数字孪生技术在大口径长距离输水管线施工管理中的应用

刘宗余，何思源，何志军，平金同，高 路

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

近年，随着城市供水工程建设规模的不断扩大，取水线路不断延长，大口径长距离输水管线工程项目也越来越多。针对长输管线这种施工作业区分散、地形条件复杂且不可控性因素密集的建设项目，通过构建数字化、智慧化的管理体系，实施精细化协同管理，着力解决传统项目管理中信息化程度低、资源配置合理性复核难度大、过多依赖施工经验进行决策等问题，借力数字技术的优势，降低施工协调难度，提升项目管理的智能性、预测性和决策水平。

数字孪生技术的应用是以整个施工过程的可计算、可控制为目标。结合项目特点，基于BIM+GIS、无人机倾斜摄影等先进技术，构建以项目安全、质量、成本、进度、人员管控为核心业务的数字孪生智慧管理平台，平台通过虚实模型的实时匹配与交互、数字驱动控制、大数据监测与分析、动态可视化、虚拟建造与辅助决策等，完成了实际施工作业与孪生体的数据关联，打通了数据壁垒，完善场地布置、施工模拟，可视化辅助决策，前置解决施工问题，实现了项目施工全阶段、多维度的可视化动态管控，为施工管理提供了高效准确、可视化的技术支持，充分发挥了数字孪生技术应用价值。管理平台具有实时性、可视化及协同性等优势。

一、项目概况及施工难点

某输水管线工程全长15 474 m，主要采用DN1600球墨铸铁管，工程总投资1.4 亿元。沿途穿越长深高速、国道、地方铁路5 处，穿越方式为泥水平衡钻，混凝土套管内穿涂塑复合钢管，每处需布置工作井及接收井2 座；穿越沥青路、燃气管线、国防光缆、氢气管线、原给水管线9 处，每处需布置工作井及接收井2座。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。

工程呈带状分布，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。工程地处沿海地区，土壤盐碱化程度高，土质以淤泥质土为主，且地下水水位高，全线穿越多处河流、渠道、公路、铁路及输油、输气管线。项目施工期限短、任务重，因征迁工作难度较大故施工作业面受限，项目涉及材料供货商、劳务分包、机械分包和专业施工队伍40 余家，多方协同管理难，安全、质量、进度、成本失控风险高，工程信息收集整理工作量大。

二、主要技术、标准及软硬件配置

1.建筑信息模型

BIM（Building Information Modeling）作为一种参照施工的三维模型，能够将传统的二维图纸转化为更加直观可视化的三维模型，在施工过程中可以做到集建筑信息模型、建筑信息模型应用、建筑信息管理一体化，服务于施工全过程，并基于这些数据通过数字信息仿真进行建筑物所具有真实信息的模拟。

2.地理信息系统

GIS（Geographic Information System）空间信息技术是在传统二维地理系统基础上发展而来的新一代三维空间信息技术。可以为复杂地理环境管道施工的规划、管理、决策和营运提供科学有效的技术支持。通过该技术所构建的三维空间框架，可作为包括BIM 模型、光学遥感影像、高程DEM 数据、无人机倾斜摄影、地面传感器等在内的多源数据的载体，以地理坐标为基准搭建一种管道路由的高还原度虚拟环境，具有十分优异的可视化效果和地理空间分析基础。

3.倾斜摄影测量

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，获取地面物体完整准确的信息，生成效果逼真的三维模型，更真实地反映地物的实际情况，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，具有便携、易用、节约人工、精度高等特点。

4.数字孪生

数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，利用多源传感信息链接与互译实现物理实体与虚拟数字孪生体之间的交互感知，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，将实时监测数据与理论模型进行对比，对物理空间的实际施工过程进行调整与修正。

5.VR 模拟建造

运用BIM+GIS 对工程实体进行三维建模，通过无人机实时或留存的航拍视频、视频监控录制视频，平台自动进行视频实时处理，对现场实际工程情况进行记录、标注和提示，运用VR 虚拟现实技术结合施工方案5D 模拟工程建造全过程，提前预判工程建设中可能出现的问题和错误，规避风险，减少返工，提高安全性，节能降费，指导施工全过程。

6.技术标准

参照执行的主要技术标准如表1 所示。

表1 技术标准

7.软硬件配置

采用的软硬件配置如表2 所示。

表2 软件硬件平台

三、项目管理平台建设

1.平台设计的业务架构和技术架构

管理平台融合BIM、GIS、无人机倾斜摄影、无人机巡检、数据三维重建等各种主要三维模型及视图形式，对基础数据、监测报警、场景漫游等数据进行三维可视化展示及管理。基于BIM+GIS 技术的全生命周期建设应用框架，采用BIM 技术建立精细化模型，GIS提供真实的三维地形场景信息，将BIM 模型、倾斜摄影数据等多源数据融合接入到GIS 平台，实现微观与宏观、虚拟与现实结合的多层次、多维度的信息融合，构建一个三维可视化的交互环境。以各种软硬件设施为基础，收集项目施工过程中各种数据，通过管理平台进行数据的处理、分析、存储、预警及设备的管理，服务于项目实施工程的质量、进度、安全、成本等管理要素，进而提高项目管理人员的管理水平，为项目施工保驾护航。管理平台架构如图1 所示。

图1 平台业务架构

2.三维场地布置

施工现场随着人、材、机的变化而动态变化，为了实现施工总平面的动态管理，将数字孪生技术应用于施工总平面布置，实现了动态布置及管理。

结合GIS 和倾斜摄影模型，在三维地形的基础上建立对应的BIM 场布模型，进行可视化模拟布置（见图2），综合成本、环境、安全等因素，合理规划施工营地、加工厂的位置分布，使有限的场地利用率最高，减少安全隐患，降低项目成本。合理的场地布置方案能有效地缩短材料设备的运输距离，避免临时设施的多次搭拆，给予工程项目一个良好的施工作业环境。

图2 三维场地布置

3.质量管理

结合数字孪生技术，通过使用虚拟质量样板，可以全方面展示工程材料、工序、工艺等信息内容，进行三维技术交底和施工模拟，预判实际工程可能出现的各种状态，通过无人机和高清摄像头实时监测重要工序施工质量，留存照片和视频，同时将质量检测设备数据实时上传到管理平台，进行原始数据留存备案备查，既满足人们的观感，又充分了解工程所采用的材料及施工质量、施工工艺、施工流程和施工水平。留存大量的一手实时施工过程资料，监督施工全过程，为质量问题的溯源提供了有效的证据支撑。

4.安全管理

通过VR 虚拟现实技术，对工程人员进行沉浸式安全教育培训，结合施工方案5D模拟和逃生方案进行虚拟预演，快速掌握安全教育、管理人员履职情况；基于倾斜摄影实景模型和BIM 场布模型，在GIS 平台上进行可视域分析，对于一个或者多个监控观察点，采用无人机实时巡检，从空中巡视施工盲区，快速定位项目风险、隐患分布，并对安全管理问题进行主动预警，防患未然，实时进行隐患排查、流程上报、流程跟踪验证以及隐患消除，将视频和图像资料实时回传给管理人员，提高工作效率；采用人脸识别、人员行为姿态检测、安全帽检测、车型识别、车牌识别、设备类型检测、设备计数等全方位多维度数据统计分析，随时随地掌握安全生产情况，提供模块化的安全管理总结分析素材快速生成安全数字报告，为管理人员决策提供数据支撑。

5.进度管理

基于大口径长距离输水管道工程的施工特点和合同中规定的节点目标，围绕关键线路和节点目标采用Project 软件编制施工进度计划，与BIM 模型关联起来，分段进行管道施工，导入Navisworks 进行进度模拟，工程人员基于不同的施工状况模拟多种施工方案，进行方案优化，实时更新进度计划，方便参与方的沟通交流和协作。在施工过程中，采用无人机进行定期航测，以周或月为单位对施工场地进行影像采集，建立实时倾斜摄影模型，与BIM 模拟建造进度进行直观性对比，实现实际进度信息的可视化表达，分析进度偏差原因，然后反馈于BIM 模型，更改工作计划，整体上把控项目进度。

在已有5D 进度模型中输入实际进度参数，实现实际进度与计划进度的可视化对比分析，通过动态跟踪计划及时纠偏，实际进度计划与模型进度数据联动，保障了进度计划编制、跟踪、检视、调整的完整性，形成PDCA 闭环管理。

进度计划支撑总月周逐级拆解，通过末端计划的实时跟踪，实时掌控进度偏差，自动计算滞后工期，并进行预警，工序任务融入周计划并分发到生产负责人移动端APP，指定责任人跟踪，实现PC 端对每一项计划进行任务派发和设定任务完成的要求，实时反馈派发任务完成状态，实时闭环，互联网实时同步，并在平台可实时进行已派发任务状态的查询。

6.成本管理

通过应用数字孪生技术提前对施工场地、施工道路进行三维模拟，对重要节点的主要施工工艺进行虚拟建造，对实际施工过程中潜在的问题进行提前预判，合理进行场布，选取最佳路由，从而减少施工用地面积，合理规划现场运输道路，确保运输通畅；三维模拟施工工艺，减少现场返工次数，减少施工人工投入，降低工程施工对材料的损耗，从而有效减少资源浪费。同时通过数字孪生管理平台，对项目进行投标成本—计划成本—实际成本的三算对比，分析项目管理过程中的成本管理的优点和漏洞，提高成本管理水平。

7.资料管理

留存无人机和高清摄像头航拍视频、监控视频，备案备查；同时将项目建设的前期资料、过程资料及竣工验收资料及时上传平台，进行资料汇总留存，与移动端相连接，做到资料的实时在线咨询和可视化管理，确保了资料的完整性、及时性和准确性。

8.劳务实名制管理

以信息化手段为基础，构建统一的施工项目劳务实名制管理平台。运用门禁系统、打卡机、无人机实时掌握各项目部人员分布及出勤情况，迅速定位人员异常问题，提高项目经理对项目部人员的管理力度。结合现场人员佩戴NB 版智能安全帽，可为管理者提供多样化、专业化的人员管理信息，辅助管理者进行现场生产的劳动力调配等多项生产管控，最终形成对施工现场劳务用工管理的决策依据。

9.物料跟踪验收系统

通过高清摄像头和无人机设备实施跟踪物料进出厂，通过收发料明细分析、汇总分析，即时更新动态，客观、真实、准确地反映收发料情况；可按时间、材料、供应商、来源、偏差等多视角组合分析，支撑实际采购、实际到货、实际发料分析，为采购计划、资金计划、用料安排、工程进度等提供精准数据支持。

10.视频监控系统

通过视频实时监看、视频存储、视频回放和延时摄影，将工程项目做到可视化管理，实时监测施工现场安全生产措施的落实，对施工操作工作面上的各安全要素等实施有效监控，同时消除施工安全隐患，加强和改善建设工程的安全与质量管理，实现建设工程监管模式的创新。系统可以在手机APP 和电脑网页、云平台上查看实时视频，便于及时发现问题，为远程管理提供方法。同时视频监控子系统具备存储功能，能根据摄像机、录像日期时间进行检索，发生问题可及时回溯，为解决问题提供依据。

四、效益分析

①数字孪生管理平台提供了一种全过程、全方位的智慧化方案，对施工过程可以实时反馈与调控，提高了现场作业中的信息利用率，实现了人工智能辅助预测，具有较高的可靠性，满足实际应用需求。平台以信息化、可视化的方式对施工现场、沿线周边环境进行仿真模拟，结合物联网、传感器等技术，对项目施工方案进行持续、动态、实时的优化。

②通过质量巡检定位、进度辅助决策、安全隐患排查与关联跟踪处理、成本异常溯源与比对分析等手段，确保了工程质量、作业安全和降本增效，提高了各专业的沟通效率，减少了工程返工和费用损失，项目节约工期33 d、节省成本约6%。

③平台的合理利用提升了项目施工的智慧化、数字化水平，各项效益指标均明显高于传统管控模式，实现了数字孪生精益化建造目标，为复杂环境下长输管线施工管理提供了一条切实可行的技术路线。

五、结 语

长输管线工程沿线地形复杂、不确定因素多、管理失控风险较大。针对传统的施工管理系统存在缺乏数据关联分析和可视化辅助决策等问题，通过分析该类项目特征及痛点、难点，从施工现场实体建模、数字孪生虚体建模、虚实交互关联建模的角度，构建了基于数字孪生的智慧管理平台，平台实现了施工过程全要素实施监测、数据分析、施工模拟与控制等信息技术集成应用。结合项目特点，通过现场作业与孪生体的数据关联，实现对临时设施、材料信息、进度状态、工程量统计、成本控制、工程质量、安全、人员的可视化动态管理，通过多维度属性信息赋值搭建三维信息模型与质量检验评定、计量支付之间的应用通道，辅助项目人员在第一时间发现问题并完成决策，及时调整和优化施工方案，最大限度地节约项目投资和工期。平台提升了项目管理的预测性与智能性，实际应用达到了预期效果。