文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）12-070-04中圖分類(lèi)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；多源異構數據采集；數字孿生；智能化運維

隨著(zhù)全國范圍內一批試點(diǎn)城市綜合管廊完成及各地市大批地下綜合管廊項目的開(kāi)工建設，我國地下綜合管廊建設取得了顯著(zhù)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量都創(chuàng )出歷史新高。而與之相對應的綜合管廊智能化建設，卻步伐相對滯后，建設的標準和水平也參差不齊。近年來(lái)，國務(wù)院多次發(fā)文，要求推動(dòng)城市基礎設施建設運行智能化，推動(dòng)大數據和虛擬仿真技術(shù)在城市生命線(xiàn)規劃設計和運行管理中的應用；要求大力推動(dòng)5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數據、云計算等技術(shù)在城市地下市政基礎設施數字化、智能化建設中的應用。為此，開(kāi)展綜合管廊智能監管系統關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應用十分必要。

1　主要問(wèn)題和研究意義

我國地下綜合管廊建設與歐美等國家相比起步較晚，但目前各省市的基礎設施建設步伐明顯加快，同時(shí)也在探索市政管線(xiàn)綜合敷設的創(chuàng )新技術(shù)，以滿(mǎn)足將電力、通信、燃氣、給排水、熱力等市政公用管線(xiàn)集中敷設在同一地下建造的隧道空間內，進(jìn)而進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)利用，節約城市建設用地，美化城市景觀(guān)。在地下綜合管廊建設的智能化建設進(jìn)程中，往往存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題亟需解決。

（1）綜合管廊監管系統大多簡(jiǎn)單堆砌、隨意集成，缺少對管廊智能化的整體認識，沒(méi)有任何的分析處理和決策響應，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(chēng)之為管廊智能化，更無(wú)法實(shí)現智慧管廊。

（2）綜合管廊監管系統建設偏重硬件、輕視軟件，應用效果差?，F在多數已完成的綜合管廊智能化系統，都存在偏重硬件設備而忽視軟件平臺的問(wèn)題，使用效果和應用體驗大打折扣。

（3）后續管理忽視運營(yíng)、缺乏維護，運維效率低。綜合管廊從其規劃、論證、建設到投運、管理、維護直到終止，是一個(gè)全生命周期的過(guò)程，缺少綜合化的運營(yíng)管理平臺和設施維護系統，無(wú)法真正體現智能化運維和智慧化管廊。

（4）新技術(shù)應用不足。智慧管廊涉及物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據、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，傳統作業(yè)方式需升級換代。

針對當前綜合管廊智能化建設的諸多問(wèn)題，本文通過(guò)研究綜合管廊特征多源異構數據高速采集存儲、實(shí)時(shí)計算技術(shù)，實(shí)現了海量時(shí)序數據的存儲與計算，并基于綜合管廊大數據建立三維數字化模型，開(kāi)展了智能化運維和運營(yíng)，促進(jìn)了人工智能與城市基礎設施的深度融合，實(shí)現了全生命周期管廊建筑結構安全和服役狀態(tài)的可知可控以及管廊建設、運營(yíng)精細化管理，提升了城市基礎設施智能化水平。

推進(jìn)城市地下綜合管廊信息化建設，實(shí)現管廊規劃、建設、運行、維護及管理、服務(wù)的智慧化，是提升智慧城市基礎設施功能和運行能力的必然要求，有利于全面實(shí)現綜合管廊的全面感知、智能監測、災害預警、仿真模擬等智慧化管理，以及提高綜合管廊的智能化運營(yíng)運維水平。

2　系統架構

綜合管廊智能監管系統從架構上如圖1所示，分為現地層、分監控中心層、總調度中心層。在現地層，通過(guò)環(huán)境與設備監控系統、安全防范系統、消防系統、可燃氣體報警系統、通信系統在內的多種智能化物聯(lián)網(wǎng)設備，實(shí)時(shí)感知獲取管廊本體、環(huán)境、火災、可燃氣體的實(shí)時(shí)情況；在分監控中心層，主要實(shí)現現地數據匯聚及現地聯(lián)動(dòng)控制；在總調度中心層，依托數據中臺提供的數據服務(wù)，實(shí)現管廊各類(lèi)型數據的統一存儲，同時(shí)按照數據資源管理的統一要求，實(shí)現分中心數據匯聚、資源目錄管理、數據共享交換等數據管理功能。

圖1 綜合管廊智能監管系統總體架構

3　技術(shù)路線(xiàn)

該系統總體技術(shù)路線(xiàn)如圖2所示，分為以下三步：第一，基于TDengine搭建大數據處理系統實(shí)現綜合管廊數據的存儲與計算；第二，基于GIS和BIM的數字孿生技術(shù)實(shí)現管廊設備精細構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模型實(shí)現智慧管廊實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視和運營(yíng)安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)風(fēng)險辨識預警。

（1）首先，研究實(shí)現多渠道、多模式、多結構式管廊信息采集功能，實(shí)現主流物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議接入適配、設備管理、數據解析等關(guān)鍵能力，打通終端與云端的雙向數據通道；其次，基于國產(chǎn)數據庫TDengine，結合數據分片、虛擬節點(diǎn)組等技術(shù)，輕松實(shí)現水平擴展與實(shí)時(shí)備份，完成集群擴容，保證高可用，真正實(shí)現管廊時(shí)序數據的分布式存儲^[1]。

（2）采用BIM建模的方式，將地下綜合管廊內的基建設施、入廊管線(xiàn)、附屬設施等構建三維模塊，形成地下空間形象、直觀(guān)的立體三維可視化，通過(guò)時(shí)空數據培養城市智慧管廊大腦，將城市智慧管廊打造成可感知、可判斷、可快速反應、會(huì )學(xué)習的生命體，從而反映相對應的地下管廊的全生命周期過(guò)程。

（3）在研究綜合管廊環(huán)境及設備狀況和實(shí)時(shí)火災等風(fēng)險隱患發(fā)展趨勢評估技術(shù)的基礎上，構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(yíng)維護等多功能模塊，基于綜合管廊數字化模型開(kāi)展智能化運維和運營(yíng)，實(shí)現智慧管廊整體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視和運營(yíng)安全狀態(tài)的實(shí)時(shí)風(fēng)險辨識與預警。

圖2 綜合管廊智能監管系統關(guān)鍵技術(shù)研究路線(xiàn)

4　關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）綜合管廊特征多源異構數據高速采集、海量時(shí)序數據的存儲與實(shí)時(shí)計算技術(shù)

面對管廊運營(yíng)管理單位及入廊管線(xiàn)單位多類(lèi)型、多渠道的分散信息資源，建成管廊接入平臺，實(shí)現管廊主體、入廊管線(xiàn)、管廊附屬設施等數據的全面接入監管。統一的接入渠道、多模式的接入融合、標準化的接入模式，通過(guò)協(xié)議轉換技術(shù)構建通用的管廊信息資源接入系統，便利將來(lái)不同來(lái)源渠道信息資源的高效整合。

·數據接入技術(shù)

綜合管廊設備接入技術(shù)，通過(guò)海量設備并發(fā)連接管理，以及設備連接的生命周期管理，實(shí)現主流物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議接入適配、設備管理、數據采集、數據解析、數據計算等關(guān)鍵能力，實(shí)現終端與云端的雙向數據通道，助力綜合管廊實(shí)時(shí)預警、數字孿生三維可視化等應用創(chuàng )新。

·海量時(shí)序數據分布式存儲技術(shù)

基于國產(chǎn)數據庫TDengine，結合綜合管廊氣體濃度、溫度、濕度、人員位置、消防探測器、通信設備以及環(huán)境監控系統、設備監控系統、安全防范系統、火災報警系統等物聯(lián)網(wǎng)傳感器數據的時(shí)序性、結構化等特點(diǎn)，根據“一個(gè)數據采集點(diǎn)一張表”“一個(gè)超級表下有多個(gè)數據采集表”獨特的數據模型設計，充分利用其處理時(shí)序數據的優(yōu)勢，定義超級表與數據采集表，實(shí)現海量時(shí)序數據的高效存儲與查詢(xún)。TDengine是完全去中心化的，結合數據分片、虛擬節點(diǎn)組等技術(shù)，可輕松實(shí)現水平擴展與實(shí)時(shí)備份，完成集群擴容，保證高可用，真正實(shí)現時(shí)序數據的分布式存儲。

（2）基于GIS和BIM的數字孿生技術(shù)

綜合智慧管廊可視化系統，主要采用BIM建模的方式，將地下綜合管廊內的基建設施、入廊管線(xiàn)、附屬設施等構建三維模塊，形成地下空間形象、直觀(guān)的立體三維可視化，能夠直觀(guān)查看管廊內部結構、入廊管線(xiàn)的分布情況、管廊各出口的位置和安裝在管廊內部附屬設施的位置，同時(shí)也能反映綜合管廊本體與周?chē)匦?、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，對管廊系統的建筑物、構筑物通過(guò)GIS、BIM等數字化手段形成血肉，搭載IoT物聯(lián)感知形成神經(jīng)系統，充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，通過(guò)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(shí)現數字孿生呈現，通過(guò)時(shí)空數據培養城市智慧管廊大腦，將城市智慧管廊打造成可感知、可判斷、可快速反應、會(huì )學(xué)習的生命體，從而反映相對應的地下管廊的全生命周期過(guò)程^[2]。

·數字建模技術(shù)

通過(guò)在系統中對綜合管廊本體1:1仿真數字建模，從物理管廊到高擬真的數字孿生虛擬管廊的重構，是建立城市地下管廊在虛擬空間中完成精準映射的基礎。首先依托管廊管線(xiàn)的BIM模型和CAD圖對管廊本體、入廊管線(xiàn)、附屬設施完成三維之后，通過(guò)三維可視化數字孿生引擎對三維模型導入再加工，結合實(shí)體的顏色、材質(zhì)以及環(huán)境的光線(xiàn)、視覺(jué)角度等對模型進(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。其次要按照現實(shí)的管廊構成梳理所有三維模型的結構關(guān)系，組合成與現實(shí)管廊結構完全一致的三維可視化模型，在綜合管廊平臺上實(shí)現現實(shí)管廊系統從整體布局到結構細節高度仿真的1:1高擬真虛擬重建。

·多維異構信息可視化融合技術(shù)

綜合智慧管廊可視化系統數字孿生是利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，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、運行歷史等數據的問(wèn)題。此外，為了直觀(guān)展現地圖、視頻信息，還需要實(shí)現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將傳感器的實(shí)時(shí)數據與地下管廊的三維物理模型、GIS地圖、視頻監控進(jìn)行數據組態(tài)匹配，對三維多源異構互補信息進(jìn)行可視化融合，使得三維物理模型與數據聯(lián)動(dòng)交融，并通過(guò)數據驅動(dòng)三維模型的動(dòng)畫(huà)。

（3）基于綜合管廊數字化模型的智能化運維和運營(yíng)技術(shù)

·綜合管廊環(huán)境及設備狀況評估技術(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(wèn)題，將巡檢問(wèn)題抽象為旅行商問(wèn)題（TSP），并根據智慧管廊實(shí)際運營(yíng)需求，提出一種考慮檢點(diǎn)設備優(yōu)先級的代理模型輔助元啟發(fā)式優(yōu)化方法求解路徑規劃問(wèn)題，實(shí)現危險檢點(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)境安全狀況評估模型，訓練其在管廊安全狀態(tài)分類(lèi)的能力。同時(shí)針對管廊設備運行過(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則的專(zhuān)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注意力機制深度學(xué)習結合的方法建立管廊整體實(shí)時(shí)風(fēng)險辨識與預警模型。

·綜合管廊實(shí)時(shí)火災風(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、導致火災風(fēng)險隱患極大等特點(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，使得獲取火災發(fā)展趨勢、評估事故嚴重性和評價(jià)預期損失成為可能。針對復雜的建筑火災場(chǎng)景，提出一種較低成本的火災熱點(diǎn)識別模型，并應用于嵌入式設備，獲取火災的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)發(fā)展情況，可為火災現場(chǎng)消防救援提供實(shí)時(shí)火場(chǎng)信息，如火災規模（火焰寬度）、火災發(fā)展速度（火焰前鋒蔓延速度）等，為滅火救援戰術(shù)的制定提供依據。

5　結論

目前，該綜合管廊智能監管系統關(guān)鍵技術(shù)已在山西太原科技創(chuàng )新城、太原晉源東區等綜合管廊得到應用，并取得了良好的社會(huì )經(jīng)濟效益。綜合管廊智能化建設的應用，有效提高了管廊綜合管理能力。同時(shí)，基于三維可視化數據，有效節約了運維階段的人力、財力資源投入，對推動(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作用。

作者簡(jiǎn)介：

郭亮亮（1981-），男，山西晉城人，正高級工程師，碩士，現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(dòng)化控制技術(shù)設計與研發(fā)。

參考文獻：

[1]趙遠清.城市地下綜合管廊規劃設計與安全運維技術(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)理論與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2021.

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年12月刊