基于數字孿生的工程項目管理研究

摘 要：工程總承包模式為建筑行業設計施工一體化提供了有效解決方案，隨著BIM、云計算和數字孿生等技術迅速發展，傳統工程項目管理如何與數字化融合，向智慧化轉型成為熱門話題。本文研究了數字孿生技術在工程項目管理中規劃、施工和運維等全生命周期內的智能化、數字化、信息化的創新運用，提出構建“一臺雙賦三化N用”的全生命周期數字孿生體系，分析了實施新型工程項目管理模式的應用效果，并給出采用數字孿生技術的工程案例，為數字孿生在工程項目管理中的應用提供參考，為傳統管理模式變革提供理論依據。

關鍵詞：數字孿生；工程項目；管理模式變革

工程建設項目主要有流程多，工藝復雜，參與人數廣等特點。隨著信息技術的飛速發展，多行業開始探索信息化道路，傳統工程建設已經無法適應新時代需求。面對工程項目管理行業激烈競爭，如何應用信息化優化工程項目管理中各個環節，提升企業形象，促進信息化轉型成為亟待解決的問題。2022年5月，住建部發布了《“十四五”工程勘察設計行業發展規劃》，規劃中指出，數字技術與建筑業的融合為行業轉型升級提供了新動力，全過程工程咨詢、工程總承包、建筑師負責制等新模式拓展了行業業務新空間[ 1 ]。運用信息化新型技術，增強科技創新，加快推進業務模式升級和數字化轉型，應對信息時代新挑戰已成為時代需求。

數字化工程建設項目管理作為近年來的研究熱點，近年來學界圍繞體系架構、解決方案、運營維護等方面做了很多研究工作。吳智泉等從生產管理和信息系統兩個維度對智慧系統的體系架構進行了探索和研究[ 2 ]；劉誠等以礦山信息模型為例研究了數字化設計與交付解決方案[ 3 ]；雷斌等從理論、技術和應用等角度對BIM信息化技術在軌道車輛運維進行了研究并提出相應解決方案[ 4 ]。然而目前多數研究著眼與工程建設設計、施工、運維中某階段的應用和改進，有關工程項目全生命周期覆蓋的數字孿生研究較少，尚處于起步階段。

一、數字孿生在工程項目管理不同階段中的應用

數字孿生又稱數字鏡像和數字映射等，一經提出便成為科學領域前沿話題，其特點是對研究目標采用虛擬技術手段進行動態仿真，以數字化形式對其創建1：1虛擬模型，借助歷史信息、氣象地形等輔助數據、實時監測數據和相關多領域模型算法等，模擬預測物理目標的生命周期過程，在工程項目管理領域可使建設項目不再是傳統低效的施工設計管理，而是采用信息手段的規劃施工和運維全過程的有效管理[5]。

（一）規劃階段

工程項目規劃設計階段可分為方案初步設計、技術設計和施工設計階段，而基于數字孿生的新型規劃設計平臺可以為其提供工程選址布局智能設計，環境條件智慧分析，且在此綜合平臺中可集成設計過程中不同人員常用工具，以實現不同專業多類工作人員協同工作的需求[6]。

在規劃選址階段，可充分運用云計算、大數據和BIM等技術手段，并予以融合實時氣象庫，遙感影像庫，各類算法庫等工作，為設計單位提供環境數據評估，工程宏觀、微觀選址建議及水資源評價、地形圖生成及處理，工程要素設計等功能，結合項目工程造價信息從而對項目位置布局進行最優選取。

在規劃方案設計環節中，由于設計數據較為龐大，傳統項目管理一般采用通過存儲介質進行多級人員分發拷貝的方式，而通過數字孿生新型平臺可在同一工作平臺通過設計圖紙協同工作，設計參數實時上傳等功能實現技術參數實時討論并有效控制，實現信息集中存儲訪問和審批權限統一管理，消除全部的技術和安全不確定性。

在規劃營銷設計階段，通過數字孿生平臺，可通過將營銷信息統一上傳至平臺，實現多地銷售平臺的營銷材料一致性，營銷材料與工程設計的一致性和銷售價格的一致性[7]。

（二）施工階段

工程施工智慧管理是工程建設領域的一個重要部分，通過數字孿生平臺可應用最新的BIM、GIS、工業物聯網大數據及機器學習等技術構建工程施工智能管理系統，可為建設參與單位提供BIM協同工作平臺[8]。在此平臺中可集成項目BIM模型及相關平面圖紙，并將項目施工現場工作人員、車輛、施工和設備、材料等進行實時協調管控。通過不同主體對象隨身攜帶移動智能設備，可實時監控其實時位置、運行狀態，從而對其進行合理人員調度和安全預警；通過工程建設過程中信息綜合集成從而對進度進行有效把控和智能分析，為工程項目管理提供可控化和實時數據監測；通過在工地布設多類型傳感器，可將工地的基本狀態以動態實時的方式在數字孿生平臺中呈現，以動態方式將工地模型、收集數據進行實時更新， 從而為工程的進度、質量管控等提供數據支撐，為工程建設參與單位提供全階段的信息查詢與分析服務。

在施工過程中，可參與方可在數字孿生平臺中對施工階段中產生的數據進行上傳與融合，各參與方可在該平臺上進行模型的實時管理。由于施工中會存在復雜建筑節點，專業類型結構較多等客觀問題，通過智慧平臺上三維可視化模型，施工和管理人員能夠在全方位無死角觀察和研究模型后找出潛在問題并給出解決方案。同時，三維可視化模型可直接用于工程指導，進行施工深化。

（三）運維階段

通過數字孿生平臺建立了物理目標的數字化表達，保證虛擬和物理世界的1：1一致性。通過運維數字孿生平臺對工程項目整體進行監測，并將數據實時傳輸到監測系統，然后通過平臺對數據進行整合分析，從而對工程項目的運營情況和安全問題進行高效監測[9]。運維階段通過數字孿生平臺主要有以下關鍵點：

1.全生命周期公共信息模型

運用數字孿生平臺可運用BIM技術規范化組織和整理工程項目整體設備設施基本信息，建立設備資產的全生命周期公共信息模型（CIM）。運維人員可根據此模型將設備設施在不同階段產生的信息數據進行數據庫歸納，從而快速掌握設備設施的型號規格、數量位置、運行情況和歷史維修信息等，進而實現工程項目信息信息的有效查詢管理和精準完整的生命周期信息。

2.實景工程

通過在工程項目中布設傳感器、智能管理設備和無人機定期航拍等方式建立項目數據采集通道，從而建立工程項目1：1虛擬場景模型（實景工程）。采用該實景工程可根據不同監測數據的類型和特征設定不同采集頻率進行實時數據獲取，將設備運行情況、故障預警模塊等與環境氣象模型等進行關聯，可獲取項目信息的可視化表達，為工程項目運維中設備人員的高效調度提供保障。

3.智能預警

在運維階段運用多源數據實時處理，特征提取等技術，可為工程項目監測數據提供實時分析，從而高效判斷故障類型，自動報警并進行針對性維護和檢修。針對多個故障地點，結合排程智能算法，系統可生成最優調度計劃并進行任務分發，維修人員通過移動設備可接收任務信息進行目標維修和反饋。

二、數字孿生技術與新型工程項目管理實踐

通過數字孿生平臺可為工程項目管理提供全生命周期管理高效技術手段，針對數字孿生在項目管理中的應用模式，提出了“一臺雙賦三化N用”的數字孿生工程體系建設管理模式?！耙慌_”是指搭建工程項目的數字孿生平臺；“雙賦”是指對工程建設管理與工程運營管理雙向賦能；“三化”是指對工程項目的標準化、專業化、精細化管理；“N用”是指規劃設計階段、施工階段、運維階段等不同階段的全生命周期業務應用。在此應用模式下，進而明確“完善信息基礎設施、搭建數字孿生平臺、提升智能化應用水平、保障網絡安全、強化系統集成”等重點建設任務。

（一）規范信息分類與編碼標準

根據工程項目所屬的領域或行業不同，亟需建立符合實際工程需要的信息分類和編碼標準，從而實現基于數據信息模型的唯一索引。通過標識不同的系統、設備、文檔人員等各類信息，成為采購、項目管理、施工、運營維護人員間相互了解和溝通的樞紐。同時BIM模型能夠將項目成本、施工狀態、日常監測數據等相關數據進行相互關聯，因此在模型的瀏覽模塊中便可對任何環節、任何節點的相關工作計劃進行查看。

（二）健全全生命周期的數字資產體系

為滿足工程項目在設計、建設、運維等全生命周期階段的精細化、完整化、準確化、智慧化的建設需求，亟需建立全生命周期數字資產體系。體系建成后需將各類數據類型信息進行數字化處理以數據庫的形式進行串聯和整合，從而形成一個貫穿工程全生命周期的數字化數字資產體系[ 1 0 ]。

（三）搭建數字孿生平臺

數字孿生平臺能夠使設計、建造、運營、維護和升級相關的各個組織在同一個平臺中進行協作，為用戶提供了核心的模型數據管理以及可視化展示解決方案， 實現項目或資產的可視化，精確管理工程內容，隨時跟蹤變更。并根據當前趨勢進行分析，幫助用戶預測和優化項目或資產性能。

（四）構建數字孿生+BIM一張圖管理

數字孿生+BIM一張圖管理是將不同類型圖層疊加通過逐級展示、統一編碼等的方式建立GIS和BIM模型虛擬場景“一張圖”上的集成展示。在“一張圖”上可實現在工程建設過程中的規劃設計、工程進度、質量安全等多種數據的一體化管理，進而從多角度、多尺度、多維度等方面的綜合分析和描述[ 1 1 ]。

（五）打造全生命周期數字孿生體系

通過新型工程項目管理模式可直接建立全生命周期數字孿生體系，在規劃設計、施工、運維階段，如何將模型及數據能夠在已有模式的基礎上進行繼承、深化和提升這將是關鍵所在。即在規劃設計階段建立初始的模型；施工階段對模型添加屬性信息，最后形成數字資產以此來進行模型深化；運維階段將實時監測數據與模型互聯，并進行相關應用。在上述階段的基礎上形成的全生命周期數字孿生體系能夠最大限度發揮數字孿生在工程建設中的優勢，提升工程數字化價值。

三、結論

目前傳統工程項目管理模式已難以滿足如今智慧化管理需求，數字孿生技術將現實世界與虛擬模型進行連接，融合大數字、物聯網等技術從而實現對工程項目的智慧化管控。本文研究了數字孿生在工程項目設計、施工和運維全周期的應用和應用效果，提出“一臺雙賦三化N用”的管理模式，并分析應用數字孿生后項目管理的預期效果。

鑒于數字孿生技術的多行業整合性和顛覆性，其在不同領域的發展潛力巨大，仍有較多技術問題亟待解決。本文可為傳統工程項目管理變革提供技術支撐和思路借鑒，促進工程項目管理數字化進程。

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（作者簡介：劉麗，碩士研究生，中級工程師，工作單位：航天宏圖信息技術股份有限公司。聶慧梓，碩士研究生，中級工程師；魏雷濤，碩士研究生，高級工程師；劉愛國，碩士研究生，中級工程師。工作單位：航天規劃設計集團有限公司）