中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司党委书记、董事长张春生：工程领域的数字孪生

2022-09-19王慧

中国水利 2022年15期

张春生中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司党委书记、董事长

一、数字孪生的定义

目前不同研究者对数字孪生有不同的定义，尚未形成统一共识。我们认为数字孪生是以三维可视化为表现形式，以数据的采集、生产、汇集、清洗、分析、应用为基本手段，从而为工程和城市建设、运营、管理提供全生命周期服务的一种技术。它是工程技术和三维数字化技术的一种高度融合，是工程实体在数字空间中包括物理形态、实时状态、变化演进、外界作用等全信息的准确映射（见图1）。

二、数字孪生探索实践及水利领域应用

我从时间和空间两个维度来谈谈我们在数字孪生方面的应用和实践。

第一个维度是从时间进程上讲。数字孪生是全生命周期的，即从工程项目的规划、设计、建造、运营，直到后期的维修、报废，贯穿整个工程的生命全过程。数字孪生技术的应用，使传统设计、建造、运行的表现形式和工作方式都发生了深刻变化。

设计中，通过数字孪生手段，可实现多专业三维协同设计。把各专业从设计到审核的线性流程贯通下来，建立模型使各专业可同时开展设计工作，进行碰撞检查，设计变动即时更新、信息互通，目的是设计质量和设计效率的提升。

建造中，可基于三维模型模拟建设过程，进行计划进度与实际进度对比，实现进度管控，并通过数据汇聚应用，实现进度、质量、安全、成本等数据集中展示、高效分析、辅助决策，基于三维可视化来实现对建设过程的管控，改变了传统的以表单方式分头处理的工作模式。

运行中，资产管理可实现全景管理体验、全程数据追踪、全局分析掌控；工程常规巡检可通过虚拟漫游巡检进行；利用运行诊断，实时分析掌握工程健康状态，按需准确检修，避免了传统的计划检修可能带来的维修不足或过度维修问题；并可通过三维模拟，对更多工作人员进行更全面、更便捷的设备检修培训。

图1数字孪生定义示意

图2数字孪生全域赋能

第二个维度是从空间尺度上讲。也就是从单个工程级，到工程群或行业领域级，再到多领域、更大尺度的城市级。要让数字孪生全域赋能，面临着处理多源异构海量数据的问题。在处理这一问题的过程中，需要“1个数字孪生底座+N个智慧应用”。数字孪生底座需贯穿时间轴和空间轴，承载着所有智慧应用，使智慧应用得以发挥规划、建设和管理的作用（见图2）。下面从水利角度进行阐释。

从单个工程来讲，以数字孪生水库运维为例。基于BIM+GIS+IoT的水库全息管理，以BIM+GIS为数据载体，集成库区运行各要素，构建BIM+GIS模型与IoT深度融合体系，可为水库管理业务可视化奠定基础；基于BIM+GIS设备设施全生命周期管理，以BIM+GIS为数据载体，以数据编码为纽带，充分利用虚拟巡检、NFC近场通信等技术，形成水库设备设施的全生命管理体系。以闸站调度为例，基于业务数据算法设计和大数据分析，可为水闸提供辅助调度技术手段，进而对配水加药、配水量、洪涝调度等进行预测性分析，从而进行运营规划。

从行业级来讲，以综合性水资源配置工程为例。综合性水资源配置工程有项目规模大、点多面广、工程类型多、参建单位多、管理复杂、施工地域条件多变、人员流动性大等特征。通过数字孪生手段，可在“一张图”上通过专业图层灵活切换以及业务数据、空间数据、安全数据的分类、联动、聚合展示，来实现对整个工程群的管理。从流域的层面，统筹流域与区域管理，运用GIS+BIM+IoT+AI等技术，构建水上水下、河内河外、地上地下的数字化流域模型，努力实现流域水灾害的实时感知、精准预报、智能预警、科学调度和流域水工程全生命周期管理，推动流域水旱灾害防御体系的现代化。

从城市级来讲，以供水为例。搭建“横向到边、纵向到底”的系统平台大框架，实现应用集成，数据互通，业务协同；以供水、雨水、污水“三网合一、厂网一体、综合统筹”为核心，实现资产数字化、预警精准化、指挥便捷化、管理精细化、决策科学化，为水务一体化与数字化改革提供网格化管理、供排水户管理、数字化厂站管控等应用功能。以排水为例，采用GIS、5G+AI、物联网、数值模拟等技术，开发面向水行政管理单位及运维单位的综合智慧水务系统，打造水行政管理、水事务管理业务子系统，解决“排水管理进小区”、水质安全监管与河湖管理下放到区水务局等管理模式转变带来的水政管理点多面广、人力不足等业务痛点。