劉宗余，何思源，何志軍，平金同，高 路

（1.河北建投工程建設有限公司，050001，石家莊；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，430010，武漢；3.河北建投水務投資有限公司，050001，石家莊）

近年，隨著城市供水工程建設規(guī)模的不斷擴大，取水線路不斷延長，大口徑長距離輸水管線工程項目也越來越多。針對長輸管線這種施工作業(yè)區(qū)分散、地形條件復雜且不可控性因素密集的建設項目，通過構建數(shù)字化、智慧化的管理體系，實施精細化協(xié)同管理，著力解決傳統(tǒng)項目管理中信息化程度低、資源配置合理性復核難度大、過多依賴施工經(jīng)驗進行決策等問題，借力數(shù)字技術的優(yōu)勢，降低施工協(xié)調(diào)難度，提升項目管理的智能性、預測性和決策水平。

數(shù)字孿生技術的應用是以整個施工過程的可計算、可控制為目標。結合項目特點，基于BIM+GIS、無人機傾斜攝影等先進技術，構建以項目安全、質(zhì)量、成本、進度、人員管控為核心業(yè)務的數(shù)字孿生智慧管理平臺，平臺通過虛實模型的實時匹配與交互、數(shù)字驅(qū)動控制、大數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析、動態(tài)可視化、虛擬建造與輔助決策等，完成了實際施工作業(yè)與孿生體的數(shù)據(jù)關聯(lián)，打通了數(shù)據(jù)壁壘，完善場地布置、施工模擬，可視化輔助決策，前置解決施工問題，實現(xiàn)了項目施工全階段、多維度的可視化動態(tài)管控，為施工管理提供了高效準確、可視化的技術支持，充分發(fā)揮了數(shù)字孿生技術應用價值。管理平臺具有實時性、可視化及協(xié)同性等優(yōu)勢。

一、項目概況及施工難點

某輸水管線工程全長15 474 m，主要采用DN1600球墨鑄鐵管，工程總投資1.4 億元。沿途穿越長深高速、國道、地方鐵路5 處，穿越方式為泥水平衡鉆，混凝土套管內(nèi)穿涂塑復合鋼管，每處需布置工作井及接收井2 座；穿越瀝青路、燃氣管線、國防光纜、氫氣管線、原給水管線9 處，每處需布置工作井及接收井2座。管線鋪設采用明挖鋪設、非開挖水平定向鉆進、泥水平衡頂管等多種方式配合施工。

工程呈帶狀分布，具有距離長、沿線地形地貌復雜、環(huán)境多樣、地下及地上障礙多、征地拆遷難度大等諸多難點。工程地處沿海地區(qū)，土壤鹽堿化程度高，土質(zhì)以淤泥質(zhì)土為主，且地下水水位高，全線穿越多處河流、渠道、公路、鐵路及輸油、輸氣管線。項目施工期限短、任務重，因征遷工作難度較大故施工作業(yè)面受限，項目涉及材料供貨商、勞務分包、機械分包和專業(yè)施工隊伍40 余家，多方協(xié)同管理難，安全、質(zhì)量、進度、成本失控風險高，工程信息收集整理工作量大。

二、主要技術、標準及軟硬件配置

1.建筑信息模型

BIM（Building Information Modeling）作為一種參照施工的三維模型，能夠?qū)鹘y(tǒng)的二維圖紙轉化為更加直觀可視化的三維模型，在施工過程中可以做到集建筑信息模型、建筑信息模型應用、建筑信息管理一體化，服務于施工全過程，并基于這些數(shù)據(jù)通過數(shù)字信息仿真進行建筑物所具有真實信息的模擬。

2.地理信息系統(tǒng)

GIS（Geographic Information System）空間信息技術是在傳統(tǒng)二維地理系統(tǒng)基礎上發(fā)展而來的新一代三維空間信息技術。可以為復雜地理環(huán)境管道施工的規(guī)劃、管理、決策和營運提供科學有效的技術支持。通過該技術所構建的三維空間框架，可作為包括BIM 模型、光學遙感影像、高程DEM 數(shù)據(jù)、無人機傾斜攝影、地面?zhèn)鞲衅鞯仍趦?nèi)的多源數(shù)據(jù)的載體，以地理坐標為基準搭建一種管道路由的高還原度虛擬環(huán)境，具有十分優(yōu)異的可視化效果和地理空間分析基礎。

3.傾斜攝影測量

通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體完整準確的信息，生成效果逼真的三維模型，更真實地反映地物的實際情況，要素全面，測量精度高，尤其適合在自然環(huán)境復雜的地方快速采集實景模型，具有便攜、易用、節(jié)約人工、精度高等特點。

4.數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，利用多源傳感信息鏈接與互譯實現(xiàn)物理實體與虛擬數(shù)字孿生體之間的交互感知，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論模型進行對比，對物理空間的實際施工過程進行調(diào)整與修正。

5.VR 模擬建造

運用BIM+GIS 對工程實體進行三維建模，通過無人機實時或留存的航拍視頻、視頻監(jiān)控錄制視頻，平臺自動進行視頻實時處理，對現(xiàn)場實際工程情況進行記錄、標注和提示，運用VR 虛擬現(xiàn)實技術結合施工方案5D 模擬工程建造全過程，提前預判工程建設中可能出現(xiàn)的問題和錯誤，規(guī)避風險，減少返工，提高安全性，節(jié)能降費，指導施工全過程。

6.技術標準

參照執(zhí)行的主要技術標準如表1 所示。

表1 技術標準

7.軟硬件配置

采用的軟硬件配置如表2 所示。

表2 軟件硬件平臺

三、項目管理平臺建設

1.平臺設計的業(yè)務架構和技術架構

管理平臺融合BIM、GIS、無人機傾斜攝影、無人機巡檢、數(shù)據(jù)三維重建等各種主要三維模型及視圖形式，對基礎數(shù)據(jù)、監(jiān)測報警、場景漫游等數(shù)據(jù)進行三維可視化展示及管理?；贐IM+GIS 技術的全生命周期建設應用框架，采用BIM 技術建立精細化模型，GIS提供真實的三維地形場景信息，將BIM 模型、傾斜攝影數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)融合接入到GIS 平臺，實現(xiàn)微觀與宏觀、虛擬與現(xiàn)實結合的多層次、多維度的信息融合，構建一個三維可視化的交互環(huán)境。以各種軟硬件設施為基礎，收集項目施工過程中各種數(shù)據(jù)，通過管理平臺進行數(shù)據(jù)的處理、分析、存儲、預警及設備的管理，服務于項目實施工程的質(zhì)量、進度、安全、成本等管理要素，進而提高項目管理人員的管理水平，為項目施工保駕護航。管理平臺架構如圖1 所示。

圖1 平臺業(yè)務架構

2.三維場地布置

施工現(xiàn)場隨著人、材、機的變化而動態(tài)變化，為了實現(xiàn)施工總平面的動態(tài)管理，將數(shù)字孿生技術應用于施工總平面布置，實現(xiàn)了動態(tài)布置及管理。

結合GIS 和傾斜攝影模型，在三維地形的基礎上建立對應的BIM 場布模型，進行可視化模擬布置（見圖2），綜合成本、環(huán)境、安全等因素，合理規(guī)劃施工營地、加工廠的位置分布，使有限的場地利用率最高，減少安全隱患，降低項目成本。合理的場地布置方案能有效地縮短材料設備的運輸距離，避免臨時設施的多次搭拆，給予工程項目一個良好的施工作業(yè)環(huán)境。

圖2 三維場地布置

3.質(zhì)量管理

結合數(shù)字孿生技術，通過使用虛擬質(zhì)量樣板，可以全方面展示工程材料、工序、工藝等信息內(nèi)容，進行三維技術交底和施工模擬，預判實際工程可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)，通過無人機和高清攝像頭實時監(jiān)測重要工序施工質(zhì)量，留存照片和視頻，同時將質(zhì)量檢測設備數(shù)據(jù)實時上傳到管理平臺，進行原始數(shù)據(jù)留存?zhèn)浒競洳椋葷M足人們的觀感，又充分了解工程所采用的材料及施工質(zhì)量、施工工藝、施工流程和施工水平。留存大量的一手實時施工過程資料，監(jiān)督施工全過程，為質(zhì)量問題的溯源提供了有效的證據(jù)支撐。

4.安全管理

通過VR 虛擬現(xiàn)實技術，對工程人員進行沉浸式安全教育培訓，結合施工方案5D模擬和逃生方案進行虛擬預演，快速掌握安全教育、管理人員履職情況；基于傾斜攝影實景模型和BIM 場布模型，在GIS 平臺上進行可視域分析，對于一個或者多個監(jiān)控觀察點，采用無人機實時巡檢，從空中巡視施工盲區(qū)，快速定位項目風險、隱患分布，并對安全管理問題進行主動預警，防患未然，實時進行隱患排查、流程上報、流程跟蹤驗證以及隱患消除，將視頻和圖像資料實時回傳給管理人員，提高工作效率；采用人臉識別、人員行為姿態(tài)檢測、安全帽檢測、車型識別、車牌識別、設備類型檢測、設備計數(shù)等全方位多維度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，隨時隨地掌握安全生產(chǎn)情況，提供模塊化的安全管理總結分析素材快速生成安全數(shù)字報告，為管理人員決策提供數(shù)據(jù)支撐。

5.進度管理

基于大口徑長距離輸水管道工程的施工特點和合同中規(guī)定的節(jié)點目標，圍繞關鍵線路和節(jié)點目標采用Project 軟件編制施工進度計劃，與BIM 模型關聯(lián)起來，分段進行管道施工，導入Navisworks 進行進度模擬，工程人員基于不同的施工狀況模擬多種施工方案，進行方案優(yōu)化，實時更新進度計劃，方便參與方的溝通交流和協(xié)作。在施工過程中，采用無人機進行定期航測，以周或月為單位對施工場地進行影像采集，建立實時傾斜攝影模型，與BIM 模擬建造進度進行直觀性對比，實現(xiàn)實際進度信息的可視化表達，分析進度偏差原因，然后反饋于BIM 模型，更改工作計劃，整體上把控項目進度。

在已有5D 進度模型中輸入實際進度參數(shù)，實現(xiàn)實際進度與計劃進度的可視化對比分析，通過動態(tài)跟蹤計劃及時糾偏，實際進度計劃與模型進度數(shù)據(jù)聯(lián)動，保障了進度計劃編制、跟蹤、檢視、調(diào)整的完整性，形成PDCA 閉環(huán)管理。

進度計劃支撐總月周逐級拆解，通過末端計劃的實時跟蹤，實時掌控進度偏差，自動計算滯后工期，并進行預警，工序任務融入周計劃并分發(fā)到生產(chǎn)負責人移動端APP，指定責任人跟蹤，實現(xiàn)PC 端對每一項計劃進行任務派發(fā)和設定任務完成的要求，實時反饋派發(fā)任務完成狀態(tài)，實時閉環(huán)，互聯(lián)網(wǎng)實時同步，并在平臺可實時進行已派發(fā)任務狀態(tài)的查詢。

6.成本管理

通過應用數(shù)字孿生技術提前對施工場地、施工道路進行三維模擬，對重要節(jié)點的主要施工工藝進行虛擬建造，對實際施工過程中潛在的問題進行提前預判，合理進行場布，選取最佳路由，從而減少施工用地面積，合理規(guī)劃現(xiàn)場運輸?shù)缆?，確保運輸通暢；三維模擬施工工藝，減少現(xiàn)場返工次數(shù)，減少施工人工投入，降低工程施工對材料的損耗，從而有效減少資源浪費。同時通過數(shù)字孿生管理平臺，對項目進行投標成本—計劃成本—實際成本的三算對比，分析項目管理過程中的成本管理的優(yōu)點和漏洞，提高成本管理水平。

7.資料管理

留存無人機和高清攝像頭航拍視頻、監(jiān)控視頻，備案備查；同時將項目建設的前期資料、過程資料及竣工驗收資料及時上傳平臺，進行資料匯總留存，與移動端相連接，做到資料的實時在線咨詢和可視化管理，確保了資料的完整性、及時性和準確性。

8.勞務實名制管理

以信息化手段為基礎，構建統(tǒng)一的施工項目勞務實名制管理平臺。運用門禁系統(tǒng)、打卡機、無人機實時掌握各項目部人員分布及出勤情況，迅速定位人員異常問題，提高項目經(jīng)理對項目部人員的管理力度。結合現(xiàn)場人員佩戴NB 版智能安全帽，可為管理者提供多樣化、專業(yè)化的人員管理信息，輔助管理者進行現(xiàn)場生產(chǎn)的勞動力調(diào)配等多項生產(chǎn)管控，最終形成對施工現(xiàn)場勞務用工管理的決策依據(jù)。

9.物料跟蹤驗收系統(tǒng)

通過高清攝像頭和無人機設備實施跟蹤物料進出廠，通過收發(fā)料明細分析、匯總分析，即時更新動態(tài)，客觀、真實、準確地反映收發(fā)料情況；可按時間、材料、供應商、來源、偏差等多視角組合分析，支撐實際采購、實際到貨、實際發(fā)料分析，為采購計劃、資金計劃、用料安排、工程進度等提供精準數(shù)據(jù)支持。

10.視頻監(jiān)控系統(tǒng)

通過視頻實時監(jiān)看、視頻存儲、視頻回放和延時攝影，將工程項目做到可視化管理，實時監(jiān)測施工現(xiàn)場安全生產(chǎn)措施的落實，對施工操作工作面上的各安全要素等實施有效監(jiān)控，同時消除施工安全隱患，加強和改善建設工程的安全與質(zhì)量管理，實現(xiàn)建設工程監(jiān)管模式的創(chuàng)新。系統(tǒng)可以在手機APP 和電腦網(wǎng)頁、云平臺上查看實時視頻，便于及時發(fā)現(xiàn)問題，為遠程管理提供方法。同時視頻監(jiān)控子系統(tǒng)具備存儲功能，能根據(jù)攝像機、錄像日期時間進行檢索，發(fā)生問題可及時回溯，為解決問題提供依據(jù)。

四、效益分析

①數(shù)字孿生管理平臺提供了一種全過程、全方位的智慧化方案，對施工過程可以實時反饋與調(diào)控，提高了現(xiàn)場作業(yè)中的信息利用率，實現(xiàn)了人工智能輔助預測，具有較高的可靠性，滿足實際應用需求。平臺以信息化、可視化的方式對施工現(xiàn)場、沿線周邊環(huán)境進行仿真模擬，結合物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術，對項目施工方案進行持續(xù)、動態(tài)、實時的優(yōu)化。

②通過質(zhì)量巡檢定位、進度輔助決策、安全隱患排查與關聯(lián)跟蹤處理、成本異常溯源與比對分析等手段，確保了工程質(zhì)量、作業(yè)安全和降本增效，提高了各專業(yè)的溝通效率，減少了工程返工和費用損失，項目節(jié)約工期33 d、節(jié)省成本約6%。

③平臺的合理利用提升了項目施工的智慧化、數(shù)字化水平，各項效益指標均明顯高于傳統(tǒng)管控模式，實現(xiàn)了數(shù)字孿生精益化建造目標，為復雜環(huán)境下長輸管線施工管理提供了一條切實可行的技術路線。

五、結 語

長輸管線工程沿線地形復雜、不確定因素多、管理失控風險較大。針對傳統(tǒng)的施工管理系統(tǒng)存在缺乏數(shù)據(jù)關聯(lián)分析和可視化輔助決策等問題，通過分析該類項目特征及痛點、難點，從施工現(xiàn)場實體建模、數(shù)字孿生虛體建模、虛實交互關聯(lián)建模的角度，構建了基于數(shù)字孿生的智慧管理平臺，平臺實現(xiàn)了施工過程全要素實施監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、施工模擬與控制等信息技術集成應用。結合項目特點，通過現(xiàn)場作業(yè)與孿生體的數(shù)據(jù)關聯(lián)，實現(xiàn)對臨時設施、材料信息、進度狀態(tài)、工程量統(tǒng)計、成本控制、工程質(zhì)量、安全、人員的可視化動態(tài)管理，通過多維度屬性信息賦值搭建三維信息模型與質(zhì)量檢驗評定、計量支付之間的應用通道，輔助項目人員在第一時間發(fā)現(xiàn)問題并完成決策，及時調(diào)整和優(yōu)化施工方案，最大限度地節(jié)約項目投資和工期。平臺提升了項目管理的預測性與智能性，實際應用達到了預期效果。