基于数字孪生的城市地下综合管廊应用研究

郭 杰，朱玉明，李夏晶，刘红义

(北京京航计算通讯研究所，北京 100074)

1 引言

1.1 城市地下综合管廊现状

城市地下综合管廊是建于城市地下用于容纳两类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施，是由干线综合管廊、支线综合管廊和缆线综合管廊组成的多级网络衔接的系统。为保障综合管廊本体、内部环境、管线运行和人员安全，配套建设消防、通风、供电、照明、监控与报警、给排水和标识等附属设施。

目前，城市地下综合管廊存在人工投入大、过程数据缺失、数据不统一、信息孤岛、智能化水平偏低等问题，导致运营成本居高不下、安全缺少保障、事故发生概率增加。参与综合管廊规划、设计、施工、系统集成、运营管理的各方，由于对其它环节的了解或技术能力不足，相互之间未能建立贯穿全过程的深度交流与沟通，导致管廊建成后其功能可能无法满足运维管理的需要[1]，因未预留条件升级改造困难，部分监控系统沦为鸡肋，距离实现预前控制、危机处理、智慧管控仍存在较大差距。

1.2 数字孪生应用概述

数字孪生首先应用在以航空、航天为代表的军事领域，如无损检查/评估、结构健康监测、结构拆除评估、负载和环境表征、表征建模与测试、预测与风险分析等。近年来，随着云计算、物联网、大数据、人工智能等信息化、智能化技术的发展，数字孪生应用[2]逐渐拓展至各类民用行业，尤其在制造业中得到大量研究与应用，比如产品数字孪生[3]、数字孪生车间[4]、数字化工厂等。目前，数字孪生已经引起众多亟需数字化转型行业的广泛关注，并在汽车、船舶、电力、医疗、智慧城市等诸多领域得到探索应用。

目前，数字孪生城市[5-7]为国内外研究热点，是建设新型智慧城市的一条新兴技术路径。基于数字化标识、自动化感知、网络化连接、普惠化计算、智能化控制、平台化服务的信息技术体系和城市信息空间模型，在数字空间再造一个与物理城市相匹配的孪生城市，全息模拟、动态监控、实时诊断、精准预测城市物理实体在现实环境中的状态，推动城市全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、城市运行管理协同化智能化，实现物理城市与孪生城市协同交互与平行运转。

1.3 数字孪生适用性分析

城市地下综合管廊是城市安全运行的“生命线”，也是数字孪生城市的重要组成部分。将数字孪生应用于城市地下综合管廊安全管理中适用性分析[8]如下：

1)数字孪生适用于极端及高危运行环境，支持运行环境自主感知、运行状态实时可视化、多粒度多尺度仿真以及虚实实时交互等功能[9]。城市地下综合管廊属于高危运行环境，存在燃气泄漏、给排水爆管、电缆火灾等重大安全风险隐患，且具有封闭性和不易疏散性等特点。

2)数字孪生适用于社会效益大的工程或场景需求，支持工程/场景的实时可视化、多维度/多粒度仿真、虚拟验证与实验、及沉浸式人机交互、为保障安全提供辅助等[9]。城市地下综合管廊安全管理可提升城市防灾能力和安全等级，在地震、洪水、台风等自然灾害中，能够尽量减少对廊内管线的损坏，实现灾后快速修复。同时，便于各种管线的检修、扩容、接入接出，避免了道路二次开挖及对城市交通的影响，具有重大社会效益。

3)数字孪生适用于需降低投入产出比且具有重大经济效益的行业，从而支撑行业提质增效。城市地下综合管廊避免了各类市政管线工程在建设初期的交叉投入，同时降低了廊内各类市政管线的运行维护成本，避免了因管线维修、扩容引起的二次开挖，减少了“马路拉链”的反复投资；综合管廊内各类市政管线布置紧凑合理，节约了城市用地且管线运营更安全，并可提升区域品质增强沿线地块经济价值，具有重大经济效益。

2 基于数字孪生的城市地下综合管廊

2.1 数字孪生管廊总体架构

城市地下综合管廊数字孪生体[10]，归根结底是多模型的集合，孪生信息模型是数字孪生的核心。通过采用虚拟现实、增强现实、介导现实等技术为城市地下综合管廊实体提供多维度、多时空、多尺度的高保真数字化映射，这是实现基于数字孪生的综合管廊安全管理应用的前提。通过综合运用3DGIS地理信息模型、BIM建筑信息模型及物联感知数据，构建综合管廊孪生信息模型，包括综合管廊建筑模型、结构模型、内部设备模型、入廊管线模型等，将综合管廊规划、设计和施工中的信息资源与管廊孪生信息模型进行关联，在管廊运营阶段实时更新模型相关数据，从而实现城市地下综合管廊规化建设管理全生命周期精细化管理。理想情况下，综合管廊孪生信息模型不仅是简单的三维模型，而是一种多维多时空多尺度模型[11]，具备高保真、高可靠、高精度的特征，并能够与综合管廊实体之间进行实时信息交互，实时更新监测数据保证信息的时效性和真实性，并可进行不同场景动态推演实现预警预测。

图1 数字孪生管廊总体架构

孪生数据是数字孪生应用的核心驱动力，综合管廊实体的孪生数据应集成综合管廊规划设计、建设施工、运营管理全生命周期[12-13]的全业务、全流程、全要素的相关数据，实现多源异构数据深度融合，以及孪生数据与综合管廊实体、综合管廊孪生模型以及应用服务的精准映射与实时交互。

表1 数据列表

2.2 核心应用服务

基于数字孪生的城市地下综合管廊核心应用服务主要为：

1)综合管廊虚拟漫游巡视

三维空间的有效感知与实景可视化是基于数字孪生的城市地下综合管廊安全管理应用的基础。通过利用日趋成熟的新型测绘技术、多模态多尺度空间数据智能提取技术、高性能三维渲染技术等，对城市地下综合管廊、管廊附属设施、地下管线、周边环境及建筑物等进行三维建模，实现高精度、高效率、高真实感和低成本的全自动全要素结构化表达。通过在综合管廊三维场景中以任意角度、距离以及路线进行虚拟漫游巡视，全面且直观感知综合管廊自身及周边环境情况，为检查规划设计缺陷、优化设计和实施方案、运营维护可视化管理提供有效支撑。

2)规划设计阶段碰撞检测

在综合管廊规划设计及施工阶段，基于综合管廊孪生信息模型可从任意角度剖切查看进行可视化碰撞检测，识别综合管廊内部、管廊与周边环境的冲突问题，检测综合管廊结构交叉节点、入廊管线交叉节点等的碰撞冲突，实现综合管廊内部各专业管线间、综合管廊与已建地下空间、综合管廊与轨道交通等的碰撞检测，从而对复杂节点及各管线的位置等进行深化设计，优化调整管线布局方案，避免规划及施工过程中的碰撞点，保证管线布局的合理性及综合管廊与周边环境的协调性，减少工程施工返工，提高实施速度，有效节约施工工期和施工成本。

3)管廊项目进度全面管控

在综合管廊项目施工阶段，基于全要素的城市地下综合管廊数字孪生体，真实再现施工作业环境，在该环境中进行可视化三维立体施工模拟，揭露出施工现场中可能存在的问题，优化施工顺序，并可进行多套方案施工模拟对比分析，最终确定最优施工方案；通过将施工方案与项目工作计划进行模拟对比，检查施工过程中容易影响工期的因素，分析进度计划的合理性，调整施工组织计划并对施工过程进行全面可视化管控；针对项目进度滞后问题，通过大数据分析与预判自动分析滞后原因，并及时采取对应处置措施，从而提高管理与决策效率。

4)管廊运行监测智能管控

城市地下综合管廊运维阶段，基于前期建筑、结构、入廊管线等多种综合管廊数字孪生模型积累了规划设计、建设施工全部孪生数据，可生成完整的城市地下综合管廊数字孪生体，用于综合管廊远程智能监控及维护。通过漫游巡视及三维可视化管理，可直观且实时对管廊内部空间的环境、安防、消防、入廊管线运行情况、设备健康及能耗，以及管廊周边环境等方面进行监控，及时获取管廊内各系统工作状态、异常或故障报警信息并精准定位故障点，实现综合管廊运行环境设备联动调节、报警事件及时处置，综合管廊整体能耗优化等常态化智能管控。

5)管廊潜在风险预测预警

城市地下综合管廊本体、附属设施、入廊管线、周边环境等存在潜在风险，逐步排查繁琐耗时较长，导致突发安全事故无法及时处置。基于城市地下综合管廊数字孪生体，将实时动态监测数据与安全评估参数进行比对，定量评估风险等级，对管廊结构纵横变形、供水爆管、燃气爆炸、污水渗漏、有害气体超标、周边环境空洞富水等病害等进行预测预警，自动锁定隐患点并及时通知相关责任单位，可通过综合管廊数字孪生体详细查看隐患点及相关信息，针对性制定巡检或运维方案，保障管廊安全运营和入廊作业人员安全。

6)综合管廊应急模拟仿真

基于综合管廊数字孪生体，能够对综合管廊燃气泄漏、给排水爆管、电缆火灾等重大风险进行灾害链模拟仿真，推演风险事故发生后引发的直接灾害和次生衍生灾害并进行三维可视化演示，量化灾害动态演变过程和影响。在此基础上，进行应急预案制定及模拟演练，动态展示应急指挥调度、应急联动处理处置及人员疏散，分析并修正应急预案缺陷，提高突发事件应急处置熟练程度，改善各应急组织机构、人员之间的交流沟通和协调合作，从而有效降低事故造成的人员伤亡和经济损失。

3 基于数字孪生的地下综合管廊典型应用

3.1 规划设计阶段

城市地下综合管廊规划设计阶段[14-16]，由于综合分析因素众多并且非常复杂，存在城市地下综合管廊选址安全合理、与其它地下设施规划协调、事故安全影响分析等规划难点，以及入廊管线组合设计、管线分舱安全设计、断面设计、埋深设计、防火设计、防水设计、抗震设计、结构设计等设计风险点。针对上述规划设计难点和风险点，基于数字孪生的城市地下综合管廊，利用3DGIS地理信息模型、BIM建筑信息模型等技术，将规划因素与实际空间位置相结合，建立三维可视化工程环境，提供多维度的分析处理方法，支撑综合管廊规划设计，典型应用总体框图如图2所示．

图2 规划设计阶段的典型应用框图

1)规划可行性分析及空间分析

基于各项规划、勘测资料及规划标准等资料，提取地下管线、地形地质、交通路网、经济人口等关键数据，基于3DGIS集成上述数据并添加信息的空间属性，与地理信息建立有机联系，构建地下管网、地质信息三维工程模型、规划构筑物BIM模型等，创建基于3DGIS的规划环境模型。基于规划范围内的空间数据和模型，可进行用地类型分析、河流及道路走向分析、地形分析等工程适宜性分析评价，及规划范围内现状市政管线及地质分析等规划可行性分析。基于BIM模型及GIS分析，通过规划空间分析进行管廊多规划方案比选，实现管廊选址定线、管廊断面选型及重要节点控制。

2)设计可行性分析

基于管线规划线位数据、工程选用的坐标系与对应的基准点，创建管廊项目周边环境三维实景模型，用于设计方案模拟。在此基础上，依据勘测数据、设计方案技术指标，构建设计方案模型进行综合管廊建设方案直观展示与比选，对管廊建设与周边环境情况、舱室分布及断面形式是否合理等进行分析；依据现状道路及管线物探数据等，构建交通疏解及管线搬迁设计模型，分析管廊主体结构围挡及周边建筑对交通的影响，通过行车模拟及人流仿真模拟验证设计方案的交通安全可行性，直观分析确定哪些管线需要被改迁，迁改后管线附属构筑物空间是否满足及管线综合节点碰撞情况等。

3)初设及深化设计分析

基于可行性研究阶段的管廊BIM模型，对管线入廊方案进行可行性模拟，分析论证燃气管道、雨污重力管道等入廊的可靠性，合理规划空间位置与安装顺序。在管廊复杂交叉节点、管线出入口等处，易发生不同专业管线之间碰撞及预留安装、检修空间不足等问题，通过整合给排水、电气、水工结构等专业模型，确定冲突检测及管线综合的基本原则，进行管线综合与分析检查，逐一解决各专业之间的碰撞冲突问题。基于管廊节点深化设计模型，直观展示复杂节点的空间位置关系及异型构件的准确信息，对节点的尺寸、节点位置及连接方式、管线排布进行分析优化，提前发现错、漏、碰、缺等问题，确保施工出图的准确性，避免设计错误导致的施工返工。

3.2 建设施工阶段

城市地下综合管廊建设施工阶段[17-18]，由于建设施工周期普遍较长，与施工有关的各项工作都是变化的、多阶段的，施工组织协调复杂且存在与已建建筑物最小施工安全距离设计、施工工序、作业工艺等施工安全风险点，同时在施工进度、施工质量与安全管理等方面存在监管乏力问题。针对上述建设施工痛点，基于数字孪生的城市地下综合管廊可通过“虚拟施工”进行施工筹划模拟及优化，施工进度的动态模拟及优化调整，施工安全技术交底及质量与安全事前控制及事后反馈闭环管理，典型应用总体框图如图3所示。

图3 建设施工阶段的典型应用框图

1)施工筹划模拟及优化

基于施工场地布置模型协调施工平面，解决多阶段施工平面布置协调中依靠二维图纸堆叠查看的复杂性和各阶段平面布置信息的不连续问题。通过施工筹划模拟，检查校验施工筹划的合理性，通过检查、反馈、调整，形成科学合理的施工筹划。当管廊项目位于市区主干路上时，由于存在场地狭小、周围建筑物多、地下市政管线复杂等问题，通过可视化三维立体施工模拟进行预施工，合理确定施工工序，优化工期。针对关键节点进行施工模拟，预见多作业面立体交叉施工时的空间“打架”现象，将虚拟施工信息进行提取，用以修正优化施工方案。

2)施工进度模拟与管控

基于综合管廊整体三维模型，可进行各分项工程的工程量提取，为项目施工准备、材料采购及各类指标控制提供数据支撑。通过模拟项目施工全过程，估算各阶段资源需求量及消耗量，分析各阶段的资源分配情况，检查施工过程中容易影响工期的因素，及时调整施工组织计划，保证施工进度，避免工期延误。通过将施工各阶段、各专业的信息集成到施工模型中，对比实际进度和计划进度，分析进度偏差及滞后原因，并及时采取相应处置措施，对施工过程进行全面管控。

3)施工质量与安全管理

在施工质量与安全防控方面，可依托模型进行复核和隐患排查，以及施工方案可视化交底，对个别工艺进行 3D 模拟，精确展示施工中的每一个细节，辅助项目施工；通过在移动设备上查看项目模型信息，指导现场施工，保证工程准确实施，提高施工质量。另外，将施工过程情况与模型绑定，可随时查看模型节点的施工详情，实时获取报警信息，及时处理设备故障及违章操作，记录现场发生的各类质量和安全情况，做到各类质量和安全情况的发生、反馈、处理、解决数据可追溯，实现质量与安全闭环管理。

3.3 运营管理阶段

城市地下综合管廊运营管理阶段[19-20]，存在温度、湿度、压力、有害气体浓度、氧气浓度等管廊内部环境运营风险，管廊上方道路塌陷、临近地下工程施工、外侵及人为破坏等外部环境运营风险，以及作业人员人身安全、规范性操作、监控预警设备是否安全运行等检修维护风险。针对上述运营维护管理风险点，基于数字孪生的城市地下综合管廊可通过可视化管理、虚拟漫游及模拟仿真，实现常态化智能监控及预测预警、突发事件应急模拟仿真及处置等功能，典型应用总体框图如图4所示。

图4 运营管理阶段的典型应用框图

1)运营维护可视化管理

集成整合规划设计及建设施工阶段积累的BIM模型和数据，同时结合GIS地理信息数据，管廊本体及周边环境、管廊内部环境及设备、入廊管线运行状态、管廊安防消防、人员定位等监控数据，通过“一张图”方式提供基于位置的可视化服务，可直观展示综合管廊整体运行情况、预警告警位置及报警信息，支持二维地图和管廊三维模型的综合展示，提供漫游巡视、分区显示、空间测量、综合管廊智能监控和联动控制、巡检人员定位及巡检轨迹查询等功能，满足地下综合管廊的常态化监控和管理需要。

2)风险评估与预测预警

面向常态化运营管理，基于城市地下综合管廊数字孪生体，结合风险评估专业模型和算法，根据管廊本体、入廊管线、附属设施、周边环境等基础数据信息，定量评估潜在风险的状态和等级，如供水管线爆管风险、排水管线渗漏和淤积风险、热力管线泄漏风险、燃气管线泄漏风险、电力电缆火灾风险和管廊综合风险等，并以“风险热力图”形式展示风险分布；利用空间信息数据及气体扩散模型、水泄漏模型等对管廊实时监测数据进行预测计算，并通过专家模型及AI算法将计算结果与事故历史数据进行比对，从而预测可能出现的问题并及时预警。

3)应急模拟仿真及处置

城市地下综合管廊数字孪生体集成整合了规划、设计、运维各阶段数据，为火灾、爆管、地震等突发事件应急模拟仿真提供了可靠环境。针对管廊事故模拟过程中涉及的人员疏散特征、气体扩散特征、水流速特征等进行特征参数分析及确定。基于仿真环境及各对象的特征参数，根据事故类型及程度确定需启动的应急预案，并根据应急预案流程将事故模拟涉及的各个对象如人员逃生、火灾扩散、管廊积水变化、管廊结构形变等的特征参数动态加载到环境模型中进行模拟仿真，通过反复模拟和运算全面分析火灾、爆管、地震等事故状态，推演事故发生后引发的直接灾害和次生衍生灾害，并通过三维场景进行动态展示，从而直观地对应急预案进行验证及优化，保障综合管廊安全运营。

4 总结

随着新型测绘、标识感知、协同计算、全要素表征、模拟仿真等技术快速发展为数字孪生应用注入了新活力。基于数字孪生的综合管廊将具备数化、互动、先知、先觉、共智的成熟度特征，形成完备的城市地下综合管廊数字孪生体，可与综合管廊实体之间虚实交互、实时映射、动态演化，并可根据不同业务场景需求进行仿真推演，实现预测预警、智能决策与智慧管控，促进综合管廊安全管理向智慧时代跨越。