数字孪生技术在大口径长距离输水管线设计中的应用

平金同，李 强，何思源，何志军，李玉君，李 林

(1.河北建投工程建设有限公司，河北 石家庄 050001；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010；3.河北建投水务投资有限公司，河北 石家庄 050001)

长距离输水管线工程设计首要关注的是供水安全可靠性，确保工艺参数经济合理，通过不断优化设计方案，实现减少漏损、降低能耗、节约投资的目标。随着城市建设的不断发展，城市周边的电力、通讯、供热、燃气等配套设施越建越多，逐渐压缩了输水管线的建设空间，面对有限的建设空间，为保证输水管线工程的经济性和可靠性，在项目设计阶段就必须解决好输水管线与其它配套设施的空间协调问题。

传统的工程方案设计多是在二维平面空间进行布置，与精细化设计尚有一定差距，无法直观地分析复杂多变的地理环境，难以在第一时间发现深层次的设计问题。在数字化、智能化、可视化为主导的高科技背景下，传统的设计方法需要不断改进和完善，需要探索一条全新的设计思路，分析融合空间地理信息，在多维度空间、多约束条件的三维可视化场景下，完成科学合理和经济高效的项目设计。

数字孪生技术是现代仿真设计的发展趋势，引导未来规划设计的方向。本文基于数字孪生技术，研究了在长距离输水管线设计中的技术框架，探索了数字孪生仿真设计思路，开展了地理信息分析和仿真辅助设计。

1 概况

某输水管线工程全长约20.6km，包含管道及阀门井等附属构筑物，工程设计采用螺旋焊接钢管和球墨铸铁管两种材质管道，公称直径为DN1000、DN1400，布置形式为单线布置，工程总投资1.9亿元。管线铺设采用明挖铺设、非开挖水平定向钻进、泥水平衡顶管等多种方式配合施工。

2 工程难点

工程为带状分布，工程设计包含因素多，具有距离长、沿线地形地貌复杂、环境多样、地下及地上障碍多、征地拆迁难度大等诸多难点。工程全线穿越河流、渠道20余条，公路、铁路10余处，输油、输气管线交叉10余处。工程布置如图1所示。

图1 工程总体平面布置图

人工测绘数据受地形及路线限制，不能完全展示现场情况，工程数据种类多、数据组织方式复杂、维护困难。

3 主要技术路线、标准及软硬件环境

3.1 建筑信息模型技术(Building Information Modeling，BIM)

将传统的二维设计模式带进三维视角，目前在基础设施建设中应用广泛，但大多仍停留在BIM翻模使用阶段，并未发挥出该技术的特点及先进性。本项目设计思路是在三维环境下开展工程设计，实现多方位展示工程设计方案与地形地貌的结合，为设计人员提供直观视觉感受，有效避免二维图纸设计的误差，提升设计效率和设计质量。

3.2 地理信息系统(Geographic Information System，GIS)

是在计算机软、硬件的支持下，对地球表层空间中的地理数据进行采集、存储、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统，GIS技术在空间环境信息分析及可视化方面具有显著优势。

3.3 倾斜摄影测量

使用无人机搭载多镜头倾斜摄影影像传感器完成地形测绘并获得高清影像，具有便携、易用、节约人工、精度高等特点。

3.4 数字孪生(Digital Twin，DT)

使用物理实体、虚拟实体、信息交互接口3部分来镜像物理空间与数字空间的孪生关系，强调数字孪生的结构组成。

3.5 技术标准

参照执行的主要技术标准见表1。

表1 技术标准

3.6 软硬件环境

采用的软、硬件平台见表2。

表2 软件硬件平台

4 技术集成

数字孪生仿真设计基本方法是外业数据采集与内业仿真设计相结合，依靠无人机信息采集地理信息结合二维测绘图纸提供GIS数据底座，建立孪生BIM模型，并通过模型融合实现外业数据与内业设计模型信息共享及协同交互，基于数字孪生技术的长输管线设计流程图如图2所示。

图2 基于数字孪生技术的长输管线设计流程图

4.1 倾斜摄影航测数据采集

通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息，颠覆了正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，生成的三维模型效果逼真，更真实地反应地物的实际情况，要素全面，测量精度高，尤其适合在自然环境复杂的地方快速采集实景模型。倾斜摄影更能真实地反映工程与周边环境的融合度，在长输管线工程的规划设计、工程前期调查等环节，将高分辨率影像(DOM)和数字地形模型(DEM)用于工程三维定线，改变了传统选线精确度低的状况。

传统的二维数据无法满足工程设计的需要，长输管线工程周边环境的三维模型传统上采用人工建模实现，费时费力，效果不太理想。倾斜摄影测量技术能够真实地还原现状环境，作为数字地形信息的一种数据来源，具有可视化、精细化及高效化等优点，与BIM结合，能够较好地解决工程建设中存在的一些问题，对长输管线工程设计具有重要意义。

4.2 DEM、TIN构建及数据分析

无人机倾斜摄影技术基于详尽的航测数据，进行影像预处理、区域联合平差、多视角影像匹配等一系列操作，可在短时间内批量建立高质量、高精度的数字地形模型，实现空间全方位、高精度的可视化表达，数据融合、DEM模型等如图3—5所示。

图3 无人机数据与GIS数据融合

图4 DEM模型

图5 开挖DEM模型分析

以BIM技术为依托，结合倾斜摄影技术与GIS技术，对设计方案进行模拟、场景布置。通过BIM技术建立工程模型，并与实景模型进行叠加，在此基础上进行方案设计更加准确、高效。

4.3 孪生模型创建

GIS、BIM模型融合数据及BIM模型的更新迭代构成数字孪生的底座，是物理空间各类工程信息在信息空间中的孪生重建。在信息空间中对管道路线复杂的环境、工况进行全方位、深层次、多视角的可视化表达是数字孪生的关键。

基于BIMFace、SuperMap等平台进行数字孪生可视化表达，集成时空数据、BIM模型数据，建立宏观、中观、微观一体化三维场景实现信息空间数字孪生。实现数字孪生体与物理实体对象一一对应，包括工程全线的管道实体镜像、综合查询、附件识别、实现虚实之间的信息互动、孪生体更新、仿真设计等。管道孪生模型如图6所示。

图6 管道孪生模型

5 设计成果

(1)利用BIM+GIS融合技术实现数字孪生仿真设计，经过多方案比选，确定管线走向、管径、管材等要素。在初步设计及施工图阶段，各个专业利用各专业不同的BIM软件协同工作。三维平台采用了BIMFace、SuperMap等软件作为BIM、GIS融合平台，实现了BIM数据与GIS一体化集成与深度融合，数字孪生模型框架图如图7所示。

图7 数字孪生模型框架图

(2)管线建模采用Civil3D软件，在平面线路确定的基础上，管线建模主要是管线纵断面的绘制和横断面模板的制作。将原始地面纵断线偏移一定距离作为绘制纵断面的辅助线，参照辅助线绘制纵断面，然后在纵断面视图中对纵断面进行调整。横断面模板包含管道开挖、管底砂砾石垫层、原状土回填、种植土回填等。通过直观的交互或变更定义管线横截面的输入参数即可轻松修改整个管线模型，便于开展优化设计。

(3)方案对比时，将不同方案的数据显示在不同的三维场景中，实现同步浏览，计算2个方案同类型数据的差异点，通过差异点进行场景定位，方便进行方案的对比。最后，通过对比信息，确定最佳方案，输出方案数据，现场仿真模拟如图8所示。

图8 现场仿真模拟

(4)自动生成施工平面图，标注完整的横断面图、纵断面图和土方施工图等。使用外部参考和数据快捷键生成多个图纸的草图，利用与模型中相同的图例生成施工图。一旦模型变更，可迅速更新所有的施工图，按照路线走向自动完成图纸和图幅线的布局，根据布局生成平面和纵断面图。

(5)设计成果交付，使用链接集将信息模型、地质模型、图纸、工程量报表、工程影像、技术标准等与工程文档链接在一起，并在具体的信息模型上挂接工程量报表的链接。

6 效益分析

(1)本项目实现了设计阶段的各专业正向协同设计，对BIM、GIS、无人机倾斜摄影建模技术进行了探索，充分发挥了BIM技术信息化、可视化、协同性、一体化优势，所采用的交付方式及BIM+GIS技术方案，充分利用了Civil3D、BIMFace、SuperMap等软件的特点。将高分辨率卫星影像(DOM)和数字地面模型(DEM)用于长输管线三维定线，改变了传统选线费时费力、精确度低的状况。通过将BIM模型与实景模型导入平台，实现模型轻量化，对模型坐标系进行转换，实现“数字孪生仿真设计”的一体化管理。

(2)通过Civil3D、BIMFace、SuperMap等软件实现BIM模型、GIS系统的融合应用，有效地缩短了工程前期调查和管线定线等工作，对设计方案进行分析模拟和优化，大大提高了各专业的沟通效率，节约设计工期43d，节约设计成本65万元。通过动态模拟，及时发现设计错误及隐蔽问题，提高了安全保障，减少了工程返工和费用损失。

7 结语

传统的输水管线设计多采用静态设计模型，对设计人员依赖性高、利用率较低。通过数字孪生技术辅助长输管线项目设计，利用无人机倾斜摄影采集数字影像，融合影像数据建立DEM模型，在实体3D模型的基础上将BIM+GIS技术应用于项目规划选线及设计仿真，有效整合管线周边的信息资源，为设计过程中的空间分析提供基础条件，确保了沿线场地勘察、三维测量、规划选线三者协同设计高效完成，提升了设计方案的科学性、合理性。辅助设计人员发现问题并进行决策，及时调整和优化既有设计方案，最大限度地节约项目投资和工期。同时，结合项目可视化方案模拟，对后期施工组织设计进行优化，可有效避免因前期预见不足而产生的额外费用和工期延误。