數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程項(xiàng)目中的應(yīng)用

摘 要：針對(duì)水利工程項(xiàng)目的前期設(shè)計(jì)和后期運(yùn)行維護(hù)，本文提出了一種數(shù)字孿生的仿真伴隨控制方案。利用BIM技術(shù)構(gòu)建水利工程項(xiàng)目的各種結(jié)構(gòu)微元，進(jìn)而結(jié)合類似水利工程項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、本次設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，將其納入深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，通過注意力機(jī)制模塊和卷積模塊處理，將各結(jié)構(gòu)微元模塊自動(dòng)組合成整體數(shù)字孿生模型。本文針對(duì)一個(gè)水庫(kù)項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，有效建立堆石大壩的數(shù)字孿生模型，并進(jìn)一步分析了壩體受到的應(yīng)力影響。

關(guān)鍵詞：水利工程；BIM；數(shù)字孿生

中圖分類號(hào)：TP 399" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

水利工程項(xiàng)目在我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面有十分重要的地位，不僅涉及水力資源的合理利用，也影響大江大河的有效治理[1]。目前，隨著各種先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，我國(guó)水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、后期運(yùn)營(yíng)管理都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。在各種先進(jìn)技術(shù)中，BIM技術(shù)和GIS技術(shù)的應(yīng)用最廣泛[2]。BIM技術(shù)可以對(duì)水利工程各種建筑單元進(jìn)行3D建模，GIS技術(shù)可以對(duì)每一個(gè)建筑單元三維信息進(jìn)行精準(zhǔn)定位，對(duì)水利工程在地圖級(jí)別進(jìn)行精細(xì)化管理。利用BIM技術(shù)、GIS技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)，可以為水利工程項(xiàng)目的建設(shè)開拓更加便利的渠道。數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用BIM技術(shù)構(gòu)建與水利工程項(xiàng)目各單元一一對(duì)應(yīng)的3D模型，進(jìn)而形成整體與水利工程項(xiàng)目完全一致的數(shù)字模型[3]。這種模型在前期具備設(shè)計(jì)效果，在后期可以通過數(shù)字模型檢驗(yàn)和控制，達(dá)到對(duì)水利工程項(xiàng)目實(shí)體控制的目的。鑒于數(shù)字孿生技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)，本文將以此為切入點(diǎn)，探究其在水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 基于BIM技術(shù)的數(shù)字孿生單元建模

數(shù)字孿生建模的核心思想是最終生成和水利工程項(xiàng)目實(shí)體完全一致的3D數(shù)字化模型，項(xiàng)目實(shí)體和3D模型之間一一對(duì)應(yīng)，形成真實(shí)和模擬之間的孿生關(guān)系。因?yàn)?D模型是數(shù)字的，所以將其稱為數(shù)字孿生技術(shù)。

其中最關(guān)鍵的步驟是對(duì)項(xiàng)目實(shí)體進(jìn)行3D模型化處理，這需要應(yīng)用BIM技術(shù)。BIM技術(shù)是可以對(duì)各種建筑單元、建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息化建模的一種技術(shù)，它不僅可以完成微小單元的建模，還可以對(duì)各個(gè)數(shù)字單元后續(xù)進(jìn)行整體組裝。在具體的設(shè)計(jì)過程中，可以采用以下兩種常見的方法進(jìn)行處理。1）利用基本特征設(shè)計(jì)參數(shù)化：在參數(shù)化建模前，要對(duì)目標(biāo)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，若模型不能分解為基本的幾何元素構(gòu)件（例如長(zhǎng)方體、正方體、圓柱體等），或者模型是由多個(gè)構(gòu)件進(jìn)行布爾運(yùn)算得到的，則這種模型就無法根據(jù)基本特征進(jìn)行參數(shù)化建模。水工建筑物大部分是異形建筑物，無法根據(jù)基本特征進(jìn)行建模。2）利用草圖進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)：草圖是與實(shí)體模型相關(guān)聯(lián)的二維圖形，也是目前常用的參數(shù)化建模方法。其方便之處是能通過繪制模型構(gòu)件的截面草圖，建立尺寸關(guān)聯(lián)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和放樣等操作生成參數(shù)化實(shí)體模型，后期需要修改模型尺寸參數(shù)時(shí)，就對(duì)草圖對(duì)象上添加的約束值進(jìn)行修改即可，更新模型對(duì)象是目前常用的方法。

本文為了使3D模型和水利工程項(xiàng)目實(shí)體準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，達(dá)到從微小單元到整體結(jié)構(gòu)的完全一致性的目的，采用既有實(shí)體準(zhǔn)確實(shí)測(cè)結(jié)合GIS標(biāo)記的參數(shù)化建模方法，得到的水利工程項(xiàng)目各建筑微元，如圖1所示。

圖1列舉了利用BIM技術(shù)獲得的水利工程項(xiàng)目的部分結(jié)構(gòu)微元，在實(shí)際的數(shù)字孿生建模過程中，微元數(shù)量要遠(yuǎn)多于此。大量的微元結(jié)構(gòu)利用有效的方法組合在一起，最終可以生成合理的組裝結(jié)果，在水利工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工中具有重要指導(dǎo)價(jià)值。

2 基于深度學(xué)習(xí)的水利工程項(xiàng)目模型生成

2.1 數(shù)字孿生模型的總體生成方法構(gòu)思

數(shù)字孿生建模的根本目的是要形成和水利工程項(xiàng)目實(shí)體相一致的3D數(shù)字模型。利用BIM技術(shù)可以獲得數(shù)字孿生建模的各個(gè)建筑微元的3D模型，可以利用更加智能的方法將這些3D模型有機(jī)地組成一個(gè)整體，滿足水利工程項(xiàng)目的建設(shè)需要。利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)和水利工程項(xiàng)目的歷史數(shù)據(jù)，完成各個(gè)微元的自動(dòng)化組裝，其方法的大致流程如圖2所示。

從圖2中可以看出，在這套智能生成數(shù)字孿生模型的流程中，輸入環(huán)節(jié)占據(jù)了更多的比例。在深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的輸入端，類似水利工程項(xiàng)目的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、3D微元，可以起到經(jīng)驗(yàn)借鑒的作用。本次設(shè)計(jì)的參數(shù)指標(biāo)，明確了目前水利工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求。利用BIM技術(shù)完成的3D微元結(jié)果是形成后續(xù)組合模型的關(guān)鍵。

經(jīng)過輸入單元的進(jìn)一步處理后，所有輸入數(shù)據(jù)會(huì)形成模型時(shí)間序列數(shù)據(jù)和模型GIS空間數(shù)據(jù)，形成時(shí)空兩個(gè)維度和分支的深度訓(xùn)練與學(xué)習(xí)，二者經(jīng)過注意力模塊處理后，在卷積網(wǎng)絡(luò)中融合成一個(gè)滿足本次水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生模型。

2.2 注意力機(jī)制模塊的處理

在水利工程項(xiàng)目的數(shù)字孿生模型建模流程中，輸入環(huán)節(jié)起到更加重要的作用，引入的信息豐富且數(shù)據(jù)量龐雜。其中，部分冗余數(shù)據(jù)會(huì)造成干擾，因此需要利用注意力機(jī)制對(duì)有效信息進(jìn)行進(jìn)行模塊處理和精準(zhǔn)定位。

計(jì)算輸入數(shù)據(jù)的矩陣如公式（1）所示。

（1）

式中：H1為第一組類似水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)；H2為第二組類似水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)；Hn為第n組類似水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)；D1為第一組本次水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的參數(shù)指標(biāo)，D2為第二組本次水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的參數(shù)指標(biāo)；Dn為第n組本次水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的參數(shù)指標(biāo)；R1為第一組本次水利工程結(jié)構(gòu)微元的BIM模型數(shù)據(jù)；R2為第二組本次水利工程結(jié)構(gòu)微元的BIM模型數(shù)據(jù)；Rn為第n組本次水利工程結(jié)構(gòu)微元的BIM模型數(shù)據(jù)，將上述3類數(shù)據(jù)持續(xù)輸入深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中，在圖2所示的流程下進(jìn)一步形成模型時(shí)間序列數(shù)據(jù)、模型GIS空間數(shù)據(jù)兩個(gè)維度，繼續(xù)向后面輸送。在兩個(gè)通道中都存在數(shù)據(jù)冗余，因此對(duì)二者都進(jìn)行注意力機(jī)制處理，以計(jì)減少干擾信息的影響，更有效地利用數(shù)據(jù)。

在模型時(shí)間序列數(shù)據(jù)通道上，利用注意力機(jī)制計(jì)算可以得到每一個(gè)數(shù)據(jù)的重要程度，如公式（2）所示。

（2）

式中：xi為第i個(gè)模型時(shí)間序列數(shù)據(jù)；xj為第j個(gè)模型時(shí)間序列數(shù)據(jù)；αi為第i個(gè)模型時(shí)間序列數(shù)據(jù)的重要程度；Softmax（）為注意力機(jī)制的處理函數(shù)。對(duì)全部的模型時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行注意力機(jī)制處理后，可以得到時(shí)間序列數(shù)據(jù)的重要程度矩陣，如公式（3）所示。

（3）

式中：A為模型時(shí)間序列數(shù)據(jù)的重要程度矩陣；αit為第i個(gè)模型時(shí)間序列數(shù)據(jù)在時(shí)間t上的重要程度；αnt為第n個(gè)模型時(shí)間序列數(shù)據(jù)在時(shí)間t上的重要程度。

在模型GIS空間數(shù)據(jù)通道上，利用注意力機(jī)制計(jì)算可以得到每個(gè)數(shù)據(jù)的重要程度，如公式（4）所示。

（4）

式中：fi為第i個(gè)模型GIS空間數(shù)據(jù)；fj為第j個(gè)模型GIS空間數(shù)據(jù)；βi為第i個(gè)模型GIS空間數(shù)據(jù)的重要程度。對(duì)全部的模型GIS空間數(shù)據(jù)進(jìn)行注意力機(jī)制處理后，可以得到空間數(shù)據(jù)的重要程度矩陣，如公式（5）所示。

（5）

式中：B為模型GIS空間數(shù)據(jù)的重要程度矩陣；βit為第i個(gè)模型GIS空間數(shù)據(jù)在時(shí)間t上的重要程度；βnt為第n個(gè)模型GIS空間數(shù)據(jù)在時(shí)間t上的重要程度。

3 水利工程項(xiàng)目的數(shù)字孿生模型化測(cè)試試驗(yàn)

針對(duì)水利工程項(xiàng)目的數(shù)字孿生建模問題，本研究提出基于BIM構(gòu)建結(jié)構(gòu)微元模型庫(kù)，利用類似水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、本次水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求、BIM結(jié)構(gòu)微元數(shù)據(jù)，將其納入深度學(xué)習(xí)過程完成水利工程項(xiàng)目數(shù)字孿生建模的方法。

為了驗(yàn)證這種方法的有效性，需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究。將水庫(kù)構(gòu)建堆石大壩作為研究項(xiàng)目。在完成堆石大壩的實(shí)體建設(shè)前，要先建立其對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型。在試驗(yàn)過程中，利用BIM技術(shù)對(duì)堆石大壩的各種結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模型化設(shè)計(jì)，進(jìn)而送入深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)完成整體組合。

將各組輸入數(shù)據(jù)送入深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，其中，H1為98個(gè)網(wǎng)格，H1為47個(gè)網(wǎng)格，Hn為136個(gè)網(wǎng)格，D1為80個(gè)網(wǎng)格，D2為50個(gè)網(wǎng)格，Dn為120個(gè)網(wǎng)格，R1為83個(gè)網(wǎng)格，R2為48個(gè)網(wǎng)格，Rn為50個(gè)網(wǎng)格。

對(duì)輸入H1來說，其計(jì)算的時(shí)間序列數(shù)據(jù)重要程度αi為0.64；對(duì)輸入D1來說，其計(jì)算的時(shí)間序列數(shù)據(jù)重要程度αi為0.92。對(duì)輸入H1來說，其計(jì)算的GIS序列數(shù)據(jù)重要程度βi為0.71；對(duì)輸入D1來說，其計(jì)算的GIS序列數(shù)據(jù)重要程度βi為0.87。

以此類推，在深度網(wǎng)絡(luò)完成全部參數(shù)計(jì)算后，得到水庫(kù)堆石大壩整體網(wǎng)格模型，如圖3所示。

由圖3可知，從左到右對(duì)應(yīng)真實(shí)環(huán)境中自西向東的方向。在真實(shí)環(huán)境中，水庫(kù)表面形貌西高東低，堆石大壩對(duì)水庫(kù)西側(cè)土質(zhì)起到侵蝕作用，并對(duì)泄洪時(shí)向西側(cè)發(fā)生蔓延起到防御作用。從自動(dòng)化設(shè)計(jì)得到的數(shù)字孿生模型可以看出，堆石大壩的3D模型由數(shù)量眾多的三角網(wǎng)格構(gòu)成，每個(gè)局部都可能包括多個(gè)BIM結(jié)構(gòu)微元。自西向東依次是堆石壩頂部、堆石壩壩體、堆石壩臺(tái)階、堆石壩底部。

在3D模型仿真環(huán)境下，通過對(duì)照真實(shí)環(huán)境的參數(shù)，可以觀察堆石壩從頂至底的應(yīng)力變化，結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，堆石壩頂部所受的應(yīng)力作用最弱，從頂至底的應(yīng)力作用逐步增強(qiáng)。裸露在水庫(kù)水上的部分因壩體石料的重力作用而應(yīng)力增加。而沒于水庫(kù)水下部分的應(yīng)力源于壩體石料重力和水庫(kù)水壓力的綜合作用。

4 結(jié)論

本文利用先進(jìn)的信息技術(shù)和建模技術(shù)完成水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)，對(duì)提高其施工效率和科學(xué)化運(yùn)營(yíng)管理模式具有重要的意義。聯(lián)合使用BIM技術(shù)和GIS技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)建筑單元精確定位和精準(zhǔn)建模，還可以封裝預(yù)支相關(guān)的大量信息內(nèi)容。利用這兩項(xiàng)技術(shù)可以對(duì)實(shí)際水利工程項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)字化建模，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生化技術(shù)處理。本文研究數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，在利用BIM技術(shù)完成基本結(jié)構(gòu)單元建模后，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)方法完成水利工程項(xiàng)目的數(shù)字孿生模型設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)過程中，完成了水庫(kù)堆石壩模型設(shè)計(jì)，并在3D環(huán)境下進(jìn)行了應(yīng)力作用仿真分析。

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