数字孪生技术在引江补汉工程全生命期的应用探讨

雷畅，宋志忠 ，罗斌，卞小草 ，杜华冬 ，3

（1.长江勘测勘察设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；2.长江水利委员会智慧长江创新团队，湖北 武汉 430010；3.长江水利委员会互联网+智慧水利重点实验室，湖北 武汉 430010）

0 引言

当前，数字孪生等新一代信息技术高速发展，成为技术创新、经济增长和社会变革的主要驱动力。水利行业大力推进数字孪生流域建设，数字孪生水利工程是数字孪生流域建设的重要组成部分，也是切入点和突破点[1]。开展工程精细建模和业务智能升级，保持数字孪生水利工程与实体水利工程的融合性、交互性、同频性，已成为当前数字孪生水利工程建设的核心任务与目标。目前，已有众多学者围绕防洪、水力发电、城镇供水排水等不同工程类型，针对勘察设计、建设管理、运维管理不同阶段的功能需求，建立了基于数字孪生技术的各类平台或系统，取得了一定成果[2-6]，但对深埋长大隧洞工程全生命期数字孪生建设的研究较少。

引江补汉工程全程采用隧洞输水，是南水北调中线工程的后续水源工程，也是分层次、立体化数字孪生南水北调工程体系的重要组成部分[7]。为此，以引江补汉工程为例，介绍全生命期数字孪生建设目标与框架，探讨数字孪生技术难点与解决思路，介绍工程各阶段孪生应用建设方案和初步成果，以期为项目后续建设奠定基础。

1 建设目标与总体框架

按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，充分运用数字孪生、云计算、大数据、人工智能、物联网等新一代信息技术，构建引江补汉全生命期数字孪生应用体系。数字孪生引江补汉总体架构如图 1所示，各组成部分建设目标如下：

1）信息化基础设施。包括监测感知体系、通信网络及基础环境等内容，以基本实现工程建设和运维全要素感知、算力资源的全面云化为目标。

2）数字孪生平台。包括数据底板、模型库、知识库、孪生引擎及通用支撑组件，以打破各阶段、系统数据壁垒，实现全生命期多源异构数据的融合治理，建立标准统一、接口规范、敏捷复用的孪生平台，提升工程安全、调度运行等多场景多目标嵌套的数字化映射能力为目标。

3）业务应用。业务应用体系分为以下 3 个阶段：a.勘察设计阶段，主要包括三维协同设计、数字交付2 项内容，以动态比选调优方案，实现数字交付为目标；b.施工建造阶段，主要包括数字建管、智能监控、智能建造等内容，以提升不良地质风险识别及管控、隧洞动态支护、施工建造仿真与资源配置优化等“四预”能力为目标；c.运行维护阶段，主要包括智能调度运行、工程安全智能分析预警、智能监控、智能运维、水质与生态环境管理等内容，以提升工程安全“四预”能力为目标。

4）网络安全及保障体系。在工程建设期和运行期网络安全体系建设分别满足等保二级和三级要求，同时，聚焦数字孪生平台，在关键信息基础设施防护、自主可控等相关领域开展标准规范体系建设。

图1 全生命期数字孪生引江补汉工程总体框架

2 技术难点与解决思路

2.1 多源异构数据融合治理

引江补汉全生命期数据包括基础、监测、业务管理、外部共享、地理空间等 5 类数据，在数据融合中须解决多源异构问题。地理空间数据融合，包括地形与 BIM模型、地形与倾斜实景模型、倾斜实景模型与BIM 模型的融合，采用空间坐标转换+数据格式转换+属性编码映射方式实现；基础、监测、业务管理、外部共享等数据，通过制定清洗规则、字段映射、自动+人工校核等方式融合；基础、监测、业务管理、外部共享等数据与地理空间数据的融合，通过场景元素和标签系统等方式实现。

在全生命期数据治理中存在颗粒度不统一、同值多源或多义、同一属性在不同时间域取值不同、同一属性不同用户关注点不同等问题。为此，从以下 4 个维度建立数据模型：1）对象域。按工程结构划分，引江补汉工程划分为输水隧洞、进/出口建筑物、石花控制建筑物、检修排水泵站等对象，可结合不同时间域的管理需求进行组合、细分。2）管理域。按管理维度划分，如按进度、质量、安全、费用等划分。3）用户域。按组织机构及角色配置划分，如按施工单位安全管理业务人员、建设单位安全管理分管领导等划分。4）时间域。分为勘察设计、施工建造和运行维护三大阶段，还可按需进一步细分。

2.2 BIM 模型动态更新与场景加载

引江补汉工程地质条件复杂，隧洞支护 BIM 模型的快速创建与动态更新问题尤为突出。研发辅助建模工具，建立参数表驱动的标准隧洞断面结构模板库和属性库，通过参数表可灵活调整模型的几何、属性信息及装配洞段的桩号。BIM 模型导入数字孪生平台后，基于围岩智能分级等成果更新参数表信息，可驱动相应支护模型沿隧洞中心线自动装配。

针对模型数据量过大导致存储空间压力大、加载效率低和浏览展示帧率低，以及全生命期孪生场景类型多、展现效果需求各异等问题，以场景为核心组织模型数据并进行调度渲染，通过模型预测试数据流式加载、场景划分和渲染调度算法优化，在保留模型原始几何精度和属性信息及扩展模型拓扑等更高价值数据的同时，支持百万级构件秒级加载及多元素场景定制。

2.3 多场景多目标嵌套模拟仿真

目前已有一些水利工程仿真计算云平台集成了部分仿真专业软件，针对水利工程典型、复杂应用场景进行了定制化和流程化封装，可依托云服务模式开展工程结构静动力分析、复杂流动过程模拟、结构流体相互作用分析、施工过程仿真等高性能并行计算[8-9]，但存在模型通用性不足、多种模型配置不灵活等问题，在全生命期孪生应用中无法快速响应跨阶段、跨业务及业务耦合模拟仿真需求，如引江补汉工程安全与调度运行互馈模式下的方案预演。

因此，将水利专业模型分析过程划分为输入、计算和输出 3 个工作界面：输入界面自定义不同边界条件、模型参数等；计算界面只做具体算法，封装为统一接口形式的模型而不限制开发框架；输出界面展现模型计算成果，包括二维图表和孪生场景预演。将模型与单一对象解耦，同一对象可配置到不同计算任务中，同一模型可迁移至其他类似对象上使用，并开发模型管理工具，实现各类模型的上传、下载、配置、调用等功能。

3 全生命期数字孪生应用

3.1 勘察设计阶段

引江补汉工程输水隧洞穿越地层众多，地质条件复杂，设计方案须动态调整，且以 GIS+BIM 模型为核心的数字化成果是施工建造、运行维护阶段孪生应用的重要支撑，因此隧洞 BIM 模型快速更新和数字交付是勘察设计阶段数字孪生的应用重点。

3.1.1 BIM 模型快速更新

采用“骨架+模板”的建模方法，以隧洞空间线路为中心“骨架”，以链接模式将由参数化驱动生成的不同支护衬砌结构关联装配，自动生成隧洞 BIM 模型。建模过程中仅需从目录库中调用并赋予相应参数，读取隧洞工程属性定义模板文件并绑定到相应的隧洞结构构件上，通过更新参数表信息驱动模型更新。

3.1.2 数字交付

搭建了勘察设计数字孪生平台，宏观层面可展现线路布局，前期勘察地形、地质，围岩总体分级成果，工程分区分段，施工布置，以及与环境敏感区、沿程受水区等社会及环境影响的位置关系；微观层面可展示各建筑物及各段隧洞的结构和支护参数、工程量、地质条件、不良地质风险、围岩级别等详细信息，实现勘察设计成果的数字交付。此外，还具备对施工建造和运行维护阶段数字孪生建设的延续支撑能力。引江补汉勘察设计数字孪生平台典型功能界面如图 2 所示。

图2 引江补汉勘察设计数字孪生平台

3.2 施工建造阶段

引江补汉工程具有“三高、两多、一软、一活动”的特点，全线 Ⅳ/Ⅴ 类围岩洞长占比约为48%，采用TBM（隧洞掘进机）和盾构机施工的洞长占比约为63%，部分埋深超 700 m 的软岩洞段存在卡机风险，且参建方多，工期长，建设管理难度大，因此不良地质风险识别及管控、隧洞动态支护、TBM/盾构施工管控、施工资源合理配置及多方协同管理是施工建造阶段数字孪生的应用重点。

3.2.1 “五联动”可视化建管

建立单元工程与进度作业、合同工程量清单、概算项目的映射关系，单元工程质量验评合格方可计量结算，结算完成后自动归概分析，在此过程中利用动态更新的 BIM 模型进行工程量计算。结合电子签章，基于电子文件生成、“四性”验证（真实性、完整性、可用性和安全性）、归档及跨系统全生命期管理技术，完成相关资料同步在线归档。基于工程孪生体对管理状态进行可视化呈现，实现以概算控制为目标、进度计划为龙头、质量验评为驱动、计量结算为约束、文件归档为保障的“五联动”可视化建管。

3.2.2 不良地质风险识别与管控

建立引江补汉工程地质专业模型和知识库，对前期勘察的基础信息、初步评价成果，以及施工前的超前地质预报、TBM/盾构机掘进参数、其他监控量测等多源异构数据进行融合分析，建立深埋隧洞连续掘进风险分级评价体系，实现不同地质灾害超前地质预报方法推荐，地质灾害风险等级识别与预警，管控与处置措施推荐。施工后，根据实际揭示情况、处置效果，优化模型和知识，提高决策精准度。基于孪生体对全过程进行可视化呈现和动态更新。

3.2.3 隧洞动态支护

建立引江补汉工程支护方案匹配模型和知识库，对前期设计围岩分级和支护方案，施工前掌子面和岩渣图像、TBM/盾构机掘进参数，以及不良地质类型等级、施工方案、工程部位等多源异构数据进行融合分析，实现围岩智能分级与预警、支护方案智能匹配和变更工程量价分析。施工后，根据实际揭示情况和支护效果，优化模型和知识，提高动态支护成效。

3.2.4 TBM/盾构施工智能管控

在三维场景中对所有施工标段的 TBM/盾构机作树状管理，实时监控掘进、姿态、设备部件等运行参数，分析掘进工效、刀盘/刀具利用和损耗情况等关键信息，结合前方不良地质风险识别、围岩智能分级成果，优化参数设置，并建立阈值分级预警体系，辅助TBM/盾构施工智能管控。

3.2.5 施工仿真与资源配置优化

采集引江补汉工程钻爆、TBM/盾构施工各工序用时，结合围岩参数、支护方案等边界条件，建立施工仿真计算模型，根据历史数据预测后续工期、施工强度、综合进尺，对比计划与实际投入的人力、物料和机械设备情况，以“资源有限、工期最短”或“固定工期、资源平衡”为原则，分析滞后工序和原因，辅助制定资源配置优化方案，并开展工艺模拟和 BIM 5D 分析。

3.3 运行维护阶段

引江补汉工程建成后须保障结构和运行安全，实现无人、少人值守，因此工程安全智能分析预警、调度运行及运维是运行维护阶段数字孪生的应用重点。

3.3.1 工程安全智能分析预警

可通过以下方式实现引江补汉工程安全“四预”应用：1）利用工程安全监测历史数据系列，建立各类安全性态预测模型，预测建筑物变形、应力应变等效应量；2）基于 BIM 和有限元分析等模型，在线计算渗流、渗压、应力变形等关键指标，并以图表、三维模型等多种形式展示分析成果；3）基于数值模拟、实时监测数据分析，评估闸门流激振动风险；4）建立预警指标分级管理体系，自动预警及消警；5）预警触发后，开展运行预案的安全风险评价和预演，与运行方案互馈修正，并分析应急响应等级，推荐应急预案。工程安全“四预”总体业务流程如图 3 所示。

图3 工程安全“四预”总体业务流程

3.3.2 智能调度运行

通过以下方式实现引江补汉工程调度“三预”（无预报）应用：1）以丹江口水库为中心，根据汉江中下游及南水北调中线用水需求，考虑三峡和丹江口水库水位、来水形势及引江补汉隧洞过流能力等多重因素，模拟生成不同时段水量调度计划，并基于实时监测水情、当前调度场景和控制目标进行滚动修正，生成实时开度控制指令；2）开展不同控制方案下水动力响应模拟，计算分析各类调度运行工况下的沿线压力、流速，以及石花闸、隧洞进出口局部流态，保障水力安全，优化调度运行规则和开度控制策略；3）对固定或人工指定特定时段的调水过程进行回顾分析，从安全、效益、效率等维度对调度运行情况进行综合评价。

3.3.3 智能运维

结合视频图像识别、知识图谱技术，开展引江补汉工程水闸、泵站等设施设备的故障诊断和安全评价，基于大量在线监测数据、设计参数，优化重要设备运行策略；结合人员定位、数字孪生技术，做好应急响应和智能巡检工作。在三维场景中，呈现设备设施运行状态、动态巡检、应急响应等信息的时空变化过程，实现工程运维状态可明示、管理过程可追溯、监测信息可跟踪，以及分级预警与预案推送。

4 结语

数字孪生引江补汉工程基于统一的数字孪生平台，按照勘察设计、施工建造和运行维护3个阶段进行建设。目前，已搭建勘察设计数字孪生平台，实现数字交付，为后续建设奠定了良好基础。下一步，将继续开展多源异构数据融合治理、BIM模型动态更新与场景加载、多场景多目标嵌套模拟仿真等技术攻关，以及施工建造和运行维护阶段的数字孪生应用建设，为类似工程提供借鉴。