǒng)中對(duì)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(duì)管廊本體、入廊管線、附屬設(shè)施完成三維之后，通過(guò)三維可視化數(shù)字孿生引擎對(duì)三維模型導(dǎo)入再加工，結(jié)合實(shí)體的顏色、材質(zhì)以及環(huán)境的光線、視覺(jué)角度等對(duì)模型進(jìn)行材質(zhì)、光澤的渲染和烘培，使得模型的仿真程度和視覺(jué)效果大大提升。其次要按照現(xiàn)實(shí)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(shí)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(tái)上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)管廊系統(tǒng)從整體布局到結(jié)構(gòu)細(xì)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(yùn)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(guò)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(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)的問(wèn)題。此外，為了直觀展現(xiàn)地圖、視頻信息，還需要實(shí)現(xiàn)GIS地圖與視頻信息融合功能。通過(guò)綜合智慧管廊可視化系統(tǒng)將傳感器的實(shí)時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)組態(tài)匹配，對(duì)三維多源異構(gòu)互補(bǔ)信息進(jìn)行可視化融合，使得三維物理模型與數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)交融，并通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)三維模型的動(dòng)畫(huà)。

（3）基于綜合管廊數(shù)字化模型的智能化運(yùn)維和運(yùn)營(yíng)技術(shù)

·綜合管廊環(huán)境及設(shè)備狀況評(píng)估技術(shù)

針對(duì)管廊巡檢業(yè)務(wù)智能化水平低、人力制定巡檢計(jì)劃效率低的問(wèn)題，將巡檢問(wèn)題抽象為旅行商問(wèn)題（TSP），并根據(jù)智慧管廊實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求，提出一種考慮檢點(diǎn)設(shè)備優(yōu)先級(jí)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(wèn)題，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)檢點(diǎn)優(yōu)先巡檢、安全檢點(diǎn)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(píng)估模型，訓(xùn)練其在管廊安全狀態(tài)分類(lèi)的能力。同時(shí)針對(duì)管廊設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中易受變載荷、變工況和大擾動(dòng)影響，提出基于填充采樣準(zhǔn)則的專(zhuān)家知識(shí)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(jī)制深度學(xué)習(xí)結(jié)合的方法建立管廊整體實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與預(yù)警模型。

·綜合管廊實(shí)時(shí)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)隱患發(fā)展趨勢(shì)評(píng)估技術(shù)

針對(duì)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(xiǎn)隱患極大等特點(diǎn)，提出一種基于YOLO V5框架的實(shí)時(shí)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(shì)、評(píng)估事故嚴(yán)重性和評(píng)價(jià)預(yù)期損失成為可能。針對(duì)復(fù)雜的建筑火災(zāi)場(chǎng)景，提出一種較低成本的火災(zāi)熱點(diǎn)識(shí)別模型，并應(yīng)用于嵌入式設(shè)備，獲取火災(zāi)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)發(fā)展情況，可為火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)消防救援提供實(shí)時(shí)火場(chǎng)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)，基于三維可視化數(shù)據(jù)，有效節(jié)約了運(yùn)維階段的人力、財(cái)力資源投入，對(duì)推動(dòng)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(jiǎn)介：

郭亮亮（1981-），男，山西晉城人，正高級(jí)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?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)、新一代信息技術(shù)、智慧礦山、工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)設(shè)計(jì)與研發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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[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(jī)械工業(yè)出版社,2021.

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年12月刊