改革开放以后，我国的城市发展驶入了快车道，经过几十年时间的发展，国内城市大型基础设施规划已基本明确，城镇化初期的大拆大建弊端逐步显现，城市转型已在路上。居民对生活环境的要求日益提升，城市由工业文明向生态文明转变，由地上大型建设转向地下小型空间建设。目前，我国大城市的城市病突出，推动地上和地下两个城市共同建设，发展和利用地下空间，可以有效解决城市空间不足的问题。

《“十四五”新型城镇化实施方案》强调要推进新型城市建设，推进水电气热信等地下管网建设，因地制宜在新城新区和开发区推行地下综合管廊模式，推动有条件城市路面电网和通信网架空线入廊入地。

综合管廊是城市的地下血脉，集中用于敷设电力、通信、广播电视、给水等市政管线。管廊内具备良好的运行环境，可有效提升管线使用寿命，可在管廊内进行管线的安装、扩容和维修，有效减少了城市道路路面的破坏与开挖。

综合管廊，建设是重点，管理是核心。实现管理的智慧化，是对综合管廊运营维护的高层次要求。当前综合管廊运营维护智慧化主要体现在传感器综合运用、BIM+GIS（地理信息系统）融合、信息化平台应用、无人巡检等。

《“十四五”建筑业发展规划》阐明了“十四五” 时期建筑业发展的战略方向，是行业发展的指导性文件。在“三、主要任务”中，提出了如下两点：

1、加快建筑机器人研发和应用。

2、加快推进建筑信息模型（BIM） 技术在工程全寿命期的集成应用。

在现有的运维管理基础上，进一步的，将”十四五”建筑业发展规划中对我国建设业发展的多点要求进行串并联，探索性的尝试将BIM技术与巡检机器人综合运用，进一步创新当前管廊运维中无人巡检的应用方式。

一、BIM（建筑信息模型）在综合管廊建设中的应用

BIM（Building Information Modeling）的核心是通过建立拟建工程的三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的工程数据信息库，BIM技术可贯穿建设工程项目的全寿命周期。

在综合管廊的建设中，可以按照“规划、建设、治理”一体化改革思路推进智慧管廊建设，保障城市安全运行。其中规划可与CIM（城市信息模型）进行数据共享与对接，而BIM技术是建设阶段主要运用的信息化手段之一。BIM、GIS、IOT（物联网）等技术综合运用，可以整合城市多维数据，包括了地上地下、室内室外、历史现状等，构建起三维数字空间的CIM信息综合体。BIM信息数据起始于建设项目，最终汇聚于CIM平台，在工程项目管理工作中，BIM技术可以有效的辅助各阶段管理，提升管理效能。

在规划设计阶段，利用三维可视化特性，形成数字化设计成果。BIM模型的精度达到LOD400及以上，可在设计阶段进行碰撞检查、净高分析、工程量统计等工作，模型转化出的二维图纸可用于施工图审查，若管廊建设地区已经具备BIM施工图审查条件，则可以实现施工图的三维数字化审查。结合GIS技术，对拟建区域进行倾斜摄影，可以对土石方开挖工作的工程量进行统计，BIM+GIS可以完成实景还原，助力前期工作的快速决策与经济测算。

在施工阶段准备期，可以利用通过施工图审查的BIM模型快速提取工程量，缩短招标控制价的编制时间，提高招标控制价的编制精度，为后续合同谈判建立好基础。在第一次工地例会前组织设计交底会，利用BIM技术进行碰撞检测，对设计中存在的瑕疵、不合理等进行总结，在会议中充分暴露问题，尽可能的减少由于设计问题产生的变更、签证，为后续项目施工建设提质增效。

在施工阶段，利用BIM模型指导施工，包括场地布置、路由规划、重难点分析、复杂节点可视化交底、BIM辅助跟踪审计等多项应用，若项目建设采用了智慧工地或信息化平台，则可以将多源数据进行融合，为项目的统一管理进行信息化赋能。

在竣工阶段，整个施工过程的中的信息不断汇入BIM模型，最终形成了数字化资产。这些信息包含了具体构件浇筑的时间，所用建筑材料信息，甚至还包含了全过程的造价信息。需要注意的是，由于目前竣工验收资料的整理、移交，仍然较为传统，直接利用BIM进行数字化移交的标准尚未建立，本阶段应当做好信息资产的分类、梳理工作，努力使数字资产达到数字档案接收的要求。

在运维阶段，通过算法设计，将BIM数据转换成地图数据导入巡检机器人，作为机器人路由控制的一种手段。通过传感器综合运用，利用BIM数据对机器人进行精确定位，将机器人视觉信息与BIM模型数据进行比对。

二、管廊巡检机器人在综合管廊中的应用

市政管廊属于线性工程，入廊管线种类包括天然气管道、热力管道、电力电缆、给水管道、排水管道等，具有长度大、环境复杂、人工巡查难度大、潜在伤害高等特点。城市综合管廊工程技术规范GB50838-2015中规定，综合管廊应设置监控中心及监控与报警系统。虽然目前建设的综合管廊都具备较高的安全性，但是在运营期内巡查过程中可能造成现场人员伤亡的突发事件，无法通过现有的技术规范进行预防和化解，而管廊巡检机器人的应用，可以很好的解决这个难题。

巡检机器人具有不间断工作、高机动性、高灵活性的特点，在应对突发事件，减少人员伤亡上有着很大的优势。机器人搭载的高精度传感器，可以对包括氧气含量、 有害气体浓度（CH4、 H2S 等）、温湿度趋势等监测，对于综合管廊内部的异响、异物入侵进行实时采集与报警，提升对管廊内部和运行设备异常情况的监控能力，具有很高的灵活机动性，同时兼顾了数据样本采集的实时性。

城市综合管廊工程技术规范GB50838-2015规定，天然气管道应在独立舱室内敷设，热力管道采用蒸汽介质时应在独立舱室内敷设。由于规模较大的综合管廊一般为多仓，整体巡检的路径较长，运营期若采用人力巡检，除需要考虑安全因素外，运营维护费用也较高。正是基于对安全、费用、效率的综合考虑，管廊运维的巡检正在逐步采用智能机器人，种类包括天轨机器人、移动机器人等。

天轨机器人的轨道系统架设在结构顶部，一般包括轨道系统、换电站系统、变轨系统等，天轨机器人的运用需要在项目的规划阶段即进行考虑，包括成套系统费用、管廊结构设计、相应的软硬件支撑与采购等，由于造价较高，在管廊的运维中应用较少。

移动机器人一般分为履带机器人和车轮机器人，采用电力驱动，在管廊地面行走，相比较天轨机器人，移动机器人路由可以灵活改变，巡检视角广阔，轨道避障和跃障能力强，可以进行BIM数据的综合化运用，在本文中，以此类机器人作为研究对象。

三、基于BIM数据的管廊巡检机器综合运用

本系统的关键是将机器视觉技术、高精度检测技术、物联网无线通讯技术、巡检机器人控制技术进行平台整合，设计完成一套具备自主产权的智能化巡检机器人。数据通过物联网无线通讯模块上传至上位机，由上位机完成图像数据化处理，建立图像数据与BIM数据的对比，对数据异常给出实时预警。智能巡检机器人的组成结构如图 1 所示。

图 1 巡检机器人系统结构图

由于BIM数据的可视化功能，可以对管廊进行精确的三维重现，机器人携带视觉模块，通过算法分析后，首先可对机器人行走进行实时定位，定位信息与处理后的BIM数据匹配，用于确定当前机器人位置。进一步的，当机器人的高精度检测模块发现异常数据时，机器人可以通过比对视觉模块获取的信息与当前BIM模型挂载的信息，从而初步判断发生异常管线的情况。通过物联网无线通讯技术，将当前精确的位置信息，视觉模块采集的图片或视频，高精度检测模块采集的数据信息，BIM模型的建筑设备信息，统一反馈到智能化管理系统进行处理，由系统判定并执行设定好的预案。

四、管廊机器人功能设计

本系统采用 STM32F103ZET6 作为寻迹机器人的中央控制器，实现对整个系统的信号提取和运动控制。通过寻迹传感器、直流无刷电机、舵机实现对巡检机器人和视觉检测模块的运动控制。系统通过有害气体分析、声音异动监控，实现对综合管廊内部安全运行的保障。无线通讯方式的采用，确保了特定监控点的图像数据上传，同时让巡检机器人上传自身状态信息成为可能。系统的具体技术路线如下：

1、 高精度多种气体检测

在选用传感器的过程中，需要综合考虑中央控制单元与检测传感器的接口，确保最大限度的利用中央控制单元额 IIC、 SPI、 UART 等协议引脚。

2、噪声、异响检测

由于综合管廊内部的环境较为复杂，需要对现场的声音监控数据进行放大、降噪、提取处理。噪声和异响监控主要设计小信号的干扰抑制、放大、提取等关键技术。

3、背景图像提取

为了利用 BIM 技术实现对工程造价的管理、分析，需要对综合管廊内部特定位置的图像数据进行自动拍摄与采集。在巡检机器人的前方安装工业高清相机，相机的选取主要考虑图像的分别率与采集速率。

4、基于物联网的无线传输技术

系统采用基于物联网的通讯模块作为媒介，可实现综合管廊内部图片的拍摄与上传，同时将检测到环境数据、巡检机器人的状态信息通过射频波进行远距离可靠传输。无线传输技术不仅解决了有线传输受制于距离和地形的影响，同时有效降低了系统的设计成本。

5、巡检机器人的运动控制

按照特定路线对综合管廊进行巡视，系统采集寻迹模块结合多维超声波传感器的方式实现巡检机器人的运动控制。巡检模块可有效识地面特殊的标识，按照预先制定路线进行巡检，同时多维超声波传感器提供了进一步的安全保障。除此之外，将BIM数据进行处理，制作成信息化地图并导入机器人，当寻迹导航失败时，可以采用BIM数据对机器人进行行动指引。

五、总结

管廊巡检机器人与BIM数据全寿命周期应用探索，实现了BIM技术在建设项目的全寿命周期中的深度应用，提升了工程项目管理的水平。特别在运维阶段中，BIM数据对巡检工作进行了指引，建立了新的思路。而巡检机器人的应用，对运维工作的效率提升、费用减少、安全保证、实时性等都有积极的影响。

1、社会效益方面。实现智慧巡检，提升整体管理水平；规范设备操作流程， 实现安全管理；提升经济，带动产业与技术发展。

2、经济效益方面。代替传统人工，提升巡检效率，实现减员增效；规范操作，降低安全生产风险；形成快速、精准、高效、实时的巡检反馈。

3、环境效益方面。电力驱动不会产生噪声、废气污染。通过机械人智能巡检，对管廊未来一段时间可能发生故障进行预测预警，向资产拥有者及运营维护人提前揭示风险的可能性，避免后期有毒有害气体、液体泄漏对周边环境产生影响，避免综合管廊功能丧失对周边配套建筑群产生影响从而引起次生环境危害。

基金项目：2022年安徽省住房城乡建设科学技术计划项目“智能巡检机器人系统研发与示范”（2022-YF175）