韓麗麗,蔣愛德,丹 晨

(1.河南牧業(yè)經(jīng)濟學院能源與智能工程學院,河南 鄭州 450006;2.鄭州新大方重工科技有限公司,河南 鄭州 450064)

0 引言

數(shù)字孿生(digital twin)是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型,借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為,通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段,增強或擴展物理實體的能力。數(shù)字孿生充分利用物理實體模型、傳感器自動采集、數(shù)據(jù)倉庫等信息資料,集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映物理實體的動態(tài)過程。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學科的技術(shù),數(shù)字孿生發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁與紐帶作用,提供更加實時、高效、智能的服務[1]。

數(shù)字孿生技術(shù)最早形態(tài)是由美國提出,最初的研究領(lǐng)域很窄,主要用于航空航天模型建設(shè),先建立真實飛行器的數(shù)字模型,再通過傳感器收集分析飛行器的健康狀況等數(shù)據(jù)并進行研究。2010年左右,其較多被應用在軍事、航空領(lǐng)域。2015年以后,各國逐步提出制造業(yè)轉(zhuǎn)型,其中涉及智能化、數(shù)字孿生等技術(shù)[2]。目前,世界各國都致力于將數(shù)字孿生技術(shù)融入產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造、醫(yī)學分析、工程建設(shè)、城市管理等領(lǐng)域。

我國鐵路工程建設(shè)發(fā)展迅猛,截至2020年底,全國鐵路運營里程達到14.6萬km,其中高速鐵路3.8萬km。鐵路網(wǎng)覆蓋呈現(xiàn)廣而密的趨勢,項目工程質(zhì)量、安全要求高,鐵路規(guī)模愈發(fā)宏大,工程建設(shè)環(huán)境復雜,施工難度大,需依靠新的技術(shù)手段輔助施工及管理[3]。

高速鐵路箱梁運架施工是鐵路工程建設(shè)的重點環(huán)節(jié),具有運輸線路長、往返時間長等特點,而架橋機、運梁車體積龐大,架梁地點往往遠離項目駐地,從而導致各級管理者不能在第一時間掌控現(xiàn)場情況,即使是操作者與隨車人員,也不能隨時掌握架橋機實時狀況[4-5]。同時,高速鐵路箱梁運架施工管理還涉及人員、物資、設(shè)備、安全、進度、質(zhì)量、環(huán)境等多方面的交互管理。所以,近年來信息化技術(shù)開始在箱梁運架施工領(lǐng)域得到初步應用,在施工進度、設(shè)備管理等方面取得了一些成果,解決了箱梁運架施工中的部分問題[6],但大部分系統(tǒng)的信息采集以人員手動輸入、二維數(shù)字展示為主,在信息的自動采集、智能處理、三維數(shù)字仿真和應用方面探索較少。

本文根據(jù)高速鐵路箱梁運架施工特點,通過北斗衛(wèi)星定位、GIS地圖、運架設(shè)備運行數(shù)據(jù)自動采集、智能推理,獲取運架設(shè)備動態(tài)數(shù)據(jù);通過數(shù)據(jù)清洗和多數(shù)據(jù)規(guī)則形成驅(qū)動數(shù)據(jù),實時更新、驅(qū)動三維全景數(shù)字孿生模型,實現(xiàn)了箱梁運架施工的三維“數(shù)字化”“可視化”,并在荊門—荊州高速鐵路項目中形成了高速鐵路施工的典型應用(見圖1)。

圖1 荊門梁場三維數(shù)字孿生模型

1 數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)

箱梁運架施工三維全景數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)分為4層,即實體層、信息采集層、模型驅(qū)動層和功能應用層,如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)

1)實體層 現(xiàn)實存在的物理實體主要由施工環(huán)境、箱梁、提梁機、運梁車、架橋機等組成,是完成項目施工活動、實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)采集的物理實體。

2)信息采集層 實時自動采集施工過程中提梁機、運梁車、架橋機等設(shè)備的實時位置、設(shè)備狀態(tài)、動作、速度、載重量等參數(shù),這些實時數(shù)據(jù)是三維全景數(shù)字孿生系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

3)模型驅(qū)動層 由三維數(shù)字模型和實時驅(qū)動數(shù)據(jù)組成,其中三維數(shù)字模型是現(xiàn)實物理設(shè)備及環(huán)境特征的數(shù)字化模擬,由實時采集的數(shù)據(jù)更新驅(qū)動,以實現(xiàn)虛擬的數(shù)字化環(huán)境實時同步展現(xiàn)實際施工過程。

4)功能應用層 從箱梁運架施工管理需求出發(fā),以三維數(shù)字孿生模型為基礎(chǔ),利用自動采集的數(shù)據(jù)信息,通過邊緣計算處理,提供施工進度管理、設(shè)備組態(tài)管理、數(shù)據(jù)分析等功能模塊;施工管理人員可通過可視化大屏、PC 客戶端或手機APP、小程序等方式實時全局掌控箱梁運架施工狀況,系統(tǒng)的實際應用如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生大屏展示

2 數(shù)字孿生實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多維模型構(gòu)建

箱梁運架施工多維模型的構(gòu)建過程,就是建立完整的實體施工環(huán)境到虛擬數(shù)字環(huán)境的映射過程,需從多維模型、多場景轉(zhuǎn)換、多數(shù)據(jù)規(guī)則等角度對物理模型空間進行定義,并對所建立的模型驅(qū)動復核,保證模型的正確性、有效性和實時性,從而實現(xiàn)物理實際施工環(huán)境與虛擬仿真空間的全面映射,形成一個完整、實時的虛擬運架施工數(shù)字孿生模型[7]。

1)多維模型 對箱梁運架施工設(shè)備及場景進行實體建模,包括梁場、箱梁、提梁機、運梁車、架橋機等各種物理施工要素。通過BIM,Solidworks,3DMAX等三維建模軟件,建立箱梁運架施工相關(guān)的三維可視化模型,保證運架設(shè)備相對動作部件的運動關(guān)系,并在結(jié)構(gòu)外形、尺寸信息等方面保持和物理實體的一致性,然后導入三維模型引擎,作為箱梁運架施工數(shù)字孿生的驅(qū)動對象。

電導率定義為溶液的導電能力[22]，受酒體中離子濃度和性質(zhì)的影響。酒類儲藏期間酒體內(nèi)物質(zhì)發(fā)生的氧化聚合、酯化等各種反應都會使電導率產(chǎn)生變化。

2)多場景轉(zhuǎn)換 通過運架設(shè)備上安裝的北斗定位模塊實時采集各設(shè)備位置信息,經(jīng)過數(shù)據(jù)運算,實時定位到相關(guān)模型和周邊環(huán)境GIS地圖中,實現(xiàn)設(shè)備在多場景三維數(shù)字孿生模型中的實時動態(tài)更新。

3)多數(shù)據(jù)規(guī)則 對實際運行的提梁機、運梁車、架橋機等施工設(shè)備的指令信號、工作參數(shù)、傳感器信號等進行數(shù)據(jù)采集,梳理總結(jié)采集數(shù)據(jù)和設(shè)備動作響應的對應規(guī)則,并融入施工工序,將大體量多維模型數(shù)據(jù)、多尺度、多時相、多場景的數(shù)據(jù)進行有效分類、組織、處理,實現(xiàn)多維模型可擴展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和多路復用的存取調(diào)度策略,形成多數(shù)據(jù)參數(shù)與動作的映射關(guān)系,驅(qū)動三維數(shù)字孿生模型動作,以實現(xiàn)對箱梁運架施工進行全面、實時模擬和仿真。

2.2 實時數(shù)據(jù)獲取

為了高效快捷地獲取運架設(shè)備運行數(shù)據(jù),需要構(gòu)建運架設(shè)備的數(shù)據(jù)采集模型。本文以提梁機數(shù)據(jù)模型構(gòu)建過程為例進行說明,如圖4所示。

圖4 提梁機數(shù)據(jù)采集模型

1)數(shù)據(jù)采集 提梁機上安裝的PLC、荷載傳感器、高度傳感器、速度傳感器等元(器)件自動采集箱梁高度、運動速度等設(shè)備運行數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)在觸摸屏內(nèi)進行整合。

2)串口傳輸 觸摸屏整合后的數(shù)據(jù)信號通過工業(yè)RS485串口以100ms/次的頻率發(fā)送到智能網(wǎng)關(guān)。

3)邊緣計算 為提高服務器的響應速度,減少數(shù)據(jù)傳輸量,從提梁機采集到的數(shù)據(jù)在智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)進行邊緣計算處理,剔除無效數(shù)據(jù)。

4)數(shù)據(jù)模型 智能網(wǎng)關(guān)將經(jīng)過邊緣計算處理后的有效數(shù)據(jù),在智能網(wǎng)關(guān)中構(gòu)建數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫,利用地址空間找到物理實體的數(shù)據(jù)源,對提梁機的開關(guān)信號、狀態(tài)信號、起重量、速度、地理信息等數(shù)據(jù)源進行數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建,數(shù)據(jù)模型通過 MQTT通信協(xié)議與部署在服務器上的云端數(shù)據(jù)庫相連,實現(xiàn)提梁機物理實體的實時數(shù)據(jù)獲取,形成服務器數(shù)據(jù)模型。

2.3 箱梁運架施工過程實時映射

圖5 施工過程實時映射

通過對箱梁運架設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集、整合、邊緣計算等形成實時驅(qū)動數(shù)據(jù),結(jié)合多維模型和多數(shù)據(jù)規(guī)則,形成數(shù)字孿生模型,服務器以多線程并行的處理方式實現(xiàn)虛擬數(shù)字環(huán)境中的映射,達到三維數(shù)字模型和物理實體實時同步的效果(見圖6);并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)箱梁運架施工進度、設(shè)備組態(tài)管理、數(shù)據(jù)分析等功能(見圖7,8),從而進一步優(yōu)化施工過程。

圖6 提梁機數(shù)字孿生畫面

圖7 施工進度和數(shù)據(jù)分析

某時刻提梁機三維數(shù)字孿生動作如圖6所示,根據(jù)荷載傳感器和高度傳感器信號,智能判斷箱梁位置,并實景展示;根據(jù)提梁機實時開關(guān)信號展示設(shè)備動作,單擊設(shè)備行走機構(gòu)可展示行走機構(gòu)的運行數(shù)據(jù);單擊各位置攝像頭可實時顯示相應位置圖像畫面。

箱梁運架施工進度和數(shù)據(jù)分析如圖7所示,通過架橋機施工位置樁號和GIS地圖實景顯示當前箱梁架設(shè)位置,用實體箱梁和透明箱梁對比直觀展示已架設(shè)和待架設(shè)部分;通過餅狀圖實時統(tǒng)計當前架設(shè)數(shù)量和總體數(shù)量,施工進度清晰明了;用條狀圖直觀顯示提運架設(shè)備的使用情況,設(shè)備利用率一目了然。

提梁機的組態(tài)管理頁面如圖8所示,實時顯示提梁機的工作參數(shù)、報警信息,并記錄設(shè)備的歷史工作數(shù)據(jù)。組態(tài)頁面可根據(jù)展示需要自定義顯示參數(shù),使設(shè)備管理更加便捷。

圖8 設(shè)備組態(tài)管理

綜上所述,箱梁運架施工三維全景數(shù)字孿生系統(tǒng),通過PLC、編碼器、傳感器等數(shù)據(jù)感知、采集裝置,從提運架設(shè)備采集到多源異構(gòu)數(shù)據(jù),在智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)進行邊緣計算清洗處理后形成實時數(shù)據(jù)模型;通過設(shè)備實時多場景動態(tài)和多數(shù)據(jù)規(guī)則定義、智能決策判斷,形成虛擬設(shè)備動作指令,驅(qū)動虛擬設(shè)備動作。

3 應用中的典型問題及處理

該項目是三維全景數(shù)字孿生在箱梁運架施工中的首次嘗試,在應用中遇到了數(shù)字孿生模型運動遲滯、北斗定位精度不足等問題。

傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)由設(shè)備自動采集的大量數(shù)據(jù)僅需簡單運算,一般采用后臺服務器直接處理模式,該項目最初也采用了這種方案。然而實際測試時發(fā)現(xiàn),數(shù)字孿生驅(qū)動數(shù)據(jù)的運算量遠遠超出服務器的處理能力,出現(xiàn)數(shù)據(jù)排隊現(xiàn)象,導致三維數(shù)字孿生模型卡滯。為解決該問題,嘗試采用數(shù)據(jù)分級處理模式,即在智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)編制程序?qū)?shù)據(jù)進行初次邊緣計算,只保留有效數(shù)據(jù),而在服務器內(nèi)進行數(shù)字孿生驅(qū)動數(shù)據(jù)的邏輯運算。經(jīng)過實踐證明,分級處理模式使傳輸數(shù)據(jù)量大為減少,有效利用了服務器算力,三維數(shù)字孿生系統(tǒng)的同步性得到保證。

該項目中提運架設(shè)備采用北斗定位模塊進行設(shè)備的自動定位及GIS地圖匹配,并根據(jù)架橋機位置坐標統(tǒng)計施工進度,因此設(shè)備定位信息非常關(guān)鍵,但在應用中出現(xiàn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)與實際情況不符問題。經(jīng)實測,北斗模塊的定位精度約為10m,在進度計算中經(jīng)常會出現(xiàn)1榀梁的誤差。經(jīng)過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析,引入橋墩位置信息及架橋機行走啟停、行程等數(shù)據(jù)對位置坐標進行修正。經(jīng)過反復調(diào)整測試,修正后的定位精度在1m以內(nèi),達到了精確計算施工進度的目的。

4 三維全景數(shù)字孿生系統(tǒng)的應用價值

箱梁運架施工三維全景數(shù)字孿生系統(tǒng)在箱梁運架施工過程中起到了可視化呈現(xiàn)、智能診斷、輔助決策、提高效益四大方面的作用[8]。

1)可視化呈現(xiàn) 數(shù)字孿生虛擬模型根據(jù)現(xiàn)實物理世界搭建,通過多維模型、多場景轉(zhuǎn)換、多數(shù)據(jù)規(guī)則和實時數(shù)據(jù)驅(qū)動,將箱梁運架施工的相關(guān)性能進行可視化呈現(xiàn),實現(xiàn)了現(xiàn)實同虛擬的一一映射和同步。

2)智能診斷 在數(shù)字孿生虛擬映射的基礎(chǔ)上,通過對運架施工數(shù)字孿生信息進行大數(shù)據(jù)分析,實現(xiàn)了對箱梁運架施工過程風險的智能診斷。

3)輔助決策 根據(jù)箱梁運架施工長距離、大規(guī)模、多專業(yè)協(xié)同特點,利用數(shù)字孿生挖掘數(shù)據(jù)集成應用的新價值,通過現(xiàn)實數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的綜合分析,對箱梁運架過程進行指導,從而輔助施工,做出科學決策。

4)提高效益 數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代化信息技術(shù)應用于箱梁運架施工,對施工過程的全要素進行監(jiān)測和控制,提高了施工效益。

5 結(jié)語

依托荊門—荊州高速鐵路項目,對箱梁運架施工三維數(shù)字孿生實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進行了介紹和項目實際驗證。通過三維全景數(shù)字孿生技術(shù)搭建物理世界與虛擬世界的融合通道,形成交互式的三維數(shù)字鏡像,實現(xiàn)了模型與物理實體的實時同步動作,有效解決了傳統(tǒng)箱梁運架施工過程中實時信息掌握困難、可視化程度低等難題,提高了箱梁運架施工管理的效率,保證了數(shù)據(jù)的及時性和準確性,為施工管理決策提供了有效的輔助工具;通過數(shù)字孿生全局視角,各級管理人員更便捷、高效地對實際施工過程進行分析、預測和管控。同時,箱梁運架施工三維全景數(shù)字孿生系統(tǒng)深度融合箱梁運架大型高端施工裝備控制技術(shù)、高速鐵路運架施工技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù),形成了多學科交叉、多維模型融合、多數(shù)據(jù)規(guī)則、多場景轉(zhuǎn)換的數(shù)字孿生典型應用。