數字孿生技術在大口徑長距離輸水管線設計中的應用

平金同，李 強，何思源，何志軍，李玉君，李 林

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

長距離輸水管線工程設計首要關注的是供水安全可靠性，確保工藝參數經濟合理，通過不斷優化設計方案，實現減少漏損、降低能耗、節約投資的目標。隨著城市建設的不斷發展，城市周邊的電力、通訊、供熱、燃氣等配套設施越建越多，逐漸壓縮了輸水管線的建設空間，面對有限的建設空間，為保證輸水管線工程的經濟性和可靠性，在項目設計階段就必須解決好輸水管線與其它配套設施的空間協調問題。

傳統的工程方案設計多是在二維平面空間進行布置，與精細化設計尚有一定差距，無法直觀地分析復雜多變的地理環境，難以在第一時間發現深層次的設計問題。在數字化、智能化、可視化為主導的高科技背景下，傳統的設計方法需要不斷改進和完善，需要探索一條全新的設計思路，分析融合空間地理信息，在多維度空間、多約束條件的三維可視化場景下，完成科學合理和經濟高效的項目設計。

數字孿生技術是現代仿真設計的發展趨勢，引導未來規劃設計的方向。本文基于數字孿生技術，研究了在長距離輸水管線設計中的技術框架，探索了數字孿生仿真設計思路，開展了地理信息分析和仿真輔助設計。

1 概況

某輸水管線工程全長約20.6km，包含管道及閥門井等附屬構筑物，工程設計采用螺旋焊接鋼管和球墨鑄鐵管兩種材質管道，公稱直徑為DN1000、DN1400，布置形式為單線布置，工程總投資1.9億元。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。

2 工程難點

工程為帶狀分布，工程設計包含因素多，具有距離長、沿線地形地貌復雜、環境多樣、地下及地上障礙多、征地拆遷難度大等諸多難點。工程全線穿越河流、渠道20余條，公路、鐵路10余處，輸油、輸氣管線交叉10余處。工程布置如圖1所示。

圖1 工程總體平面布置圖

人工測繪數據受地形及路線限制，不能完全展示現場情況，工程數據種類多、數據組織方式復雜、維護困難。

3 主要技術路線、標準及軟硬件環境

3.1 建筑信息模型技術(Building Information Modeling，BIM)

將傳統的二維設計模式帶進三維視角，目前在基礎設施建設中應用廣泛，但大多仍停留在BIM翻模使用階段，并未發揮出該技術的特點及先進性。本項目設計思路是在三維環境下開展工程設計，實現多方位展示工程設計方案與地形地貌的結合，為設計人員提供直觀視覺感受，有效避免二維圖紙設計的誤差，提升設計效率和設計質量。

3.2 地理信息系統(Geographic Information System，GIS)

是在計算機軟、硬件的支持下，對地球表層空間中的地理數據進行采集、存儲、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統，GIS技術在空間環境信息分析及可視化方面具有顯著優勢。

3.3 傾斜攝影測量

使用無人機搭載多鏡頭傾斜攝影影像傳感器完成地形測繪并獲得高清影像，具有便攜、易用、節約人工、精度高等特點。

3.4 數字孿生(Digital Twin，DT)

使用物理實體、虛擬實體、信息交互接口3部分來鏡像物理空間與數字空間的孿生關系，強調數字孿生的結構組成。

3.5 技術標準

參照執行的主要技術標準見表1。

表1 技術標準

3.6 軟硬件環境

采用的軟、硬件平臺見表2。

表2 軟件硬件平臺

4 技術集成

數字孿生仿真設計基本方法是外業數據采集與內業仿真設計相結合，依靠無人機信息采集地理信息結合二維測繪圖紙提供GIS數據底座，建立孿生BIM模型，并通過模型融合實現外業數據與內業設計模型信息共享及協同交互，基于數字孿生技術的長輸管線設計流程圖如圖2所示。

圖2 基于數字孿生技術的長輸管線設計流程圖

4.1 傾斜攝影航測數據采集

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，獲取地面物體更為完整準確的信息，顛覆了正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，生成的三維模型效果逼真，更真實地反應地物的實際情況，要素全面，測量精度高，尤其適合在自然環境復雜的地方快速采集實景模型。傾斜攝影更能真實地反映工程與周邊環境的融合度，在長輸管線工程的規劃設計、工程前期調查等環節，將高分辨率影像(DOM)和數字地形模型(DEM)用于工程三維定線，改變了傳統選線精確度低的狀況。

傳統的二維數據無法滿足工程設計的需要，長輸管線工程周邊環境的三維模型傳統上采用人工建模實現，費時費力，效果不太理想。傾斜攝影測量技術能夠真實地還原現狀環境，作為數字地形信息的一種數據來源，具有可視化、精細化及高效化等優點，與BIM結合，能夠較好地解決工程建設中存在的一些問題，對長輸管線工程設計具有重要意義。

4.2 DEM、TIN構建及數據分析

無人機傾斜攝影技術基于詳盡的航測數據，進行影像預處理、區域聯合平差、多視角影像匹配等一系列操作，可在短時間內批量建立高質量、高精度的數字地形模型，實現空間全方位、高精度的可視化表達，數據融合、DEM模型等如圖3—5所示。

圖3 無人機數據與GIS數據融合

圖4 DEM模型

圖5 開挖DEM模型分析

以BIM技術為依托，結合傾斜攝影技術與GIS技術，對設計方案進行模擬、場景布置。通過BIM技術建立工程模型，并與實景模型進行疊加，在此基礎上進行方案設計更加準確、高效。

4.3 孿生模型創建

GIS、BIM模型融合數據及BIM模型的更新迭代構成數字孿生的底座，是物理空間各類工程信息在信息空間中的孿生重建。在信息空間中對管道路線復雜的環境、工況進行全方位、深層次、多視角的可視化表達是數字孿生的關鍵。

基于BIMFace、SuperMap等平臺進行數字孿生可視化表達，集成時空數據、BIM模型數據，建立宏觀、中觀、微觀一體化三維場景實現信息空間數字孿生。實現數字孿生體與物理實體對象一一對應，包括工程全線的管道實體鏡像、綜合查詢、附件識別、實現虛實之間的信息互動、孿生體更新、仿真設計等。管道孿生模型如圖6所示。

圖6 管道孿生模型

5 設計成果

(1)利用BIM+GIS融合技術實現數字孿生仿真設計，經過多方案比選，確定管線走向、管徑、管材等要素。在初步設計及施工圖階段，各個專業利用各專業不同的BIM軟件協同工作。三維平臺采用了BIMFace、SuperMap等軟件作為BIM、GIS融合平臺，實現了BIM數據與GIS一體化集成與深度融合，數字孿生模型框架圖如圖7所示。

圖7 數字孿生模型框架圖

(2)管線建模采用Civil3D軟件，在平面線路確定的基礎上，管線建模主要是管線縱斷面的繪制和橫斷面模板的制作。將原始地面縱斷線偏移一定距離作為繪制縱斷面的輔助線，參照輔助線繪制縱斷面，然后在縱斷面視圖中對縱斷面進行調整。橫斷面模板包含管道開挖、管底砂礫石墊層、原狀土回填、種植土回填等。通過直觀的交互或變更定義管線橫截面的輸入參數即可輕松修改整個管線模型，便于開展優化設計。

(3)方案對比時，將不同方案的數據顯示在不同的三維場景中，實現同步瀏覽，計算2個方案同類型數據的差異點，通過差異點進行場景定位，方便進行方案的對比。最后，通過對比信息，確定最佳方案，輸出方案數據，現場仿真模擬如圖8所示。

圖8 現場仿真模擬

(4)自動生成施工平面圖，標注完整的橫斷面圖、縱斷面圖和土方施工圖等。使用外部參考和數據快捷鍵生成多個圖紙的草圖，利用與模型中相同的圖例生成施工圖。一旦模型變更，可迅速更新所有的施工圖，按照路線走向自動完成圖紙和圖幅線的布局，根據布局生成平面和縱斷面圖。

(5)設計成果交付，使用鏈接集將信息模型、地質模型、圖紙、工程量報表、工程影像、技術標準等與工程文檔鏈接在一起，并在具體的信息模型上掛接工程量報表的鏈接。

6 效益分析

(1)本項目實現了設計階段的各專業正向協同設計，對BIM、GIS、無人機傾斜攝影建模技術進行了探索，充分發揮了BIM技術信息化、可視化、協同性、一體化優勢，所采用的交付方式及BIM+GIS技術方案，充分利用了Civil3D、BIMFace、SuperMap等軟件的特點。將高分辨率衛星影像(DOM)和數字地面模型(DEM)用于長輸管線三維定線，改變了傳統選線費時費力、精確度低的狀況。通過將BIM模型與實景模型導入平臺，實現模型輕量化，對模型坐標系進行轉換，實現“數字孿生仿真設計”的一體化管理。

(2)通過Civil3D、BIMFace、SuperMap等軟件實現BIM模型、GIS系統的融合應用，有效地縮短了工程前期調查和管線定線等工作，對設計方案進行分析模擬和優化，大大提高了各專業的溝通效率，節約設計工期43d，節約設計成本65萬元。通過動態模擬，及時發現設計錯誤及隱蔽問題，提高了安全保障，減少了工程返工和費用損失。

7 結語

傳統的輸水管線設計多采用靜態設計模型，對設計人員依賴性高、利用率較低。通過數字孿生技術輔助長輸管線項目設計，利用無人機傾斜攝影采集數字影像，融合影像數據建立DEM模型，在實體3D模型的基礎上將BIM+GIS技術應用于項目規劃選線及設計仿真，有效整合管線周邊的信息資源，為設計過程中的空間分析提供基礎條件，確保了沿線場地勘察、三維測量、規劃選線三者協同設計高效完成，提升了設計方案的科學性、合理性。輔助設計人員發現問題并進行決策，及時調整和優化既有設計方案，最大限度地節約項目投資和工期。同時，結合項目可視化方案模擬，對后期施工組織設計進行優化，可有效避免因前期預見不足而產生的額外費用和工期延誤。