CN109080664B - 基于三维结构的地铁站实时监控方法及应急处理预演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维结构的地铁站实时监控方法及应急处理预演方法，所述监控方法包括：通过与负责地铁线路设计、建设和运维的轨道交通BIM系统互联，构建地铁站三维结构监控模型；通过定义通用接口和综合监控系统建立互联通信，获取地铁站实时运行状态；根据地铁站实时运行状态输出地铁站三维实时场景，实现地铁站三维实时监控。所述应急处理预演方法包括：采用前述的地铁站三维结构监控模型，将地铁站应急处置时的综合监控系统操作控制预案在地铁站三维结构监控模型上进行火灾情况及人员逃生疏散预演。本发明可实现各种应急管理信息的可视化显示、综合查询分析，并提供直观高效的辅助决策功能。

Description

基于三维结构的地铁站实时监控方法及应急处理预演方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种基于三维结构的地铁站实时监控方法及应急处理预演方法。

背景技术

轨道交通建设是一项投资巨大，工程极其复杂的项目，目前我国多个城市地铁的建设过程中已经开始尝试使用建筑信息模型BIM(Building Information Modeling)技术，实质是通过创建三维建筑模型，利用和共享模型中的信息，实现建设项目进行设计、建造和运营管理过程的无缝对接以及项目相关方的信息畅通，实现项目周期全过程手段和方法上的信息化。随着BIM的推广和不断发展，BIM模型在建设竣工交付后，还可以作为轨道交通长期运维和运营模型。

轨道交通综合监控系统(Integrated Supervisory Control System，以下简称综合监控系统或ISCS)是指对轨道交通线路中所有电力和机电设备进行监控的分层分布式计算机集成系统，包含了内部的集成子系统，并与其他专业自动化系统互联，实现信息共享，促进轨道交通高效率运营。分为车站级(包含停车场和车辆段)综合监控系统、中心级综合监控系统，通过轨道通信传输骨干网连接。

车站级综合监控系统为地铁车站的运行维护人员提供实施监控车站各类机电设备和设施(包括供电系统、消防火灾报警系统、气体灭火系统、电气火灾报警系统、环控通风空调系统、智能照明系统、电梯电扶梯系统、站台屏蔽门系统、门禁系统、检售票闸机系统、广播系统、视频监控系统、乘客信息系统等)的人机界面，一个车站的控制机电设备多达几百台，各类状态温湿度传感器几千个，这些单个的设备通过各类管路控制线缆连接，彼此密切配合，以组合目标控制状态序列形成控制模式。如：空调通风系统可分为火灾模式、全新风模式，夏季空调模式，在火灾模式中又分为各防火分区的运行模式。在目标控制模式下，综合监控系统控制车站通风系统的各类风阀的开度、风机的运转方向，车站的运行管理人员需要详细了解通风管路各处设备的运转状态，进行运行模式的正确执行的判断，保证通风管路通畅执行通风排气。

以往的综合监控系统提供的监控画面是基于二维平面图纸，地铁车站是多层多出入口的立体建筑，特别是涉及多条线路的换乘车站，尤其有着复杂的设备及其连接管路的空间部署结构，因此需要将综合监控的信息在三维方式下展现。

地铁车站的三维实时监控系统是在城市轨道交通运营管理维护中充分地利用三维空间展示技术，对综合监控系统的各种信息源按照统一的规范关联地理信息，形成三维数字信息，构建一体化的数字集成平台和虚拟环境。在这一平台和环境中，以系统软件与数学模型对轨道交通运营管理中的各种方案进行模拟、分析和研究，并在可视化的条件下提供决策支持，增强决策的科学性和预见性。

目前各轨道交通地铁公司对三维车站建模也进行了相关项目建设，但以往方法是对单独车站从头建立三维模型需要耗费巨大人力和时间，而且地铁车站是多个专业的运维人员共同运维，设备和运行方式等都会随着地铁线路的运营需要进行更换和修改，独立建立的车站三维模型还需要再次修改，或者就缺乏后期的有效维护而失去与现实车站的一致性。而且目前建立的三维模型系统主要适用于静态仿真培训，没有用于车站的实时监控，关键是缺乏与综合监控的实时数据库建立通用的接口连接，以适用于各类不同的综合监控系统，能够快速获取设备的实时状态和告警信息在三维系统中显示。

此外各轨道交通地铁公司针对地铁车站应急处置的预案多以文档方式定义和发布，难以给执行人员提供具体车站的直观操作演示。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于三维结构的地铁站实时监控方法及应急处理预演方法，解决现有技术中地铁站三维结构监控模型构建耗费巨大、缺乏有效维护、与现实车站不一致、实时性差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于三维结构的地铁站实时监控方法，所述方法包括：

通过与负责地铁线路设计、建设和运维的轨道交通BIM系统互联，构建地铁站三维结构监控模型；

通过定义通用接口和综合监控系统建立互联通信，获取地铁站实时运行状态；

地铁站三维结构监控模型根据地铁站实时运行状态输出地铁站三维实时场景，实现地铁站三维实时监控。

进一步的，构建地铁站三维结构监控模型的方法包括：

从轨道交通BIM系统中获取地铁站全线BIM模型文件并定期更新；

从地铁站全线BIM模型文件中裁剪获取单个地铁站BIM模型文件；

对单个地铁站BIM模型文件进行简化处理，删除建筑结构方面模型信息；

增加机电设备模型文件，并将其与简化后的地铁站BIM模型文件进行合并，获得地铁站三维结构监控模型。

进一步的，对单个地铁站BIM模型文件进行简化处理的方法包括：

选取关键建筑结构、管线结构导出为业务图层；

删除建筑细节、材料机理模型。

进一步的，增加的机电设备模型文件包括：机电设备运行状态信息以及组合模式信息；

所述机电设备包括：扶梯、电梯、闸机、屏蔽门、风机、风阀、消防设施。

进一步的，所述综合监控系统采用并发的三维数据服务进程对每个地铁站的三维实时监控人机界面进行服务，具体为：

采用以设备属性的数据结构为交换基本单元的接口方式，在综合监控系统中部署每个地铁站的三维数据服务进程：

当地铁站的三维实时监控人机界面启动时，综合监控服务器自动加载服务进程；

当地铁站的三维实时监控人机界面关闭时，综合监控服务器自动回收服务进程。

进一步的，采用Web服务接口进行地铁站三维监控系统和综合监控系统之间的交互，具体为：

地铁站三维监控系统定时组织当前界面设备数据标识号形成xml格式报文，发送给Web服务接口，Web服务接口转换数据给综合监控系统的服务程序，由服务程序查询获取实时数据库相应数据信息，再通过Web服务接口转发给地铁站三维监控系统。

本发明还提供了一种基于三维结构的地铁站应急处理预演方法，包括：

通过与地铁线路设计、建设实现地铁站三维监控系统和轨道交通BIM系统互联，构建地铁站三维结构监控模型；

将地铁站应急处置时的综合监控系统操作控制预案在地铁站三维结构监控模型上进行火灾情况及人员逃生疏散预演，具体包括：

获取当前地铁站所有机电设备运行状态作为地铁车站的应急演练模拟环境；

设定地铁站火灾报警分区位置、地铁站排烟通风设备运行模式及地铁站乘客数量和密度分布；

启动火灾预演，在时间轴播放器上，分别导入火灾报警、排烟通风启动、人员逃生疏散事件；

根据地铁站三维空间的通风通道的排烟速度，调整各类风机风阀的模式运行，模拟观察各区域烟雾控制情况，验证设备目标控制运行状态组合的合理性，记录地铁站最大排烟能力应对不同等级火灾到达可控状态所需时间；

根据地铁站三维空间的人员通道通过速度，调整模拟观察各区域人员疏散速度，记录地铁站全部人员疏散所需时间。

进一步的，设定地铁站火灾报警分区位置要求：在地铁站三维结构监控模型上设置2个以上消防手动报警器或烟雾感应器的模拟报警，触发该地铁站防火分区告警。

进一步的，设定地铁站排烟通风设备运行模式，包括：

在地铁站三维结构监控模型上设置地铁站两侧的排烟送风道内的系列风机、风阀、回排风道、地铁站公共区域系统空调、地铁站设备机房系统空调、站台屏蔽门的运行工况。

进一步的，设定地铁站乘客数量和密度分布，包括：

在地铁站三维结构监控模型上设置上行站台、下行站台、站厅层、管理区、出入口的模拟人员数量和分布密度，并设定其逃生路线。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

地铁车站三维监控系统通过数据的共享、分析和图形表达，对地铁运行各个子系统设备运行状态和信息进行监视，对各种安全状况进行应急管理，加深了地铁运行和运维人员对车站运行状况的了解，提高应急响应速度；

可以实现各种应急管理信息的可视化显示、综合查询分析，并提供直观高效的辅助决策功能；

地铁车站三维监控系统有利于支撑当前城市地铁交通运行模式的高效率管理方式，有助于将地铁交通内部系统之间的各种数字信息资源加以整合利用。

附图说明

图1是地铁站三维实时监控系统结构及与外部系统的数据交互示意图；

图2是从地铁BIM系统接口获取车站BIM模型文件；

图3是根据BIM模型文件进行简化并转化为用于车站三维综合监控的模型；

图4是车站三维监控系统与轨道交通综合监控系统数据接口通信；

图5是车站三维监控系统上进行的火灾情况及人员逃生疏散预演。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一、地铁站三维结构监控模型的构建

通过与负责地铁线路设计、建设和运维的轨道交通BIM系统互联，截取单个地铁站简化建筑模型，并增加机电设备部分，共同转化为地铁站三维结构监控模型。

与轨道交通BIM系统发生接口通信，获取地铁站BIM模型文件，并用定期更新方法，在整个系统生命周期内，跟随BIM模型的更新而自动更新，即当大BIM平台系统中地铁站模型发生变化，地铁站三维监控系统可以自动跟随下载最新的BIM模型文件进行更新。

如图1、图2所示，城市地铁公司整个有一个大BIM平台系统，其中保存了各条线路的地铁站模型和区间隧道模型，对于地铁站三维监控系统，为了提高三维实时监控界面的加载速度和人机交互的反应灵敏，不能加载整条线路的BIM模型，而只需要从整条线路的BIM模型中获取单个地铁站BIM模型文件。

从全线BIM模型文件中裁剪获取的单个地铁站BIM模型文件中仍然包含了大量的建筑结构方面模型信息，必须对其做简化处理，具体如图3所示，选取关键结构、建筑、安装模型中的“墙”、“楼板”、“楼梯”、“通道”等与地铁站空间相关模型，分别导出建立为“站台”、“站厅”、“管理机房”业务图层，删除大量内部结构、建筑细节、材料机理模型。这个样建立的模型对于地铁站三维实时监控的人机界面简单明了，加载和交互迅速。

从BIM模型文件中导入的主要是建筑相关的模型信息，要进行地铁站的综合监控主要是结合空间查看部署在各处的机电设备运转状态以及组合模式，因此必须增加BIM模型文件中所没有的或者弱化处理的机电设备模型，包括扶梯、电梯、闸机、屏蔽门、风机、风阀、消防设施等，然后与简化的单个地铁站BIM模型文件进行合并，获取地铁站三维结构监控模型。其中，需要增加的设备模型列表如下：

二、与综合监控系统的接口互联和数据服务

如图4所示，地铁站三维监控系统通过定义通用接口与综合监控系统建立互联通信，获取地铁站设备设施的实时运行状态，将原有的二维监控画面转化为结合设备及连接管路位置和空间运营场景的三维场景实时显示。

综合监控系统采用并发的三维数据服务进程对每个地铁站的三维实时监控人机界面进行服务，接口方式以设备属性的数据结构为交换基本单元，在综合监控系统中部署每个地铁站的三维数据服务进程，各地铁站数据服务独立，方便服务计算资源分配。当地铁站的三维实时监控人机界面启动时，综合监控服务器自动加载服务进程；当地铁站的三维实时监控人机界面关闭时，综合监控服务器自动回收服务进程；

采用Web服务接口进行地铁站三维监控系统和综合监控系统之间的交互。地铁站三维监控系统定时组织当前界面设备数据标识号形成xml格式报文，发送给Web服务接口，接口转换数据给综合监控系统服务程序，服务程序查询获取实时数据库相应数据信息，再通过Web服务接口转发给地铁站三维监控系统。地铁站三维监控系统实时显示设备、场所状态信息。服务信息定义如下：

在地铁站三维运行监控系统端部署Web服务接口，以三维系统的位置点位的设备属性数据结构为交换基本单元，单个设备的属性可无限扩展；点位设备属性数据结构定义如下：

地铁站三维监控系统向综合监控系统请求数据报文的示例如下：

三、地铁站应急处置预案合理性验证和预演

根据轨道交通用户的需求，建立地铁站建筑、房间内部场景、道路、楼梯、子系统设备等模型。提供模型编辑工具，通过模型编辑工具，可以实现对三维结构监控模型的编辑更改、制作添加、设备数据关联等维护操作。地铁站三维监控系统的功能包括：

(一)地铁站三维结构监控模型调阅

三维结构监控模型操作功能：作为地铁站三维监控系统的基础功能，需要支持对整个地铁站三维监控系统的便捷友好操作，支持放大、缩小、上移、下移、左移、右移以及鼠标拖拽系统功能。

鹰眼图控件功能：根据轨道交通用户需求，地铁站三维监控系统配置鹰眼图控件功能，通过鹰眼图控件，可以直观监控该楼层的区域布局以及设备布局。该鹰眼图控件在用户选择某个楼层时，展示出来。鹰眼图按照设计图纸和真实布局显示当前楼层的区域划分以及设备分布，点击相应区域可以快速切换到楼层的该区域，对该区域进行放大，实现快速漫游功能。鹰眼图上实时显示当前位置。同时提供控件的开关功能，用户可以控制该控件的显隐。

模型地图缩放控件：地铁站三维监控系统提供缩放控件，可以进行整个系统地图的缩放，缩放支持6级以上缩放，同时可以根据需求对缩放控件是否显示进行设置。

模型地图比例尺控件：地铁站三维监控系统提供比例尺控件，可以直观查看当前的地图缩放比例。

模型地图标注功能：根据轨道交通用户需求，地铁站三维监控系统提供模型地图标注功能。用户可以根据运行的需求，在子系统设备、区域位置编辑标注信息并保存在系统中。标注在平时为缩小状态，点击设备、区域或者标注时，弹出标注信息对话框，用来进行警示提醒用户操作注意事项或者设备信息。点击标注，可以放大定位到该区域。

(二)地铁站三维建模及监视

整体视角监视：轨道交通用户可以从外部浏览整个地铁站及周围环境的三维场景，对场景进行操作，进入地铁站内部，浏览地铁站内部环境以及设备信息，实现对整个地铁站全方位、广角度、多粒度的三维场景监视。轨道交通用户可以通过ISCS综合监控系统画面调用地铁站三维监控系统，工作站的HMI应是友好的和易于操作的。

楼层展示功能：地铁站各个楼层空间分布和设备不同，为便于轨道交通用户更为清晰查看各个楼层设备运行情况，提供建筑物外墙矮化和透明化功能。轨道交通用户能够透明化或者矮化建筑外墙及地面，直观监视整个地铁站各个子系统设备以及列车布局及运行情况。同时轨道交通用户可以选择查看的楼层，选择矮化或者透明化外墙及地面，直观监视该楼层设备布局及设备状态。

内部实景展示功能：根据轨道交通用户需求，采用街景拍摄等形式，拍摄某些区域的街景照片，建立真实的三维全景展示模型，轨道交通用户可以选择进入该区域，在区域内漫游浏览区域实景，查看地铁内部真实的场景。同时可以根据轨道交通用户需求，设计如地铁站内部区域环境浏览、应急场景展示功能。

(三)设备状态监视及区域状态三维渲染

设备状态监视功能：地铁站三维监控系统中需要对整个地铁站的所有设备运行状态进行监视，设备模型关联数据库信息，采集数据库设备状态。通过外观颜色直观的标识出当前设备运行、停止、故障、通讯中断等状态信息，点击设备弹出详细信息对话框，展示遥测、遥信详细信息，方便用户对整体设备的运行状态进行监视。地铁站三维监控系统采集综合监控系统数据库设备信息，实时更新到地铁站三维监控系统中，数据更新时间不超过2s。

子系统独立显示功能：由于轨道交通系统中具有多个子系统，造成整个地铁站三维监控系统设备密集，对于整体的监控效果造成不利的影响。对于模型中的设备进行分类，用户可以通过勾选的方式，选择该子系统设备的显示/隐藏，方便整体的监控工作。

温湿度区域渲染功能：地铁站三维监控系统采集数据库中的烟感传感器信息和温湿度传感器信息，检测区域温湿度和CO₂浓度，用户可以进行选择查看该区域的温湿度信息以及CO₂浓度信息。用户可以选择渲染的指标，对地铁站内各个区域进行渲染，直观展示出来，方便用户调节空调等设备，改善地铁站内部环境。

消防报警功能：地铁站三维监控系统根据设计院提供的图纸，设计地铁站三维监控系统的防烟和防火分区。地铁站三维监控系统采集到烟感探测装置的火警状态和烟雾信息，检测到火灾发生，对相应区域的防烟分区和防火分区进行渲染。

设备告警功能：地铁站三维监控系统采集综合监控系统alarm库的告警表，展示设备告警信息，通过告警表的形式，展示当前的重要告警信息，并且通过设备的告警信息可以定位到报警设备，可以根据用户需求对告警内容进行过滤。

(四)火灾应急、人员疏散场景预演功能

根据用户需求和设计院图纸，地铁站三维监控系统划分防火分区，提供防火分区功能。监控系统采集关系库中烟感传感器火警状态，检测火灾发生，在该区域渲染烟雾火光等火灾场景，并在对应防火分区进行渲染，告警窗显示火灾告警信息，对用户进行告警。同时标识出紧急逃生通道，指示信息，提示用户进行安全疏散工作。

将地铁站应急处置时的综合监控系统操作控制预案在三维结构监控模型上进行预演，验证火灾时大客流人群疏散等运行模式下各类地铁站设备目标控制运行状态组合的合理性。

如图5所示，在构建的地铁站三维结构监控模型上进行的火灾情况及人员逃生疏散预演，其步骤为：

从实时监控系统中提取各机电设备运行状态，保存为数据文件，以此为基础进行场景模拟，可以取一天中高峰时段和平峰时段分别进行应急模拟场景演练。

设定地铁站火灾报警分区位置：在地铁站三维结构监控模型上设置2个以上消防手动报警器或烟雾感应器的模拟报警，触发该地铁站防火分区告警；

设定地铁站排烟通风设备运行模式：在地铁站三维结构监控模型上设置地铁站两侧的排烟送风道内的系列风机、风阀、回排风道、地铁站公共区域系统空调、地铁站设备机房系统空调、站台屏蔽门的运行工况；

设定地铁站乘客数量和密度分布：在地铁站三维结构监控模型上设置上行站台、下行站台、站厅层、管理区、出入口的模拟人员数量和分布密度，并设定其逃生路线；

进行火灾预演过程：启动火灾预演，在时间轴播放器上，分别导入火灾报警、排烟通风启动、人员逃生疏散事件。

排烟能力验证：根据地铁站三维空间的通风通道的排烟速度，调整各类风机风阀的模式运行，模拟观察各区域烟雾控制情况，验证设备目标控制运行状态组合的合理性，记录地铁站最大排烟能力应对不同等级火灾到达可控状态所需时间。

人员疏散能力验证：根据地铁站三维空间的人员通道通过速度，调整模拟观察各区域人员疏散速度，记录地铁站全部人员疏散所需时间。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于三维结构的地铁站实时监控方法，其特征在于：所述方法包括：

通过与负责地铁线路设计、建设和运维的轨道交通BIM系统互联，构建地铁站三维结构监控模型；

通过定义通用接口和综合监控系统建立互联通信，获取地铁站实时运行状态；

地铁站三维结构监控模型根据地铁站实时运行状态输出地铁站三维实时场景，实现地铁站三维实时监控；

构建地铁站三维结构监控模型的方法包括：

从轨道交通BIM系统中获取地铁站全线BIM模型文件并定期更新；

从地铁站全线BIM模型文件中裁剪获取单个地铁站BIM模型文件；

对单个地铁站BIM模型文件进行简化处理，删除建筑结构方面模型信息；

增加机电设备模型文件，并将其与简化后的地铁站BIM模型文件进行合并，获得地铁站三维结构监控模型。

2.根据权利要求1所述的基于三维结构的地铁站实时监控方法，其特征在于：对单个地铁站BIM模型文件进行简化处理的方法包括：

选取关键建筑结构、管线结构导出为业务图层；

删除建筑细节、材料机理模型。

3.根据权利要求1所述的基于三维结构的地铁站实时监控方法，其特征在于：增加的机电设备模型文件包括：机电设备运行状态信息以及各机电设备组合运行模式信息；

所述机电设备包括：扶梯、电梯、闸机、屏蔽门、风机、风阀、消防设施。

4.根据权利要求1所述的基于三维结构的地铁站实时监控方法，其特征在于：所述综合监控系统采用并发的三维数据服务进程对每个地铁站的三维实时监控人机界面进行服务，具体为：

采用以设备属性的数据结构为交换基本单元的接口方式，在综合监控系统中部署每个地铁站的三维数据服务进程：

当地铁站的三维实时监控人机界面启动时，综合监控服务器自动加载服务进程；

当地铁站的三维实时监控人机界面关闭时，综合监控服务器自动回收服务进程。

5.根据权利要求1所述的基于三维结构的地铁站实时监控方法，其特征在于：采用Web服务接口进行地铁站三维监控系统和综合监控系统之间的交互，具体为：

地铁站三维监控系统定时组织当前界面设备数据标识号形成xml格式报文，发送给Web服务接口，Web服务接口转换数据给综合监控系统的服务程序，由服务程序查询获取实时数据库相应数据信息，再通过Web服务接口转发给地铁站三维监控系统。

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