三維全景數字孿生技術在箱梁運架施工中的應用*

韓麗麗,蔣愛德,丹 晨

(1.河南牧業經濟學院能源與智能工程學院,河南 鄭州 450006;2.鄭州新大方重工科技有限公司,河南 鄭州 450064)

0 引言

數字孿生(digital twin)是以數字化方式創建物理實體的虛擬模型,借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為,通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段,增強或擴展物理實體的能力。數字孿生充分利用物理實體模型、傳感器自動采集、數據倉庫等信息資料,集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映物理實體的動態過程。作為一種充分利用模型、數據、智能并集成多學科的技術,數字孿生發揮連接物理世界和信息世界的橋梁與紐帶作用,提供更加實時、高效、智能的服務[1]。

數字孿生技術最早形態是由美國提出,最初的研究領域很窄,主要用于航空航天模型建設,先建立真實飛行器的數字模型,再通過傳感器收集分析飛行器的健康狀況等數據并進行研究。2010年左右,其較多被應用在軍事、航空領域。2015年以后,各國逐步提出制造業轉型,其中涉及智能化、數字孿生等技術[2]。目前,世界各國都致力于將數字孿生技術融入產品設計、產品制造、醫學分析、工程建設、城市管理等領域。

我國鐵路工程建設發展迅猛,截至2020年底,全國鐵路運營里程達到14.6萬km,其中高速鐵路3.8萬km。鐵路網覆蓋呈現廣而密的趨勢,項目工程質量、安全要求高,鐵路規模愈發宏大,工程建設環境復雜,施工難度大,需依靠新的技術手段輔助施工及管理[3]。

高速鐵路箱梁運架施工是鐵路工程建設的重點環節,具有運輸線路長、往返時間長等特點,而架橋機、運梁車體積龐大,架梁地點往往遠離項目駐地,從而導致各級管理者不能在第一時間掌控現場情況,即使是操作者與隨車人員,也不能隨時掌握架橋機實時狀況[4-5]。同時,高速鐵路箱梁運架施工管理還涉及人員、物資、設備、安全、進度、質量、環境等多方面的交互管理。所以,近年來信息化技術開始在箱梁運架施工領域得到初步應用,在施工進度、設備管理等方面取得了一些成果,解決了箱梁運架施工中的部分問題[6],但大部分系統的信息采集以人員手動輸入、二維數字展示為主,在信息的自動采集、智能處理、三維數字仿真和應用方面探索較少。

本文根據高速鐵路箱梁運架施工特點,通過北斗衛星定位、GIS地圖、運架設備運行數據自動采集、智能推理,獲取運架設備動態數據;通過數據清洗和多數據規則形成驅動數據,實時更新、驅動三維全景數字孿生模型,實現了箱梁運架施工的三維“數字化”“可視化”,并在荊門—荊州高速鐵路項目中形成了高速鐵路施工的典型應用(見圖1)。

圖1 荊門梁場三維數字孿生模型

1 數字孿生系統總體架構

箱梁運架施工三維全景數字孿生系統總體架構分為4層,即實體層、信息采集層、模型驅動層和功能應用層,如圖2所示。

圖2 數字孿生系統總體架構

1)實體層 現實存在的物理實體主要由施工環境、箱梁、提梁機、運梁車、架橋機等組成,是完成項目施工活動、實現施工數據采集的物理實體。

2)信息采集層 實時自動采集施工過程中提梁機、運梁車、架橋機等設備的實時位置、設備狀態、動作、速度、載重量等參數,這些實時數據是三維全景數字孿生系統實現的基礎。

3)模型驅動層 由三維數字模型和實時驅動數據組成,其中三維數字模型是現實物理設備及環境特征的數字化模擬,由實時采集的數據更新驅動,以實現虛擬的數字化環境實時同步展現實際施工過程。

4)功能應用層 從箱梁運架施工管理需求出發,以三維數字孿生模型為基礎,利用自動采集的數據信息,通過邊緣計算處理,提供施工進度管理、設備組態管理、數據分析等功能模塊;施工管理人員可通過可視化大屏、PC 客戶端或手機APP、小程序等方式實時全局掌控箱梁運架施工狀況,系統的實際應用如圖3所示。

圖3 數字孿生大屏展示

2 數字孿生實現的關鍵技術

2.1 多維模型構建

箱梁運架施工多維模型的構建過程,就是建立完整的實體施工環境到虛擬數字環境的映射過程,需從多維模型、多場景轉換、多數據規則等角度對物理模型空間進行定義,并對所建立的模型驅動復核,保證模型的正確性、有效性和實時性,從而實現物理實際施工環境與虛擬仿真空間的全面映射,形成一個完整、實時的虛擬運架施工數字孿生模型[7]。

1)多維模型 對箱梁運架施工設備及場景進行實體建模,包括梁場、箱梁、提梁機、運梁車、架橋機等各種物理施工要素。通過BIM,Solidworks,3DMAX等三維建模軟件,建立箱梁運架施工相關的三維可視化模型,保證運架設備相對動作部件的運動關系,并在結構外形、尺寸信息等方面保持和物理實體的一致性,然后導入三維模型引擎,作為箱梁運架施工數字孿生的驅動對象。

電導率定義為溶液的導電能力[22]，受酒體中離子濃度和性質的影響。酒類儲藏期間酒體內物質發生的氧化聚合、酯化等各種反應都會使電導率產生變化。

2)多場景轉換 通過運架設備上安裝的北斗定位模塊實時采集各設備位置信息,經過數據運算,實時定位到相關模型和周邊環境GIS地圖中,實現設備在多場景三維數字孿生模型中的實時動態更新。

3)多數據規則 對實際運行的提梁機、運梁車、架橋機等施工設備的指令信號、工作參數、傳感器信號等進行數據采集,梳理總結采集數據和設備動作響應的對應規則,并融入施工工序,將大體量多維模型數據、多尺度、多時相、多場景的數據進行有效分類、組織、處理,實現多維模型可擴展的數據結構和多路復用的存取調度策略,形成多數據參數與動作的映射關系,驅動三維數字孿生模型動作,以實現對箱梁運架施工進行全面、實時模擬和仿真。

2.2 實時數據獲取

為了高效快捷地獲取運架設備運行數據,需要構建運架設備的數據采集模型。本文以提梁機數據模型構建過程為例進行說明,如圖4所示。

圖4 提梁機數據采集模型

1)數據采集 提梁機上安裝的PLC、荷載傳感器、高度傳感器、速度傳感器等元(器)件自動采集箱梁高度、運動速度等設備運行數據,這些數據在觸摸屏內進行整合。

2)串口傳輸 觸摸屏整合后的數據信號通過工業RS485串口以100ms/次的頻率發送到智能網關。

3)邊緣計算 為提高服務器的響應速度,減少數據傳輸量,從提梁機采集到的數據在智能網關內進行邊緣計算處理,剔除無效數據。

4)數據模型 智能網關將經過邊緣計算處理后的有效數據,在智能網關中構建數字孿生數據庫,利用地址空間找到物理實體的數據源,對提梁機的開關信號、狀態信號、起重量、速度、地理信息等數據源進行數據模型的構建,數據模型通過 MQTT通信協議與部署在服務器上的云端數據庫相連,實現提梁機物理實體的實時數據獲取,形成服務器數據模型。

2.3 箱梁運架施工過程實時映射

圖5 施工過程實時映射

通過對箱梁運架設備的實時數據采集、整合、邊緣計算等形成實時驅動數據,結合多維模型和多數據規則,形成數字孿生模型,服務器以多線程并行的處理方式實現虛擬數字環境中的映射,達到三維數字模型和物理實體實時同步的效果(見圖6);并在此基礎上實現箱梁運架施工進度、設備組態管理、數據分析等功能(見圖7,8),從而進一步優化施工過程。

圖6 提梁機數字孿生畫面

圖7 施工進度和數據分析

某時刻提梁機三維數字孿生動作如圖6所示,根據荷載傳感器和高度傳感器信號,智能判斷箱梁位置,并實景展示;根據提梁機實時開關信號展示設備動作,單擊設備行走機構可展示行走機構的運行數據;單擊各位置攝像頭可實時顯示相應位置圖像畫面。

箱梁運架施工進度和數據分析如圖7所示,通過架橋機施工位置樁號和GIS地圖實景顯示當前箱梁架設位置,用實體箱梁和透明箱梁對比直觀展示已架設和待架設部分;通過餅狀圖實時統計當前架設數量和總體數量,施工進度清晰明了;用條狀圖直觀顯示提運架設備的使用情況,設備利用率一目了然。

提梁機的組態管理頁面如圖8所示,實時顯示提梁機的工作參數、報警信息,并記錄設備的歷史工作數據。組態頁面可根據展示需要自定義顯示參數,使設備管理更加便捷。

圖8 設備組態管理

綜上所述,箱梁運架施工三維全景數字孿生系統,通過PLC、編碼器、傳感器等數據感知、采集裝置,從提運架設備采集到多源異構數據,在智能網關內進行邊緣計算清洗處理后形成實時數據模型;通過設備實時多場景動態和多數據規則定義、智能決策判斷,形成虛擬設備動作指令,驅動虛擬設備動作。

3 應用中的典型問題及處理

該項目是三維全景數字孿生在箱梁運架施工中的首次嘗試,在應用中遇到了數字孿生模型運動遲滯、北斗定位精度不足等問題。

傳統物聯網設備管理系統由設備自動采集的大量數據僅需簡單運算,一般采用后臺服務器直接處理模式,該項目最初也采用了這種方案。然而實際測試時發現,數字孿生驅動數據的運算量遠遠超出服務器的處理能力,出現數據排隊現象,導致三維數字孿生模型卡滯。為解決該問題,嘗試采用數據分級處理模式,即在智能網關內編制程序對數據進行初次邊緣計算,只保留有效數據,而在服務器內進行數字孿生驅動數據的邏輯運算。經過實踐證明,分級處理模式使傳輸數據量大為減少,有效利用了服務器算力,三維數字孿生系統的同步性得到保證。

該項目中提運架設備采用北斗定位模塊進行設備的自動定位及GIS地圖匹配,并根據架橋機位置坐標統計施工進度,因此設備定位信息非常關鍵,但在應用中出現統計數據與實際情況不符問題。經實測,北斗模塊的定位精度約為10m,在進度計算中經常會出現1榀梁的誤差。經過關聯數據分析,引入橋墩位置信息及架橋機行走啟停、行程等數據對位置坐標進行修正。經過反復調整測試,修正后的定位精度在1m以內,達到了精確計算施工進度的目的。

4 三維全景數字孿生系統的應用價值

箱梁運架施工三維全景數字孿生系統在箱梁運架施工過程中起到了可視化呈現、智能診斷、輔助決策、提高效益四大方面的作用[8]。

1)可視化呈現 數字孿生虛擬模型根據現實物理世界搭建,通過多維模型、多場景轉換、多數據規則和實時數據驅動,將箱梁運架施工的相關性能進行可視化呈現,實現了現實同虛擬的一一映射和同步。

2)智能診斷 在數字孿生虛擬映射的基礎上,通過對運架施工數字孿生信息進行大數據分析,實現了對箱梁運架施工過程風險的智能診斷。

3)輔助決策 根據箱梁運架施工長距離、大規模、多專業協同特點,利用數字孿生挖掘數據集成應用的新價值,通過現實數據和模擬數據的綜合分析,對箱梁運架過程進行指導,從而輔助施工,做出科學決策。

4)提高效益 數字孿生技術結合物聯網、云計算、大數據等現代化信息技術應用于箱梁運架施工,對施工過程的全要素進行監測和控制,提高了施工效益。

5 結語

依托荊門—荊州高速鐵路項目,對箱梁運架施工三維數字孿生實現的關鍵技術進行了介紹和項目實際驗證。通過三維全景數字孿生技術搭建物理世界與虛擬世界的融合通道,形成交互式的三維數字鏡像,實現了模型與物理實體的實時同步動作,有效解決了傳統箱梁運架施工過程中實時信息掌握困難、可視化程度低等難題,提高了箱梁運架施工管理的效率,保證了數據的及時性和準確性,為施工管理決策提供了有效的輔助工具;通過數字孿生全局視角,各級管理人員更便捷、高效地對實際施工過程進行分析、預測和管控。同時,箱梁運架施工三維全景數字孿生系統深度融合箱梁運架大型高端施工裝備控制技術、高速鐵路運架施工技術與數字孿生技術,形成了多學科交叉、多維模型融合、多數據規則、多場景轉換的數字孿生典型應用。