浅析数字孪生技术在水利水电工程地质的应用方案

王国岗，赵文超，陈亚鹏，陈建辉

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

水利水电工程地质勘察生产内容涉及面广、作业流程繁杂、成果质量要求高，承担着勘察数据的采集、存储、整理、分析及地质图纸与地质报告等勘察成果的提交等工作。目前工程地质勘察仍以传统的工作模式为主，即依靠纸质记录及二维图纸的生产方式进行生产[1]。这种生产模式需要投入大量的人力、耗费大量的时间，存在生产过程繁琐效率低、数据多元异构且管理混乱、地质勘察信息化低、地质成果转化难等问题。

数字孪生(Digital Twin)模型是物理资产、流程或系统以及对性能进行建模的工程信息的数字化表示，虚拟与现实的高度融合是其核心概念，可实现虚拟空间的虚拟模型与物理空间中的实体模型间信息数据的精确关联，为智慧建造的实现提供了可能性[2- 3]。 数字孪生技术最早由美国国家航空航天局用于空间飞行器的健康维护与保证[4]；2003年，Michael Grieves教授首次提出了数字孪生概念，并于2011年对该概念模型进行了进一步的描述，明确了数字孪生体的定义[2，5]；庄存波等[6]较为系统地总结了数字孪生体的内涵、体系结构、实施途径和发展趋势等相关内容；刘创等[7]以雄安市民服务中心项目为实践，利用数字孪生技术实现了基于大数据的项目管理和决策，促进了建筑工地管理模式的改变；石焱文等[8]讨论了数字孪生技术在水利工程运行管理过程中的应用。针对目前地质勘察所面临的问题，积极探索数字孪生技术对上述水利水电工程地质勘察问题的解决方案，进而解决目前勘测手段单一、勘测过程不便捷等问题，使工程地质勘测朝着一体化、数字化、信息化、智能化的方向发展，达到切实极大提高勘察的生产效率与生产质量的目的，对变革水利水电及其他行业勘察生产方式具有重要的参考价值。

1 应用方案的提出

1.1 问题的提出

水利水电工程地质勘察任务贯穿工程建设的各个时期，是水工、机电等相关专业进行设计的基础。但截至目前，勘察工作流程、专业工作方法仍停留在几十年前的生产模式，产生了地质生产效率低下、地质数据与地质成果质量较难保证、工程地质资源无法及时共享等问题[9]，主要体现为：

(1)就勘察工具而言，多为传统手段，野外勘测记录多是利用表格、素描、照片等，记录手段单一，编录烦琐。

(2)就勘察的数据来源而言，相关的地质信息涉及多源、多量、多类、多元、多维和多主题的数据，传统的工程地质资料的分析和解译一般局限于二维、静态的表达方式，它描述空间地质构造的起伏变化的直观性差，难以使人们直接、完整和准确理解地下的地质情况。

(3)就勘察数据管理而言，面对日益增多的海量地质数据，缺乏有效的存储、管理，缺乏对数据的深度挖掘与实时共享，地质数据的价值有待进一步开发。

(4)就勘察的周期而言，随着我国水利水电工程开发周期的加快，工程勘察设计任务日益繁重，地质条件越来越复杂，技术要求越来越高，传统的地质专业内外业数据处理技术和地质图件的生成业务流程已经远远不能适应形势发展的需要。

(5)就勘察的生产流程而言，外业采集作业目前还是通过传统测量方式来获取数据，要靠人力采集和输入，成果质量也难以整齐划一，丢漏、人为错误情况比较常见，编录记录和编录图件关联性较弱，不利于数据统一管理；外业数据采集步骤之间存在重复劳动以及内业数据入库工作烦琐，外业的成果不仅无法及时汇总，到了室内还需要用手工输入的方式进行资料整理，生产效率低下。

(6)基于BIM技术的三维协同设计在行业应用越来越广泛，地质专业作为水利水电行业最上游的基础专业之一，需要相应的地质软件或地质系统配合，共同推动水利水电行业数字化三维设计大规模推广。

1.2 技术路线

1.2.1总体功能需求分析

通过对水利水电工程地质勘察生产中重点、难点、痛点的分析，结合工程地质全过程生产中全生产要素的作业流程及地质成果的整理等需求，基于数字孪生技术提出了如图1所示的总体功能要求，主要包括8个方面的内容：实现工程地质三维数字采集进而使野外作业实现无纸化与信息化；勘察数据通过云平台实现地质信息的实时传输与共享；通过三维地质建模技术快速生成三维模型以提高对复杂地质现象的直观展示；基于地质数据库与三维地质模型的平切图、剖面图等相关图纸的快速编绘；基于地质模型的多专业三维协同设计；工程地质数据分析与工程量统计；工程地质(岩土)CAD/CAE一体化设计计算分析以及三维地质模型的数字化移交。

图1 水利水电工程地质勘察数字化应用总体需求

1.2.2应用方案架构

基于对水利水电工程地质勘察的功能需求，以地质工作作业流程和一线生产实际需求为基础，以解决勘察生产中的重点、难点与痛点为目标，结合数字孪生技术，构建从勘察外业数据采集、数据传输、数据集成、综合处理、三维建模、数据挖掘与分析等勘察生产全过程数字化的应用体系，该体系的功能架构如图2所示。

图2 基于数字孪生的工程地质解决方案功能架构

该功能架构的前端主要实现地质数据的外业采集与数据传输，主要以物联网技术为支撑，通过电子地质罗盘、GPS、GIS、移动终端、无人机等软硬件采集外业钻孔、平洞、地质测绘、施工地质等方面的地质数据，并通过4G与5G网络、卫星等实现数据的实时传输；核心层以地质数据的综合处理、数据分析与服务、地质三维建模与分析等为主要内容，充分挖掘地质数据的应用深度与广度，体现地质数据在数据服务和三维可视化分析等方面发挥的重要价值；终端主要为地质三维模型的应用与成果发布，包括外业三维数字采集、地质数据管理、三维地质建模、地质项目管理与查询等应用层的内容。

更进一步地，水利水电工程地质数字孪生体系的功能架构可以分为三部分内容：①主要通过物联网实现工程项目地质勘察现场物理空间的感知与数据传输；②主要通过三维实景技术与地质三维模型实现虚拟空间对真实物理空间的仿真模拟；③主要通过物联网、大数据、云计算等实现虚拟空间与物理空间的动态交互。

2 关键技术说明

数字孪生技术以虚拟模型为数字化载体，并以智能化的方式实时指导物理实体，在工业制造、建筑施工、智慧城市等领域均有应用。在水利水电工程地质勘察行业，融合BIM、GIS、GPS、倾斜摄影等技术手段，结合大数据、云平台、物联网、移动互联等新一代信息技术，构架数字孪生工程地质勘察应用体系，为工程建设各个阶段提供全方位的真实地质三维实景环境，工程地质及其他专业人员在统一的地质场景下实现地质数据的实时传输与共享、地质成果的快速转化、地质问题及时上报与处理、地质资源的智能查询等工作任务，提高地质生产数字化、信息化、智能化水平。

2.1 GIS技术

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)是对现实世界的抽象与表达，可为工程地质外业提供详细精确的地质空间信息。尤其，新一代三维GIS 以二三维一体化 GIS技术为基础框架，可融合倾斜摄影、BIM、激光点云等多源异构数据，为实现宏观微观一体化与空天/地表/地下一体化提供了可能性，为地质数据的采集方式提供了新的思路与方法。

GIS在水利水电工程地质勘察中的应用主要体现在工程地质外业数据的采集、处理、存储、分析等方面[10- 11]，主要包括：①工程地质外业数字化底图的创建，如通过坐标系转化，将 BIM、倾斜摄影模型、点云等数据与其他GIS数据统一到一个坐标系，实现多源数据在GIS二三维场景中的融合匹配。②实现地质信息的空间可视化，如GIS场景能够提供较为全面的空间数据，可以形象直观地观察道路、水系、地质界面迹线、房屋等标识的全局、局部和细节。③地质矢量数据的提取，矢量数据通常由点、线、面来表达地理实体，如使用线表达一条河流，使用面表达某覆盖层区域，使用点表达地质岩性露头。这些点、线、面数据都可以方便地从GIS地图中提取；④地质图的叠加分析，可对区域内的专题地质图进行管理和应用，如基岩地质、地质遗迹、地下水分布、古河道、地质灾害点等。⑤量测和空间分析。基于数据的不同二三维空间分析功能，具体包括剖面线分析、等高线分析、坡度坡向分析、空间距离量算、贴地距离量算、水平距离量算、空间距离量算、空间面积量算、贴地表面积量算、高程量算等。

2.2 三维实景建模

三维实景建模是通过不同角度拍摄的数码照片作为输入数据源，为当前环境轻松生成高分辨率的三维模型。实景建模以大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景，通过高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证，与此同时可有效提升模型的生产效率[12]。

三维建模在水利水电工程行业中的应用日益广泛与深入，在工程地质方面的应用主要体现为：①可应用于地形生成与测量中，如通过倾斜摄影测量所获得的三维实景数据可真实反映地物的外观、位置、高度等属性，并能同时输出DSM、DOM、DLG 等数据成果；②可应用于外业地质编录，如在施工期对地质结构的识别、提取、拟合、产状分析等；③对不良地质现象的分析，如通过三维实景展现危岩体、滑坡、泥石流等地质灾害的空间分布，量测影响范围、分析体积方量、监测灾害动态等；④水工洞室的测量，如通过三维激光扫描等技术生成三维实景，对洞室断面、空间走向、展布特征等进行分析；⑤其他方面的应用。

2.3 大数据、物联网等新一代信息技术[12- 14]

大数据(Big Data)具有大量、多样、价值、高速、真实性的特征，对海量、高增长、多源异构信息提供了新的处理模式。赵鹏大(2019)分析了地质大数据具有混合型、抽样性、因果性、时空性、多态性、多元性等特征，利用大数据分析技术，可建立地质“知识库”，有效减少对复杂地质现象研究的多解性与不确定性。针对水利水电工程地质数据种类多、内容广泛、增速快等特点，依托大数据技术实现对数据的高效存储、管理、分析、挖掘等功能。

物联网(The Internet of Things)通过传感器、RFID、移动网络等技术实现对目标物体智能化识别、定位、跟踪、数据自动化采集等目的，主要包括智能检测层、信息传输层、应用支撑层与业务应用层。

云计算将提高地质领域的数据资源、计算资源的利用率，并将提升地质计算资源获取的便利性，推动互联网和物联网在地质领域内迅速发展，将更加有效地提升地上世界与地下世界的二维、三维一体化显示的精准，通过不断加强对数字地球的认知能力，促进地质领域的信息化进步，充分发挥其社会化公益性作用。

2.4 Bentley相关技术支持

在水利水电工程地质数字孪生解决方案的软件及平台支撑方面，国内主要以BIM主流设计平台A(Autodesk)平台、B(Bentley)平台、C(CATIA)平台为依托实现地质信息的三维数字化[15]。其中，Bentley是一家定位在基础设施领域的全球领先的软件公司，为工程全生命周期提供完整的解决方案。Bentley系列软件基于一个模型、一个平台、一个数据架构，具有良好的通用性与数据兼容性，得到了各个行业的普遍认可。水利水电行业的三维协同设计方案由以MicroStation为基础的图形平台、水利水电各专业设计模块及协同工作平台ProjectWise构成。在水利水电工程地质方面，Bentley形成了以工程测绘、地质勘察、岩土体设计分析、工程结构计算分析、综合应用为一体的数字化解决方案(图3)，可较为全面地满足工程地质生产数字化总体需求。

图3 基于Bentley的水利水电工程地质解决方案

3 应用方案内容

如图4所示，结合GIS、三维空间影像技术、工程地质数据库技术、三维地质建模技术及大数据时代的物联网与云计算等技术，形成水利水电工程地质勘测内外业一体化数字智能采集处理、工程地质信息的管理与服务、三维地质建模与分析三大综合性功能模块，实现外业工程地质数据动态采集、实时传输、实时处理及远程指导；实现地质数据的标准化处理与综合利用，使地质数据走向互联互通的地质云桌面、云存储、地质云端；实现三维地质模型的动态建立及可视化分析，助力水利水电工程的三维协同设计，为工程的全生命周期保驾护航。

图4 基于物联网与云平台的地质数字孪生概念模型

3.1 工程地质三维数字化采集

目前，水利水电工程地质分析手段越来越先进，信息化程度越来越高，平板电脑、电子罗盘、GIS、GPS、倾斜摄影技术等大量软硬件与新技术不断融合于地质勘察的内外业工作中。建立基于物联网与云平台的地质三维数字化采集系统，实现野外数据采集、勘探等工作实时协同作业，综合利用地质大数据资源，建立地质专家预判辅助功能，充分挖掘地质数据价值，提高地质勘察内外业的工作效率。图5展示了工程地质三维数字化采集系统具体实现流程，主要分为工程地质数据采集处理内外业一体化及地质数据云端一体化管理存储分析两部分内容。

图5 工程地质三维数字化采集流程图

工程地质内外业一体化秉承“先内业—后外业—再内业，把野外现场搬回家”的专业理念。“先内业”是指利用桌面端软件对前期获取的三维实景模型及可利用的相关参考资料进行预分析处理，提取制作野外地质采集“基本底图”；“后内业”是指到野外现场利用移动端软件对内业制作的“基本底图”内容进行调查核实和补充完善；“再内业”是指在外业工作结束后只需要将移动端上的地质采集数据传回到桌面端软件中，利用桌面端软件对数据的再一次融合处理分析及整理归类，即可得到正式的地质测绘成果数据、表格数据及图件，这样的作业流程有效解决了内外业信息不对称而造成的重复性工作、数据转换过程中的信息丢失，外业工作周期可大幅缩短，也可以使内业数据的分析整理、表格数据及图件的成果处理与输出变得更加标准化和智能化，工作效率及成果质量大幅提高，出错率得到有效降低。

云端一体化管理存储分析体系，通过地质云平台与物联网进行数据间的连接，采用虚拟化等系列核心技术，实现地质数据云存储、地质云计算，并提供相应的云服务，实现工程项目人员利用不同设备皆可直接上传、访问、查询到权限内的相应地质数据。

3.2 工程地质信息管理与服务

水利水电工程地质信息来源广泛，地质种类繁多，数据形式多样，数据量增长快，具有海量、多元、异构等特点。地质勘察数据主要包括地质测绘、地形、钻孔、平洞、探井、物探、试验、边坡、洞室等内容，并以CAD图纸、表格、文档、图表、图片、语音、视频等格式存储。基于地质大数据的地质云平台建设对这些工程地质勘察数据进行信息化处理，实现地质信息的集中管理、实时共享与数据深度挖掘，进而实现为工程建设提供地质工程信息决策的支持。

依托于地质云平台，将不同方式采集或收集到的地质数据进行统一存储，建立地质大数据中心，形成工程地质信息的存储、管理、挖掘、服务一体化的数据仓库。如图6所示，水利水电工程地质信息管理与服务包括了地质数据采集云端、数据管理、数据处理、数据服务、数据安全管理等内容。这些内容为地质勘察提供了“知识感知”的工作空间，形成了以“大数据+大计算”为特点的水利水电工程地质勘察全生命周期的服务链，实现了计算资源、数据资源、存储资源的互联互通，并为用户提供定制化应用流程。

图6 工程地质信息管理与服务结构图

地质云平台以地质知识的流程化和智能化应用为核心，覆盖了地质勘察的全领域、全空间、全资源，为地质人员提供全方位的智能感知、认知能力和协助工具，以及辅助解决地质科学问题的超级智能化环境，是水利水电工程地质勘察数字孪生技术的数据与平台支撑。

3.3 地质三维建模与分析

水利水电工程地质三维模型是复杂地质条件的三维可视化，是工程地质信息的重要承载者，构成了工程地质勘察数字孪生体，可在更加真实、直观和形象的条件下进行地质现象分析、模型抽象、实体重构、科学计算、过程再现、知识发现、成果表达、评价决策和工程设计。工程区三维实景、模型地质三维模型与水工BIM模型的组合实现了地上、地表、地下一体化的数字孪生体，完成与工程物理空间的实时交互，如图7所示。

图7 水利水电工程数字孪生体示意图

4 结论

文章分析了水利水电工程地质勘察目前所面临的勘测手段数字化程度低、过程不便捷等相关问题，结合工程地质全过程生产中全生产要素的作业流程及地质成果的整理等需求，基于数字孪生技术，构建了从勘察外业数据采集、数据传输、数据集成、综合处理、三维建模、数据挖掘与分析等勘察生产全过程数字化的数字孪生应用方案。该解决方案为工程地质勘测朝着一体化、数字化、信息化、智能化的方向发展提供了思路，可达到切实极大提高勘察的生产效率与生产质量的目的，对变革水利水电及其他行业勘察生产方式具有重要的参考价值。

文章所提出的基于数字孪生技术的水利水电工程地质解决方案主要侧重于理念的提出，搭建了数字孪生体系的架构，对于该应用方案的具体实施细节还有待完善，如基于Bentley平台的解决方案尚欠缺具体的工程实例作支持。这也将是下一步工作研究的重点所在。