閆數(shù)字自孿海生：賦能隧道養(yǎng)管

文/本刊記者 汪玚

自2018年起，無錫青祁隧道啟用了“機(jī)電管家信息管理系統(tǒng)”，通過隧道內(nèi)安裝的攝像頭，應(yīng)用平臺(tái)可以從云端實(shí)時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，依托系統(tǒng)的實(shí)時(shí)預(yù)警和數(shù)據(jù)分析，維保人員能夠迅速發(fā)現(xiàn)故障原因，精準(zhǔn)定位、快速反應(yīng)，趕赴現(xiàn)場及時(shí)處置（圖片來源于無錫播報(bào)）

熱詞“數(shù)字孿生”近十年來可謂炙手可熱。

何謂數(shù)字孿生？針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)病害及養(yǎng)護(hù)，數(shù)字孿生技術(shù)可在維修、養(yǎng)護(hù)中進(jìn)行怎樣的運(yùn)用？在從事軌道交通工程全生命周期建設(shè)與大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、BIM技術(shù)等深度融入關(guān)鍵理論和技術(shù)難題研究的浙江省智慧軌道交通工程技術(shù)研究中心隧道工程所所長閆自海心中，有著自己的答案。

數(shù)字孿生：實(shí)現(xiàn)實(shí)體信息的重構(gòu)與交互

2003年，美國密歇根大學(xué)Michael Grieves教授首次提出了數(shù)字孿生概念。2010年后，該概念應(yīng)用于航空航天、工業(yè)行業(yè)，后又在多個(gè)行業(yè)拓展應(yīng)用演進(jìn)。

“數(shù)字孿生，就是基于對(duì)物理實(shí)體或系統(tǒng)的精確還原以構(gòu)建虛擬表達(dá)模型，通過虛實(shí)環(huán)境交互保證物理對(duì)象與虛擬模型一致，借助數(shù)據(jù)、模型和分析技術(shù)為物理實(shí)體提供檢測、診斷、預(yù)測等服務(wù)。”閆自海介紹說，“作為現(xiàn)實(shí)世界數(shù)字映射的孿生，應(yīng)從幾何結(jié)構(gòu)、物理屬性、規(guī)則和機(jī)理等方面實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的精準(zhǔn)復(fù)刻。”

簡而言之，就是把一個(gè)真實(shí)存在的實(shí)體，進(jìn)行數(shù)字化的復(fù)制（數(shù)字模型或虛擬模型），實(shí)現(xiàn)信息的重構(gòu)與交互。

那么，針對(duì)隧道養(yǎng)管，如何運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)虛擬與實(shí)時(shí)交互的融合機(jī)制？如何讓數(shù)據(jù)可知可感、動(dòng)態(tài)仿真，全面反映出隧道的全生命周期？

閆自海稱，一方面，要應(yīng)用數(shù)字孿生體系技術(shù)，構(gòu)建好靜態(tài)、動(dòng)態(tài)模型；另一方面，則需根據(jù)城市地下結(jié)構(gòu)病害治理，兩者結(jié)合，基于全壽命周期完整數(shù)據(jù)鏈，建立地下結(jié)構(gòu)壽命及健康狀態(tài)評(píng)估方法，基于評(píng)估結(jié)果，建立完整的地下結(jié)構(gòu)壽命及健康狀態(tài)評(píng)估技術(shù)。

傳統(tǒng)升級(jí)先摸底：隧道結(jié)構(gòu)病害及養(yǎng)護(hù)分析

想要以數(shù)字孿生技術(shù)助力隧道管養(yǎng)，就要先厘清隧道典型結(jié)構(gòu)病害及管養(yǎng)方式。

我國隧道典型結(jié)構(gòu)病害主要分為洞口和洞門病害、滲漏水病害、襯砌結(jié)構(gòu)病害、底板類病害、排水系統(tǒng)病害及其他病害。

傳統(tǒng)隧道養(yǎng)護(hù)管理技術(shù)主要分為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和定期檢查，前者在隧道結(jié)構(gòu)病害初期進(jìn)行安全評(píng)估，避免后期隧道主體襯砌開裂、脫落、掉拱等；后者定期通過結(jié)構(gòu)與環(huán)境健康監(jiān)測全方位掌握隧道運(yùn)營狀態(tài)。

常規(guī)檢測方法如聲波檢測法、探地雷達(dá)檢測法、高密度電法、瞬變電磁法、超聲回彈綜合法、三維激光掃描法等；常規(guī)監(jiān)測方法包括實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測、動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測、溫度檢測、有毒氣體監(jiān)測、排水系統(tǒng)水位監(jiān)測等。

基于以上了解，在軌道交通領(lǐng)域，多地已經(jīng)開始進(jìn)行數(shù)字技術(shù)應(yīng)用。

“目前全國已有23個(gè)城市開展了軌道交通數(shù)字技術(shù)應(yīng)用，大部分城市在2011年后啟動(dòng)BIM應(yīng)用，2014年數(shù)字技術(shù)應(yīng)用開始進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期?！遍Z自海介紹說。

而在公路隧道方面，這樣的嘗試也在開展。

南京應(yīng)天大街長江隧道應(yīng)用的“中樞大腦”系統(tǒng)，可使指揮調(diào)動(dòng)中心實(shí)時(shí)查看隧道內(nèi)全部應(yīng)急救援車輛位置、隧道內(nèi)外交通流量及突發(fā)事件、交通運(yùn)營實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息，系統(tǒng)內(nèi)嵌的約13大類、900個(gè)工況的標(biāo)準(zhǔn)化處理預(yù)案，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通事件“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的精確化資源調(diào)配、可視化指揮調(diào)度，極大提高了交通事故處置效率。該系統(tǒng)在隧道內(nèi)車輛冒出濃煙時(shí)，30秒內(nèi)即啟動(dòng)自動(dòng)噴淋，25分鐘就完成了事件處置。

無獨(dú)有偶，無錫青祁隧道應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，啟用“機(jī)電管家信息管理系統(tǒng)”。工作人員只要輕點(diǎn)鼠標(biāo)，就能看到某一區(qū)域的三維透視圖和實(shí)時(shí)監(jiān)控圖像，獲得區(qū)域內(nèi)各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，足不出戶即可進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的“模擬巡檢”，大大減少前端管理的人力投入，提升工作效率。

模擬汽車著火消防噴淋滅火測試演練（圖片來源于《現(xiàn)代快報(bào)》）

數(shù)字孿生+隧道養(yǎng)護(hù)=創(chuàng)新和變革

“在產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，我們很多行業(yè)都可以重做一遍。”阿里巴巴產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中心主任陳威如在2020年接受采訪時(shí)表示，數(shù)字化和互聯(lián)網(wǎng)化給很多傳統(tǒng)行業(yè)帶來創(chuàng)新和變革。

隧道運(yùn)維養(yǎng)護(hù)也不例外。

閆自海表示，數(shù)字孿生技術(shù)可貫穿在隧道結(jié)構(gòu)生命周期的各個(gè)階段。根據(jù)這個(gè)理念，隧道運(yùn)維階段的數(shù)字孿生可實(shí)現(xiàn)真實(shí)隧道結(jié)構(gòu)和環(huán)境與虛擬空間下的數(shù)字模型的信息交互，基于隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行及時(shí)修正，分析結(jié)構(gòu)當(dāng)下的技術(shù)狀態(tài)以及預(yù)測結(jié)構(gòu)未來在長期運(yùn)營或極端荷載作用下的行為和風(fēng)險(xiǎn)，為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)決策、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等提供科學(xué)手段。

閆自海進(jìn)行了數(shù)字孿生技術(shù)在隧道養(yǎng)護(hù)管理中的理論分析。他認(rèn)為，通過利用系統(tǒng)中虛擬現(xiàn)實(shí)仿真模型、歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及經(jīng)大數(shù)據(jù)技術(shù)處理后的孿生數(shù)據(jù)，完成整體系統(tǒng)狀態(tài)的仿真模擬和預(yù)測，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道全生命周期的描述。

在他看來，數(shù)字孿生技術(shù)為隧道智能運(yùn)維的數(shù)字化技術(shù)提供了一個(gè)很好的概念框架，通過三維地理模型和三維隧道結(jié)構(gòu)模型，可建立隧道工程三維可視化場景，為建設(shè)隧道養(yǎng)護(hù)管理數(shù)字孿生系統(tǒng)奠定場景基礎(chǔ)，可視化的數(shù)字孿生也可為養(yǎng)護(hù)管理提供底層管理支撐。

“通過建立溯源平臺(tái)，打通設(shè)計(jì)、施工階段的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全過程的溯源分析。搭建數(shù)據(jù)集成平臺(tái)，及手機(jī)app端多端記錄管控片工廠、生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工現(xiàn)場的各個(gè)階段，全部過程通過對(duì)應(yīng)的二維碼掃描填報(bào)或物聯(lián)信息傳至平臺(tái)對(duì)應(yīng)整合?！遍Z自海稱，在數(shù)字孿生技術(shù)的“加持”下，隧道病害溯源分析將變得十分簡單、便捷。

同樣，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用8P人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，即可對(duì)隧道病害的發(fā)展情況進(jìn)行預(yù)測。

智慧交通不僅僅是交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)管理更加智能化、智慧化。通過將交通實(shí)體目標(biāo)信息轉(zhuǎn)化為可展現(xiàn)、可深入分析、可管理的虛擬目標(biāo)，搭建現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界并行處理的“數(shù)字孿生”體系，這或許將是未來智慧交通運(yùn)用的主要工具與核心模式。