上海燃氣工程設(shè)計研究有限公司 周 力

上海市天然氣主干管網(wǎng)崇明島－長興島－浦東新區(qū)五號溝 LNG站管道工程(下稱過江管工程)是上海市天然氣主干管網(wǎng)的重要組成部分，承擔(dān)著“西氣東輸”“川氣東送”等國家天然氣工程進入上海后的接收和分配輸送任務(wù)。這是上海市重大市政基礎(chǔ)設(shè)施之一。該項目的建設(shè)將進一步完善和優(yōu)化上海市天然氣主干管網(wǎng)，確保崇明燃氣電廠的安全供氣，滿足崇明島、長興島和浦東新區(qū)經(jīng)濟及市場發(fā)展，同時也是落實長三角一體化發(fā)展戰(zhàn)略，加快實現(xiàn)長三角基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通的重要工程。

過江管工程路由示意如圖1所示。

圖1 過江管工程路由示意

該過江管工程是目前國內(nèi)在建的天然氣管道穿越長江距離最長的項目，配套建設(shè)的小直徑隧道也是目前里程最長的天然氣專用隧道。為解決小直徑長距離隧道內(nèi)天然氣管道施工困難、實施過程管控難度大等問題，本文結(jié)合天然氣行業(yè)的特點和管理需求，探索運用BIM技術(shù)、三維GIS技術(shù)和IoT技術(shù)，建立新興信息化技術(shù)條件下，提供滿足城市天然氣輸配系統(tǒng)建設(shè)、運行管控需求的數(shù)字化解決方案。以過江管工程為對象，探索建設(shè)一整套服務(wù)于城市天然氣主干管網(wǎng)建設(shè)的管理系統(tǒng)平臺，從而提升建設(shè)過程安全、質(zhì)量、效率等的管控水平。

1 需求分析

1.1 功能需求

1.1.1 基于建設(shè)過程管理的功能需求

BIM 建模對過江管工程各階段場景進行三維真實尺度還原，用戶可以在計算機前進行全方位多角度的三維瀏覽，將三維實體與各類文檔數(shù)據(jù)直觀關(guān)聯(lián)，更能實現(xiàn)空間分析和空間運算等深層次的管理需求，提升管理效能。在大型工程建設(shè)中，三維模型化管理的優(yōu)勢毋庸置疑。

1.1.2 基于全生命周期的信息化管理和應(yīng)用需求

全生命周期管理是工程建設(shè)項目先進理念，對項目涉及的全部環(huán)節(jié)和工作進行有效的管理，即從項目的發(fā)起開始到項目結(jié)束的全過程進行計劃、組織、指揮、協(xié)調(diào)、控制和評價，包括項目設(shè)計階段的數(shù)據(jù)管理、項目實施階段的項目管理和項目運維階段的設(shè)施管理等。

1.2 數(shù)據(jù)需求

1.2.1 BIM數(shù)據(jù)

BIM 的中文全稱譯作“建筑信息模型”。該概念最早由Autodesk(歐特克)公司于2002年提出，目前已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到業(yè)界的廣泛認可。BIM技術(shù)可以幫助實現(xiàn)建筑信息的集成，從建筑的設(shè)計、施工、運行直至建筑全生命周期終結(jié)時的各種信息可以通過該技術(shù)整合在一個三維模型信息數(shù)據(jù)庫中，設(shè)計團隊、施工單位、設(shè)施運營部門和業(yè)主等項目各方人員可以基于 BIM 技術(shù)進行協(xié)同工作，提高工作效率、節(jié)省資源、降低成本，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

1.2.2 SCADA數(shù)據(jù)

燃氣SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，可以對燃氣管網(wǎng)中運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能。在目前的主流應(yīng)用中，SCADA系統(tǒng)與電能量計量系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、水調(diào)度自動化系統(tǒng)、調(diào)度生產(chǎn)自動化系統(tǒng)以及辦公自動化系統(tǒng)的集成是它的一個主要方向。結(jié)合本系統(tǒng)的功能需求，對照上述應(yīng)用案例，SCADA系統(tǒng)的高度可集成性為運營維護階段的設(shè)備巡查和運營監(jiān)控提供了一個可靠的數(shù)據(jù)來源。

2 總體方案

2.1 標準體系

2.1.1 全生命周期協(xié)同工作制度

過江管工程的數(shù)字化建設(shè)，以項目全生命周期各階段管理目標劃分工作內(nèi)容，明確工作重點，建立以管理需求為中心、各方共同參與的工作模式，分配各參與方責(zé)權(quán)利。

2.1.2 項目實施方案

建立一套完整的項目實施方案，包括實施目標、基礎(chǔ)條件、項目實施流程和信息交換規(guī)則，從而達到高效交互和實施的目的。同時，針對實施目標和基礎(chǔ)條件的完善，使業(yè)主對項目進度和完成情況有直觀的了解。

2.1.3 數(shù)據(jù)標準

建立一套完整的數(shù)據(jù)格式標準及命名規(guī)則，包括空間和圖形標準，精細度(顆粒度)標準，模型交付標準等，可以極大地提升項目信息交互協(xié)同效率，避免各種因為信息交互溝通不暢而產(chǎn)生的時間成本，從而縮短工期。

2.1.4 工具使用規(guī)則

各類工具的使用也應(yīng)制定一套相應(yīng)的規(guī)則，防止項目參與各方在協(xié)同平臺上錄入的數(shù)據(jù)信息詳細程度不一致的情況，同時規(guī)范化的方法對相關(guān)人員快速適應(yīng)工具也有積極的意義。

2.2 平臺建設(shè)

2.2.1 基于全生命周期的全面管控

在一套標準的制度保障下，通過信息化的管理手段，利用覆蓋項目全生命周期的數(shù)字化建設(shè)協(xié)同平臺，進行項目的全過程管理。按照項目實際情況，將項目不同階段的管理需求設(shè)置管理重點，以信息化手段將重點管控過程體現(xiàn)在管理平臺中。

2.2.2 各參與方的任務(wù)協(xié)同

通過數(shù)字化建設(shè)協(xié)同管理平臺和管理機制的建立，為各參見方提供一個高效、靈活和安全的協(xié)同工作環(huán)境并且使項目數(shù)據(jù)的安全性得到保證，提高模型整合效率，同時為本項目后期的運營和維護提供了數(shù)據(jù)的支撐和保障。

2.3 數(shù)據(jù)模型

設(shè)計模型和施工模型不能重用，導(dǎo)致不能保證信息的有效性、集成性、一致性，是目前BIM技術(shù)應(yīng)用中最突出的問題之一。因此提高設(shè)計模型和施工模型之間的重用性是本項目設(shè)定的目標之一。在實施過程中各參與方要進行咨詢、協(xié)調(diào)和管理工作，并以模型為中心和基礎(chǔ)，通過共享的信息平臺加以溝通與分享及時更新的模型信息。在設(shè)計階段，保證建模標準、流程和制度的一致性和繼承性，使得設(shè)計信息能完整的、一致的傳遞到施工階段；在施工階段，強調(diào)施工深化設(shè)計模型和施工作業(yè)模型是基于設(shè)計模型進行創(chuàng)建而不是重新創(chuàng)建，并且在施工階段能夠繼續(xù)利用和深化，充分考慮項目中工藝設(shè)備的運輸、安裝和檢修；再傳遞到運營階段。循序漸進的過程保證模型中信息的高度集成化以及模型的順利傳遞、重復(fù)利用。建立“創(chuàng)建、管理、共享”的BIM模型應(yīng)用模式。

模型在各個階段的應(yīng)用如圖2所示。

圖2 模型在各個階段的應(yīng)用

2.4 統(tǒng)一管理

通過BIM技術(shù)可以輕松實現(xiàn)集成化管理，建立一整套基于BIM的全過程集成化管理系統(tǒng)。在統(tǒng)一目標的組織系統(tǒng)和統(tǒng)一的管理思想，整合了開發(fā)、項目以及設(shè)施的管理；通過統(tǒng)一的管理語言、管理規(guī)則、信息處理系統(tǒng)支撐了整個管理體系。

2.5 信息技術(shù)

2.5.1 多元異構(gòu)數(shù)據(jù)融合

本研究的目標首先是建成覆蓋過江管設(shè)計、施工和運維全生命周期的數(shù)字化建設(shè)與運維平臺，并包括了隧道建設(shè)和燃氣管敷設(shè)兩個階段，參與人員為多個單位和部門，每個用戶都是數(shù)據(jù)的使用者，同時也是數(shù)據(jù)的提供者。

其次，對于過江管工程而言，其涉及的范圍較大、數(shù)據(jù)來源廣、數(shù)據(jù)形式不一、數(shù)據(jù)精度各異。系統(tǒng)首先要解決數(shù)據(jù)的可信度整合問題，將多源、異構(gòu)、建模標準不一的數(shù)據(jù)在保證數(shù)據(jù)精度、一致性和完整性前提下，整合到同一個三維平臺里，進行有效表達，實現(xiàn)過江管多維多源數(shù)據(jù)的融合。

2.5.2 高耦合可擴展系統(tǒng)架構(gòu)開發(fā)技術(shù)

本系統(tǒng)中所有應(yīng)用皆基于BIM三維模型展開。其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)始終處于動態(tài)更新的狀態(tài)，而系統(tǒng)中的各個應(yīng)用模塊都是從這套基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中調(diào)取興趣信息，系統(tǒng)的各個模塊之間是高耦合的。

由于低耦合的系統(tǒng)更容易擴展和被復(fù)用，開發(fā)過程和維護也更加容易，因此在本系統(tǒng)的設(shè)計中，建議構(gòu)建可擴展的網(wǎng)站架構(gòu)，采用模塊化思想，降低模塊之間的耦合性，提高模塊的復(fù)用性。利用分層與分割的方式，把系統(tǒng)分割為若干個低耦合、獨立的組件模塊，然后在這些組件模塊之間以消息傳遞或依賴調(diào)用的方式聚合成一個完整的系統(tǒng)。

3 建設(shè)內(nèi)容

3.1 數(shù)據(jù)建設(shè)

本系統(tǒng)作為燃氣管網(wǎng)GIS系統(tǒng)的優(yōu)化，將在管網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將二維管線數(shù)據(jù)升級為三維管線信息，并對過江管部分的管線信息從竣工階段，擴展到全生命周期過程；在數(shù)據(jù)來源方面，利用SCADA系統(tǒng)，對管網(wǎng)的整體運性狀態(tài)進行監(jiān)測，同時，采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對除管道本身之外的管網(wǎng)運營環(huán)境等條件進行實時監(jiān)測。

3.1.1 BIM數(shù)據(jù)標準

BIM 模型在項目不同階段對于模型精確程度的需求是不同的。模型構(gòu)件的尺寸、位置、信息量這些數(shù)據(jù)的準確程度被稱為模型精度(代號 LOD，全稱Level of Development)[1]，根據(jù)GB/T 51235－2017《建筑信息模型施工應(yīng)用標準》的定義說明不同模型精度對 BIM 數(shù)據(jù)的要求及其對應(yīng)的項目階段。模型精度/細度等級代號見表1。

表1 模型精度/細度等級代號

BIM 數(shù)據(jù)的制作可根據(jù)項目的特點分為不同階段，BIM 模型在項目不同階段的精度是不一致的。其優(yōu)點是模型與項目進度同步，在項目早期不需要投入過多資源在模型維護和模型處理上。同時，在項目關(guān)鍵節(jié)點處有足夠的信息被前置，輔助各參與方?jīng)Q策，節(jié)約人力資源和硬件資源。對于建筑外觀模型，根據(jù)不同項目的實際情況，或者項目的不同階段，通常采用LOD100或LOD200作為設(shè)計階段的建筑外觀；對于需要進行碰撞檢測的模型，需要內(nèi)部管道模型與內(nèi)部裝飾構(gòu)件達到LOD300。對于重難點問題的展示可適當(dāng)提高不同階段的模型精度。

3.1.2 三維GIS+BIM的數(shù)據(jù)協(xié)同

為了將精細的 BIM 模型運用到管網(wǎng)整體的建設(shè)和運行中，需要將結(jié)構(gòu)信息模型與地形地質(zhì)信息模型相結(jié)合，以保證其完全性[2]。結(jié)合三維GIS技術(shù)，滿足長距離線性工程和城市級體量工程的管理需求。BIM實現(xiàn)了城市設(shè)施構(gòu)件和工程項目顆粒度級別的管理，三維 GIS+BIM 技術(shù)集成了全線高壓管網(wǎng)及周邊建筑物、地形信息等數(shù)據(jù)，其信息傳遞方式從傳統(tǒng)的點對點變?yōu)榧泄蚕砟Ｊ健?/p>

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖3所示。以BIM數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的耦合為核心，結(jié)合三維GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為大型天然氣管道項目的設(shè)計、施工、運維等全生命周期的參與者提供定制化的數(shù)據(jù)共享服務(wù)和自動化的業(yè)務(wù)管理手段，以提高項目質(zhì)量和效率，并將為之后的此類項目形成企業(yè)級的數(shù)字化實施指南。

圖3 數(shù)字化建設(shè)協(xié)同管理平臺架構(gòu)

3.3 實施進展

3.3.1 平臺開發(fā)

過江管工程的數(shù)字化協(xié)同平臺開發(fā)及實現(xiàn)將采用基于BIM+3DGIS的WebGL技術(shù)，運用Cesium的底層開發(fā)平臺與Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫，建立一套B/S模式的管理系統(tǒng)，能夠更好地適應(yīng)與解決信息管理和協(xié)同傳輸?shù)膯栴}。

從技術(shù)可行性角度來分析，該技術(shù)滿足系統(tǒng)柜開發(fā)性的需要，能夠解決系統(tǒng)建立及實現(xiàn)的問題。該系統(tǒng)擬采用的開發(fā)技術(shù)在其他行業(yè)有大量的經(jīng)驗，是成熟可行且可靠的。用戶無需了解Revit等軟件產(chǎn)品，人工錄入數(shù)據(jù)通過RFID或二維碼的方式，自動錄入數(shù)據(jù)通過傳感器的方式統(tǒng)一到瀏覽器平臺上進行統(tǒng)一的管理和控制。

3.3.2 關(guān)鍵施工工藝模擬

項目于2018年6月開始，已完成了BIM模型的制作(隧道部分 LOD350，管道部分 LOD450)，開展了管道安裝關(guān)鍵施工工藝的模擬與方案驗證比選。確定了合理的隧道內(nèi)管段安裝方案的具體細節(jié)，解決了臨時設(shè)施碰撞等問題，大幅縮減了后期項目改動的成本。

在隧道施工的過程中，采用基于IoT技術(shù)的數(shù)據(jù)采集終端(包括人員端和設(shè)備端)精細化管理物料和人員進出場以及施工質(zhì)量進度等指標，減少返工可能性，縮減項目成本。從引入BIM技術(shù)的經(jīng)濟性方面來看，是可行的，并且后期還將持續(xù)產(chǎn)生大量的成本控制方面的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

本研究建立在新一代信息技術(shù)條件下，探索完善滿足城市天然氣主干管網(wǎng)建設(shè)過程管控、運維管理的標準體系。探索BIM技術(shù)、三維GIS技術(shù)、IoT技術(shù)等在天然氣管網(wǎng)施工建設(shè)以及運營管理過程中的高效融合應(yīng)用。

依托過江管工程，以管網(wǎng)建設(shè)施工過程中的安全、質(zhì)量、效率管控為切入點，開展了項目的數(shù)據(jù)建設(shè)、關(guān)鍵施工工藝模擬以及數(shù)字化平臺的整體設(shè)計研究工作。以未來城市級燃氣系統(tǒng)的安全運維管理要求為指導(dǎo)，研究建立服務(wù)于建設(shè)管理和運維的數(shù)字化平臺，落實城市精細化管理思路，為后續(xù)進一步智慧應(yīng)用的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

依托過江管工程的實踐，以及數(shù)字化平臺的建設(shè)探索，未來可逐步完善形成城市燃氣數(shù)字化建設(shè)模式，建立完整的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，構(gòu)建“數(shù)字化一張網(wǎng)”，并進一步與城市燃氣調(diào)度管理系統(tǒng)的對接融合，結(jié)合城市安全管控與精細化管理要求，更深層次運用人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)，開展智慧化輔助決策功能的開發(fā)，為城市燃氣運營者、管理者提供一種精確、高效、可視化的管理工具。