數字孿生架構下水工程數字底座建設研究

李 才，管林杰，楊 坤，張 力，范青松

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

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

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

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

1 水工程數字孿生研究現狀

水工程是傳統水利水電工程以及城市水務工程的統稱，包含水利水電建筑物、大壩、水庫、引調水工程、河道堤防、灌區以及城市閘泵、供排水管網等各類涉水工程。

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

當前，部分案例在勘察設計階段基本實現了BIM正向設計，但其僅完成了數字孿生體系中的數據孿生體的建設[8]。在施工設計階段，僅部分工程的部分環節實現了智能建造，未能結合數字孿生體實現全息物聯感知，全域、實時數字孿生，尤其是在數字孿生水工程中實現對物理工程的控制與指導，還未能完全掌握[9]。在運行管理階段，實現了部分水工程運行的監測及控制，如安全監測、閘門泵站智能化控制、洪水仿真、調度運行[10]等。水工程的智能化建設出現多應用的散點型數字孿生，但仍未能打通數字孿生體系的各環節，未能形成全鏈條、體系化的水工程運行狀態、行為的實時孿生、快速動態分析及決策。數字孿生架構水工程的建設亟待研究。

2 水工程數字底座建設研究

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

2.1 全域感知與智能設施管理平臺建設

建設全域感知與智能設施管理平臺，對水工程感知體系和智能化設施進行統一接入、設備管理和反向操控。

全域信息感知主要包括“天空地網”一體化的工程信息感知體系，涉及工程勘察設計期、建設期和運營期的多源、多尺度、多傳感器的信息采集。包括地表基礎地理數據及三維實景數據；勘察設計階段的地形地質數據；建設階段的施工地質信息、施工環境信息、工程安全監測信息、機電設備監控信息、工程施工進度過程信息、人員設備位置信息；運行階段的工程運行監控信息、工程安全監測信息、水質信息、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)物聯感知設備統一接入：匯聚各類物聯感知設備與智能設施，兼容多種IoT協議設備接入，對其進行統一的策略同步、數據采集。接入視頻攝像頭、閘門泵站、安全監測設備、門禁道閘、水質水量監測設備、安防設備等系列感知設備。

(2)設備設施管理：對海量設備進行統一管理，實現泛在感知設備的連接狀態實時管理、協議解析、上報轉發、遠程參數同步配置等功能。如對水量、水位、水質、流量設備運行狀態進行監測；對自動監測站可設置自動定期監測周期，設置超限值及自報設置。

(3)遠程操控：通過對物聯網設備的遠程操控，實現數字孿生工程對物理工程的反向控制；對視頻監控、閘門泵站、遙測站等具有一定運算和處理能力的設備，進行遠程參數設置。

2.2 水工程數字孿生體建設

水工程數字孿生體即全過程、全域的水工程模型，建設內容主要包括基礎三維地形模型、主體工程設施設備BIM模型、普通建筑物三維模型構建、工程范圍地質模型、施工建設管理BIM模型構建、工程運維管理BIM模型等。

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

(2)普通建筑物三維模型構建包括水庫、堤防工程、護坡護岸、管理站建筑物、道路橋梁等非BIM精細結構的傳統三維模型。

(3)BIM模型包括水工建筑物BIM模型，機電、金結、安全監測等設備設施BIM模型。同時還包括管理類模型，與各階段管理相適應的重分類的BIM模型，如建設期與施工進度、質量管理相匹配的BIM模型；運行期與運行、維護業務管理相匹配的機電、金結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)施工地質模型包括施工前勘探及施工過程中不斷更新的地質模型。

2.3 水工程大數據平臺建設

匯聚全域地理空間數據、全要素模型數據、實時監測監控數據以及業務管理數據，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聯的工程數字底座。水工程大數據平臺的建設，以標準體系建設為基礎，通過采用數據庫技術、存儲及備份技術、大數據技術等，設計并建設各類數據庫，建成為各應用系統服務的數據服務中心，形成數據統一管理與共享體系。

大數據平臺建設主要包括：數據庫設計、大數據資源建設、大數據服務平臺建設、數據資產管理平臺建設。

(1)以標準體系建設為基礎，設計并建設各類基礎數據庫、專業數據庫以及元數據庫，對所有數據進行分類分層組織及庫表結構設計。

(2)大數據資源建設包括數據的采集與匯聚、處理與治理，為構建各種主題數據庫奠定數據基礎。

(3)大數據資產管理平臺通過對數據資產的集中管理方式，促進信息系統數據的融合。

(4)大數據服務平臺實現大數據中心對外統一服務的建設與管理，為水工程大數據中心的建設提供數據服務的支撐，實現信息的共享。

2.4 水工程信息模型平臺建設

基于BIM+GIS的水工程信息模型平臺，是數字孿生體的主要展示載體，與工程大數據平臺融合，形成基礎數據統一、監控監測數據匯集、業務數據融合、二三維一體化的工程數字底座，是工程全域全要素實現精準映射虛實互動的核心[11]。主要建設內容為BIM+GIS基礎支撐平臺以及工程信息模型集成及場景搭建。

(1)BIM+GIS基礎支撐平臺建設，構建水工程各類業務應用系統的三維可視化基礎支撐平臺，輔助實現引水工程基礎地理信息、工程建設運行關鍵指標信息、監測監控預警信息的綜合展示與分析應用。主要建設內容包括BIM+GIS數據融合、多源數據導入與導出、海量數據處理與瀏覽、專業分析功能無縫集成等功能。同時BIM+GIS基礎支撐平臺還應提供標準Web服務的訪問接口，供上層應用系統進行調用。

(2)工程信息模型集成及數字孿生場景搭建。基于BIM+GIS支撐平臺，以三維地形模型為基礎場景，疊加工程三維模型、BIM模型，傾斜實景模型、地質模型等，并疊加水工程及相關輔助信息的矢量要素，以及業務專題空間數據，集成各類傳感器及感知設備數據，通過參數化建模及動態展示等各類技術展示水工程的實時現狀，實現工程建設、運營業務的數字孿生場景搭建，并集成空間分析、模型分析等功能，以輔助工程數字孿生應用。

3 水工程數字底座建設關鍵技術

3.1 時空大數據驅動的海量水工程數據匯聚與融合技術

時空大數據驅動的全域、全過程的多源異構水工程數據的匯集與融合，是水工程大數據中心建設的重點。大數據中心需匯集的數據，既包括基礎(靜態)數據，又包括動態和實時生產數據；按數據存儲特點來分，既包括結構化數據，又包括大量半結構化和非結構化數據，全面實現海量水工程信息資源匯集與融合，面臨數據資源分散、系統和數據庫異構、開發商情況復雜、數據格式和協議不同等問題，數據資源整理入庫與數據同步建設難度極大。關鍵技術如下：

(1)通過統一工程編碼、統一工程數字模型配置管理，實現跨階段、跨業務、跨類型統一標識，打造全生命周期智慧管理數據中心。

(2)在統一數據資源規劃指導下，制定建設水工程各階段數據采集與治理技術方案。

(3)通過數據共享交換平臺實現海量水工程大數據匯集，通過數據服務接口實現信息共享。

(4)基于元數據、編碼數據、數據資源建模和資源分類體系的協同，構建統一的數據資源管理平臺。

3.2 基于高精度、多維度水工程數字孿生場景可視化關鍵技術

水工程數字孿生體即全域全過程的水工程模型。建設高精度、與業務管理相適配的多維度水工程模型是水工程管理的應用基礎，基于高精度、多維度水工程數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聯等操作，關鍵技術要點如下：

(1)BIM模型應具有合理的精細度，在展現必要的結構細節的同時，控制模型文件大小，確保可視化展示的流暢與穩定。

(2)BIM模型應按結構劃分，實現結構設備分層級的選擇及查看。

(3)BIM模型相關信息應合理組織，支持從業務和工程結構的角度分別對數據進行組織及管理。

(4)模型應與結構化及非結構化數據相關聯，實現模型構件關聯信息的動態更新及交付，滿足建設期進度質量安全、運行期運行維護等業務要素三維可視化管理需求。

3.3 “天空地網”一體化水工程信息實時感知、處理及控制技術

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

(1)利用無人機、攝像頭等感知設備，結合圖像識別、深度學習等技術，實現水工程實時態勢數據快速獲取與識別。

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

(3)結合專業模型、邊緣計算、物聯遠控等技術，實現對水工程突發事件遠程預警告警及智能干預，提高水工程突發事件決策及處理智能化能力。

4 結語

數字孿生水利工程的建設是龐大而復雜的工程，數字孿生數字底座建設為數字孿生水工程的建設提供了信息基礎，本文提出的數字底座建設3個關鍵技術，既是重點，又是難點，為數字孿生工程建設指明了攻堅方向。但數字孿生水工程相關的應用研究還處于初級探索階段，水利行業作為傳統弱IT行業，因感知基礎設施薄弱、水工程數據采集及匯集難度大、水工程建設、管理周期長等各種原因，建設完善的數字底座仍然面臨各種挑戰。數字孿生工程要充分運用大數據管理技術，虛幻引擎、AR等可視化技術，以及物聯網實時控制技術，不斷推動數字孿生工程建設項目的實現與落地。