數字孿生技術在百色水利樞紐通航設施建設中的應用

李金榮　曾慶祥　陳文媛

摘要：為探索利用數字孿生技術實現百色通航設施區域的數字映射和智能模擬，分析了數字孿生技術的應用現狀，指出了現有水利工程信息化管理系統存在資源難以共享互通、信息化基礎設施落后、業務協同智能化水平較低等不足，利用數字孿生技術搭建了百色通航設施施工管理平臺。介紹了平臺總體框架及關鍵技術，分析了該平臺的特點并展示了其應用效果。該平臺的建設可為工程建設精細化管理和智慧化決策提供技術支撐，保障工程建設過程中的進度、質量和安全。

關鍵詞：工程建設； 智慧管理； 數字孿生； 百色水利樞紐

中圖法分類號：TP391

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.018

文章編號：1006-0081（2023）12-0107-04

0引言

數字孿生技術經過多年的發展，歷經了3個階段性變革。第一階段是靜態的“復制-粘貼”模式，可以展示現實世界的各類場景，“本體”的改變對“復制品”沒有任何影響；第二階段通過結合物聯網技術和各類監測技術，可實時采集現實場景數據并在孿生體上進行狀態更新；第三階段的數字孿生融合了VR、AR、AI，邊緣計算等多種技術，實現了實體和孿生體的全要素虛實交互，實體狀態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。數字孿生技術目前已經在各行各業得到實踐。劉占省等根據數字孿生的特點分析了數字孿生技術在制造業、智慧城市、智能建造等方面的應用［1］，李效明等研究了數字孿生在港口信息化運營管理中的應用［2］，湯清權等研究了數字孿生技術在交直流配電網中的應用［3］，劉昌軍等研究了數字孿生技術在淮河流域智慧防洪體系中的應用［4］。

目前，數字孿生技術在流域及水利工程管理中已開始應用，主要集中在利用數字孿生技術進行水利業務“四預”功能構建。隨著數字孿生技術的成熟和成功實踐，構建水利工程全生命周期的數字

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

1現有水利工程信息化管理系統的不足

水利工程建設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］。現有的信息化平臺遠不能滿足當下需求，主要體現在以下幾個方面：① 數據資源分散在不同業務系統中，使用不同的技術和標準進行存儲，資源難以共享互通；② 現有信息化基礎設施落后，缺乏全域監測感知的基礎環境，感知設備不夠先進，采集的數據時效性、精確性較差，難以指導決策［7-8］；③ 業務協同智能化水平較低，用戶界面缺少直觀化展示和虛實交互，需要建設具有超前分析預判、風險防范模擬的數字孿生系統［9-10］，構建虛實映射的孿生體，實踐“驗算”孿生體的良性循環。在百色通航設施數字管理平臺（以下簡稱“平臺”）的建設中，

基于各類數據，建立了仿真模型，用模型指導施工，施工中的業務數據再返回驗證優化模型，形成數字孿生閉環（圖1）。

2平臺總體設計

平臺總體框架包括信息基礎設施、數字孿生平臺、業務應用、網絡安全體系和保障體系（圖2）。

（1） 信息基礎設施。包括監測感知、工程自動化控制設備、通信網絡和云平臺。監測感知設備和工程自動化控制設備為數字孿生平臺提供原始數據源；云平臺為系統運行提供計算和存儲資源，通過云平臺建設，有利于統籌管理和節省成本。

（2） 數字孿生平臺。包括數據底板、應用支撐平臺和模型庫。數據底板是數字孿生的基礎，精準的原始數據是將物理工程映射到孿生體的保障；應用支撐平臺為上層應用提供各類服務，方便業務應用層直接調用，可減少重復開發；模型庫主要是工程結構可視化模型和機電結構模型。

（3） 業務應用層直接面向用戶，為用戶提供簡潔實用的操作窗口并提供移動業務應用。

（4） 網絡安全體系和保障體系主要包括了網絡安全規范、技術標準規范、運維體系等，為平臺的安全穩健運行提供保障。

3關鍵技術研究

3.1數字化場景構建

三維數字化場景構建主要以工程設計資料和測量影像數據為基礎，使用Bentley系列軟件作為三維設計工具，在設計階段對工程土建、機電設備構建含有型號、尺寸、類型、位置等信息統一編碼的三維模型。

（1） 地質分層開挖算量。以地質數據資料為基礎，對工程區域進行三維地質建模，進行地質分層處理，并在三維模型的基礎上進行開挖計算。

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

（3） 模型WEB端輕量化加載。考慮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創建虛擬場景的3D地理信息地圖引擎庫，支持海量數據的高效渲染，支持時間序列動態數據的三維可視化，同時提供優秀的觸摸支持和移動端支持［11-13］。將數據進行切片，采用分層分區加載策略實現模型的快速加載。

3.2多源異構數據集成

將不同源、不同類型和不同精度的BIM模型數據、DEM數據、DOM數據、傾斜攝影數據、基礎地理數據、監測數據及業務數據進行三維空間融合，達到數據宏觀尺度和微觀尺度的無縫切換和貼合。空間數據方面首先進行坐標轉換和數據配準，將BIM模型數據與傾斜攝影數據、地形數據等多源數據統一到一個坐標系，實現各種信息對齊；然后再對數據進行鑲嵌、壓平、裁剪等操作，達到數據平滑銜接、紋理拼接自然的效果。BIM數據方面，由于Cesium支持glTF和bgltf兩種格式，因此先將dgn格式的BIM模型數據轉換為obj文件，然后利用Cesium官方提供的obj2gltf工具將obj轉換為glTF格式數據。在業務數據方面，建立空間數據和監測數據、業務數據的關聯關系和編碼映射，通過統一的映射實現數據的融合。主要數據內容見表1，數據的主要格式見表2。

4平臺特點

4.1橫向全要素管理

平臺將工程建設中的人力資源、物力資源、環境量以及規范等各類生產要素進行數字化映射，同時提供一套大屏管理系統，將管理者關注的要素信息集成在一個頁面上動態展示。使用數據結合圖形的方式，將投資、進度、質量、安全等業務數據進行實時統計分析并展示，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“規劃-設計-實施-驗收”流程的管理，大到整個工程建設和各個標段，小到單元模塊的建設。對工程的設計方案、實施情況、驗收情況、資金使用中的各類數據進行融合分析，與項目計劃進行對比，使用圖表和三維模型展示各類業務流程的進度。提供統一的登錄入口，滿足工程單位、設計單位、施工單位、監理單位的各類用戶業務流程需求。

4.3虛實交互

平臺接入了水文氣象監測數據、視頻監控數據、傳感器數據、衛星遙感數據，將實時數據集成在三維模型中，同時通過平臺向現地設備下發工控指令，指令執行完成后將執行情況上傳至平臺，形成精準映射、以虛控實的雙向交互，提高生產效率的同時節約成本并且保障安全生產。

5平臺應用

平臺主要功能有進度管理、投資管理、質量管理、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節信息（圖3）。

5.1進度管理

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

5.2投資管理

平臺利用模型數據和投資計劃動態展示物料消耗量、資金花費情況等信息，計劃投資與實際情況進行對比，形成資金落實情況分析，可根據標段和時間對費用落實情況進行統計。

5.3質量管理

用戶可在平臺上設置不同標段的質量規章制度和相關標準規范，同時對整改單進行統計，整改完成和整改未達標的部分以不同顏色進行區分；通過對質量活動數據的統計分析，可幫助管理人員快速全面掌握項目質量隱患，根據平臺數據直接對質量問題進行溯源，落實到具體責任人。

5.4安全管理

在平臺設置危重大工程顯示，可設置不同標段的不同工程部位，為危重大工程設置風險級別，不同風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結語

利用數字孿生技術搭建的百色通航設施施工管理平臺，有效提高了工程建設管理水平，實現了各類資源的合理調控，便于各類生產活動的精細化管理。同時，工程建設中的各類數據得到了有效的保存與共享，可在通航設施運營期繼續發揮作用。百色通航設施施工管理平臺是數字孿生技術在施工期的初步實踐，要達到數字孿生技術的深入應用還有很多智能化功能需要實現。后續將在智能分析方面進行深入的探索，提高數字孿生技術在升船機安裝調式中的預演作用，增加視頻智能分析技術和智能模型學習系統，進一步提升工程質量和安全管理能力。

參考文獻：

［1］劉占省，史國梁，孫佳佳.數字孿生技術及其在智能制造中的應用［J］.工業建筑，2021，51（3）：184-192.

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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