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(shí)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(tái)。介紹了平臺(tái)總體框架及關(guān)鍵技術(shù)，分析了該平臺(tái)的特點(diǎn)并展示了其應(yīng)用效果。該平臺(tái)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(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.018

文章編號(hào)：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(gè)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(shí)世界的各類場(chǎng)景，“本體”的改變對(duì)“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(cè)技術(shù)，可實(shí)時(shí)采集現(xiàn)實(shí)場(chǎng)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(jì)算等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)體和孿生體的全要素虛實(shí)交互，實(shí)體狀態(tài)的改變會(huì)實(shí)時(shí)反映到孿生體上，孿生體也能反過來去影響實(shí)體。數(shù)字孿生技術(shù)目前已經(jīng)在各行各業(yè)得到實(shí)踐。劉占省等根據(jù)數(shù)字孿生的特點(diǎn)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(yùn)營(yíng)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(shí)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(shì)。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(tái)。該平臺(tái)實(shí)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(dòng)化及智慧化運(yùn)營(yíng)打下堅(jiān)實(shí)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］。現(xiàn)有的信息化平臺(tái)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)下需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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(chǔ)，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(cè)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(shí)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(shí)交互，需要建設(shè)具有超前分析預(yù)判、風(fēng)險(xiǎn)防范模擬的數(shù)字孿生系統(tǒng)［9-10］，構(gòu)建虛實(shí)映射的孿生體，實(shí)踐“驗(yàn)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(tái)（以下簡(jiǎn)稱“平臺(tái)”）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(yàn)證優(yōu)化模型，形成數(shù)字孿生閉環(huán)（圖1）。

2平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

平臺(tái)總體框架包括信息基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字孿生平臺(tái)、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(cè)感知、工程自動(dòng)化控制設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)和云平臺(tái)。監(jiān)測(cè)感知設(shè)備和工程自動(dòng)化控制設(shè)備為數(shù)字孿生平臺(tái)提供原始數(shù)據(jù)源；云平臺(tái)為系統(tǒng)運(yùn)行提供計(jì)算和存儲(chǔ)資源，通過云平臺(tái)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(tái)。包括數(shù)據(jù)底板、應(yīng)用支撐平臺(tái)和模型庫(kù)。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(tái)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(kù)主要是工程結(jié)構(gòu)可視化模型和機(jī)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(jiǎn)潔實(shí)用的操作窗口并提供移動(dòng)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(yùn)維體系等，為平臺(tái)的安全穩(wěn)健運(yùn)行提供保障。

3關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1數(shù)字化場(chǎng)景構(gòu)建

三維數(shù)字化場(chǎng)景構(gòu)建主要以工程設(shè)計(jì)資料和測(cè)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(jì)工具，在設(shè)計(jì)階段對(duì)工程土建、機(jī)電設(shè)備構(gòu)建含有型號(hào)、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(duì)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(jì)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(shí)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(shí)生成參數(shù)化構(gòu)件模型庫(kù)。

（3） 模型WEB端輕量化加載?？紤]到用戶的跨平臺(tái)需求，采用Cesium加載三維模型。Cesium是一款基于JavaScript創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景的3D地理信息地圖引擎庫(kù)，支持海量數(shù)據(jù)的高效渲染，支持時(shí)間序列動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的三維可視化，同時(shí)提供優(yōu)秀的觸摸支持和移動(dòng)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(shí)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(cè)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。空間數(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(gè)坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)各種信息對(duì)齊；然后再對(duì)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(cè)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(shí)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(tái)特點(diǎn)

4.1橫向全要素管理

平臺(tái)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(shí)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(gè)頁(yè)面上動(dòng)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(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析并展示，幫助管理者直觀掌握工程實(shí)時(shí)全況和未來趨勢(shì)，為管理者提供決策支持。

4.2縱向全過程管理

平臺(tái)提供工程中所有“規(guī)劃-設(shè)計(jì)-實(shí)施-驗(yàn)收”流程的管理，大到整個(gè)工程建設(shè)和各個(gè)標(biāo)段，小到單元模塊的建設(shè)。對(duì)工程的設(shè)計(jì)方案、實(shí)施情況、驗(yàn)收情況、資金使用中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，與項(xiàng)目計(jì)劃進(jìn)行對(duì)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(jì)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(shí)交互

平臺(tái)接入了水文氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成在三維模型中，同時(shí)通過平臺(tái)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(tái)，形成精準(zhǔn)映射、以虛控實(shí)的雙向交互，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)節(jié)約成本并且保障安全生產(chǎn)。

5平臺(tái)應(yīng)用

平臺(tái)主要功能有進(jìn)度管理、投資管理、質(zhì)量管理、安全管理、計(jì)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(cè)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(tái)根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃使用BIM模型進(jìn)行進(jìn)度的三維可視化分析（圖4），將實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行對(duì)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(shí)完成），實(shí)際進(jìn)度情況通過平臺(tái)更新后實(shí)時(shí)反映到模型中。

5.2投資管理

平臺(tái)利用模型數(shù)據(jù)和投資計(jì)劃動(dòng)態(tài)展示物料消耗量、資金花費(fèi)情況等信息，計(jì)劃投資與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，形成資金落實(shí)情況分析，可根據(jù)標(biāo)段和時(shí)間對(duì)費(fèi)用落實(shí)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

5.3質(zhì)量管理

用戶可在平臺(tái)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(shí)對(duì)整改單進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(duì)質(zhì)量活動(dòng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，可幫助管理人員快速全面掌握項(xiàng)目質(zhì)量隱患，根據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)直接對(duì)質(zhì)量問題進(jìn)行溯源，落實(shí)到具體責(zé)任人。

5.4安全管理

在平臺(tái)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(xiǎn)級(jí)別，不同風(fēng)險(xiǎn)級(jí)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(jī)APP上進(jìn)行安全檢查，檢查一鍵上傳，平臺(tái)實(shí)時(shí)更新安全檢查情況，便于實(shí)施人員及時(shí)整改，整改情況及時(shí)反饋。

6結(jié)語(yǔ)

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(tái)，有效提高了工程建設(shè)管理水平，實(shí)現(xiàn)了各類資源的合理調(diào)控，便于各類生產(chǎn)活動(dòng)的精細(xì)化管理。同時(shí)，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(yùn)營(yíng)期繼續(xù)發(fā)揮作用。百色通航設(shè)施施工管理平臺(tái)是數(shù)字孿生技術(shù)在施工期的初步實(shí)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(shí)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(jī)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。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉占省，史國(guó)梁，孫佳佳.數(shù)字孿生技術(shù)及其在智能制造中的應(yīng)用［J］.工業(yè)建筑，2021，51（3）：184-192.

［2］李效明，錢文軍.數(shù)字孿生技術(shù)在港口信息化建設(shè)中的運(yùn)用［J］.中國(guó)水運(yùn)，2022（4）：48-51.

［3］湯清權(quán)，陳冰，鄧文揚(yáng)，等.數(shù)字孿生技術(shù)在交直流配電網(wǎng)的應(yīng)用研究［J］.廣東電力，2020，33（12）：118-124.

［4］劉昌軍，呂娟，任明磊，等.數(shù)字孿生淮河流域智慧防洪體系研究與實(shí)踐［J］.中國(guó)防汛抗旱，2022，32（1）：47-53.

［5］曾焱，程益聯(lián)，江志琴，等.“十四五”智慧水利建設(shè)規(guī)劃關(guān)鍵問題思考［J］.水利信息化，2022（1）：1-5.

［6］廖曉玉，高遠(yuǎn)，金思凡，等.松遼流域智慧水利建設(shè)方案初探［J］.中國(guó)防汛抗旱，2022，32（2）：40-43，53.

［7］蔡陽(yáng).智慧水利建設(shè)現(xiàn)狀分析與發(fā)展思考［J］.水利信息化，2018（4）：1-6.

［8］甘郝新，吳皓楠.數(shù)字孿生珠江流域建設(shè)初探［J］.中國(guó)防汛抗旱，2022，32（2）：36-39.

［9］盧建華，劉曉琳，張玉炳，等.基于數(shù)字孿生的水庫(kù)大壩安全管理云服務(wù)平臺(tái)研發(fā)與應(yīng)用［J］.水利水電快報(bào)，2022，43（1）：81-86.

［10］黃艷.數(shù)字孿生長(zhǎng)江建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與試點(diǎn)初探［J］.中國(guó)防汛抗旱，2022，32（2）：16-26.

［11］劉勇，王偉玲，許洪健.基于React_Umi+Cesium框架下的水利工程 BIM+GIS的 Web 端應(yīng)用實(shí)現(xiàn)［J］.治淮，2022（2）：26-28.

［12］王丹，孫曉宇，楊路斌，等.基于SpringBoot的軟件統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.軟件工程，2019，22（3）：40-42.

［13］王文凱，黃昆學(xué)，李夢(mèng)，等.傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)輕量化處理技術(shù)研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2020（9）：123-126．

（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