基于數字孿生的城市地下綜合管廊應用研究

郭 杰，朱玉明，李夏晶，劉紅義

(北京京航計算通訊研究所，北京 100074)

1 引言

1.1 城市地下綜合管廊現狀

城市地下綜合管廊是建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構筑物及附屬設施，是由干線綜合管廊、支線綜合管廊和纜線綜合管廊組成的多級網絡銜接的系統。為保障綜合管廊本體、內部環境、管線運行和人員安全，配套建設消防、通風、供電、照明、監控與報警、給排水和標識等附屬設施。

目前，城市地下綜合管廊存在人工投入大、過程數據缺失、數據不統一、信息孤島、智能化水平偏低等問題，導致運營成本居高不下、安全缺少保障、事故發生概率增加。參與綜合管廊規劃、設計、施工、系統集成、運營管理的各方，由于對其它環節的了解或技術能力不足，相互之間未能建立貫穿全過程的深度交流與溝通，導致管廊建成后其功能可能無法滿足運維管理的需要[1]，因未預留條件升級改造困難，部分監控系統淪為雞肋，距離實現預前控制、危機處理、智慧管控仍存在較大差距。

1.2 數字孿生應用概述

數字孿生首先應用在以航空、航天為代表的軍事領域，如無損檢查/評估、結構健康監測、結構拆除評估、負載和環境表征、表征建模與測試、預測與風險分析等。近年來，隨著云計算、物聯網、大數據、人工智能等信息化、智能化技術的發展，數字孿生應用[2]逐漸拓展至各類民用行業，尤其在制造業中得到大量研究與應用，比如產品數字孿生[3]、數字孿生車間[4]、數字化工廠等。目前，數字孿生已經引起眾多亟需數字化轉型行業的廣泛關注，并在汽車、船舶、電力、醫療、智慧城市等諸多領域得到探索應用。

目前，數字孿生城市[5-7]為國內外研究熱點，是建設新型智慧城市的一條新興技術路徑。基于數字化標識、自動化感知、網絡化連接、普惠化計算、智能化控制、平臺化服務的信息技術體系和城市信息空間模型，在數字空間再造一個與物理城市相匹配的孿生城市，全息模擬、動態監控、實時診斷、精準預測城市物理實體在現實環境中的狀態，推動城市全要素數字化和虛擬化、全狀態實時化和可視化、城市運行管理協同化智能化，實現物理城市與孿生城市協同交互與平行運轉。

1.3 數字孿生適用性分析

城市地下綜合管廊是城市安全運行的“生命線”，也是數字孿生城市的重要組成部分。將數字孿生應用于城市地下綜合管廊安全管理中適用性分析[8]如下：

1)數字孿生適用于極端及高危運行環境，支持運行環境自主感知、運行狀態實時可視化、多粒度多尺度仿真以及虛實實時交互等功能[9]。城市地下綜合管廊屬于高危運行環境，存在燃氣泄漏、給排水爆管、電纜火災等重大安全風險隱患，且具有封閉性和不易疏散性等特點。

2)數字孿生適用于社會效益大的工程或場景需求，支持工程/場景的實時可視化、多維度/多粒度仿真、虛擬驗證與實驗、及沉浸式人機交互、為保障安全提供輔助等[9]。城市地下綜合管廊安全管理可提升城市防災能力和安全等級，在地震、洪水、臺風等自然災害中，能夠盡量減少對廊內管線的損壞，實現災后快速修復。同時，便于各種管線的檢修、擴容、接入接出，避免了道路二次開挖及對城市交通的影響，具有重大社會效益。

3)數字孿生適用于需降低投入產出比且具有重大經濟效益的行業，從而支撐行業提質增效。城市地下綜合管廊避免了各類市政管線工程在建設初期的交叉投入，同時降低了廊內各類市政管線的運行維護成本，避免了因管線維修、擴容引起的二次開挖，減少了“馬路拉鏈”的反復投資；綜合管廊內各類市政管線布置緊湊合理，節約了城市用地且管線運營更安全，并可提升區域品質增強沿線地塊經濟價值，具有重大經濟效益。

2 基于數字孿生的城市地下綜合管廊

2.1 數字孿生管廊總體架構

城市地下綜合管廊數字孿生體[10]，歸根結底是多模型的集合，孿生信息模型是數字孿生的核心。通過采用虛擬現實、增強現實、介導現實等技術為城市地下綜合管廊實體提供多維度、多時空、多尺度的高保真數字化映射，這是實現基于數字孿生的綜合管廊安全管理應用的前提。通過綜合運用3DGIS地理信息模型、BIM建筑信息模型及物聯感知數據，構建綜合管廊孿生信息模型，包括綜合管廊建筑模型、結構模型、內部設備模型、入廊管線模型等，將綜合管廊規劃、設計和施工中的信息資源與管廊孿生信息模型進行關聯，在管廊運營階段實時更新模型相關數據，從而實現城市地下綜合管廊規化建設管理全生命周期精細化管理。理想情況下，綜合管廊孿生信息模型不僅是簡單的三維模型，而是一種多維多時空多尺度模型[11]，具備高保真、高可靠、高精度的特征，并能夠與綜合管廊實體之間進行實時信息交互，實時更新監測數據保證信息的時效性和真實性，并可進行不同場景動態推演實現預警預測。

圖1 數字孿生管廊總體架構

孿生數據是數字孿生應用的核心驅動力，綜合管廊實體的孿生數據應集成綜合管廊規劃設計、建設施工、運營管理全生命周期[12-13]的全業務、全流程、全要素的相關數據，實現多源異構數據深度融合，以及孿生數據與綜合管廊實體、綜合管廊孿生模型以及應用服務的精準映射與實時交互。

表1 數據列表

2.2 核心應用服務

基于數字孿生的城市地下綜合管廊核心應用服務主要為：

1)綜合管廊虛擬漫游巡視

三維空間的有效感知與實景可視化是基于數字孿生的城市地下綜合管廊安全管理應用的基礎。通過利用日趨成熟的新型測繪技術、多模態多尺度空間數據智能提取技術、高性能三維渲染技術等，對城市地下綜合管廊、管廊附屬設施、地下管線、周邊環境及建筑物等進行三維建模，實現高精度、高效率、高真實感和低成本的全自動全要素結構化表達。通過在綜合管廊三維場景中以任意角度、距離以及路線進行虛擬漫游巡視，全面且直觀感知綜合管廊自身及周邊環境情況，為檢查規劃設計缺陷、優化設計和實施方案、運營維護可視化管理提供有效支撐。

2)規劃設計階段碰撞檢測

在綜合管廊規劃設計及施工階段，基于綜合管廊孿生信息模型可從任意角度剖切查看進行可視化碰撞檢測，識別綜合管廊內部、管廊與周邊環境的沖突問題，檢測綜合管廊結構交叉節點、入廊管線交叉節點等的碰撞沖突，實現綜合管廊內部各專業管線間、綜合管廊與已建地下空間、綜合管廊與軌道交通等的碰撞檢測，從而對復雜節點及各管線的位置等進行深化設計，優化調整管線布局方案，避免規劃及施工過程中的碰撞點，保證管線布局的合理性及綜合管廊與周邊環境的協調性，減少工程施工返工，提高實施速度，有效節約施工工期和施工成本。

3)管廊項目進度全面管控

在綜合管廊項目施工階段，基于全要素的城市地下綜合管廊數字孿生體，真實再現施工作業環境，在該環境中進行可視化三維立體施工模擬，揭露出施工現場中可能存在的問題，優化施工順序，并可進行多套方案施工模擬對比分析，最終確定最優施工方案；通過將施工方案與項目工作計劃進行模擬對比，檢查施工過程中容易影響工期的因素，分析進度計劃的合理性，調整施工組織計劃并對施工過程進行全面可視化管控；針對項目進度滯后問題，通過大數據分析與預判自動分析滯后原因，并及時采取對應處置措施，從而提高管理與決策效率。

4)管廊運行監測智能管控

城市地下綜合管廊運維階段，基于前期建筑、結構、入廊管線等多種綜合管廊數字孿生模型積累了規劃設計、建設施工全部孿生數據，可生成完整的城市地下綜合管廊數字孿生體，用于綜合管廊遠程智能監控及維護。通過漫游巡視及三維可視化管理，可直觀且實時對管廊內部空間的環境、安防、消防、入廊管線運行情況、設備健康及能耗，以及管廊周邊環境等方面進行監控，及時獲取管廊內各系統工作狀態、異常或故障報警信息并精準定位故障點，實現綜合管廊運行環境設備聯動調節、報警事件及時處置，綜合管廊整體能耗優化等常態化智能管控。

5)管廊潛在風險預測預警

城市地下綜合管廊本體、附屬設施、入廊管線、周邊環境等存在潛在風險，逐步排查繁瑣耗時較長，導致突發安全事故無法及時處置。基于城市地下綜合管廊數字孿生體，將實時動態監測數據與安全評估參數進行比對，定量評估風險等級，對管廊結構縱橫變形、供水爆管、燃氣爆炸、污水滲漏、有害氣體超標、周邊環境空洞富水等病害等進行預測預警，自動鎖定隱患點并及時通知相關責任單位，可通過綜合管廊數字孿生體詳細查看隱患點及相關信息，針對性制定巡檢或運維方案，保障管廊安全運營和入廊作業人員安全。

6)綜合管廊應急模擬仿真

基于綜合管廊數字孿生體，能夠對綜合管廊燃氣泄漏、給排水爆管、電纜火災等重大風險進行災害鏈模擬仿真，推演風險事故發生后引發的直接災害和次生衍生災害并進行三維可視化演示，量化災害動態演變過程和影響。在此基礎上，進行應急預案制定及模擬演練，動態展示應急指揮調度、應急聯動處理處置及人員疏散，分析并修正應急預案缺陷，提高突發事件應急處置熟練程度，改善各應急組織機構、人員之間的交流溝通和協調合作，從而有效降低事故造成的人員傷亡和經濟損失。

3 基于數字孿生的地下綜合管廊典型應用

3.1 規劃設計階段

城市地下綜合管廊規劃設計階段[14-16]，由于綜合分析因素眾多并且非常復雜，存在城市地下綜合管廊選址安全合理、與其它地下設施規劃協調、事故安全影響分析等規劃難點，以及入廊管線組合設計、管線分艙安全設計、斷面設計、埋深設計、防火設計、防水設計、抗震設計、結構設計等設計風險點。針對上述規劃設計難點和風險點，基于數字孿生的城市地下綜合管廊，利用3DGIS地理信息模型、BIM建筑信息模型等技術，將規劃因素與實際空間位置相結合，建立三維可視化工程環境，提供多維度的分析處理方法，支撐綜合管廊規劃設計，典型應用總體框圖如圖2所示．

圖2 規劃設計階段的典型應用框圖

1)規劃可行性分析及空間分析

基于各項規劃、勘測資料及規劃標準等資料，提取地下管線、地形地質、交通路網、經濟人口等關鍵數據，基于3DGIS集成上述數據并添加信息的空間屬性，與地理信息建立有機聯系，構建地下管網、地質信息三維工程模型、規劃構筑物BIM模型等，創建基于3DGIS的規劃環境模型。基于規劃范圍內的空間數據和模型，可進行用地類型分析、河流及道路走向分析、地形分析等工程適宜性分析評價，及規劃范圍內現狀市政管線及地質分析等規劃可行性分析。基于BIM模型及GIS分析，通過規劃空間分析進行管廊多規劃方案比選，實現管廊選址定線、管廊斷面選型及重要節點控制。

2)設計可行性分析

基于管線規劃線位數據、工程選用的坐標系與對應的基準點，創建管廊項目周邊環境三維實景模型，用于設計方案模擬。在此基礎上，依據勘測數據、設計方案技術指標，構建設計方案模型進行綜合管廊建設方案直觀展示與比選，對管廊建設與周邊環境情況、艙室分布及斷面形式是否合理等進行分析；依據現狀道路及管線物探數據等，構建交通疏解及管線搬遷設計模型，分析管廊主體結構圍擋及周邊建筑對交通的影響，通過行車模擬及人流仿真模擬驗證設計方案的交通安全可行性，直觀分析確定哪些管線需要被改遷，遷改后管線附屬構筑物空間是否滿足及管線綜合節點碰撞情況等。

3)初設及深化設計分析

基于可行性研究階段的管廊BIM模型，對管線入廊方案進行可行性模擬，分析論證燃氣管道、雨污重力管道等入廊的可靠性，合理規劃空間位置與安裝順序。在管廊復雜交叉節點、管線出入口等處，易發生不同專業管線之間碰撞及預留安裝、檢修空間不足等問題，通過整合給排水、電氣、水工結構等專業模型，確定沖突檢測及管線綜合的基本原則，進行管線綜合與分析檢查，逐一解決各專業之間的碰撞沖突問題。基于管廊節點深化設計模型，直觀展示復雜節點的空間位置關系及異型構件的準確信息，對節點的尺寸、節點位置及連接方式、管線排布進行分析優化，提前發現錯、漏、碰、缺等問題，確保施工出圖的準確性，避免設計錯誤導致的施工返工。

3.2 建設施工階段

城市地下綜合管廊建設施工階段[17-18]，由于建設施工周期普遍較長，與施工有關的各項工作都是變化的、多階段的，施工組織協調復雜且存在與已建建筑物最小施工安全距離設計、施工工序、作業工藝等施工安全風險點，同時在施工進度、施工質量與安全管理等方面存在監管乏力問題。針對上述建設施工痛點，基于數字孿生的城市地下綜合管廊可通過“虛擬施工”進行施工籌劃模擬及優化，施工進度的動態模擬及優化調整，施工安全技術交底及質量與安全事前控制及事后反饋閉環管理，典型應用總體框圖如圖3所示。

圖3 建設施工階段的典型應用框圖

1)施工籌劃模擬及優化

基于施工場地布置模型協調施工平面，解決多階段施工平面布置協調中依靠二維圖紙堆疊查看的復雜性和各階段平面布置信息的不連續問題。通過施工籌劃模擬，檢查校驗施工籌劃的合理性，通過檢查、反饋、調整，形成科學合理的施工籌劃。當管廊項目位于市區主干路上時，由于存在場地狹小、周圍建筑物多、地下市政管線復雜等問題，通過可視化三維立體施工模擬進行預施工，合理確定施工工序，優化工期。針對關鍵節點進行施工模擬，預見多作業面立體交叉施工時的空間“打架”現象，將虛擬施工信息進行提取，用以修正優化施工方案。

2)施工進度模擬與管控

基于綜合管廊整體三維模型，可進行各分項工程的工程量提取，為項目施工準備、材料采購及各類指標控制提供數據支撐。通過模擬項目施工全過程，估算各階段資源需求量及消耗量，分析各階段的資源分配情況，檢查施工過程中容易影響工期的因素，及時調整施工組織計劃，保證施工進度，避免工期延誤。通過將施工各階段、各專業的信息集成到施工模型中，對比實際進度和計劃進度，分析進度偏差及滯后原因，并及時采取相應處置措施，對施工過程進行全面管控。

3)施工質量與安全管理

在施工質量與安全防控方面，可依托模型進行復核和隱患排查，以及施工方案可視化交底，對個別工藝進行 3D 模擬，精確展示施工中的每一個細節，輔助項目施工；通過在移動設備上查看項目模型信息，指導現場施工，保證工程準確實施，提高施工質量。另外，將施工過程情況與模型綁定，可隨時查看模型節點的施工詳情，實時獲取報警信息，及時處理設備故障及違章操作，記錄現場發生的各類質量和安全情況，做到各類質量和安全情況的發生、反饋、處理、解決數據可追溯，實現質量與安全閉環管理。

3.3 運營管理階段

城市地下綜合管廊運營管理階段[19-20]，存在溫度、濕度、壓力、有害氣體濃度、氧氣濃度等管廊內部環境運營風險，管廊上方道路塌陷、臨近地下工程施工、外侵及人為破壞等外部環境運營風險，以及作業人員人身安全、規范性操作、監控預警設備是否安全運行等檢修維護風險。針對上述運營維護管理風險點，基于數字孿生的城市地下綜合管廊可通過可視化管理、虛擬漫游及模擬仿真，實現常態化智能監控及預測預警、突發事件應急模擬仿真及處置等功能，典型應用總體框圖如圖4所示。

圖4 運營管理階段的典型應用框圖

1)運營維護可視化管理

集成整合規劃設計及建設施工階段積累的BIM模型和數據，同時結合GIS地理信息數據，管廊本體及周邊環境、管廊內部環境及設備、入廊管線運行狀態、管廊安防消防、人員定位等監控數據，通過“一張圖”方式提供基于位置的可視化服務，可直觀展示綜合管廊整體運行情況、預警告警位置及報警信息，支持二維地圖和管廊三維模型的綜合展示，提供漫游巡視、分區顯示、空間測量、綜合管廊智能監控和聯動控制、巡檢人員定位及巡檢軌跡查詢等功能，滿足地下綜合管廊的常態化監控和管理需要。

2)風險評估與預測預警

面向常態化運營管理，基于城市地下綜合管廊數字孿生體，結合風險評估專業模型和算法，根據管廊本體、入廊管線、附屬設施、周邊環境等基礎數據信息，定量評估潛在風險的狀態和等級，如供水管線爆管風險、排水管線滲漏和淤積風險、熱力管線泄漏風險、燃氣管線泄漏風險、電力電纜火災風險和管廊綜合風險等，并以“風險熱力圖”形式展示風險分布；利用空間信息數據及氣體擴散模型、水泄漏模型等對管廊實時監測數據進行預測計算，并通過專家模型及AI算法將計算結果與事故歷史數據進行比對，從而預測可能出現的問題并及時預警。

3)應急模擬仿真及處置

城市地下綜合管廊數字孿生體集成整合了規劃、設計、運維各階段數據，為火災、爆管、地震等突發事件應急模擬仿真提供了可靠環境。針對管廊事故模擬過程中涉及的人員疏散特征、氣體擴散特征、水流速特征等進行特征參數分析及確定。基于仿真環境及各對象的特征參數，根據事故類型及程度確定需啟動的應急預案，并根據應急預案流程將事故模擬涉及的各個對象如人員逃生、火災擴散、管廊積水變化、管廊結構形變等的特征參數動態加載到環境模型中進行模擬仿真，通過反復模擬和運算全面分析火災、爆管、地震等事故狀態，推演事故發生后引發的直接災害和次生衍生災害，并通過三維場景進行動態展示，從而直觀地對應急預案進行驗證及優化，保障綜合管廊安全運營。

4 總結

隨著新型測繪、標識感知、協同計算、全要素表征、模擬仿真等技術快速發展為數字孿生應用注入了新活力。基于數字孿生的綜合管廊將具備數化、互動、先知、先覺、共智的成熟度特征，形成完備的城市地下綜合管廊數字孿生體，可與綜合管廊實體之間虛實交互、實時映射、動態演化，并可根據不同業務場景需求進行仿真推演，實現預測預警、智能決策與智慧管控，促進綜合管廊安全管理向智慧時代跨越。