数字孪生引江补汉建设初探

宋志忠，谢明霞，冯 敏，管林杰，罗 炜，刘子健

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，430010，武汉）

为了服务引江补汉工程全生命期建设和管理，支撑工程数字化规划、多专业协同设计及方案快速优化，保障施工安全与进度，实现工程的精准化调度和智慧运维，将以数字化、网络化、智能化为主线，建设数字孪生引江补汉。通过建立覆盖工程全域全过程的空-天-地-内感知网，研发工程全生命期（如规划阶段水资源配置、工程布局、线路方案、输水方案比选优化等；设计阶段隧洞超前预报、岩性分析、地灾评估、方案优化等；施工建造阶段进度仿真、质量管控、安全评价、投资预算等；运营管理阶段水量联合调度、生态环保、安全监测等）功能模块，提升工程物联感知操控、全要素数字映射、可视化呈现、数据融合供给、分析计算、模拟仿真推演、虚实融合互动以及自学习自优化的核心能力，实现工程的数字化场景、智慧化模拟和精准化决策，支撑工程建设和运维“四预”，从而减少工程在物理空间的试错和建设成本，保证工程安全和质量，提升工程建设效率。

一、总体架构

数字孪生引江补汉建设总体架构见图1，由信息化基础设施、工程数字孪生体、模型和知识平台、建设和运维应用，以及工程安全防护体系和标准规范体系构成。其中，数字孪生体、模型和知识平台共同构成数字孪生平台，通过数字孪生平台实现物理工程与数字孪生工程之间的数字映射、虚实交互，以及平台与业务应用之间的仿真模拟、数字赋能。

图1 数字孪生引江补汉总体架构

二、全生命期建设

1.引江补汉数字规划

综合运用遥感卫星、无人机、激光雷达、野外地质信息采集系统等数字化勘测技术手段，推进以业务信息系统为支撑的数字化勘测应用，构建工程沿线高精度地形、地质模型。基于工程涉及区域水文、地质、地形、环境等信息，构建引江补汉工程虚拟环境，在虚拟环境中，对水资源配置方案进行推演，进行工程布局、线路方案、输水方案数字化规划，基于专业模型、规则和知识等，对方案进行评估，并辅助进行动态调整，最终确定规划方案，总体业务流程见图2。通过对工程地形、地质勘测信息的数字化映射和可视化表达，实现各线路隧洞方案中隧洞穿越软岩等问题的在线分析，并根据工程地质问题致灾概率、致灾后果、处理难度和处理代价等因素进行风险等级划分，对可能存在工程风险的输水隧洞段空间位置、长度、等级、处理措施和预案等信息进行关联，指导和辅助工程施工建造。

图2 引江补汉数字规划业务流程

2.引江补汉协同设计

动态更新的地质信息模型库、支护参数库、风险信息库等。同时，在数字化场景中对设计方案等进行反复推演，检查与实际物理环境冲突的设计环节，不断优化设计方案，并为施工建造和运营维护阶段数字孪生业务应用奠定数据基础，总体业务架构见图3。引江补汉工程BIM协同设计的核心，主要体现在业务协同与流程信息集成，构建多维协同应用体系，形成复杂地质条件下长距离线性工程正向协同设计解决方案，解决时间上上下游专业之间的数据信息传递、空间上沿线建筑物、设施设备布置和协同工作问题，提升设计效率和质量。

图3 引江补汉协同设计业务架构

设计阶段所生产的以GIS+BIM模型为核心的数字化成果，是引江补汉工程数字孪生平台数据底板的重要组成部分，通过可视化的三维场景，服务于建设期及运行期智慧应用。

开展全专业BIM协同设计，积累和渐进式地开展数据治理，对设计数据、空间信息、业务专题数据进行知识结构化和融合可视化处理，形成可

3.引江补汉智能施工建造

构建工程动态设计和施工一体化模型，集成施工单元信息，实现施工要素全监控、质量全程可追溯、进度动态可调控；在数字化场景中，对不同施工方案进行预演和对比分析，结合现场施工数据实时反馈，动态调整施工流程、施工工艺和施工方法，优化资源配置；通过数字孪生体前瞻性预演，提高重大风险识别与管控能力，辅助不良地质超前处理；建立以工程结算为核心、以工程模型为载体的全方位管控模型，全面掌控工程施工过程业务动态，及时发现问题并督促整改，提高管理效率，快速了解工程建设中存在的问题，及时调整工程施工方案及应对措施。施工建造阶段数字孪生业务总体架构见图4。

图4 引江补汉智能施工建造业务架构

（1）围岩智能分级

基于工程地质数据自动化采集与智能识别体系，结合隧洞三维数字影像、超前钻孔参数、掘进参数、物探数据、岩渣特征等数据，实现多源数据融合，构建围岩级别和掌子面稳定性级别样本库，建立自动化构建隧洞施工期岩体特征智能识别模型及岩体特征-分级指标映射关系。一方面，将掘进参数、超前钻孔参数等多源地质信息综合判别得到的围岩级别与原设计方案自动对比，当两者不一致时，启动围岩变更流程；另一方面，根据隧洞已开挖段围岩级别，在虚拟空间中，融合前期勘测的围岩信息、超前地质预报信息等，自动预测掌子面前方围岩级别，精准辅助智慧化施工决策。

（2）重大风险识别管控

基于建立的工程风险评价体系，将前期地形、地质勘测成果、现场采集与监测等数据、超前地质预报成果，以及坍塌和卡机预警结果进行多源数据融合和综合评估分析，综合确定开挖段的地质灾害风险等级。同时充分结合地灾知识库，提出地质灾害风险防控对策和超前处理预案，为重大风险防控和决策提供有效的技术支撑，保障施工期安全。

（3）施工质量智能管控

①引江补汉工程施工作业类型。对于隧洞开挖类作业，针对钻爆法施工洞段，采用三维激光扫描的方式，进行洞室超欠挖的智能识别；针对TBM施工洞段，根据不同围岩特点，结合设计图纸，总结不同围岩条件下合理的掘进参数，为TBM正常掘进提供参考，并根据前方地质情况适时调整掘进模式。对于支护及灌浆类作业，通过智能注浆系统对锚杆注浆过程进行智能监控，利用预应力锚索张拉设备实现对张拉过程的智能控制。对于混凝土浇筑类作业，采用拌合楼混凝土生产质量智能监控设备，控制混凝土的出机口温度、级配、塌落度等控制指标。对于机电设备安装类作业，采用基于BIM的关键作业吊装过程模拟和基于VR的机电安装过程进行教学培训。

②具体作业的施工过程。施工前，对工地实验室运行过程中的试验人员、机械设备仪器、物料、试验方法、作业环境以及检测反馈等各环节进行数字化映射，在数字空间中对施工过程进行模拟验证和反馈；施工过程中，基于数字化的质量验评，完成单元工程质量验收评定业务流程的填报、流转、审核和数据统计工作；施工结束后，基于质量消缺系统，及时对发现的质量问题进行闭合管理。

（4）施工仿真工艺流程

针对施工过程中的关键工法工序，制定一系列涵盖应用范围、业务分析、可视化表达以及服务共享等关键流程的仿真工艺标准，包括功效分析、逻辑分析、进度仿真、仿真验证和工程应用等。

（5）建设管理一体化

基于单元工程实现设计—施工—质控—计量的一体化，以及由业主主导的全面管理与各参建方内部管理相结合的协同管理，具体管理业务模块见图5。

图5 工程建设管理业务模块

4.引江补汉智慧运营维护

聚焦工程安全、供水安全和水质安全，通过打造集立体感知、仿真分析、业务融合、决策服务为一体的智慧运维平台，全面提升工程管理决策水平，总体业务架构见图6。

图6 引江补汉智慧运营维护业务架构

（1）三峡—丹江口—南水北调中线—引江补汉联合水量调度

通过建立覆盖三峡—葛洲坝枢纽、引江补汉工程、汉江干流梯级电站、引江济汉工程、引汉济渭工程、鄂北地区水资源配置工程、南水北调中线工程以及各受水区范围的水资源空间拓扑和关联关系，构建水量调度规则库和知识图谱，实现三峡—丹江口科学合理分水、精确精准调水、集约高效用水，保障长江和汉江流域水资源可持续利用和受水区经济社会持续健康发展。

（2）引江补汉水生态环保影响评估与决策分析

引江补汉工程实施后汉江中下游水、沙、营养盐输入过程发生变化，需对其生态环境影响进行全面深入评估。采用原位观测、理论分析、数值模拟等相结合的研究手段，开展引江补汉工程实施后汉江中下游水、沙、营养盐输移转化规律，影响水华生消的单因子或多因子组合阈值，面向生境保护的汉江中下游适宜生态流量过程和梯级联合生态调度方案等关键问题研究，推进工程绿色健康发展。

（3）工程安全监测与预警

在工程运营维护阶段，基于空-天-地-内一体化的监测手段，建立引江补汉工程安全监测与预警体系。

①通过结构计算模型、大数据分析以及深度学习算法的应用，结合传统安全监测分析方法，建立安全监测智能分析模型，实现分析模型的智能推荐、参数智能配置等。

②根据监测数据和不同建筑物结构特点，利用统计分析、大数据分析等计算结果，综合分析确定不同建筑物安全监控预警指标。

③基于数字孪生场景进行宏观GIS模型、微观BIM模型、监测数据等资源在统一空间参考下的融合，实现多维度、可视化的监测数据汇集与安全预警。

（4）工程设施设备智慧化运维

对于设施设备健康管理，引入设备状态评估、设备故障诊断等算法模型，结合监控数据进行主动分析判断，实现设施设备的“四预”。除了传统的电量与非电量感知手段之外，结合视频识别、音频识别等AI技术助力全息感知，结合人员定位、VR等技术助力智能巡检，从主动、被动两方面共同实现“四预”过程的完整闭环。

三、建设难点

1.模型成熟度和可靠度提升

数字孪生引江补汉的计算分析包括隧洞施工全要素仿真模型、隧洞地质超前预报模型、多工程联合调度模型、长隧洞水力过渡过程模拟模型等。其中，大部分模型仍处于理论研究阶段，应用实践还不够成熟。因此，在引江补汉工程实施过程中需通过对试验段的关键工程计算问题进行验证分析和完善，提升全生命周期关键模型的成熟度和可靠度。

2.孪生场景实时动态更新

引江补汉工程线路区地质构造复杂，断裂、褶皱发育，随着施工推进，需根据构建的物理工程与数字孪生工程的数字化映射关系，利用施工期TBM智能感知设备、超前地质预报、三维激光扫描所采集到的工程信息，实时更新地质模型等，实现工程数据的双向流动和信息互馈，保证数字孪生场景能够精准反映工程实际，为施工期快速风险评定、支护措施及时调整等提供孪生场景支撑。

3.多元数据融合可视化

为保证工程数字化场景以及智慧化模拟高效、可视化效果逼真和沉浸式体验，需要将VR、AR、MR、全息投影等技术与引江补汉数字孪生进行应用融合，实现地形、影像、模型、水利专题要素等多元数据融合，以及从全球宏观尺度到工程局部微观尺度的多尺度无缝可视化，并将专业的施工工艺工法、仿真推演过程等在虚拟环境中进行直观、精准地可视化表达，同时结合工程实际变化进行实时调整。