GPS技術在數字孿生中的應用研究

［摘 要］數字孿生是開拓智慧運維、提升運維管理能力的關鍵手段。針對數字孿生應用工作中，孿生模型搭建精度要求高、數據量大以及不可控因素的等，引入全球定位系統（Global Positioning System，GPS），從可行性分析、適應性探索到實踐運用，直至GPS技術成為數字孿生的重要組成部分和強大推動力。文章首先概述GPS技術，然后闡述數字孿生的構建，最后分析GPS技術在數字孿生中的具體應用與實踐。

［關鍵詞］數字孿生；GPS；信息技術；運維管理

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2025.06.056

［中圖分類號］TP181 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2025）06-0-03

0 引 言

數字孿生是指物理實體、過程或系統的虛擬副本，其通過實時數據反饋與物理世界相互作用，幫助監測、決策、控制和優化。隨著物聯網（Internet of Things，IoT）和大數據技術的發展，數字孿生的應用逐漸擴展到各個領域，包括制造業、城市管理、物流與交通等，本文主要探討其在基建工程中的應用與發展。

GPS技術作為關鍵的定位與導航技術，在數字孿生建模及運維階段發揮著重要作用，若采用北斗衛星與全球定位系統相結合的雙模定位測量手段，則擁有更高的精確度、更好的穩定性和更便捷的操作［1］。通過提供高精度的位置信息，可精準放線、高效捕獲標的物，不僅可以實現對物理實體的實時定位與跟蹤，增強孿生模型的準確性，還可以在使用和運維階段極大地提供實時性、高效性便利。雖然GPS技術在數字孿生中的應用面臨著巨大挑戰，但是未來發展十分可觀。

1 GPS技術概述

1.1 GPS的基本原理

GPS是利用一組在地球軌道上運行的衛星組成的導航系統，至少4顆衛星向地面接收設備發送信號，利用三角測量的方法測量信號傳播時間來計算接收設備的位置、速度和時間等信息。其特點包括高精度定位、全天候服務、全球覆蓋以及實時性強等。

1.2 GPS的分類和發展

GPS系統可分為民用和軍用兩類。民用GPS廣泛應用于導航、測繪、環境監測等領域，而軍用GPS則具備更高的精度和抗干擾能力。自20世紀70年代問世以來，GPS經歷了多個發展階段。從最初的僅限于軍事用途，到如今民用GPS的廣泛應用，技術的進步使得定位精度不斷提升。當前，實時動態定位（Real-Time Kinematic，RTK）技術的出現，使得GPS的定位精度進一步提升，為數字孿生的應用奠定了基礎。

2 數字孿生的構建

數字孿生是物理實體的虛擬模型，能夠實時反映其狀態與行為。其主要特征包括實時性、互動性和可視化等，使得用戶能夠更好地理解和管理復雜系統。數字孿生技術是一種將實際設備、系統或流程的數字模型與物理實體同步更新的技術。通過模擬和分析，可以實現對實體的實時監測、預測和優化等功能。以物理實體為基礎，數字孿生生成的數碼模型由物理模型、數據模型和連接器組成，能夠實時地展示、預測并優化物理實體的運行狀況和行動，可以提高生產效率、降低成本、減少能源消耗，提升系統的可靠性和安全性［2］。其中，物理模型是對真實物理實體的數字化描述，數據模型是對物理實體的數據采集和處理，連接器用于實現物理模型和數據模型之間的交互。運用數字孿生技術可以降低人工巡視的成本，提高工作效率，增強可靠性和安全性，在廠區管理中具有重要的應用價值［3］。

2.1 數據采集

首先，通過實地測繪、全站儀放線、RTK放線等多種方式，獲取物理對象的基礎數據；其次，根據標的物的特征，測量或計算并記錄其質量、壽命、效用、作用頻率及利用率等實用數據；最后，采取合理、有效的動態數據采集、監測、控制的方式，確定孿生交互模式，定向選取符合需求的單片機模組，完成交互方案的制訂及方案數據的采集。

2.2 數據處理與建模

一是根據預設的模型分配比例，計算收集到的三維數據，利用立體模型軟件成像，完成數字模型初構；二是劃分模型節點，導入其外觀、物理、化學數據及動態分析方程式等多維度運算結果，實現高精度模仿物理實際；三是將模型導入控制系統和操作平臺，模塊化建設控制程式，實現數字孿生與物理實體間的動態更新，并增加實時控制、高效處理等功能。

2.3 模型驗證、更新與控制

通過對比物理對象與數字模型的表現，持續優化和更新模型。在物理對象與三維模型間增設單片機模組，模組下端連接各種傳感器組成感應系統，如溫度、濕度、氣壓、紅外傳感器、GPS定位裝置等，安裝在園區的一些特定位置、特殊裝置和不可控人或物上，就可以實時采集動態數據；利用單片機的數據處理和通信功能，上端連接服務器和操作平臺，將采集到的數據進行解析、傳送并接收輸出指令，為數據分析和決策提供支持，達到實時監測與控制、故障診斷與預測、能耗管理與優化、安全監控與預警等多樣化先進功能的預期。

2.4 數據源的精確性與高效性

無論是在數字孿生模型的構建工作中，還是在孿生交互的實踐操作中，數據源的精確性都至關重要，高效性同樣不可或缺。GPS技術提供的數據十分契合數字孿生技術對數據高效且精準的要求。測繪工作中，定位放線精準便捷，三維模型為數字孿生打下堅實基礎；定位傳感數據實時、準確且可以補充環境信息、狀態數據，為后臺處理提供有保障的數據，以便作出更加精準的判斷和動作。

3 GPS技術在數字孿生中的具體應用與實踐

3.1 RTK測量測繪技術應用

RTK載波相位差分技術是一種新的利用衛星定位技術開展并完成測量的方法，它使用載波相位差分法實時處理兩個載波觀測站采集的相位數據，求差進而計算目標坐標［4］。相較于以前的水準儀、全站儀，無論是靜態、快速靜態還是動態測量，都需要事后進行人工計算才能獲得坐標，且僅達厘米級精度，而RTK則能夠通過測量并自動計算得到實時的毫米級精度坐標結果，是GPS應用的重大里程碑，它的出現為工程放樣、地形測圖及各種控制測量提供了新的測量原理和方法。在RTK作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站不僅要通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，給出定位結果，歷時不足一秒鐘，直接省去了后續人工計算所需時間，減少了產生錯誤的風險，提高超50%的測量作業效率，并進一步提高了測量精度和準確性。使用專業的RTK測量儀，基于北斗衛星導航系統，采用獨有的kRTK核心技術和高可靠性的載波跟蹤算法，將測量放線的結果實時傳輸到云端，并自動生成測繪放樣點的三維圖紙。對于數字孿生模型的中期構建，設計人員可直接選其作為繪制底圖，節省繪圖時間，進一步提高孿生效率和準確性。

在探索數字孿生技術的過程中，運用GPS技術的RTK測量儀器實踐后，在建模初期完全地勝任并取代了其他測量工具。其數據平臺使用便捷、直接，與孿生操作軟件十分吻合，能夠快速完成三維模型的構建，提供的數據經過后續長時間的運維檢驗后，幾乎毫無差漏；使用階段，持續不斷更新物理實際數據，實時保持模型與現實的一致，初步達到了數字化觀測、管理、設計、提升的設想。在智能園區建設中，數字孿生模型通過GPS數據實時更新基礎設施的信息，管理者利用這些數據開展設施維護、環境監測、動態分析等工作，有效提升了管理效率。通過物聯網建設工控網絡架構，實時監控生產設備的運行狀態，通過數據分析預測設備故障，提前進行維護，減少了生產損失。GPS技術應用于數字孿生中實現了全過程的監控，通過實時數據分析，優化了作業路線，降低了運營成本，提高了客戶滿意度。

3.2 定位裝置的應用

對于成熟的數字孿生模型，完成物理實際中固定物的孿生與監測、控制后，模型中的不可控人或物成為智能管理工作中的新挑戰。隨著科技的進步，安全帽定位系統在現代智慧工地施工過程中的應用愈加廣泛，不僅可以有效保證工程現場工作人員的安全，而且可以實現企業對員工的高效率管理［5］。受到啟發后，我們效仿并引入GPS定位裝置及線上操作系統，實現了實時定位標的物，動態軌跡跟蹤并記錄、完善人員權限設定，監控異常位置、異常速度等報警，以及動態人或物與靜態門、機聯動控制等新的管理功能。

在安全帽定位裝置的延伸引用實踐中，我們通過GPS對進入孿生模型的人員進行定位，并將位置信息展示到孿生模型上，從而實現了對作業人員日常巡檢工作的實時監管。同時，作業人員可通過智能化的GPS終端將作業中發現的異常情況以文字、圖片、語音的方式實時上報到系統，方便管理者及時接收隱患信息，實時掌控各現場的狀況，對于隱患較大的風險，更是能夠及時作出反應與決策，最大限度降低隱患風險。例如，對危險作業的管理，危險作業現場巡檢是日常檢查工作中的重點，在孿生系統中備案危險作業，利用GPS定位裝置有效監督巡檢人員開展必檢點巡檢。巡檢人員到達作業現場后，可以將現場情況以照片、文字、語音的形式上傳到系統中，在調度中心可查看巡檢人員是否對負責的相應危險作業現場進行巡檢，若巡檢人員上傳了當天的巡檢信息，則表示巡檢任務完成，并可查詢現場情況；若沒有上報，則未完成巡檢工作。

3.3 GPS通用應用

3.3.1 實時定位與追蹤

GPS技術能夠實時追蹤人或物的位置、軌跡和狀態，提高了管理效率。例如，通過數字孿生模型，物流公司能夠實時監控運輸過程，優化運輸路線，降低成本。

3.3.2 環境監測

在城市建設中，結合GPS和傳感器的環境監測系統，可以實時更新數字孿生模型，及時應對自然災害。例如，利用GPS技術監測城市內的水位變化，及時發出警報，有效減少災害損失。

3.3.3 智能交通系統

基于智能交通系統的數字孿生模型，利用GPS數據分析交通流量，優化交通信號控制。通過數字孿生模型，城市交通管理者可以模擬不同交通方案的效果，選擇最佳方案，提升交通效率。

3.3.4 工業制造

在工業4.0的背景下，GPS技術在設備監控與維護中發揮著重要作用。數字孿生模型可以實時反映設備狀態，提前預警故障，從而縮短停機時間，提高生產效率。

4 結束語

在數字孿生的搭建、維護與實踐過程中，BIM+GPS模式的多方位數據融合，使三維模型的成長與貢獻等全生命周期的不同階段都得以升華，而GPS的效果發揮、應用貫穿了數字孿生的設計、建設、運營和管理等各個階段，無論是其提供的地形模型、衛星影像，還是地下管線監測、動態數據管理等工作，在GPS技術引入后，都不斷地優化數字孿生，從點到面，為智慧城市、智慧建造、智慧園區等的建設、決策分析提供可靠的技術支撐，未來的技術應用空間極大。

GPS技術在數字孿生中的應用前景廣闊，但也面臨一些挑戰。例如，GPS信號會受到建筑物、樹木等障礙物的干擾，導致定位不準確。同時，數據的準確性和可靠性也要提高。在數據隱私與安全方面，GPS數據的使用可能引發用戶隱私問題，企業必須采取有效措施保護用戶數據安全。此外，多源數據集成的復雜性也會影響數字孿生模型的性能。未來，隨著人工智能和大數據技術的進一步發展，GPS技術與數字孿生的結合將更加緊密。智能算法也將幫助分析和應對數字孿生與GPS技術結合中的挑戰，系統地提高二者相互適應的能力。

GPS技術在數字孿生建模中的應用具有重要意義。通過實時獲取多維位置信息，GPS技術能夠提升數字孿生模型的準確性與實時性，幫助企業和城市管理者優化決策和資源管理。盡管面臨一些技術與應用方面的挑戰，但隨著技術的進步，GPS技術在數字孿生中的應用前景廣闊，將推動各行業的創新與發展。

主要參考文獻

［1］劉家龍，吳柯銳，張會新，等.基于北斗/GPS雙模模塊的高可靠定位系統設計［J］.航天控制，2024（4）：35-41.

［2］王慶.數字孿生城市建設理論與實踐［M］.南京：南京東南大學出版社，2020：19-23.

［3］曾思銘，冷先凱，徐志浪，等.基于數字孿生的智慧社區建設與應用［J］.綠色建造與智能建筑，2024（6）：143-147.

［4］胡伍生.土木工程測量學［M］.3版.南京：南京東南大學出版社，2021：61-62.

［5］何躍川，楊曉嬌.施工過程管控多維模型與數字孿生架構研究［J］.建筑技術，2024（18）：2295-2300.

［收稿日期］2024-11-08