數(shù)字孿生架構(gòu)下水工程數(shù)字底座建設(shè)研究

李 才，管林杰，楊 坤，張 力，范青松

(長江空間信息技術(shù)工程有限公司(武漢)，湖北 武漢 430010；湖北省水利信息感知與大數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010)

近年來，數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字孿生制造、數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生交通等各行各業(yè)迅猛發(fā)展。如何基于數(shù)字孿生理念，推動水工程的全生命周期管理和水利智能化發(fā)展成為當前的研究熱點。數(shù)字底座是一切數(shù)字孿生應(yīng)用的基礎(chǔ)，是水工程數(shù)字孿生建設(shè)與落地的根基。深入研究水工程數(shù)字底座建設(shè)的主要內(nèi)容及技術(shù)要點，夯實數(shù)字孿生基礎(chǔ)，才能構(gòu)建出物理世界與孿生世界的水工程、人、物、環(huán)境、信息等的相互映射、實時交互、高效協(xié)同的數(shù)字孿生工程，從而更加直觀地反映水工程從設(shè)計、建設(shè)到運維的全生命周期狀態(tài)，進而實現(xiàn)水工程的智能建造、智能運行。

美國NASA對數(shù)字孿生(Digital Twin)的定義是：充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的生命周期。

基于數(shù)字孿生架構(gòu)的水工程管理與傳統(tǒng)水利水電工程信息化建設(shè)的不同之處在于：數(shù)字孿生水工程是全覆蓋、全要素、全過程的現(xiàn)實反映，具有多維性、即時性和可控性。傳統(tǒng)的BIM模型、三維場景也不等同于數(shù)字孿生，其模型及仿真僅僅是數(shù)字孿生體[1]。數(shù)字底座是現(xiàn)實世界的鏡像再現(xiàn)，由各類信息感知設(shè)備全面感知現(xiàn)實世界，實時獲取變化信息，并在虛擬空間完整、多維、動態(tài)展示水工程現(xiàn)狀及動態(tài)，并向真實世界發(fā)出預(yù)警預(yù)告，進而反向控制現(xiàn)實世界的設(shè)備設(shè)施[2]，完成孿生世界為現(xiàn)實世界服務(wù)的使命。

1 水工程數(shù)字孿生研究現(xiàn)狀

水工程是傳統(tǒng)水利水電工程以及城市水務(wù)工程的統(tǒng)稱，包含水利水電建筑物、大壩、水庫、引調(diào)水工程、河道堤防、灌區(qū)以及城市閘泵、供排水管網(wǎng)等各類涉水工程。

在數(shù)字孿生的研究中，杜壯壯等[3]研究了基于數(shù)字孿生技術(shù)，融合智能預(yù)測和可視化管理，建立一種面向河道工程管理的數(shù)字孿生可視化智能管理方法。石焱文等[4]討論了數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程運行管理過程中的應(yīng)用，構(gòu)建了基于數(shù)字孿生的水利工程運行管理體系。王國崗等[5]討論了數(shù)字孿生技術(shù)在水利水電工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用。金飛等[6]討論了在風(fēng)電工程的全生命周期數(shù)字孿生體系。劉海瑞等[7]討論了數(shù)字孿生技術(shù)在流域智慧化管理中的應(yīng)用。

當前，部分案例在勘察設(shè)計階段基本實現(xiàn)了BIM正向設(shè)計，但其僅完成了數(shù)字孿生體系中的數(shù)據(jù)孿生體的建設(shè)[8]。在施工設(shè)計階段，僅部分工程的部分環(huán)節(jié)實現(xiàn)了智能建造，未能結(jié)合數(shù)字孿生體實現(xiàn)全息物聯(lián)感知，全域、實時數(shù)字孿生，尤其是在數(shù)字孿生水工程中實現(xiàn)對物理工程的控制與指導(dǎo)，還未能完全掌握[9]。在運行管理階段，實現(xiàn)了部分水工程運行的監(jiān)測及控制，如安全監(jiān)測、閘門泵站智能化控制、洪水仿真、調(diào)度運行[10]等。水工程的智能化建設(shè)出現(xiàn)多應(yīng)用的散點型數(shù)字孿生，但仍未能打通數(shù)字孿生體系的各環(huán)節(jié)，未能形成全鏈條、體系化的水工程運行狀態(tài)、行為的實時孿生、快速動態(tài)分析及決策。數(shù)字孿生架構(gòu)水工程的建設(shè)亟待研究。

2 水工程數(shù)字底座建設(shè)研究

水工程數(shù)字孿生的數(shù)字底座建設(shè)主要包括水工程數(shù)字孿生體建設(shè)、全域信息感知與智能設(shè)施管理平臺建設(shè)、水工程大數(shù)據(jù)平臺以及水工程信息模型平臺建設(shè)。通過感知工程全域空間數(shù)據(jù)與實時運行狀態(tài)信息，可實現(xiàn)對工程施工、運行過程中的人、事、物、料、場等所有要素及事件數(shù)字化表達，在虛擬網(wǎng)絡(luò)空間再造一個與之對應(yīng)的“虛擬工程”，形成物理維度上的實體工程和信息維度上的數(shù)字工程同生共存、虛實交融的格局。

2.1 全域感知與智能設(shè)施管理平臺建設(shè)

建設(shè)全域感知與智能設(shè)施管理平臺，對水工程感知體系和智能化設(shè)施進行統(tǒng)一接入、設(shè)備管理和反向操控。

全域信息感知主要包括“天空地網(wǎng)”一體化的工程信息感知體系，涉及工程勘察設(shè)計期、建設(shè)期和運營期的多源、多尺度、多傳感器的信息采集。包括地表基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)及三維實景數(shù)據(jù)；勘察設(shè)計階段的地形地質(zhì)數(shù)據(jù)；建設(shè)階段的施工地質(zhì)信息、施工環(huán)境信息、工程安全監(jiān)測信息、機電設(shè)備監(jiān)控信息、工程施工進度過程信息、人員設(shè)備位置信息；運行階段的工程運行監(jiān)控信息、工程安全監(jiān)測信息、水質(zhì)信息、水量信息、水文信息等全域全過程的信息感知與采集。主要包括以下3個方面：

(1)物聯(lián)感知設(shè)備統(tǒng)一接入：匯聚各類物聯(lián)感知設(shè)備與智能設(shè)施，兼容多種IoT協(xié)議設(shè)備接入，對其進行統(tǒng)一的策略同步、數(shù)據(jù)采集。接入視頻攝像頭、閘門泵站、安全監(jiān)測設(shè)備、門禁道閘、水質(zhì)水量監(jiān)測設(shè)備、安防設(shè)備等系列感知設(shè)備。

(2)設(shè)備設(shè)施管理：對海量設(shè)備進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)泛在感知設(shè)備的連接狀態(tài)實時管理、協(xié)議解析、上報轉(zhuǎn)發(fā)、遠程參數(shù)同步配置等功能。如對水量、水位、水質(zhì)、流量設(shè)備運行狀態(tài)進行監(jiān)測；對自動監(jiān)測站可設(shè)置自動定期監(jiān)測周期，設(shè)置超限值及自報設(shè)置。

(3)遠程操控：通過對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的遠程操控，實現(xiàn)數(shù)字孿生工程對物理工程的反向控制；對視頻監(jiān)控、閘門泵站、遙測站等具有一定運算和處理能力的設(shè)備，進行遠程參數(shù)設(shè)置。

2.2 水工程數(shù)字孿生體建設(shè)

水工程數(shù)字孿生體即全過程、全域的水工程模型，建設(shè)內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)三維地形模型、主體工程設(shè)施設(shè)備BIM模型、普通建筑物三維模型構(gòu)建、工程范圍地質(zhì)模型、施工建設(shè)管理BIM模型構(gòu)建、工程運維管理BIM模型等。

(1)基于大范圍的高分辨率衛(wèi)星影像、中低分辨率的數(shù)字高程模型生成基本三維地形場景。利用無人機航攝數(shù)據(jù)及中高分辨率數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)生成中精度三維地形模型成果。同時對重點區(qū)域采集高精度傾斜三維模型數(shù)據(jù)，形成高精度三維場景數(shù)據(jù)。

(2)普通建筑物三維模型構(gòu)建包括水庫、堤防工程、護坡護岸、管理站建筑物、道路橋梁等非BIM精細結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)三維模型。

(3)BIM模型包括水工建筑物BIM模型，機電、金結(jié)、安全監(jiān)測等設(shè)備設(shè)施BIM模型。同時還包括管理類模型，與各階段管理相適應(yīng)的重分類的BIM模型，如建設(shè)期與施工進度、質(zhì)量管理相匹配的BIM模型；運行期與運行、維護業(yè)務(wù)管理相匹配的機電、金結(jié)BIM模型，如按管理范圍、管理部門、巡檢部位等進行模型重組的BIM模型。

(4)施工地質(zhì)模型包括施工前勘探及施工過程中不斷更新的地質(zhì)模型。

2.3 水工程大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)

匯聚全域地理空間數(shù)據(jù)、全要素模型數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)以及業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)，與基于BIM+GIS的工程信息模型平臺融合，形成全空間一體化且相互關(guān)聯(lián)的工程數(shù)字底座。水工程大數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)，以標準體系建設(shè)為基礎(chǔ)，通過采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、存儲及備份技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等，設(shè)計并建設(shè)各類數(shù)據(jù)庫，建成為各應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)的數(shù)據(jù)服務(wù)中心，形成數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理與共享體系。

大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)主要包括：數(shù)據(jù)庫設(shè)計、大數(shù)據(jù)資源建設(shè)、大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺建設(shè)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理平臺建設(shè)。

(1)以標準體系建設(shè)為基礎(chǔ)，設(shè)計并建設(shè)各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、專業(yè)數(shù)據(jù)庫以及元數(shù)據(jù)庫，對所有數(shù)據(jù)進行分類分層組織及庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(2)大數(shù)據(jù)資源建設(shè)包括數(shù)據(jù)的采集與匯聚、處理與治理，為構(gòu)建各種主題數(shù)據(jù)庫奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(3)大數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理平臺通過對數(shù)據(jù)資產(chǎn)的集中管理方式，促進信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合。

(4)大數(shù)據(jù)服務(wù)平臺實現(xiàn)大數(shù)據(jù)中心對外統(tǒng)一服務(wù)的建設(shè)與管理，為水工程大數(shù)據(jù)中心的建設(shè)提供數(shù)據(jù)服務(wù)的支撐，實現(xiàn)信息的共享。

2.4 水工程信息模型平臺建設(shè)

基于BIM+GIS的水工程信息模型平臺，是數(shù)字孿生體的主要展示載體，與工程大數(shù)據(jù)平臺融合，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)一、監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)匯集、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合、二三維一體化的工程數(shù)字底座，是工程全域全要素實現(xiàn)精準映射虛實互動的核心[11]。主要建設(shè)內(nèi)容為BIM+GIS基礎(chǔ)支撐平臺以及工程信息模型集成及場景搭建。

(1)BIM+GIS基礎(chǔ)支撐平臺建設(shè)，構(gòu)建水工程各類業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的三維可視化基礎(chǔ)支撐平臺，輔助實現(xiàn)引水工程基礎(chǔ)地理信息、工程建設(shè)運行關(guān)鍵指標信息、監(jiān)測監(jiān)控預(yù)警信息的綜合展示與分析應(yīng)用。主要建設(shè)內(nèi)容包括BIM+GIS數(shù)據(jù)融合、多源數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出、海量數(shù)據(jù)處理與瀏覽、專業(yè)分析功能無縫集成等功能。同時BIM+GIS基礎(chǔ)支撐平臺還應(yīng)提供標準Web服務(wù)的訪問接口，供上層應(yīng)用系統(tǒng)進行調(diào)用。

(2)工程信息模型集成及數(shù)字孿生場景搭建?；贐IM+GIS支撐平臺，以三維地形模型為基礎(chǔ)場景，疊加工程三維模型、BIM模型，傾斜實景模型、地質(zhì)模型等，并疊加水工程及相關(guān)輔助信息的矢量要素，以及業(yè)務(wù)專題空間數(shù)據(jù)，集成各類傳感器及感知設(shè)備數(shù)據(jù)，通過參數(shù)化建模及動態(tài)展示等各類技術(shù)展示水工程的實時現(xiàn)狀，實現(xiàn)工程建設(shè)、運營業(yè)務(wù)的數(shù)字孿生場景搭建，并集成空間分析、模型分析等功能，以輔助工程數(shù)字孿生應(yīng)用。

3 水工程數(shù)字底座建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時空大數(shù)據(jù)驅(qū)動的海量水工程數(shù)據(jù)匯聚與融合技術(shù)

時空大數(shù)據(jù)驅(qū)動的全域、全過程的多源異構(gòu)水工程數(shù)據(jù)的匯集與融合，是水工程大數(shù)據(jù)中心建設(shè)的重點。大數(shù)據(jù)中心需匯集的數(shù)據(jù)，既包括基礎(chǔ)(靜態(tài))數(shù)據(jù)，又包括動態(tài)和實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)；按數(shù)據(jù)存儲特點來分，既包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，又包括大量半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，全面實現(xiàn)海量水工程信息資源匯集與融合，面臨數(shù)據(jù)資源分散、系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫異構(gòu)、開發(fā)商情況復(fù)雜、數(shù)據(jù)格式和協(xié)議不同等問題，數(shù)據(jù)資源整理入庫與數(shù)據(jù)同步建設(shè)難度極大。關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1)通過統(tǒng)一工程編碼、統(tǒng)一工程數(shù)字模型配置管理，實現(xiàn)跨階段、跨業(yè)務(wù)、跨類型統(tǒng)一標識，打造全生命周期智慧管理數(shù)據(jù)中心。

(2)在統(tǒng)一數(shù)據(jù)資源規(guī)劃指導(dǎo)下，制定建設(shè)水工程各階段數(shù)據(jù)采集與治理技術(shù)方案。

(3)通過數(shù)據(jù)共享交換平臺實現(xiàn)海量水工程大數(shù)據(jù)匯集，通過數(shù)據(jù)服務(wù)接口實現(xiàn)信息共享。

(4)基于元數(shù)據(jù)、編碼數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)資源建模和資源分類體系的協(xié)同，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源管理平臺。

3.2 基于高精度、多維度水工程數(shù)字孿生場景可視化關(guān)鍵技術(shù)

水工程數(shù)字孿生體即全域全過程的水工程模型。建設(shè)高精度、與業(yè)務(wù)管理相適配的多維度水工程模型是水工程管理的應(yīng)用基礎(chǔ)，基于高精度、多維度水工程數(shù)字孿生體的場景流暢、無縫可視化同樣重要。需要對工程信息模型進行多維度拆分重組、輕量化處理、以及與管理屬性信息關(guān)聯(lián)等操作，關(guān)鍵技術(shù)要點如下：

(1)BIM模型應(yīng)具有合理的精細度，在展現(xiàn)必要的結(jié)構(gòu)細節(jié)的同時，控制模型文件大小，確保可視化展示的流暢與穩(wěn)定。

(2)BIM模型應(yīng)按結(jié)構(gòu)劃分，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)備分層級的選擇及查看。

(3)BIM模型相關(guān)信息應(yīng)合理組織，支持從業(yè)務(wù)和工程結(jié)構(gòu)的角度分別對數(shù)據(jù)進行組織及管理。

(4)模型應(yīng)與結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)模型構(gòu)件關(guān)聯(lián)信息的動態(tài)更新及交付，滿足建設(shè)期進度質(zhì)量安全、運行期運行維護等業(yè)務(wù)要素三維可視化管理需求。

3.3 “天空地網(wǎng)”一體化水工程信息實時感知、處理及控制技術(shù)

數(shù)字孿生體系下的水工程信息需進行快速、動態(tài)、實時的感知及反向控制，需要研究“天空地網(wǎng)”一體化的快速、實時態(tài)勢感知、處理及控制技術(shù)，主要包含以下技術(shù)要點：

(1)利用無人機、攝像頭等感知設(shè)備，結(jié)合圖像識別、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，實現(xiàn)水工程實時態(tài)勢數(shù)據(jù)快速獲取與識別。

(2)利用云計算、邊緣計算、知識圖譜、參數(shù)化建模等技術(shù)，實現(xiàn)水工程數(shù)字孿生體在線更新或快速建模。

(3)結(jié)合專業(yè)模型、邊緣計算、物聯(lián)遠控等技術(shù)，實現(xiàn)對水工程突發(fā)事件遠程預(yù)警告警及智能干預(yù)，提高水工程突發(fā)事件決策及處理智能化能力。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生水利工程的建設(shè)是龐大而復(fù)雜的工程，數(shù)字孿生數(shù)字底座建設(shè)為數(shù)字孿生水工程的建設(shè)提供了信息基礎(chǔ)，本文提出的數(shù)字底座建設(shè)3個關(guān)鍵技術(shù)，既是重點，又是難點，為數(shù)字孿生工程建設(shè)指明了攻堅方向。但數(shù)字孿生水工程相關(guān)的應(yīng)用研究還處于初級探索階段，水利行業(yè)作為傳統(tǒng)弱IT行業(yè)，因感知基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、水工程數(shù)據(jù)采集及匯集難度大、水工程建設(shè)、管理周期長等各種原因，建設(shè)完善的數(shù)字底座仍然面臨各種挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生工程要充分運用大數(shù)據(jù)管理技術(shù)，虛幻引擎、AR等可視化技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)實時控制技術(shù)，不斷推動數(shù)字孿生工程建設(shè)項目的實現(xiàn)與落地。