文献标识码：B文章编号：1003-0492（2024）12-070-04中图分类号：TP271

★郭亮亮（山西省信息产业技术研究院有限公司，山西太原030012）

关键词：综合管廊；多源异构数据采集；数字孪生；智能化运维

随着全国范围内一批试点城市综合管廊完成及各地市大批地下综合管廊项目的开工建设，我国地下综合管廊建设取得了显著进步和成就，尤其是在土建主体方面，已完工和将完工的数量都创出历史新高。而与之相对应的综合管廊智能化建设，却步伐相对滞后，建设的标准和水平也参差不齐。近年来，国务院多次发文，要求推动城市基础设施建设运行智能化，推动大数据和虚拟仿真技术在城市生命线规划设计和运行管理中的应用；要求大力推动5G、物联网、人工智能、大数据、云计算等技术在城市地下市政基础设施数字化、智能化建设中的应用。为此，开展综合管廊智能监管系统关键技术研究与示范应用十分必要。

1　主要问题和研究意义

我国地下综合管廊建设与欧美等国家相比起步较晚，但目前各省市的基础设施建设步伐明显加快，同时也在探索市政管线综合敷设的创新技术，以满足将电力、通信、燃气、给排水、热力等市政公用管线集中敷设在同一地下建造的隧道空间内，进而进行综合开发利用，节约城市建设用地，美化城市景观。在地下综合管廊建设的智能化建设进程中，往往存在以下几个方面的问题亟需解决。

（1）综合管廊监管系统大多简单堆砌、随意集成，缺少对管廊智能化的整体认识，没有任何的分析处理和决策响应，无法提供切实有效的智能管理建议和参考，故而不能称之为管廊智能化，更无法实现智慧管廊。

（2）综合管廊监管系统建设偏重硬件、轻视软件，应用效果差。现在多数已完成的综合管廊智能化系统，都存在偏重硬件设备而忽视软件平台的问题，使用效果和应用体验大打折扣。

（3）后续管理忽视运营、缺乏维护，运维效率低。综合管廊从其规划、论证、建设到投运、管理、维护直到终止，是一个全生命周期的过程，缺少综合化的运营管理平台和设施维护系统，无法真正体现智能化运维和智慧化管廊。

（4）新技术应用不足。智慧管廊涉及物联网、云计算、大数据、人工智能、BIM、GIS等多种新型技术，而综合管廊目前的集成水平仍然较低，传统作业方式需升级换代。

针对当前综合管廊智能化建设的诸多问题，本文通过研究综合管廊特征多源异构数据高速采集存储、实时计算技术，实现了海量时序数据的存储与计算，并基于综合管廊大数据建立三维数字化模型，开展了智能化运维和运营，促进了人工智能与城市基础设施的深度融合，实现了全生命周期管廊建筑结构安全和服役状态的可知可控以及管廊建设、运营精细化管理，提升了城市基础设施智能化水平。

推进城市地下综合管廊信息化建设，实现管廊规划、建设、运行、维护及管理、服务的智慧化，是提升智慧城市基础设施功能和运行能力的必然要求，有利于全面实现综合管廊的全面感知、智能监测、灾害预警、仿真模拟等智慧化管理，以及提高综合管廊的智能化运营运维水平。

2　系统架构

综合管廊智能监管系统从架构上如图1所示，分为现地层、分监控中心层、总调度中心层。在现地层，通过环境与设备监控系统、安全防范系统、消防系统、可燃气体报警系统、通信系统在内的多种智能化物联网设备，实时感知获取管廊本体、环境、火灾、可燃气体的实时情况；在分监控中心层，主要实现现地数据汇聚及现地联动控制；在总调度中心层，依托数据中台提供的数据服务，实现管廊各类型数据的统一存储，同时按照数据资源管理的统一要求，实现分中心数据汇聚、资源目录管理、数据共享交换等数据管理功能。

图1 综合管廊智能监管系统总体架构

3　技术路线

该系统总体技术路线如图2所示，分为以下三步：第一，基于TDengine搭建大数据处理系统实现综合管廊数据的存储与计算；第二，基于GIS和BIM的数字孪生技术实现管廊设备精细构件的集成共享与三维可视化运维管理；第三，基于高维多尺度自适应模型实现智慧管廊实时动态可视和运营安全状态的实时风险辨识预警。

（1）首先，研究实现多渠道、多模式、多结构式管廊信息采集功能，实现主流物联网协议接入适配、设备管理、数据解析等关键能力，打通终端与云端的双向数据通道；其次，基于国产数据库TDengine，结合数据分片、虚拟节点组等技术，轻松实现水平扩展与实时备份，完成集群扩容，保证高可用，真正实现管廊时序数据的分布式存储^[1]。

（2）采用BIM建模的方式，将地下综合管廊内的基建设施、入廊管线、附属设施等构建三维模块，形成地下空间形象、直观的立体三维可视化，通过时空数据培养城市智慧管廊大脑，将城市智慧管廊打造成可感知、可判断、可快速反应、会学习的生命体，从而反映相对应的地下管廊的全生命周期过程。

（3）在研究综合管廊环境及设备状况和实时火灾等风险隐患发展趋势评估技术的基础上，构建管廊全生命周期管理体系框架，涵盖信息管理、空间定位、运营维护等多功能模块，基于综合管廊数字化模型开展智能化运维和运营，实现智慧管廊整体的实时动态可视和运营安全状态的实时风险辨识与预警。

图2 综合管廊智能监管系统关键技术研究路线

4　关键技术分析

（1）综合管廊特征多源异构数据高速采集、海量时序数据的存储与实时计算技术

面对管廊运营管理单位及入廊管线单位多类型、多渠道的分散信息资源，建成管廊接入平台，实现管廊主体、入廊管线、管廊附属设施等数据的全面接入监管。统一的接入渠道、多模式的接入融合、标准化的接入模式，通过协议转换技术构建通用的管廊信息资源接入系统，便利将来不同来源渠道信息资源的高效整合。

·数据接入技术

综合管廊设备接入技术，通过海量设备并发连接管理，以及设备连接的生命周期管理，实现主流物联网协议接入适配、设备管理、数据采集、数据解析、数据计算等关键能力，实现终端与云端的双向数据通道，助力综合管廊实时预警、数字孪生三维可视化等应用创新。

·海量时序数据分布式存储技术

基于国产数据库TDengine，结合综合管廊气体浓度、温度、湿度、人员位置、消防探测器、通信设备以及环境监控系统、设备监控系统、安全防范系统、火灾报警系统等物联网传感器数据的时序性、结构化等特点，根据“一个数据采集点一张表”“一个超级表下有多个数据采集表”独特的数据模型设计，充分利用其处理时序数据的优势，定义超级表与数据采集表，实现海量时序数据的高效存储与查询。TDengine是完全去中心化的，结合数据分片、虚拟节点组等技术，可轻松实现水平扩展与实时备份，完成集群扩容，保证高可用，真正实现时序数据的分布式存储。

（2）基于GIS和BIM的数字孪生技术

综合智慧管廊可视化系统，主要采用BIM建模的方式，将地下综合管廊内的基建设施、入廊管线、附属设施等构建三维模块，形成地下空间形象、直观的立体三维可视化，能够直观查看管廊内部结构、入廊管线的分布情况、管廊各出口的位置和安装在管廊内部附属设施的位置，同时也能反映综合管廊本体与周围地形、地物、建筑物的关系。以地下管廊的自然生态等基底模型作为骨架，对管廊系统的建筑物、构筑物通过GIS、BIM等数字化手段形成血肉，搭载IoT物联感知形成神经系统，充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，通过三维可视化技术对管廊的地下部分在虚拟空间中完成映射，实现数字孪生呈现，通过时空数据培养城市智慧管廊大脑，将城市智慧管廊打造成可感知、可判断、可快速反应、会学习的生命体，从而反映相对应的地下管廊的全生命周期过程^[2]。

·数字建模技术

通过在系统中对综合管廊本体1:1仿真数字建模，从物理管廊到高拟真的数字孪生虚拟管廊的重构，是建立城市地下管廊在虚拟空间中完成精准映射的基础。首先依托管廊管线的BIM模型和CAD图对管廊本体、入廊管线、附属设施完成三维之后，通过三维可视化数字孪生引擎对三维模型导入再加工，结合实体的颜色、材质以及环境的光线、视觉角度等对模型进行材质、光泽的渲染和烘培，使得模型的仿真程度和视觉效果大大提升。其次要按照现实的管廊构成梳理所有三维模型的结构关系，组合成与现实管廊结构完全一致的三维可视化模型，在综合管廊平台上实现现实管廊系统从整体布局到结构细节高度仿真的1:1高拟真虚拟重建。

·多维异构信息可视化融合技术

综合智慧管廊可视化系统数字孪生是利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，三者缺一不可。因此在完成三维物理模型的高拟真虚拟重建之后，还需解决传感器更新、运行历史等数据的问题。此外，为了直观展现地图、视频信息，还需要实现GIS地图与视频信息融合功能。通过综合智慧管廊可视化系统将传感器的实时数据与地下管廊的三维物理模型、GIS地图、视频监控进行数据组态匹配，对三维多源异构互补信息进行可视化融合，使得三维物理模型与数据联动交融，并通过数据驱动三维模型的动画。

（3）基于综合管廊数字化模型的智能化运维和运营技术

·综合管廊环境及设备状况评估技术

针对管廊巡检业务智能化水平低、人力制定巡检计划效率低的问题，将巡检问题抽象为旅行商问题（TSP），并根据智慧管廊实际运营需求，提出一种考虑检点设备优先级的代理模型辅助元启发式优化方法求解路径规划问题，实现危险检点优先巡检、安全检点推后巡检的理念，提升巡检质量和效率。搭建以XGBoost为核心的地下综合管廊环境安全状况评估模型，训练其在管廊安全状态分类的能力。同时针对管廊设备运行过程中易受变载荷、变工况和大扰动影响，提出基于填充采样准则的专家知识与考虑模型估值和其不确定度信息的高维多尺度自适应注意力机制深度学习结合的方法建立管廊整体实时风险辨识与预警模型。

·综合管廊实时火灾风险隐患发展趋势评估技术

针对综合管廊承载能量庞大、散热效果不佳、导致火灾风险隐患极大等特点，提出一种基于YOLO V5框架的实时火焰蔓延位置及蔓延速度和火焰宽度的提取方法，使得获取火灾发展趋势、评估事故严重性和评价预期损失成为可能。针对复杂的建筑火灾场景，提出一种较低成本的火灾热点识别模型，并应用于嵌入式设备，获取火灾的实时动态发展情况，可为火灾现场消防救援提供实时火场信息，如火灾规模（火焰宽度）、火灾发展速度（火焰前锋蔓延速度）等，为灭火救援战术的制定提供依据。

5　结论

目前，该综合管廊智能监管系统关键技术已在山西太原科技创新城、太原晋源东区等综合管廊得到应用，并取得了良好的社会经济效益。综合管廊智能化建设的应用，有效提高了管廊综合管理能力。同时，基于三维可视化数据，有效节约了运维阶段的人力、财力资源投入，对推动综合管廊行业整体信息化管理水平提升也提供了一定指导作用。

作者简介：

郭亮亮（1981-），男，山西晋城人，正高级工程师，硕士，现就职于山西省信息产业技术研究院有限公司，研究方向为工业互联网、新一代信息技术、智慧矿山、工业自动化控制技术设计与研发。

参考文献：

[1]赵远清.城市地下综合管廊规划设计与安全运维技术研究[M].北京:中国建筑工业出版社,2022.

[2]张涛,戴文涛,丁宁.智慧城市综合管廊技术理论与应用[M].北京:机械工业出版社,2021.

摘自《自动化博览》2024年12月刊