基于Bentley平臺的數字孿生技術在地質勘察中的應用

■ 中水北方勘測設計研究有限責任公司 王國崗 陳亞鵬 趙文超

水利水電工程地質勘察周期長達數年之久，積累了大量的過程數據資產與成果資產，但這些資產分布零散，很難生成系統性的數字化成果[1]。此外，目前工程地質勘察仍主要依靠紙質記錄及二維圖紙的生產方式進行生產，為此需要投入高于勘察市場要求的的人力與時間，難以滿足日益緊張的勘察周期要求[2][3]。

數字孿生是以數字化方式創建物理世界的虛擬實體，借助歷史數據、實時數據以及算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段[4]。將數字孿生技術應用到地質勘察中，通過物聯網技術實現工程項目地質勘察現場物理空間的感知與數據傳輸，利用三維實景技術與地質三維模型實現虛擬空間對真實物理空間的仿真模擬，借助人工智能算法等實現虛擬空間與物理空間的動態交互，從而實現從勘察外業數據采集與傳輸、數據存儲與分析、三維地質建模、數據仿真與分析等勘察生產全過程的數字化，實現基于Bentley平臺的數字孿生技術在勘察中的全方位應用。

為解決地質原始數據采集難點大、數據格式不一致、各環節的業務難以快速有效協同、缺乏統一實用的信息系統支撐等難題，本文基于Bentley數字孿生技術，提出了勘察生產全過程的數字化解決方案，包括勘察外業數字化采集、數據中心內業智能分析、三維地質建模、三維數值仿真分析、數字化交付等內容，從而實現地質勘察的三維正向設計。該方案的應用效果良好，具有較高借鑒意義。

Bentley數字孿生解決方案

在工程地質數字孿生解決方案的軟件及平臺支撐方面，Bentley系列軟件基于一個模型、一個平臺、一個數據架構，具有良好的通用性與數據兼容性，在行業中得以廣泛應用[5]。Bentley以MicroStation為基礎圖形平臺、以ProjectWise為協同作業平臺，形成了工程測繪、地質勘察、巖土體設計分析、綜合應用為一體的數字化解決方案，為地質業務數據深度處理、地質軟件開發應用和地質信息綜合服務提供了高效的數字化應用平臺。

如圖1所示，在工程地質虛擬環境的搭建中，主要利用ContextCapture、Pointools及Descartes進行實景建模及處理，基于MicroStation自主開發的三維地質建模系統完成三維地質模型的建立，通過GEOPAK進行模型開挖模擬，在PLAXIS等軟件中分析了地質體及壩體的力學特性，將地質三維成果在ProjectWise中與多專業進行協同設計，并在B/S端進行了數字化交付。

圖1 基于Bentley的地質數字孿生方案

此外，為更好滿足勘察生產需求，中水北方勘測設計研究有限責任公司充分利用三維GIS、無人機傾斜攝影、工程數據庫、三維地質建模等現代信息技術，進行了深度研發[6][7]：基于GIS平臺研發了數字化采集模塊，即三維地質數字化采集軟件（桌面端）與數字化地質測繪軟件（移動端），用于進行數字化地質測繪工作；基于SQL Server研發了三維地質信息數據軟件用于進行地質數據的管理與分析；基于MicroStation研發了三維地質建模及出圖軟件，將前期勘察數據進行三維地質建模，建立起三維地質環境中核心的數字孿生體；在MicroStation平臺上完成與CAE軟件的集成，實現了大型復雜三維地質模型快速轉化為CAE模型，通過二次開發將相關仿真計算過程固化，形成標準化、自動化的計算流程，為地質勘察虛擬世界指導物理世界提供算力支撐。

項目實踐

項目概述

西藏PZ水利樞紐為大（2）型水利工程，工程等別為Ⅱ等。工程主要建設任務是保證下游3.95萬畝灌區灌溉需求、向流域及周邊缺電地區提供電力，結合城鄉供水，并為改善區域生態環境創造條件。工程建設受復雜區域條件影響，地質勘察不利因素多：地質條件復雜，地質數據獲取過程繁瑣；地質勘察人員及工期緊張，傳統勘察方式難以滿足進度要求；位于高寒、高海拔地區，勘察環境惡劣，工作開展難度大；外業地質測繪區域廣，測繪點、線狀展開，整體性與系統性差；生態環境脆弱，水土保持及環境保護要求高。

勘察工作利用基于Bentley的工程地質勘察數字孿生解決方案，打通了勘察全過程數字化的技術路線，保證了勘察工作的順利開展。

具體應用

三維數字化采集

面對工程區高寒、高海拔及人工測繪難度大等問題，通過基于三維實景的數字化地質測繪技術高效完成了測繪任務：一是對工程區進行高精度無人機傾斜攝影，獲取高清晰圖片；二是將無人機采集的圖像導入ContextCapture三維實景建模軟件，軟件通過空三計算、重建階段的參數設置等計算過程，輸出結果為三維實景模型，能夠滿足大比例地質測繪需求；三是將三維實景模型導入三維地質數字化采集系統桌面端（以下簡稱“桌面端”），形成初步的融合底圖；四是在移動終端實現地質點、鉆孔、地質界線的外業數字化采集；五是在桌面端完成地質勘測內業數據的整理、分析，形成數字化的地質外業成果，如圖2所示。

圖2 基于三維實景的數字化測繪成果

壩址區三維地質建模

壩址區出露地層分別為白堊系昂仁組第一段（K1-2a1）地層、第四系（Q）松散堆積物及侵入巖，其中，K1-2a1根據地層巖性、沉積韻律并結合巖體的工程地質特征，大致可分為8個工程地質巖組（層），即K1-2a1-X1-K1-2a1-X8。通過三維地質建模，將覆蓋層、巖性（層）等進行了三維可視化展示，并利用二三維聯動技術修正網格面，動態更新三維地質模型。當模型固化后，通過布爾運算，生成壩址區三維地質體模型（圖3），為工程決策提供地質條件支撐。

圖3 壩址區三維地質模型

數值仿真分析與數字交付

通過基于MicroStation開發的CAD/CAE數值仿真程序，將建立好的三維地質模型快速轉化為含高保真地質信息的三維數值計算模型，為工程重要部位巖土體的變形與穩定性進行力學分析，為水工設計及時便捷的提供定性分析。圖4展示了料場邊坡CAD/CAE數值仿真計算結果在MicroStation“光滑—缺省”及“消隱—缺省”兩種顯示樣式下的展示方式。

圖4 料場邊坡CAD/CAE數值仿真分析

在建設工程區地質數字孿生平臺時，利用三維仿真技術、BIM、GIS技術，構建全場景數字化平臺，搭建真實的三維數字場景，結合勘察布置、水工方案，形成基礎工作平臺，使管理決策在可視化狀態中進行，支撐多專業協同工作的動態化、精細化和科學化，服務于工程各參建方。

應用成效

基于Bentley平臺的數字孿生地質勘察技術首次在本項目勘察全過程得到了應用，實現了地質信息的數字化采集、存儲、數據驅動、參數化建模、模型動態更新的地質勘察三維設計，方案提高了工程地質專業內外業的工作效率，提升了地質勘察工作的精準度與可靠度，使勘察總體設計效率比目前的狀態提升至少60%，極大提升了勘察的生產效率與產品質量，降低了生產成本。

結語

基于Bentley平臺的數字孿生方案為工程勘察搭建了三維數字化場景，使勘察全過程具備了三維可視化仿真分析能力，降低了地質勘察工作的難度，保障了勘察質量，可顯著降低工程成本；同時，數字化勘察有助于提升地質數據的利用率，減少環境破壞，保障綠色施工，有著明顯的生態效益。此外，方案建立的數字化平臺能夠促進勘察工作時的有效溝通，形成信息共享、開放的協同設計環境，為用戶提供一體化多方位的決策支持服務，大幅提升工程勘察設計服務水平。

面對工程數字化、信息化及智能化建設蓬勃發展的大趨勢，仍需深化基于Bentley平臺的地質勘察數字孿生方案在生產各環節中數字化快速作業技術路線，不斷提升在地質數據外業智能采集、地質數據管理與挖掘、地質成果三維可視化展示與分析、地質資源跨平臺全面共享等業務方面的應用，在地質生產理念和管理模式上進行轉變和創新。