数字孪生技术在百色水利枢纽通航设施建设中的应用

李金荣　曾庆祥　陈文媛

摘要：为探索利用数字孪生技术实现百色通航设施区域的数字映射和智能模拟，分析了数字孪生技术的应用现状，指出了现有水利工程信息化管理系统存在资源难以共享互通、信息化基础设施落后、业务协同智能化水平较低等不足，利用数字孪生技术搭建了百色通航设施施工管理平台。介绍了平台总体框架及关键技术，分析了该平台的特点并展示了其应用效果。该平台的建设可为工程建设精细化管理和智慧化决策提供技术支撑，保障工程建设过程中的进度、质量和安全。

关键词：工程建设； 智慧管理； 数字孪生； 百色水利枢纽

中图法分类号：TP391

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.12.018

文章编号：1006-0081（2023）12-0107-04

0引言

数字孪生技术经过多年的发展，历经了3个阶段性变革。第一阶段是静态的“复制-粘贴”模式，可以展示现实世界的各类场景，“本体”的改变对“复制品”没有任何影响；第二阶段通过结合物联网技术和各类监测技术，可实时采集现实场景数据并在孪生体上进行状态更新；第三阶段的数字孪生融合了VR、AR、AI，边缘计算等多种技术，实现了实体和孪生体的全要素虚实交互，实体状态的改变会实时反映到孪生体上，孪生体也能反过来去影响实体。数字孪生技术目前已经在各行各业得到实践。刘占省等根据数字孪生的特点分析了数字孪生技术在制造业、智慧城市、智能建造等方面的应用［1］，李效明等研究了数字孪生在港口信息化运营管理中的应用［2］，汤清权等研究了数字孪生技术在交直流配电网中的应用［3］，刘昌军等研究了数字孪生技术在淮河流域智慧防洪体系中的应用［4］。

目前，数字孪生技术在流域及水利工程管理中已开始应用，主要集中在利用数字孪生技术进行水利业务“四预”功能构建。随着数字孪生技术的成熟和成功实践，构建水利工程全生命周期的数字

生管理体系已经成为未来趋势。本文以百色通航设施工程为例，利用数字孪生技术搭建工程智慧管理平台。该平台实现了工程全过程、全要素的智能化管理，为百色通航设施建成后自动化及智慧化运营打下坚实基础。

1现有水利工程信息化管理系统的不足

水利工程建设管理中引入了很多信息化手段，但水利工程智慧化才剛起步［5-6］。现有的信息化平台远不能满足当下需求，主要体现在以下几个方面：① 数据资源分散在不同业务系统中，使用不同的技术和标准进行存储，资源难以共享互通；② 现有信息化基础设施落后，缺乏全域监测感知的基础环境，感知设备不够先进，采集的数据时效性、精确性较差，难以指导决策［7-8］；③ 业务协同智能化水平较低，用户界面缺少直观化展示和虚实交互，需要建设具有超前分析预判、风险防范模拟的数字孪生系统［9-10］，构建虚实映射的孪生体，实践“验算”孪生体的良性循环。在百色通航设施数字管理平台（以下简称“平台”）的建设中，

基于各类数据，建立了仿真模型，用模型指导施工，施工中的业务数据再返回验证优化模型，形成数字孪生闭环（图1）。

2平台总体设计

平台总体框架包括信息基础设施、数字孪生平台、业务应用、网络安全体系和保障体系（图2）。

（1） 信息基础设施。包括监测感知、工程自动化控制设备、通信网络和云平台。监测感知设备和工程自动化控制设备为数字孪生平台提供原始数据源；云平台为系统运行提供计算和存储资源，通过云平台建设，有利于统筹管理和节省成本。

（2） 数字孪生平台。包括数据底板、应用支撑平台和模型库。数据底板是数字孪生的基础，精准的原始数据是将物理工程映射到孪生体的保障；应用支撑平台为上层应用提供各类服务，方便业务应用层直接调用，可减少重复开发；模型库主要是工程结构可视化模型和机电结构模型。

（3） 业务应用层直接面向用户，为用户提供简洁实用的操作窗口并提供移动业务应用。

（4） 网络安全体系和保障体系主要包括了网络安全规范、技术标准规范、运维体系等，为平台的安全稳健运行提供保障。

3关键技术研究

3.1数字化场景构建

三维数字化场景构建主要以工程设计资料和测量影像数据为基础，使用Bentley系列软件作为三维设计工具，在设计阶段对工程土建、机电设备构建含有型号、尺寸、类型、位置等信息统一编码的三维模型。

（1） 地质分层开挖算量。以地质数据资料为基础，对工程区域进行三维地质建模，进行地质分层处理，并在三维模型的基础上进行开挖计算。

（2） 参数化建模。采用参数化建模方法，将设备模型中的定量信息变量化，使之成为可任意调整的参数，同时在定量与变量之间建立逻辑关系，形成约束条件，以此提高模型的生成和修改效率，同时生成参数化构件模型库。

（3） 模型WEB端轻量化加载。考虑到用户的跨平台需求，采用Cesium加载三维模型。Cesium是一款基于JavaScript创建虚拟场景的3D地理信息地图引擎库，支持海量数据的高效渲染，支持时间序列动态数据的三维可视化，同时提供优秀的触摸支持和移动端支持［11-13］。将数据进行切片，采用分层分区加载策略实现模型的快速加载。

3.2多源异构数据集成

将不同源、不同类型和不同精度的BIM模型数据、DEM数据、DOM数据、倾斜摄影数据、基础地理数据、监测数据及业务数据进行三维空间融合，达到数据宏观尺度和微观尺度的无缝切换和贴合。空间数据方面首先进行坐标转换和数据配准，将BIM模型数据与倾斜摄影数据、地形数据等多源数据统一到一个坐标系，实现各种信息对齐；然后再对数据进行镶嵌、压平、裁剪等操作，达到数据平滑衔接、纹理拼接自然的效果。BIM数据方面，由于Cesium支持glTF和bgltf两种格式，因此先将dgn格式的BIM模型数据转换为obj文件，然后利用Cesium官方提供的obj2gltf工具将obj转换为glTF格式数据。在业务数据方面，建立空间数据和监测数据、业务数据的关联关系和编码映射，通过统一的映射实现数据的融合。主要数据内容见表1，数据的主要格式见表2。

4平台特点

4.1横向全要素管理

平台将工程建设中的人力资源、物力资源、环境量以及规范等各类生产要素进行数字化映射，同时提供一套大屏管理系统，将管理者关注的要素信息集成在一个页面上动态展示。使用数据结合图形的方式，将投资、进度、质量、安全等业务数据进行实时统计分析并展示，帮助管理者直观掌握工程实时全况和未来趋势，为管理者提供决策支持。

4.2纵向全过程管理

平台提供工程中所有“规划-设计-实施-验收”流程的管理，大到整个工程建设和各个标段，小到单元模块的建设。对工程的设计方案、实施情况、验收情况、资金使用中的各类数据进行融合分析，与项目计划进行对比，使用图表和三维模型展示各类业务流程的进度。提供统一的登录入口，满足工程单位、设计单位、施工单位、监理单位的各类用户业务流程需求。

4.3虚实交互

平台接入了水文气象监测数据、视频监控数据、传感器数据、卫星遥感数据，将实时数据集成在三维模型中，同时通过平台向现地设备下发工控指令，指令执行完成后将执行情况上传至平台，形成精准映射、以虚控实的双向交互，提高生产效率的同时节约成本并且保障安全生产。

5平台应用

平台主要功能有进度管理、投资管理、质量管理、安全管理、计量支付管理、合同管理与档案管理。地图上通过三维模型展示了工程全局情况，用户可以通过缩小放大、测距、漫游等小工具快速查看工程细节信息（图3）。

5.1进度管理

平台根据进度计划使用BIM模型进行进度的三维可视化分析（图4），将实际进度与计划进度进行对比，并使用不同颜色加以区分（灰色表示未开工，黄色表示进度延迟，绿色表示按时完成），实际进度情况通过平台更新后实时反映到模型中。

5.2投资管理

平台利用模型数据和投资计划动态展示物料消耗量、资金花费情况等信息，计划投资与实际情况进行对比，形成资金落实情况分析，可根据标段和时间对费用落实情况进行统计。

5.3质量管理

用户可在平台上设置不同标段的质量规章制度和相关标准规范，同时对整改单进行统计，整改完成和整改未达标的部分以不同颜色进行区分；通过对质量活动数据的统计分析，可帮助管理人员快速全面掌握项目质量隐患，根据平台数据直接对质量问题进行溯源，落实到具体责任人。

5.4安全管理

在平台设置危重大工程显示，可设置不同标段的不同工程部位，为危重大工程设置风险级别，不同风险级别通过不同的颜色在工程三维模型中显示。管理人员可在手机APP上进行安全检查，检查一键上传，平台实时更新安全检查情况，便于实施人员及时整改，整改情况及时反馈。

6结语

利用数字孪生技术搭建的百色通航设施施工管理平台，有效提高了工程建设管理水平，实现了各类资源的合理调控，便于各类生产活动的精细化管理。同时，工程建设中的各类数据得到了有效的保存与共享，可在通航设施运营期继续发挥作用。百色通航设施施工管理平台是数字孪生技术在施工期的初步实践，要达到数字孪生技术的深入应用还有很多智能化功能需要实现。后續将在智能分析方面进行深入的探索，提高数字孪生技术在升船机安装调式中的预演作用，增加视频智能分析技术和智能模型学习系统，进一步提升工程质量和安全管理能力。

参考文献：

［1］刘占省，史国梁，孙佳佳.数字孪生技术及其在智能制造中的应用［J］.工业建筑，2021，51（3）：184-192.

［2］李效明，钱文军.数字孪生技术在港口信息化建设中的运用［J］.中国水运，2022（4）：48-51.

［3］汤清权，陈冰，邓文扬，等.数字孪生技术在交直流配电网的应用研究［J］.广东电力，2020，33（12）：118-124.

［4］刘昌军，吕娟，任明磊，等.数字孪生淮河流域智慧防洪体系研究与实践［J］.中国防汛抗旱，2022，32（1）：47-53.

［5］曾焱，程益联，江志琴，等.“十四五”智慧水利建设规划关键问题思考［J］.水利信息化，2022（1）：1-5.

［6］廖晓玉，高远，金思凡，等.松辽流域智慧水利建设方案初探［J］.中国防汛抗旱，2022，32（2）：40-43，53.

［7］蔡阳.智慧水利建设现状分析与发展思考［J］.水利信息化，2018（4）：1-6.

［8］甘郝新，吴皓楠.数字孪生珠江流域建设初探［J］.中国防汛抗旱，2022，32（2）：36-39.

［9］卢建华，刘晓琳，张玉炳，等.基于数字孪生的水库大坝安全管理云服务平台研发与应用［J］.水利水电快报，2022，43（1）：81-86.

［10］黄艳.数字孪生长江建设关键技术与试点初探［J］.中国防汛抗旱，2022，32（2）：16-26.

［11］刘勇，王伟玲，许洪健.基于React_Umi+Cesium框架下的水利工程 BIM+GIS的 Web 端应用实现［J］.治淮，2022（2）：26-28.

［12］王丹，孙晓宇，杨路斌，等.基于SpringBoot的软件统计分析系统设计与实现［J］.软件工程，2019，22（3）：40-42.

［13］王文凯，黄昆学，李梦，等.倾斜摄影测量数据轻量化处理技术研究［J］.测绘通报，2020（9）：123-126．

（编辑：李晗）

Application and exploration of digital twin technology in construction of navigation facilities of Baise Water Conservancy Project

LI Jinrong，ZENG Qingxiang，CHEN Wenyuan

（China Water Resources Pearl River Planning，Surveying & Designing Co.，Ltd .，Guangzhou 510611，China）

Abstract：In order to explorer the application of digital twin technologyin digital mapping and intelligent simulation of Baise navigation facility areas.The current status of the application of digital twin technology is analyzed to point out the deficiencies of the existing water conservancy project information management system in terms of resource sharing and interoperability，outdated information infrastructure，and low level of business collaboration intelligence，etc，we have built a construction management platform for Baise navigation facilities using digital twin technology.We introduced the overall framework and key technologies of the platform，analyzed its characteristics，and demonstrated its application effects.The construction of the platform provides technical support for refined management and intelligent decision-making in engineering construction，ensuring the progress，quality，and safety of the engineering construction process.

Key words：construction of engineering； smart management； digital twins； Baise Water Conservancy