數字孿生技術在引江補漢工程全生命期的應用探討

雷暢，宋志忠 ，羅斌，卞小草 ，杜華冬 ，3

（1.長江勘測勘察設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.長江水利委員會智慧長江創新團隊，湖北 武漢 430010；3.長江水利委員會互聯網+智慧水利重點實驗室，湖北 武漢 430010）

0 引言

當前，數字孿生等新一代信息技術高速發展，成為技術創新、經濟增長和社會變革的主要驅動力。水利行業大力推進數字孿生流域建設，數字孿生水利工程是數字孿生流域建設的重要組成部分，也是切入點和突破點[1]。開展工程精細建模和業務智能升級，保持數字孿生水利工程與實體水利工程的融合性、交互性、同頻性，已成為當前數字孿生水利工程建設的核心任務與目標。目前，已有眾多學者圍繞防洪、水力發電、城鎮供水排水等不同工程類型，針對勘察設計、建設管理、運維管理不同階段的功能需求，建立了基于數字孿生技術的各類平臺或系統，取得了一定成果[2-6]，但對深埋長大隧洞工程全生命期數字孿生建設的研究較少。

引江補漢工程全程采用隧洞輸水，是南水北調中線工程的后續水源工程，也是分層次、立體化數字孿生南水北調工程體系的重要組成部分[7]。為此，以引江補漢工程為例，介紹全生命期數字孿生建設目標與框架，探討數字孿生技術難點與解決思路，介紹工程各階段孿生應用建設方案和初步成果，以期為項目后續建設奠定基礎。

1 建設目標與總體框架

按照“需求牽引、應用至上、數字賦能、提升能力”要求，充分運用數字孿生、云計算、大數據、人工智能、物聯網等新一代信息技術，構建引江補漢全生命期數字孿生應用體系。數字孿生引江補漢總體架構如圖 1所示，各組成部分建設目標如下：

1）信息化基礎設施。包括監測感知體系、通信網絡及基礎環境等內容，以基本實現工程建設和運維全要素感知、算力資源的全面云化為目標。

2）數字孿生平臺。包括數據底板、模型庫、知識庫、孿生引擎及通用支撐組件，以打破各階段、系統數據壁壘，實現全生命期多源異構數據的融合治理，建立標準統一、接口規范、敏捷復用的孿生平臺，提升工程安全、調度運行等多場景多目標嵌套的數字化映射能力為目標。

3）業務應用。業務應用體系分為以下 3 個階段：a.勘察設計階段，主要包括三維協同設計、數字交付2 項內容，以動態比選調優方案，實現數字交付為目標；b.施工建造階段，主要包括數字建管、智能監控、智能建造等內容，以提升不良地質風險識別及管控、隧洞動態支護、施工建造仿真與資源配置優化等“四預”能力為目標；c.運行維護階段，主要包括智能調度運行、工程安全智能分析預警、智能監控、智能運維、水質與生態環境管理等內容，以提升工程安全“四預”能力為目標。

4）網絡安全及保障體系。在工程建設期和運行期網絡安全體系建設分別滿足等保二級和三級要求，同時，聚焦數字孿生平臺，在關鍵信息基礎設施防護、自主可控等相關領域開展標準規范體系建設。

圖1 全生命期數字孿生引江補漢工程總體框架

2 技術難點與解決思路

2.1 多源異構數據融合治理

引江補漢全生命期數據包括基礎、監測、業務管理、外部共享、地理空間等 5 類數據，在數據融合中須解決多源異構問題。地理空間數據融合，包括地形與 BIM模型、地形與傾斜實景模型、傾斜實景模型與BIM 模型的融合，采用空間坐標轉換+數據格式轉換+屬性編碼映射方式實現；基礎、監測、業務管理、外部共享等數據，通過制定清洗規則、字段映射、自動+人工校核等方式融合；基礎、監測、業務管理、外部共享等數據與地理空間數據的融合，通過場景元素和標簽系統等方式實現。

在全生命期數據治理中存在顆粒度不統一、同值多源或多義、同一屬性在不同時間域取值不同、同一屬性不同用戶關注點不同等問題。為此，從以下 4 個維度建立數據模型：1）對象域。按工程結構劃分，引江補漢工程劃分為輸水隧洞、進/出口建筑物、石花控制建筑物、檢修排水泵站等對象，可結合不同時間域的管理需求進行組合、細分。2）管理域。按管理維度劃分，如按進度、質量、安全、費用等劃分。3）用戶域。按組織機構及角色配置劃分，如按施工單位安全管理業務人員、建設單位安全管理分管領導等劃分。4）時間域。分為勘察設計、施工建造和運行維護三大階段，還可按需進一步細分。

2.2 BIM 模型動態更新與場景加載

引江補漢工程地質條件復雜，隧洞支護 BIM 模型的快速創建與動態更新問題尤為突出。研發輔助建模工具，建立參數表驅動的標準隧洞斷面結構模板庫和屬性庫，通過參數表可靈活調整模型的幾何、屬性信息及裝配洞段的樁號。BIM 模型導入數字孿生平臺后，基于圍巖智能分級等成果更新參數表信息，可驅動相應支護模型沿隧洞中心線自動裝配。

針對模型數據量過大導致存儲空間壓力大、加載效率低和瀏覽展示幀率低，以及全生命期孿生場景類型多、展現效果需求各異等問題，以場景為核心組織模型數據并進行調度渲染，通過模型預測試數據流式加載、場景劃分和渲染調度算法優化，在保留模型原始幾何精度和屬性信息及擴展模型拓撲等更高價值數據的同時，支持百萬級構件秒級加載及多元素場景定制。

2.3 多場景多目標嵌套模擬仿真

目前已有一些水利工程仿真計算云平臺集成了部分仿真專業軟件，針對水利工程典型、復雜應用場景進行了定制化和流程化封裝，可依托云服務模式開展工程結構靜動力分析、復雜流動過程模擬、結構流體相互作用分析、施工過程仿真等高性能并行計算[8-9]，但存在模型通用性不足、多種模型配置不靈活等問題，在全生命期孿生應用中無法快速響應跨階段、跨業務及業務耦合模擬仿真需求，如引江補漢工程安全與調度運行互饋模式下的方案預演。

因此，將水利專業模型分析過程劃分為輸入、計算和輸出 3 個工作界面：輸入界面自定義不同邊界條件、模型參數等；計算界面只做具體算法，封裝為統一接口形式的模型而不限制開發框架；輸出界面展現模型計算成果，包括二維圖表和孿生場景預演。將模型與單一對象解耦，同一對象可配置到不同計算任務中，同一模型可遷移至其他類似對象上使用，并開發模型管理工具，實現各類模型的上傳、下載、配置、調用等功能。

3 全生命期數字孿生應用

3.1 勘察設計階段

引江補漢工程輸水隧洞穿越地層眾多，地質條件復雜，設計方案須動態調整，且以 GIS+BIM 模型為核心的數字化成果是施工建造、運行維護階段孿生應用的重要支撐，因此隧洞 BIM 模型快速更新和數字交付是勘察設計階段數字孿生的應用重點。

3.1.1 BIM 模型快速更新

采用“骨架+模板”的建模方法，以隧洞空間線路為中心“骨架”，以鏈接模式將由參數化驅動生成的不同支護襯砌結構關聯裝配，自動生成隧洞 BIM 模型。建模過程中僅需從目錄庫中調用并賦予相應參數，讀取隧洞工程屬性定義模板文件并綁定到相應的隧洞結構構件上，通過更新參數表信息驅動模型更新。

3.1.2 數字交付

搭建了勘察設計數字孿生平臺，宏觀層面可展現線路布局，前期勘察地形、地質，圍巖總體分級成果，工程分區分段，施工布置，以及與環境敏感區、沿程受水區等社會及環境影響的位置關系；微觀層面可展示各建筑物及各段隧洞的結構和支護參數、工程量、地質條件、不良地質風險、圍巖級別等詳細信息，實現勘察設計成果的數字交付。此外，還具備對施工建造和運行維護階段數字孿生建設的延續支撐能力。引江補漢勘察設計數字孿生平臺典型功能界面如圖 2 所示。

圖2 引江補漢勘察設計數字孿生平臺

3.2 施工建造階段

引江補漢工程具有“三高、兩多、一軟、一活動”的特點，全線 Ⅳ/Ⅴ 類圍巖洞長占比約為48%，采用TBM（隧洞掘進機）和盾構機施工的洞長占比約為63%，部分埋深超 700 m 的軟巖洞段存在卡機風險，且參建方多，工期長，建設管理難度大，因此不良地質風險識別及管控、隧洞動態支護、TBM/盾構施工管控、施工資源合理配置及多方協同管理是施工建造階段數字孿生的應用重點。

3.2.1 “五聯動”可視化建管

建立單元工程與進度作業、合同工程量清單、概算項目的映射關系，單元工程質量驗評合格方可計量結算，結算完成后自動歸概分析，在此過程中利用動態更新的 BIM 模型進行工程量計算。結合電子簽章，基于電子文件生成、“四性”驗證（真實性、完整性、可用性和安全性）、歸檔及跨系統全生命期管理技術，完成相關資料同步在線歸檔?；诠こ虒\生體對管理狀態進行可視化呈現，實現以概算控制為目標、進度計劃為龍頭、質量驗評為驅動、計量結算為約束、文件歸檔為保障的“五聯動”可視化建管。

3.2.2 不良地質風險識別與管控

建立引江補漢工程地質專業模型和知識庫，對前期勘察的基礎信息、初步評價成果，以及施工前的超前地質預報、TBM/盾構機掘進參數、其他監控量測等多源異構數據進行融合分析，建立深埋隧洞連續掘進風險分級評價體系，實現不同地質災害超前地質預報方法推薦，地質災害風險等級識別與預警，管控與處置措施推薦。施工后，根據實際揭示情況、處置效果，優化模型和知識，提高決策精準度?；趯\生體對全過程進行可視化呈現和動態更新。

3.2.3 隧洞動態支護

建立引江補漢工程支護方案匹配模型和知識庫，對前期設計圍巖分級和支護方案，施工前掌子面和巖渣圖像、TBM/盾構機掘進參數，以及不良地質類型等級、施工方案、工程部位等多源異構數據進行融合分析，實現圍巖智能分級與預警、支護方案智能匹配和變更工程量價分析。施工后，根據實際揭示情況和支護效果，優化模型和知識，提高動態支護成效。

3.2.4 TBM/盾構施工智能管控

在三維場景中對所有施工標段的 TBM/盾構機作樹狀管理，實時監控掘進、姿態、設備部件等運行參數，分析掘進工效、刀盤/刀具利用和損耗情況等關鍵信息，結合前方不良地質風險識別、圍巖智能分級成果，優化參數設置，并建立閾值分級預警體系，輔助TBM/盾構施工智能管控。

3.2.5 施工仿真與資源配置優化

采集引江補漢工程鉆爆、TBM/盾構施工各工序用時，結合圍巖參數、支護方案等邊界條件，建立施工仿真計算模型，根據歷史數據預測后續工期、施工強度、綜合進尺，對比計劃與實際投入的人力、物料和機械設備情況，以“資源有限、工期最短”或“固定工期、資源平衡”為原則，分析滯后工序和原因，輔助制定資源配置優化方案，并開展工藝模擬和 BIM 5D 分析。

3.3 運行維護階段

引江補漢工程建成后須保障結構和運行安全，實現無人、少人值守，因此工程安全智能分析預警、調度運行及運維是運行維護階段數字孿生的應用重點。

3.3.1 工程安全智能分析預警

可通過以下方式實現引江補漢工程安全“四預”應用：1）利用工程安全監測歷史數據系列，建立各類安全性態預測模型，預測建筑物變形、應力應變等效應量；2）基于 BIM 和有限元分析等模型，在線計算滲流、滲壓、應力變形等關鍵指標，并以圖表、三維模型等多種形式展示分析成果；3）基于數值模擬、實時監測數據分析，評估閘門流激振動風險；4）建立預警指標分級管理體系，自動預警及消警；5）預警觸發后，開展運行預案的安全風險評價和預演，與運行方案互饋修正，并分析應急響應等級，推薦應急預案。工程安全“四預”總體業務流程如圖 3 所示。

圖3 工程安全“四預”總體業務流程

3.3.2 智能調度運行

通過以下方式實現引江補漢工程調度“三預”（無預報）應用：1）以丹江口水庫為中心，根據漢江中下游及南水北調中線用水需求，考慮三峽和丹江口水庫水位、來水形勢及引江補漢隧洞過流能力等多重因素，模擬生成不同時段水量調度計劃，并基于實時監測水情、當前調度場景和控制目標進行滾動修正，生成實時開度控制指令；2）開展不同控制方案下水動力響應模擬，計算分析各類調度運行工況下的沿線壓力、流速，以及石花閘、隧洞進出口局部流態，保障水力安全，優化調度運行規則和開度控制策略；3）對固定或人工指定特定時段的調水過程進行回顧分析，從安全、效益、效率等維度對調度運行情況進行綜合評價。

3.3.3 智能運維

結合視頻圖像識別、知識圖譜技術，開展引江補漢工程水閘、泵站等設施設備的故障診斷和安全評價，基于大量在線監測數據、設計參數，優化重要設備運行策略；結合人員定位、數字孿生技術，做好應急響應和智能巡檢工作。在三維場景中，呈現設備設施運行狀態、動態巡檢、應急響應等信息的時空變化過程，實現工程運維狀態可明示、管理過程可追溯、監測信息可跟蹤，以及分級預警與預案推送。

4 結語

數字孿生引江補漢工程基于統一的數字孿生平臺，按照勘察設計、施工建造和運行維護3個階段進行建設。目前，已搭建勘察設計數字孿生平臺，實現數字交付，為后續建設奠定了良好基礎。下一步，將繼續開展多源異構數據融合治理、BIM模型動態更新與場景加載、多場景多目標嵌套模擬仿真等技術攻關，以及施工建造和運行維護階段的數字孿生應用建設，為類似工程提供借鑒。