天然气主干管网过江管工程数字化的建设与运维

上海燃气工程设计研究有限公司 周 力

上海市天然气主干管网崇明岛－长兴岛－浦东新区五号沟 LNG站管道工程(下称过江管工程)是上海市天然气主干管网的重要组成部分，承担着“西气东输”“川气东送”等国家天然气工程进入上海后的接收和分配输送任务。这是上海市重大市政基础设施之一。该项目的建设将进一步完善和优化上海市天然气主干管网，确保崇明燃气电厂的安全供气，满足崇明岛、长兴岛和浦东新区经济及市场发展，同时也是落实长三角一体化发展战略，加快实现长三角基础设施互联互通的重要工程。

过江管工程路由示意如图1所示。

图1 过江管工程路由示意

该过江管工程是目前国内在建的天然气管道穿越长江距离最长的项目，配套建设的小直径隧道也是目前里程最长的天然气专用隧道。为解决小直径长距离隧道内天然气管道施工困难、实施过程管控难度大等问题，本文结合天然气行业的特点和管理需求，探索运用BIM技术、三维GIS技术和IoT技术，建立新兴信息化技术条件下，提供满足城市天然气输配系统建设、运行管控需求的数字化解决方案。以过江管工程为对象，探索建设一整套服务于城市天然气主干管网建设的管理系统平台，从而提升建设过程安全、质量、效率等的管控水平。

1 需求分析

1.1 功能需求

1.1.1 基于建设过程管理的功能需求

BIM 建模对过江管工程各阶段场景进行三维真实尺度还原，用户可以在计算机前进行全方位多角度的三维浏览，将三维实体与各类文档数据直观关联，更能实现空间分析和空间运算等深层次的管理需求，提升管理效能。在大型工程建设中，三维模型化管理的优势毋庸置疑。

1.1.2 基于全生命周期的信息化管理和应用需求

全生命周期管理是工程建设项目先进理念，对项目涉及的全部环节和工作进行有效的管理，即从项目的发起开始到项目结束的全过程进行计划、组织、指挥、协调、控制和评价，包括项目设计阶段的数据管理、项目实施阶段的项目管理和项目运维阶段的设施管理等。

1.2 数据需求

1.2.1 BIM数据

BIM 的中文全称译作“建筑信息模型”。该概念最早由Autodesk(欧特克)公司于2002年提出，目前已经在全球范围内得到业界的广泛认可。BIM技术可以帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计、施工、运行直至建筑全生命周期终结时的各种信息可以通过该技术整合在一个三维模型信息数据库中，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等项目各方人员可以基于 BIM 技术进行协同工作，提高工作效率、节省资源、降低成本，实现可持续发展。

1.2.2 SCADA数据

燃气SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系统，即数据采集与监视控制系统，可以对燃气管网中运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。在目前的主流应用中，SCADA系统与电能量计量系统、地理信息系统、水调度自动化系统、调度生产自动化系统以及办公自动化系统的集成是它的一个主要方向。结合本系统的功能需求，对照上述应用案例，SCADA系统的高度可集成性为运营维护阶段的设备巡查和运营监控提供了一个可靠的数据来源。

2 总体方案

2.1 标准体系

2.1.1 全生命周期协同工作制度

过江管工程的数字化建设，以项目全生命周期各阶段管理目标划分工作内容，明确工作重点，建立以管理需求为中心、各方共同参与的工作模式，分配各参与方责权利。

2.1.2 项目实施方案

建立一套完整的项目实施方案，包括实施目标、基础条件、项目实施流程和信息交换规则，从而达到高效交互和实施的目的。同时，针对实施目标和基础条件的完善，使业主对项目进度和完成情况有直观的了解。

2.1.3 数据标准

建立一套完整的数据格式标准及命名规则，包括空间和图形标准，精细度(颗粒度)标准，模型交付标准等，可以极大地提升项目信息交互协同效率，避免各种因为信息交互沟通不畅而产生的时间成本，从而缩短工期。

2.1.4 工具使用规则

各类工具的使用也应制定一套相应的规则，防止项目参与各方在协同平台上录入的数据信息详细程度不一致的情况，同时规范化的方法对相关人员快速适应工具也有积极的意义。

2.2 平台建设

2.2.1 基于全生命周期的全面管控

在一套标准的制度保障下，通过信息化的管理手段，利用覆盖项目全生命周期的数字化建设协同平台，进行项目的全过程管理。按照项目实际情况，将项目不同阶段的管理需求设置管理重点，以信息化手段将重点管控过程体现在管理平台中。

2.2.2 各参与方的任务协同

通过数字化建设协同管理平台和管理机制的建立，为各参见方提供一个高效、灵活和安全的协同工作环境并且使项目数据的安全性得到保证，提高模型整合效率，同时为本项目后期的运营和维护提供了数据的支撑和保障。

2.3 数据模型

设计模型和施工模型不能重用，导致不能保证信息的有效性、集成性、一致性，是目前BIM技术应用中最突出的问题之一。因此提高设计模型和施工模型之间的重用性是本项目设定的目标之一。在实施过程中各参与方要进行咨询、协调和管理工作，并以模型为中心和基础，通过共享的信息平台加以沟通与分享及时更新的模型信息。在设计阶段，保证建模标准、流程和制度的一致性和继承性，使得设计信息能完整的、一致的传递到施工阶段；在施工阶段，强调施工深化设计模型和施工作业模型是基于设计模型进行创建而不是重新创建，并且在施工阶段能够继续利用和深化，充分考虑项目中工艺设备的运输、安装和检修；再传递到运营阶段。循序渐进的过程保证模型中信息的高度集成化以及模型的顺利传递、重复利用。建立“创建、管理、共享”的BIM模型应用模式。

模型在各个阶段的应用如图2所示。

图2 模型在各个阶段的应用

2.4 统一管理

通过BIM技术可以轻松实现集成化管理，建立一整套基于BIM的全过程集成化管理系统。在统一目标的组织系统和统一的管理思想，整合了开发、项目以及设施的管理；通过统一的管理语言、管理规则、信息处理系统支撑了整个管理体系。

2.5 信息技术

2.5.1 多元异构数据融合

本研究的目标首先是建成覆盖过江管设计、施工和运维全生命周期的数字化建设与运维平台，并包括了隧道建设和燃气管敷设两个阶段，参与人员为多个单位和部门，每个用户都是数据的使用者，同时也是数据的提供者。

其次，对于过江管工程而言，其涉及的范围较大、数据来源广、数据形式不一、数据精度各异。系统首先要解决数据的可信度整合问题，将多源、异构、建模标准不一的数据在保证数据精度、一致性和完整性前提下，整合到同一个三维平台里，进行有效表达，实现过江管多维多源数据的融合。

2.5.2 高耦合可扩展系统架构开发技术

本系统中所有应用皆基于BIM三维模型展开。其基础数据始终处于动态更新的状态，而系统中的各个应用模块都是从这套基础数据中调取兴趣信息，系统的各个模块之间是高耦合的。

由于低耦合的系统更容易扩展和被复用，开发过程和维护也更加容易，因此在本系统的设计中，建议构建可扩展的网站架构，采用模块化思想，降低模块之间的耦合性，提高模块的复用性。利用分层与分割的方式，把系统分割为若干个低耦合、独立的组件模块，然后在这些组件模块之间以消息传递或依赖调用的方式聚合成一个完整的系统。

3 建设内容

3.1 数据建设

本系统作为燃气管网GIS系统的优化，将在管网GIS数据的基础上，将二维管线数据升级为三维管线信息，并对过江管部分的管线信息从竣工阶段，扩展到全生命周期过程；在数据来源方面，利用SCADA系统，对管网的整体运性状态进行监测，同时，采用窄带物联网技术，对除管道本身之外的管网运营环境等条件进行实时监测。

3.1.1 BIM数据标准

BIM 模型在项目不同阶段对于模型精确程度的需求是不同的。模型构件的尺寸、位置、信息量这些数据的准确程度被称为模型精度(代号 LOD，全称Level of Development)[1]，根据GB/T 51235－2017《建筑信息模型施工应用标准》的定义说明不同模型精度对 BIM 数据的要求及其对应的项目阶段。模型精度/细度等级代号见表1。

表1 模型精度/细度等级代号

BIM 数据的制作可根据项目的特点分为不同阶段，BIM 模型在项目不同阶段的精度是不一致的。其优点是模型与项目进度同步，在项目早期不需要投入过多资源在模型维护和模型处理上。同时，在项目关键节点处有足够的信息被前置，辅助各参与方决策，节约人力资源和硬件资源。对于建筑外观模型，根据不同项目的实际情况，或者项目的不同阶段，通常采用LOD100或LOD200作为设计阶段的建筑外观；对于需要进行碰撞检测的模型，需要内部管道模型与内部装饰构件达到LOD300。对于重难点问题的展示可适当提高不同阶段的模型精度。

3.1.2 三维GIS+BIM的数据协同

为了将精细的 BIM 模型运用到管网整体的建设和运行中，需要将结构信息模型与地形地质信息模型相结合，以保证其完全性[2]。结合三维GIS技术，满足长距离线性工程和城市级体量工程的管理需求。BIM实现了城市设施构件和工程项目颗粒度级别的管理，三维 GIS+BIM 技术集成了全线高压管网及周边建筑物、地形信息等数据，其信息传递方式从传统的点对点变为集中共享模式。

3.2 系统架构

系统架构设计如图3所示。以BIM数据等多源异构数据的耦合为核心，结合三维GIS技术、物联网技术，为大型天然气管道项目的设计、施工、运维等全生命周期的参与者提供定制化的数据共享服务和自动化的业务管理手段，以提高项目质量和效率，并将为之后的此类项目形成企业级的数字化实施指南。

图3 数字化建设协同管理平台架构

3.3 实施进展

3.3.1 平台开发

过江管工程的数字化协同平台开发及实现将采用基于BIM+3DGIS的WebGL技术，运用Cesium的底层开发平台与Microsoft SQL Server数据库，建立一套B/S模式的管理系统，能够更好地适应与解决信息管理和协同传输的问题。

从技术可行性角度来分析，该技术满足系统柜开发性的需要，能够解决系统建立及实现的问题。该系统拟采用的开发技术在其他行业有大量的经验，是成熟可行且可靠的。用户无需了解Revit等软件产品，人工录入数据通过RFID或二维码的方式，自动录入数据通过传感器的方式统一到浏览器平台上进行统一的管理和控制。

3.3.2 关键施工工艺模拟

项目于2018年6月开始，已完成了BIM模型的制作(隧道部分 LOD350，管道部分 LOD450)，开展了管道安装关键施工工艺的模拟与方案验证比选。确定了合理的隧道内管段安装方案的具体细节，解决了临时设施碰撞等问题，大幅缩减了后期项目改动的成本。

在隧道施工的过程中，采用基于IoT技术的数据采集终端(包括人员端和设备端)精细化管理物料和人员进出场以及施工质量进度等指标，减少返工可能性，缩减项目成本。从引入BIM技术的经济性方面来看，是可行的，并且后期还将持续产生大量的成本控制方面的经济效益。

4 结语

本研究建立在新一代信息技术条件下，探索完善满足城市天然气主干管网建设过程管控、运维管理的标准体系。探索BIM技术、三维GIS技术、IoT技术等在天然气管网施工建设以及运营管理过程中的高效融合应用。

依托过江管工程，以管网建设施工过程中的安全、质量、效率管控为切入点，开展了项目的数据建设、关键施工工艺模拟以及数字化平台的整体设计研究工作。以未来城市级燃气系统的安全运维管理要求为指导，研究建立服务于建设管理和运维的数字化平台，落实城市精细化管理思路，为后续进一步智慧应用的开发奠定基础。

依托过江管工程的实践，以及数字化平台的建设探索，未来可逐步完善形成城市燃气数字化建设模式，建立完整的数据资产，构建“数字化一张网”，并进一步与城市燃气调度管理系统的对接融合，结合城市安全管控与精细化管理要求，更深层次运用人工智能、大数据技术，开展智慧化辅助决策功能的开发，为城市燃气运营者、管理者提供一种精确、高效、可视化的管理工具。