闫数字自孪海生：赋能隧道养管

文/本刊记者 汪玚

自2018年起，无锡青祁隧道启用了“机电管家信息管理系统”，通过隧道内安装的摄像头，应用平台可以从云端实时调取数据进行分析，依托系统的实时预警和数据分析，维保人员能够迅速发现故障原因，精准定位、快速反应，赶赴现场及时处置（图片来源于无锡播报）

热词“数字孪生”近十年来可谓炙手可热。

何谓数字孪生？针对隧道结构病害及养护，数字孪生技术可在维修、养护中进行怎样的运用？在从事轨道交通工程全生命周期建设与大数据、人工智能、物联网、云计算、BIM技术等深度融入关键理论和技术难题研究的浙江省智慧轨道交通工程技术研究中心隧道工程所所长闫自海心中，有着自己的答案。

数字孪生：实现实体信息的重构与交互

2003年，美国密歇根大学Michael Grieves教授首次提出了数字孪生概念。2010年后，该概念应用于航空航天、工业行业，后又在多个行业拓展应用演进。

“数字孪生，就是基于对物理实体或系统的精确还原以构建虚拟表达模型，通过虚实环境交互保证物理对象与虚拟模型一致，借助数据、模型和分析技术为物理实体提供检测、诊断、预测等服务。”闫自海介绍说，“作为现实世界数字映射的孪生，应从几何结构、物理属性、规则和机理等方面实现对现实世界的精准复刻。”

简而言之，就是把一个真实存在的实体，进行数字化的复制（数字模型或虚拟模型），实现信息的重构与交互。

那么，针对隧道养管，如何运用数字孪生技术构建数字模型，实现虚拟与实时交互的融合机制？如何让数据可知可感、动态仿真，全面反映出隧道的全生命周期？

闫自海称，一方面，要应用数字孪生体系技术，构建好静态、动态模型；另一方面，则需根据城市地下结构病害治理，两者结合，基于全寿命周期完整数据链，建立地下结构寿命及健康状态评估方法，基于评估结果，建立完整的地下结构寿命及健康状态评估技术。

传统升级先摸底：隧道结构病害及养护分析

想要以数字孪生技术助力隧道管养，就要先厘清隧道典型结构病害及管养方式。

我国隧道典型结构病害主要分为洞口和洞门病害、渗漏水病害、衬砌结构病害、底板类病害、排水系统病害及其他病害。

传统隧道养护管理技术主要分为预防性养护和定期检查，前者在隧道结构病害初期进行安全评估，避免后期隧道主体衬砌开裂、脱落、掉拱等；后者定期通过结构与环境健康监测全方位掌握隧道运营状态。

常规检测方法如声波检测法、探地雷达检测法、高密度电法、瞬变电磁法、超声回弹综合法、三维激光扫描法等；常规监测方法包括实时应力监测、动态应变监测、温度检测、有毒气体监测、排水系统水位监测等。

基于以上了解，在轨道交通领域，多地已经开始进行数字技术应用。

“目前全国已有23个城市开展了轨道交通数字技术应用，大部分城市在2011年后启动BIM应用，2014年数字技术应用开始进入快速发展时期。”闫自海介绍说。

而在公路隧道方面，这样的尝试也在开展。

南京应天大街长江隧道应用的“中枢大脑”系统，可使指挥调动中心实时查看隧道内全部应急救援车辆位置、隧道内外交通流量及突发事件、交通运营实时数据等关键信息，系统内嵌的约13大类、900个工况的标准化处理预案，实现对交通事件“点对点”的精确化资源调配、可视化指挥调度，极大提高了交通事故处置效率。该系统在隧道内车辆冒出浓烟时，30秒内即启动自动喷淋，25分钟就完成了事件处置。

无独有偶，无锡青祁隧道应用数字孪生技术，启用“机电管家信息管理系统”。工作人员只要轻点鼠标，就能看到某一区域的三维透视图和实时监控图像，获得区域内各个设备的实时运转数据，足不出户即可进行虚实结合的“模拟巡检”，大大减少前端管理的人力投入，提升工作效率。

模拟汽车着火消防喷淋灭火测试演练（图片来源于《现代快报》）

数字孪生+隧道养护=创新和变革

“在产业互联网时代，我们很多行业都可以重做一遍。”阿里巴巴产业互联网中心主任陈威如在2020年接受采访时表示，数字化和互联网化给很多传统行业带来创新和变革。

隧道运维养护也不例外。

闫自海表示，数字孪生技术可贯穿在隧道结构生命周期的各个阶段。根据这个理念，隧道运维阶段的数字孪生可实现真实隧道结构和环境与虚拟空间下的数字模型的信息交互，基于隧道结构监测系统数据可以对数字模型进行及时修正，分析结构当下的技术状态以及预测结构未来在长期运营或极端荷载作用下的行为和风险，为预防性养护决策、风险评估等提供科学手段。

闫自海进行了数字孪生技术在隧道养护管理中的理论分析。他认为，通过利用系统中虚拟现实仿真模型、历史数据、实时数据以及经大数据技术处理后的孪生数据，完成整体系统状态的仿真模拟和预测，可实现对隧道全生命周期的描述。

在他看来，数字孪生技术为隧道智能运维的数字化技术提供了一个很好的概念框架，通过三维地理模型和三维隧道结构模型，可建立隧道工程三维可视化场景，为建设隧道养护管理数字孪生系统奠定场景基础，可视化的数字孪生也可为养护管理提供底层管理支撑。

“通过建立溯源平台，打通设计、施工阶段的数据，实现全过程的溯源分析。搭建数据集成平台，及手机app端多端记录管控片工厂、生产、运输、施工现场的各个阶段，全部过程通过对应的二维码扫描填报或物联信息传至平台对应整合。”闫自海称，在数字孪生技术的“加持”下，隧道病害溯源分析将变得十分简单、便捷。

同样，通过监测数据，采用8P人工神经网络方法，即可对隧道病害的发展情况进行预测。

智慧交通不仅仅是交通基础设施的建设管理更加智能化、智慧化。通过将交通实体目标信息转化为可展现、可深入分析、可管理的虚拟目标，搭建现实世界与虚拟世界并行处理的“数字孪生”体系，这或许将是未来智慧交通运用的主要工具与核心模式。