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

★郭亮亮（山西省信息產業技術研究院有限公司，山西太原030012）

關鍵詞：綜合管廊；多源異構數據采集；數字孿生；智能化運維

隨著全國范圍內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，我國地下綜合管廊建設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量都創出歷史新高。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，國務院多次發文，要求推動城市基礎設施建設運行智能化，推動大數據和虛擬仿真技術在城市生命線規劃設計和運行管理中的應用；要求大力推動5G、物聯網、人工智能、大數據、云計算等技術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，開展綜合管廊智能監管系統關鍵技術研究與示范應用十分必要。

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，同時也在探索市政管線綜合敷設的創新技術，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在同一地下建造的隧道空間內，進而進行綜合開發利用，節約城市建設用地，美化城市景觀。在地下綜合管廊建設的智能化建設進程中，往往存在以下幾個方面的問題亟需解決。

（1）綜合管廊監管系統大多簡單堆砌、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，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。現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題，使用效果和應用體驗大打折扣。

（3）后續管理忽視運營、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，是一個全生命周期的過程，缺少綜合化的運營管理平臺和設施維護系統，無法真正體現智能化運維和智慧化管廊。

（4）新技術應用不足。智慧管廊涉及物聯網、云計算、大數據、人工智能、BIM、GIS等多種新型技術，而綜合管廊目前的集成水平仍然較低，傳統作業方式需升級換代。

針對當前綜合管廊智能化建設的諸多問題，本文通過研究綜合管廊特征多源異構數據高速采集存儲、實時計算技術，實現了海量時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，開展了智能化運維和運營，促進了人工智能與城市基礎設施的深度融合，實現了全生命周期管廊建筑結構安全和服役狀態的可知可控以及管廊建設、運營精細化管理，提升了城市基礎設施智能化水平。

推進城市地下綜合管廊信息化建設，實現管廊規劃、建設、運行、維護及管理、服務的智慧化，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，通過環境與設備監控系統、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網設備，實時感知獲取管廊本體、環境、火災、可燃氣體的實時情況；在分監控中心層，主要實現現地數據匯聚及現地聯動控制；在總調度中心層，依托數據中臺提供的數據服務，實現管廊各類型數據的統一存儲，同時按照數據資源管理的統一要求，實現分中心數據匯聚、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　技術路線

該系統總體技術路線如圖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的數字孿生技術實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現智慧管廊實時動態可視和運營安全狀態的實時風險辨識預警。

（1）首先，研究實現多渠道、多模式、多結構式管廊信息采集功能，實現主流物聯網協議接入適配、設備管理、數據解析等關鍵能力，打通終端與云端的雙向數據通道；其次，基于國產數據庫TDengine，結合數據分片、虛擬節點組等技術，輕松實現水平擴展與實時備份，完成集群擴容，保證高可用，真正實現管廊時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、附屬設施等構建三維模塊，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、會學習的生命體，從而反映相對應的地下管廊的全生命周期過程。

（3）在研究綜合管廊環境及設備狀況和實時火災等風險隱患發展趨勢評估技術的基礎上，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、運營維護等多功能模塊，基于綜合管廊數字化模型開展智能化運維和運營，實現智慧管廊整體的實時動態可視和運營安全狀態的實時風險辨識與預警。

圖2 綜合管廊智能監管系統關鍵技術研究路線

4　關鍵技術分析

（1）綜合管廊特征多源異構數據高速采集、海量時序數據的存儲與實時計算技術

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，實現管廊主體、入廊管線、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，通過協議轉換技術構建通用的管廊信息資源接入系統，便利將來不同來源渠道信息資源的高效整合。

·數據接入技術

綜合管廊設備接入技術，通過海量設備并發連接管理，以及設備連接的生命周期管理，實現主流物聯網協議接入適配、設備管理、數據采集、數據解析、數據計算等關鍵能力，實現終端與云端的雙向數據通道，助力綜合管廊實時預警、數字孿生三維可視化等應用創新。

·海量時序數據分布式存儲技術

基于國產數據庫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網傳感器數據的時序性、結構化等特點，根據“一個數據采集點一張表”“一個超級表下有多個數據采集表”獨特的數據模型設計，充分利用其處理時序數據的優勢，定義超級表與數據采集表，實現海量時序數據的高效存儲與查詢。TDengine是完全去中心化的，結合數據分片、虛擬節點組等技術，可輕松實現水平擴展與實時備份，完成集群擴容，保證高可用，真正實現時序數據的分布式存儲。

（2）基于GIS和BIM的數字孿生技術

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、附屬設施等構建三維模塊，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部結構、入廊管線的分布情況、管廊各出口的位置和安裝在管廊內部附屬設施的位置，同時也能反映綜合管廊本體與周圍地形、地物、建筑物的關系。以地下管廊的自然生態等基底模型作為骨架，對管廊系統的建筑物、構筑物通過GIS、BIM等數字化手段形成血肉，搭載IoT物聯感知形成神經系統，充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，通過三維可視化技術對管廊的地下部分在虛擬空間中完成映射，實現數字孿生呈現，通過時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、會學習的生命體，從而反映相對應的地下管廊的全生命周期過程^[2]。

·數字建模技術

通過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。首先依托管廊管線的BIM模型和CAD圖對管廊本體、入廊管線、附屬設施完成三維之后，通過三維可視化數字孿生引擎對三維模型導入再加工，結合實體的顏色、材質以及環境的光線、視覺角度等對模型進行材質、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。其次要按照現實的管廊構成梳理所有三維模型的結構關系，組合成與現實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現現實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

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、運行歷史等數據的問題。此外，為了直觀展現地圖、視頻信息，還需要實現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將傳感器的實時數據與地下管廊的三維物理模型、GIS地圖、視頻監控進行數據組態匹配，對三維多源異構互補信息進行可視化融合，使得三維物理模型與數據聯動交融，并通過數據驅動三維模型的動畫。

（3）基于綜合管廊數字化模型的智能化運維和運營技術

·綜合管廊環境及設備狀況評估技術

針對管廊巡檢業務智能化水平低、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），并根據智慧管廊實際運營需求，提出一種考慮檢點設備優先級的代理模型輔助元啟發式優化方法求解路徑規劃問題，實現危險檢點優先巡檢、安全檢點推后巡檢的理念，提升巡檢質量和效率。搭建以XGBoost為核心的地下綜合管廊環境安全狀況評估模型，訓練其在管廊安全狀態分類的能力。同時針對管廊設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注意力機制深度學習結合的方法建立管廊整體實時風險辨識與預警模型。

·綜合管廊實時火災風險隱患發展趨勢評估技術

針對綜合管廊承載能量龐大、散熱效果不佳、導致火災風險隱患極大等特點，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，使得獲取火災發展趨勢、評估事故嚴重性和評價預期損失成為可能。針對復雜的建筑火災場景，提出一種較低成本的火災熱點識別模型，并應用于嵌入式設備，獲取火災的實時動態發展情況，可為火災現場消防救援提供實時火場信息，如火災規模（火焰寬度）、火災發展速度（火焰前鋒蔓延速度）等，為滅火救援戰術的制定提供依據。

5　結論

目前，該綜合管廊智能監管系統關鍵技術已在山西太原科技創新城、太原晉源東區等綜合管廊得到應用，并取得了良好的社會經濟效益。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，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，對推動綜合管廊行業整體信息化管理水平提升也提供了一定指導作用。

作者簡介：

郭亮亮（1981-），男，山西晉城人，正高級工程師，碩士，現就職于山西省信息產業技術研究院有限公司，研究方向為工業互聯網、新一代信息技術、智慧礦山、工業自動化控制技術設計與研發。

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研究[M].北京:中國建筑工業出版社,2022.

[2]張濤,戴文濤,丁寧.智慧城市綜合管廊技術理論與應用[M].北京:機械工業出版社,2021.

摘自《自動化博覽》2024年12月刊