基于BIM+GIS技术的智慧管网系统研究与实践应用

崔毅　张一帆　白天炜

摘要 文章围绕重载铁路作业区域地下管线智慧化管理研究与应用，以实现三维可视化、管线状态监测及视频监控、故障定位等地下管线智慧化管理目标为导向，从系统架构设计（基础设施层、数据层、基础服务层、应用层、用户层）、功能应用管理（三维场景展示、资料文件管理、监测数据管理、管线巡查管理、视频监控管理、后台数据管理以及系统管理）等方面，介绍了智慧管网系统的建设方案。结合工程实例，验证了智慧管网系统的使用价值，为今后地下管线巡查、分析、决策提供强有力的数据支持。

关键词 重载铁路;智慧管网;预警管理;可视化

中图分类号 TU990.3 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）11-0001-03

引言

随着城市化进程的不断发展，作为城市的地下“神经网络”，地下管网的建设也在持续推进，其空间关系与属性信息也一直存在动态变化。传统的城市地下管线管理方式无法实现信息共享，效率低下，难以适应城市发展对海量数据管理要求的现状。

《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》国办发〔2014〕27号）对“开展城市地下管线普查”“建设和完善综合管理信息系统”等工作提出具体要求[1]。随着信息化技术的不断发展，基于BIM+GIS、物联网、大数据等先进数字化技术的智慧管网管理系统为城市地下管网的建设和运维管理提供了新的解决方案[2]。

1 智慧管网系统的建设

1.1 系统总体架构

智慧管网系统总体架构分为基础设施层、数据层、基础服务层、应用层、用户层五个层次。如图1所示。

基础设施层：为平台层提供基础设施服务，包括网络设备、服务设备、存储设备、安全设备。数据层：数据的存储与访问，通过建立数据库，分类存储各类数据，包括应用业务数据、GIS数据、BIM数据、文档数据等，为业务应用提供数据支撑。基础服务层：基于数据库，通过WEB引擎、三维GIS引擎、BIM轻量化引擎、工作流引擎对数据进行清洗、抽取等操作，为应用层或用户层提供数据服务。应用层：用来处理各种功能请求，实现系统的业务功能，是一个系统最为核心的部分。用户层：用于显示数据和接收用户输入的数据，为用户提供一种交互工操作的界面，平台展现端包括：大屏端、PC端、App端[3]。

1.2 系统功能组成

智慧管网系统由三维场景展示、资料文件管理、监测数据管理、管线巡查管理、视频监控管理、后台数据管理以及系统管理组成。其中，三维场景展示实现管线数据的二维及三维一体化展示;监测数据管理实现各类管线运维数据、监测数据的集成管理;管线巡视管理实现管线管理单位巡查任务的闭环管理;后台数据管理模块提供各类管线监测阈值设置，辅助管线监测预警管理[4]。

1.3 数据库建设

1.3.1 管线BIM模型数据

利用BIM技术，通过现场踏勘和基础资料研究，建立地下管线三维BIM模型，借助物联传感技术与监控视频流实时传输技术[5]，完成BIM模型与管线运维管理数据的联动，实现城市地下管网的三维可视化管理与动态监测管理[6]。

1.3.2 倾斜摄影三维数据

通过倾斜摄影测量技术创建地上环境三维模型数据，构建真实可靠的现场三维场景，与地下管线BIM模型相结合实现地下管线与周边环境的位置上关系、影响关系的可视化展示，达到地上地下三维一体化管理[7]。

1.3.3 监测数据

基于摄像头、传感器等监控设备，通过网络将管线监测数据传输到系统，并且将城市管线传感器与相关视频监控设备的数据与三维模型数据关联，为实现物联网设备与三维场景的融合提供了数据基础，进一步提高城市管网系统的智能化。

2 智慧管网系统在神朔重载铁路中的实践应用

2.1 工程概况

神朔重载铁路作业区域内涉及的地下管线主要包括给水、排水（污水、雨水）、燃气（煤气、天然气、液化石油气）、通信、电力、热力、工业管道等类型。由于神朔铁路建成年限较长，且经过多次改扩建，导致各类地下管线档案资料混乱和管理缺位，目前管线管理工作主要问题包括：

（1）管线档案不全。

（2）管线超期服役、隐患突出。

（3）应急能力脆弱、预警不足。

鉴于神朔重载铁路作业区域地下管线的安全运行直接影响到作业区域正常工作的平稳运转，故开展神朔重载铁路作业区域的地下管线智能化管理研究是十分必要的。

2.2 智慧管网系统应用

2.2.1 智慧管网“一张图”

该项目智慧管网系统集成地上环境模型、地下管线BIM模型、管线属性信息、监测信息、视频监控、巡视信息等数据，实现各类数据“一张图”的融合展示。如图2所示。

通过智慧管网“一张图”，实现地下管网多源数据融合。神朔重载铁路作业区域地下管网履历、检修信息、运维信息等数据集成展示，为地下管线巡查、分析、决策提供强有力的数据支持[8]。

2.2.2 巡视与检修闭环管理

管理人员通过日常管线巡查，发现管线渗漏、破损等状况，通过手机端上传问题后，智慧管网系统即可显示该问题发生的地理位置。系统根据问题的位置和上报人员账户，自动判断本管线问题维修的归口工区和人员，维修人员的移动端系统即可收到该管线问题的维修任务，登录系统后，即会看到自己的处置任务。处置完成后，通过系统上传处置结果。实现巡视检修的闭环管理。如图3所示。

通过系统实现检修处置问题和管线BIM模型的关联，实现以BIM模型为数据底座的管线全生命周期数据集成。另外，通过系统对检修处置流程进行留檔管理，以便管理人员后续追踪及考核。

2.2.3 基于BIM模型的物联网数据实时展示55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7

神朔重载铁路作业区域地下管线智能化建设需要多种物联网感知设备，基于智慧管网系统集成各类物联网设备，实现管线压力、温度、流量、位置状态等信息集成管理。

通过智慧管网系统实现各类物联网数据分类统计，依据系统设置的阈值进行系统自动预警管理。管理人员通过平台定位到具体管线位置，调取该范围摄像头，查看现场实际情况，指导预警信息的处理。

2.2.4 上帝视角的场景化漫游管理

利用第一视角对全线路场景进行漫游，在漫游过程中可以选择是否穿过障碍物，开启则在漫游过程中碰到構件会直接穿过，关闭则被阻挡;选择是否开启重力感应，开启则由高处行进至低处时，会自动降低高度，下落至低平台，关闭则保持高平台高度继续前进;输入移动速度，此速度为漫游时的行进速度，默认为0.5。

填写完成后，点击开始漫游，根据提示，在场景中选择漫游起点，使用键盘WASD进行前后左右移动，Q键为左旋转，E键为右旋转，漫游线路结束后，则点击结束漫游，这时漫游记录会被保存至漫游播放列表，点击播放即可回看漫游过程，可以暂停，删除。如图4所示。

2.2.5 地理空间及模型测量

根据日常业务管理的需要，系统不仅可以实现对模型进行全专业、分属性的查看与控制，也可为地理空间提供四种测量方式，包括距离、面积、构件尺寸、高程的测量。

距离测量：在系统中点击测量距离按钮，在场景中选择两点进行测量，测量结果展示在右上方，结果包括两点间的距离，以及XYZ轴的相对距离。

面积测量：点击测量面积按钮，在场景中依次选择三个及三个以上的点，进行面积测量，测量结果在右上方显示。如图5所示。

构件尺寸：点击构件尺寸按钮，选择需要查看尺寸的构件，结果会在右上方展示，构件也会有尺寸标注。

高程测量：点击测量高程按钮，在场景中选择要测量高程的点，结果会直接显示的测量的点上。

2.3 效果分析与评价

（1）基于BIM技术和GIS技术，完成神朔重载铁路作业区域的地下管网的三维虚拟重现，为地下管线管理人员提供了可视化的管理工具。

（2）智慧管网系统集成了管线的静态信息和动态信息，为地下管网管理提供了数据支撑。

（3）基于智慧管网系统，进行管线行状态监测和智慧巡检，及时发现问题，制定预案，降低了隐患变为事故的概率，加强了地下管线的安全管理。

3 结语

基于BIM+GIS的智慧管网系统，直观显示地下管线的空间层次和位置信息，形象展现地下管线的结构和周边环境位置关系，方便排管、维护及抢修等各种情况发生时信息的查找，实现了地下管网的数字化、空间化及图形化管理，为今后地下管线资源的统筹利用和科学布局、管线占用审批等工作提供准确、直观、高效的参考。

参考文献

[1]《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》国办发2014[27]号.

[2]逄崇雁，盖琪琳，孙艳茹.基于GIS的智慧管网系统设计[J].网络安全和信息化，2021（5）：77-79.

[3]朱骏侠.基于WebGL的三维智慧管网系统的设计与实现[J].测绘通报，2021（4）：146-150.

[4]虞培忠，程晨，杨金泽，等.基于BIM的地下管网施工管理系统[A].中国土木工程学会，2020：8.

[5]王凡.物联网数据融合在智慧管网监控系统中的应用研究[D].大连：大连交通大学.2016.

[6]李卫海，廖乐林.基于智慧管网的高性能通信前置系统的研究与应用[J].测绘与空间地理信息，2017（11）：116-118+122.

[7]耿涛.BIM技术与倾斜摄影测量结合在市政景观工程中的应用[J].工程技术研究，2021（3）：36-39.

[8]刘旭，朱建忠，孙柏.亳州市地下管网安全运行监测平台建设创新与实践[J].智能城市，2021（6）：19-20.

收稿日期：2022-03-23

作者简介：崔毅（1975—），男，本科，助理工程师，研究方向：节能环保。55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7