基于CIM 技術進行城市燃氣安全管理的研究與運用前瞻

陳展

（重慶燃氣集團股份有限公司，重慶 400000）

0 引言

隨著網絡技術的不斷更新換代，信息化普及帶來的各行業高速發展讓大數據、云計算、BIM 技術、CIM技術等新興科技深入人心，越來越多的行業在這種背景下進行相應的技術改革，政府也頒布出臺了一系列促進互聯網發展的國家級政策，2020—2025 年的“十四五”規劃時期必將成為我國工業、服務業互聯網的快速和關鍵成長期。到2025 年，工業、服務業互聯網新型基礎設施建設將呈現量質共進，新模式、新業態大范圍推廣的全新格局。

燃氣行業作為傳統行業，雖然步伐相對緩慢，信息技術的應用也越來越多。供氣的相應服務手段也從傳統的依靠人工進行轉變成數字技術，在供氣管理上，燃氣行業現在已經普遍利用信息平臺進行相應的業務服務管理，利用一系列互聯網、物聯網、大數據等技術，改革自身產業結構，提升現代化技術水平，朝著“智慧燃氣”的方向大踏步買進。同時，各地區依照國務院相關管理條例的要求，對本地區天然氣管理條例進行了修正和修訂，針對紅線區域內的責任管理和風險控制提出了更高的要求。因此，網絡信息技術應用對于城市燃氣安全管理今后的發展是一個必然趨勢。

本文以CIM 技術為主題，結合國家建設部2020 年下發的相關指導原則，簡單介紹CIM 技術，并研究CIM技術在城市燃氣工程中應用的可能性，以及存在的問題和解決方法。

1 CIM 技術簡介

1.1 CIM 技術介紹

CIM 技術是一種城市信息模型，是BIM（build information modeling，建筑信息模型）概念在每個市區范圍內的擴展，該模型的基礎是城市中各類信息數據，通過三維模式搭建一個信息和空間模型的結合系統。從狹義上的數據類型上講，BIM 整合的是城市建筑物的總體信息，GIS（geographic information system，地理信息系統）則整合及管理建筑物的外部環境信息，它們通過結合建立起包含市區海量數據的三維空間，并由此引出來了CIM 的概念[1]。

CIM 技術指的三維空間模型必須要融入相應的信息數據，方可成為信息和空間模型的結合系統。與BIM建筑信息模型相比，在2015 年的規劃實務論壇會上同濟大學吳志強院士對CIM 的概念進行了更進一步的拔高，提出城市智慧模型。吳院士指出，BIM 是單體，CIM是群體，BIM 是CIM 的細胞。要解決智慧城市的問題，只靠BIM 這一個單獨細胞還不夠，需要海量細胞再加上網絡連接組成的CIM 才可以[2]。

與傳統基于GIS 的數字城市相比，CIM 技術在細節上呈現所有數據，舉例來說，該技術可以把建筑或住宅內的一個燃氣設施、一個燃氣表具等具體的細小物品顯示出來，把停留在概念里的城市真正的通過三維模型動態呈現在管理者眼前，讓管理者實時、高效、精準的進行城市管理。

1.2 CIM 技術與燃氣行業

CIM 技術的涵蓋范圍非常廣泛，涉及的領域也非常的多，舉例來說有：規劃、水利、人防、環保、水電煤等傳統領域以及其他所有跟智慧城市建設相關的行業。燃氣行業是智慧城市的基礎，一方面燃氣行業作為切實關乎民生安全的重要行業，需要通過大數據判斷進行峰值調度保障供氣使用，另一方面燃氣作為易燃易爆物質，具有一定的危險性，需要通過模型模擬精準判斷風險隱患位置，控制事故發生的可能。

對燃氣行業而言，CIM 要實現概述建模，需要三個前提數據，具體如下：①城市基礎信息，包括管道模型和信息（管道建造時間、管道壓力、管道定檢情況、管道陰極保護現狀、管道防腐蝕檢測情況等）、燃氣設備設施模型和信息（燃氣設備設施建造時間、運行壓力、巡檢維保情況等）、土地地質、交通、人口分布等因素。②建筑內部信息，由重要的建筑內部結構和對應的建筑部件信息構成，包括建筑材質、建造年限、燃氣用具（用戶燃氣用具、站場燃氣用具等）、運維能力、搶修能力等信息因素。③物聯網信息，包括物聯燃氣表監控、視頻監控、測站信息、信號燈等信息因素，如圖1 所示。

圖1 CIM 概述建模概念

1.3 CIM 的基本特性和優勢

CIM 對比原先的燃氣公司更多選擇使用的覆蓋監測式管理，具有明顯的6 大優勢：①具備開放式體系架構，可以集成更多專項業務系統數據，形成串聯平臺。②多維信息融合及可視化，多維度數據搭接可以讓更多數據更為直觀的進行展示和運用。③海量數據承載及調度能力優異，可以集中承載海量數據和分析運用功能，可以對調峰、調度決策提供重大參考依據。④可擴展性好、應用功能豐富，具有豐富的擴展性，可以將其應用在燃氣行業用戶安全管理、供用氣管理、設備安全管理等各個方面。⑤跨平臺和網絡移植能力優異，能直接植入各省市自然與資源規劃局所開發的城市基礎信息系統中，從而與電纜、水管等形成閉環管理。⑥兼容性能好、運行穩定，CIM 并非傳統使用局域內網進行單區域使用的系統，而是集成數據在云端平臺上，使用更加方便、穩定。

2 CIM 技術與城市燃氣管網安全管理的研究

CIM 技術對城市燃氣管網的安全管理主要是基于其中GIS 模塊進行。GIS 的發明者是R.T. Tomlinson 博士，該模塊利用利用數字化技術，通過拆分地理模塊的方式，打造一個多空間、實時性的地理模型，并且通過該模型建立數據庫，在數據庫中可以完成信息輸入、儲存、檢索等多種操作，還能在系統的支持下分析數據、歸納數據、處理數據，換言之，這種模型就是將人的設計、分析能力融入計算機生成的模型之中，在用戶和數據庫中實時切換，保證信息收集、儲存、管理和顯示的有效性，及時性。這種應用于地理方面的信息模塊化技術，在地理信息系統的幫助下能夠自動進行信息處理，這種處理從匹配信息開始，經過分析歸納總結等操作直到將信息傳遞給目標為止。GIS 模塊的建立是從地圖演化而來，受當時計算機處理能力的限制，GIS 創立初期只能夠進行二維平面設計。但是在CIM 中，地理信息系統是以三維模型進行的建模，對城市燃氣管網的立體性能，如埋深、坡度、壁厚等有更為直觀的展現和更強的風險因素模擬能力。

（1）CIM 技術與地理空間數據管理。這種管理的實現是用多種方式、多種渠道、多種坐標來導入相應的地理參數，并將這些參數進行歸納整理總結，形成有效數據的數據庫，再通過對數據庫中的數據進行查詢，以多種方式、多種途徑、多種用途導出管理人員需要的輔助決策依據。我們將現今市面上較多的GIS 數據庫與CIM 數據進行對比，發現在管理地理參數上有很多缺陷，其中最突出的兩點是：①無法進行三維實體建模。②沒有各參數在三維空間之間的關聯度信息檢索。這使得GIS 數據在對三維空間數據應用逐漸乏力，而CIM 數據庫管理中的使用則越來越多。如重慶的X 地理信息單位用重慶市二維地形圖作為基礎調用參數，在此基礎上使用CIM 數據庫進行三維建模，將整個重慶市中所有的深埋八大類管道以及地上電力、通訊、工程等管線在測量控制網中進行顯示，再加入規劃路等一系列基礎測繪元素，最終構造了一個具備真實測繪數據的重慶市地下管線三維模型。對該模型的管理，就是對重慶市地下管線的信息化現代管理。這個系統在城市規劃、市政工程、城市交通中大顯身手，能夠讓相關管理設計部門第一時間直觀的查詢到需要的參數。

（2）CIM 技術與綜合評估體系、模擬預測體系。地理信息系統在程序上能夠輕松實現地理參數的編碼、儲存和導出，還因為它是真實存在的客觀反映，所以能夠將思維評價結果當做變量來直接導入，從而得出綜合評估結果。這個系統的另一大應用就是把自然發生的進程、發展方向和命令結果進行量化，將量化后的數據輸入該系統中，讓數據庫進行模擬分析，得出按照量化數據進行后會發生何種的事件，通過模擬過程發展得出未來的預測結果，利用不同的量化數據形成不同的策略方案，將每種方案都進行系統分析，就可以得出最優解，從而讓決策者做出最有利于未來發展的決策，防止不必要的風險產生。而CIM 技術對比傳統GIS 中模擬分析，因為數據采集的多樣性和三維模擬的多元化，其風險分析更加精準可靠。如CIM 在北方某城市燃氣公司管網泄漏預警中的應用；或在重慶山體滑坡預測中的應用。比如重慶自然與資源規劃局打造了以預測土地酸性腐蝕以及山體滑坡危害對城市管網破壞為第一目標的專項CIM。這個CIM 項目是利用采集管網基礎信息、山區面積分布、洪水面積、土壤種類、衛星觀測數據等信息，將重慶土壤酸性腐蝕隱患能夠對管網帶來的風險用模型的形式呈現出來（A=R×K×L×S×C×P），同理還建立了山體滑坡危害對管網破壞模型（B=T×N×L×S×E×P），這兩個模型利用到的參數有：A 是酸性土壤對管網破壞的風險，R 是降水量的大小，K 是土地酸度數據，L 是管網長度，S 是管網防腐數據，C 是酸性土壤覆蓋面，P 是人工干預的數據；B 為山體滑坡危險對管網破壞，T 為山體疏松參數，N 為地平降低坡度，E為山體覆蓋面積。該模型可以直接顯示土地衰敗和山體滑坡的過程，并能直接顯示解決措施，達到管網保護的目的。這里把CIM 模型作用到與之有關數據，最終獲得綜合評估報告和模擬預測方案[3]。

（3）CIM 技術在空間分析查詢和綜合調度功能的應用。一般為了方便綜合管理以及將地理信息進行拓展，在建立CIM 數據庫時對不同屬性是分層處理的，也就是整理數據的屬性，不同屬性的數據分開放置，屬性相同的則放在一起，通過這種處理方式就可以處理單幅或多幅圖件形成的性質量化參數，得出他們的具體量化指標和分析結果。這種空間函數變換以原始圖為輸入數據，將量化指標和分析結果在由原始圖變換后的新圖標中生成，具體坐標參數沒有變化。這種變換有緩沖區分析、空間幾何分析、疊置分析等。在該領域中，目前已經進行了大量的應用，舉例來說，城市燃氣應急搶險的時候，對城市中應急人員、應急車輛、應急物資的分布位置以及救援、應急車輛的出行線路安排方面都有很大的作用，能夠保證燃氣險情發生時，就近燃氣客戶管理站或分公司能夠第一時間派出最少一名應急人員和一臺應急車輛到達險情發生地，及時處理險情；在環保領域，能夠通過地理模型評估水土流失造成的土地資源損失；在區域供氣量現狀預測過程中，使用RAC/INFO 對供氣響應進行決策性支撐，對模型建立的區域未來供氣量有一個全面地預測，根據該預測可以實時了解區域中供氣缺口的位置和缺氣量，并根據此來調整氣體輸送狀態。類似的如國家電網輸電配送，建立了電力輸配調度系統，使用RAC/INFO 評估電力輸配中的各類風險，完善數字地圖庫，通過地圖庫把庫內的相關圖層進行處理，就可以第一時間得出有效的應急方案，這個模型能夠有效幫助有關機構第一時間改善缺電情況，最大程度地減少因斷電帶來的經濟損失。

（4）CIM 技術結合遙感圖像處理系統對燃氣管道泄漏檢測。遙感數據是地理信息系統的基礎數據，如現已在重慶燃氣開始試點使用的震蕩光纜檢測技術即是遙感數據的一種類型。現今主流的傳統GIS 系統已經開發出其下屬功能圖像處理系統，但在CIM 集成中，可以在更多項的遙感數據中，把地理信息的量化數據進行組合，得出一個具備全新屬性的量化指標，該指標在某種特殊情況下能夠起到特殊的作用。量化數據的重組不是簡單的數據羅列或相加，也不是單獨的把他們放在一起，而是在研究人員的仔細深入研究后得出的設計公式，該公式能夠反映研究領域里需要解決的現象以及這種現象的定義和特點。如美國國防制圖局實時服務，把依托于CIM 技術的集成系統用于戰爭服務站中，該集成系統能夠在衛星和各類偵察機的支持下自主進行影像識別和目標匹配，自動獲取、分析并導出戰場影像及分析結果，形成三維立體架構，第一時間把戰場戰爭實況以及戰爭趨勢以圖表和正射影的形式投影在數字地圖上，五角大樓和前線指揮部可以同步接收數據，大大提升了軍事指揮的戰場決策效率。

3 CIM 技術與城市燃氣戶內安全管理的研究

CIM 技術對城市燃氣戶內安全管理主要是基于其中BIM 模塊進行。其主要強調以數字架構為依托，以三維模型為藍圖，對建筑模型進行全面分析，獲得可以為前期燃氣施工建設和后期戶內燃氣使用管理提供指導的結論。相較于傳統二維技術，CIM 的優勢體現在協作設計上。具體來說，CIM 技術是將戶內燃氣工程項目從設計、實施、竣工、運行、維護等各方面的信息數據歸納整理，過濾掉不相干的信息并對有效信息通過數據庫進行處理，最后再建立相應的數據模型，這種數據模型具有實用性高、科學、安全等特征，根據該數據模型提供的施工方案和管理措施能夠保證城市燃氣戶內安全管理所需的準則。CIM 技術的另一類重要應用是在建筑工程領域中，工程項目管理的設計、施工、管理等工作有著巨大的幫助，在整個工程項目的流程里，CIM 技術能夠有效支持每一個環節的工作，并與整體項目工程密不可分。在這種背景下，CIM 技術還能夠幫助施工作業提升安全性、保證施工質量的穩定、提升項目經理的決策和管理效率以及規避項目施工過程中會發生的各類風險，最終提升了整個項目的品質，促進了建筑行業的升級轉型。

（1）CIM 技術在燃氣工程施工檢測和工程安全管理中的應用。利用CIM 技術的三維立體建模和時軸模擬技術對燃氣施工進行完全虛擬施工，預測施工過程中的困難，幫助建筑工程師更加有效地設計施工計劃方案，防止在施工過程中因環境因素等實際情況的變化導致設計反復變更，延長工期。利用CIM 技術模擬整個建造流程，是一種行之有效的預測風險手段，能夠幫助施工方在施工前就了解到真實的項目功能和其他問題，包括設計方案可行性、施工方法實驗、施工動態流程呈現以及優化施工設計等。CIM 技術可實現燃氣工程實時、統一、直接的4 維元素管理制度。把施工場地建筑三維模型對應到施工流程中去，在場地平面布置圖的基礎上加入相應的施工資源，共同構成四維元素施工模擬全景模型，該模型能夠直觀反映施工流程中的施工周期、人力資源、材料消耗、設備布置、場地平面等一系列項目信息，并將這些信息歸納整理成實時動態的3D 模型，真正達到可視化的直觀模擬。根據模擬數據結論，在施工流程中對施工計劃進行優化和統籌，保障施工周期按合同要求完成，例如小區樓棟安裝工程的計劃開工時間、施工結束日期、施工所需周期和任務目標中的所有分支。倘若有臨時性計劃變動產生，則可以將這部分變動進行獨立和表主，舉例來說，燃氣立管在施工過程中變換了位置或者延后安裝，則可以在模型中對它進行重新設計，并標注重新開始的時間、周期以及變更的原因等相關信息，根據出現的變更，結合當期可能影響施工的條件（如施工日期、降水量、人員資質審查等），對工程施工進度進出重新模擬，及時調整工程進度或人員安排。在整個項目實施過程中，所有的重要表單類文件例如變更單、驗收單等都可以做成電子版上傳至建筑模型中，通過云臺管理，保證數據長期存在且便于查看；現場拍攝的一些施工實景照片也可以直接上傳至模型中，對過程管理起到重要輔助作用；在采購方面，可以將供應商的信息以及設備的信息、合同等一系列有關數據進行錄入，方便出現問題后的追責或者二次采購[4]。

（2）CIM 技術在燃氣用戶安全管理中的應用。利用CIM 技術的數據層迭代和拓撲空間模擬，詳盡錄入用戶燃氣使用情況（用氣量、表后燃氣管道使用年限、燃氣燃燒器具使用年限、入戶立管和燃氣表安裝位置等信息），植入市公安居民調查信息系統的數據，對燃氣用戶管道損耗、燃氣燃燒器具使用狀態進行建模模擬。據中燃協統計2020 年全國燃氣事故分析報告中關于用戶安全用氣事故的統計，除動物咬噬，干燒引發火災，人員違規操作外，其他事故均可通過CIM 技術構建模型進行前期模擬，將事故預防在發生之前，預防率可達86.95%[5]。

4 結語

當今，信息技術變革瞬息萬變，各行各業的發展也日異加快，燃氣行業要提升管理水平，必須學習和運用現代信息和數字化技術。運用CIM 技術對城市燃氣安全管理進行全面升級，即是將傳統燃氣運維管理模式與CIM 技術相結合，集中管理并共享燃氣運維風險管理數據信息。在大數據和云臺功能的支撐下，CIM 構架的信息系統將會為燃氣單位安全管理決策，提供準確、全面的數據信息，以提前制定風險應對計劃與措施，同時還能夠為燃氣單位管理人員方便快捷的摸排風險因素，防患未然，從而使城市燃氣安全得以高質量高效率的提高，燃氣單位管理水平得以平穩發展。