李金榮　曾慶祥　陳文媛

摘要：為探索利用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)百色通航設(shè)施區(qū)域的數(shù)字映射和智能模擬，分析了數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有水利工程信息化管理系統(tǒng)存在資源難以共享互通、信息化基礎(chǔ)設(shè)施落后、業(yè)務(wù)協(xié)同智能化水平較低等不足，利用數(shù)字孿生技術(shù)搭建了百色通航設(shè)施施工管理平臺。介紹了平臺總體框架及關(guān)鍵技術(shù)，分析了該平臺的特點并展示了其應(yīng)用效果。該平臺的建設(shè)可為工程建設(shè)精細(xì)化管理和智慧化決策提供技術(shù)支撐，保障工程建設(shè)過程中的進(jìn)度、質(zhì)量和安全。

關(guān)鍵詞：工程建設(shè)； 智慧管理； 數(shù)字孿生； 百色水利樞紐

中圖法分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.018

文章編號：1006-0081（2023）12-0107-04

0引言

數(shù)字孿生技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，歷經(jīng)了3個階段性變革。第一階段是靜態(tài)的“復(fù)制-粘貼”模式，可以展示現(xiàn)實世界的各類場景，“本體”的改變對“復(fù)制品”沒有任何影響；第二階段通過結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和各類監(jiān)測技術(shù)，可實時采集現(xiàn)實場景數(shù)據(jù)并在孿生體上進(jìn)行狀態(tài)更新；第三階段的數(shù)字孿生融合了VR、AR、AI，邊緣計算等多種技術(shù)，實現(xiàn)了實體和孿生體的全要素虛實交互，實體狀態(tài)的改變會實時反映到孿生體上，孿生體也能反過來去影響實體。數(shù)字孿生技術(shù)目前已經(jīng)在各行各業(yè)得到實踐。劉占省等根據(jù)數(shù)字孿生的特點分析了數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)、智慧城市、智能建造等方面的應(yīng)用［1］，李效明等研究了數(shù)字孿生在港口信息化運營管理中的應(yīng)用［2］，湯清權(quán)等研究了數(shù)字孿生技術(shù)在交直流配電網(wǎng)中的應(yīng)用［3］，劉昌軍等研究了數(shù)字孿生技術(shù)在淮河流域智慧防洪體系中的應(yīng)用［4］。

目前，數(shù)字孿生技術(shù)在流域及水利工程管理中已開始應(yīng)用，主要集中在利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行水利業(yè)務(wù)“四預(yù)”功能構(gòu)建。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的成熟和成功實踐，構(gòu)建水利工程全生命周期的數(shù)字

生管理體系已經(jīng)成為未來趨勢。本文以百色通航設(shè)施工程為例，利用數(shù)字孿生技術(shù)搭建工程智慧管理平臺。該平臺實現(xiàn)了工程全過程、全要素的智能化管理，為百色通航設(shè)施建成后自動化及智慧化運營打下堅實基礎(chǔ)。

1現(xiàn)有水利工程信息化管理系統(tǒng)的不足

水利工程建設(shè)管理中引入了很多信息化手段，但水利工程智慧化才剛起步［5-6］?，F(xiàn)有的信息化平臺遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)下需求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：① 數(shù)據(jù)資源分散在不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，使用不同的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行存儲，資源難以共享互通；② 現(xiàn)有信息化基礎(chǔ)設(shè)施落后，缺乏全域監(jiān)測感知的基礎(chǔ)環(huán)境，感知設(shè)備不夠先進(jìn)，采集的數(shù)據(jù)時效性、精確性較差，難以指導(dǎo)決策［7-8］；③ 業(yè)務(wù)協(xié)同智能化水平較低，用戶界面缺少直觀化展示和虛實交互，需要建設(shè)具有超前分析預(yù)判、風(fēng)險防范模擬的數(shù)字孿生系統(tǒng)［9-10］，構(gòu)建虛實映射的孿生體，實踐“驗算”孿生體的良性循環(huán)。在百色通航設(shè)施數(shù)字管理平臺（以下簡稱“平臺”）的建設(shè)中，

基于各類數(shù)據(jù)，建立了仿真模型，用模型指導(dǎo)施工，施工中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)再返回驗證優(yōu)化模型，形成數(shù)字孿生閉環(huán)（圖1）。

2平臺總體設(shè)計

平臺總體框架包括信息基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺、業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)安全體系和保障體系（圖2）。

（1） 信息基礎(chǔ)設(shè)施。包括監(jiān)測感知、工程自動化控制設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)和云平臺。監(jiān)測感知設(shè)備和工程自動化控制設(shè)備為數(shù)字孿生平臺提供原始數(shù)據(jù)源；云平臺為系統(tǒng)運行提供計算和存儲資源，通過云平臺建設(shè)，有利于統(tǒng)籌管理和節(jié)省成本。

（2） 數(shù)字孿生平臺。包括數(shù)據(jù)底板、應(yīng)用支撐平臺和模型庫。數(shù)據(jù)底板是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，精準(zhǔn)的原始數(shù)據(jù)是將物理工程映射到孿生體的保障；應(yīng)用支撐平臺為上層應(yīng)用提供各類服務(wù)，方便業(yè)務(wù)應(yīng)用層直接調(diào)用，可減少重復(fù)開發(fā)；模型庫主要是工程結(jié)構(gòu)可視化模型和機電結(jié)構(gòu)模型。

（3） 業(yè)務(wù)應(yīng)用層直接面向用戶，為用戶提供簡潔實用的操作窗口并提供移動業(yè)務(wù)應(yīng)用。

（4） 網(wǎng)絡(luò)安全體系和保障體系主要包括了網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、運維體系等，為平臺的安全穩(wěn)健運行提供保障。

3關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1數(shù)字化場景構(gòu)建

三維數(shù)字化場景構(gòu)建主要以工程設(shè)計資料和測量影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用Bentley系列軟件作為三維設(shè)計工具，在設(shè)計階段對工程土建、機電設(shè)備構(gòu)建含有型號、尺寸、類型、位置等信息統(tǒng)一編碼的三維模型。

（1） 地質(zhì)分層開挖算量。以地質(zhì)數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，對工程區(qū)域進(jìn)行三維地質(zhì)建模，進(jìn)行地質(zhì)分層處理，并在三維模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行開挖計算。

（2） 參數(shù)化建模。采用參數(shù)化建模方法，將設(shè)備模型中的定量信息變量化，使之成為可任意調(diào)整的參數(shù)，同時在定量與變量之間建立邏輯關(guān)系，形成約束條件，以此提高模型的生成和修改效率，同時生成參數(shù)化構(gòu)件模型庫。

（3） 模型WEB端輕量化加載?？紤]到用戶的跨平臺需求，采用Cesium加載三維模型。Cesium是一款基于JavaScript創(chuàng)建虛擬場景的3D地理信息地圖引擎庫，支持海量數(shù)據(jù)的高效渲染，支持時間序列動態(tài)數(shù)據(jù)的三維可視化，同時提供優(yōu)秀的觸摸支持和移動端支持［11-13］。將數(shù)據(jù)進(jìn)行切片，采用分層分區(qū)加載策略實現(xiàn)模型的快速加載。

3.2多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成

將不同源、不同類型和不同精度的BIM模型數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維空間融合，達(dá)到數(shù)據(jù)宏觀尺度和微觀尺度的無縫切換和貼合?？臻g數(shù)據(jù)方面首先進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，將BIM模型數(shù)據(jù)與傾斜攝影數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系，實現(xiàn)各種信息對齊；然后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌、壓平、裁剪等操作，達(dá)到數(shù)據(jù)平滑銜接、紋理拼接自然的效果。BIM數(shù)據(jù)方面，由于Cesium支持glTF和bgltf兩種格式，因此先將dgn格式的BIM模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為obj文件，然后利用Cesium官方提供的obj2gltf工具將obj轉(zhuǎn)換為glTF格式數(shù)據(jù)。在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)方面，建立空間數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系和編碼映射，通過統(tǒng)一的映射實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合。主要數(shù)據(jù)內(nèi)容見表1，數(shù)據(jù)的主要格式見表2。

4平臺特點

4.1橫向全要素管理

平臺將工程建設(shè)中的人力資源、物力資源、環(huán)境量以及規(guī)范等各類生產(chǎn)要素進(jìn)行數(shù)字化映射，同時提供一套大屏管理系統(tǒng)，將管理者關(guān)注的要素信息集成在一個頁面上動態(tài)展示。使用數(shù)據(jù)結(jié)合圖形的方式，將投資、進(jìn)度、質(zhì)量、安全等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時統(tǒng)計分析并展示，幫助管理者直觀掌握工程實時全況和未來趨勢，為管理者提供決策支持。

4.2縱向全過程管理

平臺提供工程中所有“規(guī)劃-設(shè)計-實施-驗收”流程的管理，大到整個工程建設(shè)和各個標(biāo)段，小到單元模塊的建設(shè)。對工程的設(shè)計方案、實施情況、驗收情況、資金使用中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，與項目計劃進(jìn)行對比，使用圖表和三維模型展示各類業(yè)務(wù)流程的進(jìn)度。提供統(tǒng)一的登錄入口，滿足工程單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位的各類用戶業(yè)務(wù)流程需求。

4.3虛實交互

平臺接入了水文氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，將實時數(shù)據(jù)集成在三維模型中，同時通過平臺向現(xiàn)地設(shè)備下發(fā)工控指令，指令執(zhí)行完成后將執(zhí)行情況上傳至平臺，形成精準(zhǔn)映射、以虛控實的雙向交互，提高生產(chǎn)效率的同時節(jié)約成本并且保障安全生產(chǎn)。

5平臺應(yīng)用

平臺主要功能有進(jìn)度管理、投資管理、質(zhì)量管理、安全管理、計量支付管理、合同管理與檔案管理。地圖上通過三維模型展示了工程全局情況，用戶可以通過縮小放大、測距、漫游等小工具快速查看工程細(xì)節(jié)信息（圖3）。

5.1進(jìn)度管理

平臺根據(jù)進(jìn)度計劃使用BIM模型進(jìn)行進(jìn)度的三維可視化分析（圖4），將實際進(jìn)度與計劃進(jìn)度進(jìn)行對比，并使用不同顏色加以區(qū)分（灰色表示未開工，黃色表示進(jìn)度延遲，綠色表示按時完成），實際進(jìn)度情況通過平臺更新后實時反映到模型中。

5.2投資管理

平臺利用模型數(shù)據(jù)和投資計劃動態(tài)展示物料消耗量、資金花費情況等信息，計劃投資與實際情況進(jìn)行對比，形成資金落實情況分析，可根據(jù)標(biāo)段和時間對費用落實情況進(jìn)行統(tǒng)計。

5.3質(zhì)量管理

用戶可在平臺上設(shè)置不同標(biāo)段的質(zhì)量規(guī)章制度和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，同時對整改單進(jìn)行統(tǒng)計，整改完成和整改未達(dá)標(biāo)的部分以不同顏色進(jìn)行區(qū)分；通過對質(zhì)量活動數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，可幫助管理人員快速全面掌握項目質(zhì)量隱患，根據(jù)平臺數(shù)據(jù)直接對質(zhì)量問題進(jìn)行溯源，落實到具體責(zé)任人。

5.4安全管理

在平臺設(shè)置危重大工程顯示，可設(shè)置不同標(biāo)段的不同工程部位，為危重大工程設(shè)置風(fēng)險級別，不同風(fēng)險級別通過不同的顏色在工程三維模型中顯示。管理人員可在手機APP上進(jìn)行安全檢查，檢查一鍵上傳，平臺實時更新安全檢查情況，便于實施人員及時整改，整改情況及時反饋。

6結(jié)語

利用數(shù)字孿生技術(shù)搭建的百色通航設(shè)施施工管理平臺，有效提高了工程建設(shè)管理水平，實現(xiàn)了各類資源的合理調(diào)控，便于各類生產(chǎn)活動的精細(xì)化管理。同時，工程建設(shè)中的各類數(shù)據(jù)得到了有效的保存與共享，可在通航設(shè)施運營期繼續(xù)發(fā)揮作用。百色通航設(shè)施施工管理平臺是數(shù)字孿生技術(shù)在施工期的初步實踐，要達(dá)到數(shù)字孿生技術(shù)的深入應(yīng)用還有很多智能化功能需要實現(xiàn)。后續(xù)將在智能分析方面進(jìn)行深入的探索，提高數(shù)字孿生技術(shù)在升船機安裝調(diào)式中的預(yù)演作用，增加視頻智能分析技術(shù)和智能模型學(xué)習(xí)系統(tǒng)，進(jìn)一步提升工程質(zhì)量和安全管理能力。

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（編輯：李晗）

Application and exploration of digital twin technology in construction of navigation facilities of Baise Water Conservancy Project

LI Jinrong，ZENG Qingxiang，CHEN Wenyuan

（China Water Resources Pearl River Planning，Surveying & Designing Co.，Ltd .，Guangzhou 510611，China）

Abstract：In order to explorer the application of digital twin technologyin digital mapping and intelligent simulation of Baise navigation facility areas.The current status of the application of digital twin technology is analyzed to point out the deficiencies of the existing water conservancy project information management system in terms of resource sharing and interoperability，outdated information infrastructure，and low level of business collaboration intelligence，etc，we have built a construction management platform for Baise navigation facilities using digital twin technology.We introduced the overall framework and key technologies of the platform，analyzed its characteristics，and demonstrated its application effects.The construction of the platform provides technical support for refined management and intelligent decision-making in engineering construction，ensuring the progress，quality，and safety of the engineering construction process.

Key words：construction of engineering； smart management； digital twins； Baise Water Conservancy