基于Bentley平台的数字孪生技术在地质勘察中的应用

■ 中水北方勘测设计研究有限责任公司 王国岗 陈亚鹏 赵文超

水利水电工程地质勘察周期长达数年之久，积累了大量的过程数据资产与成果资产，但这些资产分布零散，很难生成系统性的数字化成果[1]。此外，目前工程地质勘察仍主要依靠纸质记录及二维图纸的生产方式进行生产，为此需要投入高于勘察市场要求的的人力与时间，难以满足日益紧张的勘察周期要求[2][3]。

数字孪生是以数字化方式创建物理世界的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段[4]。将数字孪生技术应用到地质勘察中，通过物联网技术实现工程项目地质勘察现场物理空间的感知与数据传输，利用三维实景技术与地质三维模型实现虚拟空间对真实物理空间的仿真模拟，借助人工智能算法等实现虚拟空间与物理空间的动态交互，从而实现从勘察外业数据采集与传输、数据存储与分析、三维地质建模、数据仿真与分析等勘察生产全过程的数字化，实现基于Bentley平台的数字孪生技术在勘察中的全方位应用。

为解决地质原始数据采集难点大、数据格式不一致、各环节的业务难以快速有效协同、缺乏统一实用的信息系统支撑等难题，本文基于Bentley数字孪生技术，提出了勘察生产全过程的数字化解决方案，包括勘察外业数字化采集、数据中心内业智能分析、三维地质建模、三维数值仿真分析、数字化交付等内容，从而实现地质勘察的三维正向设计。该方案的应用效果良好，具有较高借鉴意义。

Bentley数字孪生解决方案

在工程地质数字孪生解决方案的软件及平台支撑方面，Bentley系列软件基于一个模型、一个平台、一个数据架构，具有良好的通用性与数据兼容性，在行业中得以广泛应用[5]。Bentley以MicroStation为基础图形平台、以ProjectWise为协同作业平台，形成了工程测绘、地质勘察、岩土体设计分析、综合应用为一体的数字化解决方案，为地质业务数据深度处理、地质软件开发应用和地质信息综合服务提供了高效的数字化应用平台。

如图1所示，在工程地质虚拟环境的搭建中，主要利用ContextCapture、Pointools及Descartes进行实景建模及处理，基于MicroStation自主开发的三维地质建模系统完成三维地质模型的建立，通过GEOPAK进行模型开挖模拟，在PLAXIS等软件中分析了地质体及坝体的力学特性，将地质三维成果在ProjectWise中与多专业进行协同设计，并在B/S端进行了数字化交付。

图1 基于Bentley的地质数字孪生方案

此外，为更好满足勘察生产需求，中水北方勘测设计研究有限责任公司充分利用三维GIS、无人机倾斜摄影、工程数据库、三维地质建模等现代信息技术，进行了深度研发[6][7]：基于GIS平台研发了数字化采集模块，即三维地质数字化采集软件（桌面端）与数字化地质测绘软件（移动端），用于进行数字化地质测绘工作；基于SQL Server研发了三维地质信息数据软件用于进行地质数据的管理与分析；基于MicroStation研发了三维地质建模及出图软件，将前期勘察数据进行三维地质建模，建立起三维地质环境中核心的数字孪生体；在MicroStation平台上完成与CAE软件的集成，实现了大型复杂三维地质模型快速转化为CAE模型，通过二次开发将相关仿真计算过程固化，形成标准化、自动化的计算流程，为地质勘察虚拟世界指导物理世界提供算力支撑。

项目实践

项目概述

西藏PZ水利枢纽为大（2）型水利工程，工程等别为Ⅱ等。工程主要建设任务是保证下游3.95万亩灌区灌溉需求、向流域及周边缺电地区提供电力，结合城乡供水，并为改善区域生态环境创造条件。工程建设受复杂区域条件影响，地质勘察不利因素多：地质条件复杂，地质数据获取过程繁琐；地质勘察人员及工期紧张，传统勘察方式难以满足进度要求；位于高寒、高海拔地区，勘察环境恶劣，工作开展难度大；外业地质测绘区域广，测绘点、线状展开，整体性与系统性差；生态环境脆弱，水土保持及环境保护要求高。

勘察工作利用基于Bentley的工程地质勘察数字孪生解决方案，打通了勘察全过程数字化的技术路线，保证了勘察工作的顺利开展。

具体应用

三维数字化采集

面对工程区高寒、高海拔及人工测绘难度大等问题，通过基于三维实景的数字化地质测绘技术高效完成了测绘任务：一是对工程区进行高精度无人机倾斜摄影，获取高清晰图片；二是将无人机采集的图像导入ContextCapture三维实景建模软件，软件通过空三计算、重建阶段的参数设置等计算过程，输出结果为三维实景模型，能够满足大比例地质测绘需求；三是将三维实景模型导入三维地质数字化采集系统桌面端（以下简称“桌面端”），形成初步的融合底图；四是在移动终端实现地质点、钻孔、地质界线的外业数字化采集；五是在桌面端完成地质勘测内业数据的整理、分析，形成数字化的地质外业成果，如图2所示。

图2 基于三维实景的数字化测绘成果

坝址区三维地质建模

坝址区出露地层分别为白垩系昂仁组第一段（K1-2a1）地层、第四系（Q）松散堆积物及侵入岩，其中，K1-2a1根据地层岩性、沉积韵律并结合岩体的工程地质特征，大致可分为8个工程地质岩组（层），即K1-2a1-X1-K1-2a1-X8。通过三维地质建模，将覆盖层、岩性（层）等进行了三维可视化展示，并利用二三维联动技术修正网格面，动态更新三维地质模型。当模型固化后，通过布尔运算，生成坝址区三维地质体模型（图3），为工程决策提供地质条件支撑。

图3 坝址区三维地质模型

数值仿真分析与数字交付

通过基于MicroStation开发的CAD/CAE数值仿真程序，将建立好的三维地质模型快速转化为含高保真地质信息的三维数值计算模型，为工程重要部位岩土体的变形与稳定性进行力学分析，为水工设计及时便捷的提供定性分析。图4展示了料场边坡CAD/CAE数值仿真计算结果在MicroStation“光滑—缺省”及“消隐—缺省”两种显示样式下的展示方式。

图4 料场边坡CAD/CAE数值仿真分析

在建设工程区地质数字孪生平台时，利用三维仿真技术、BIM、GIS技术，构建全场景数字化平台，搭建真实的三维数字场景，结合勘察布置、水工方案，形成基础工作平台，使管理决策在可视化状态中进行，支撑多专业协同工作的动态化、精细化和科学化，服务于工程各参建方。

应用成效

基于Bentley平台的数字孪生地质勘察技术首次在本项目勘察全过程得到了应用，实现了地质信息的数字化采集、存储、数据驱动、参数化建模、模型动态更新的地质勘察三维设计，方案提高了工程地质专业内外业的工作效率，提升了地质勘察工作的精准度与可靠度，使勘察总体设计效率比目前的状态提升至少60%，极大提升了勘察的生产效率与产品质量，降低了生产成本。

结语

基于Bentley平台的数字孪生方案为工程勘察搭建了三维数字化场景，使勘察全过程具备了三维可视化仿真分析能力，降低了地质勘察工作的难度，保障了勘察质量，可显著降低工程成本；同时，数字化勘察有助于提升地质数据的利用率，减少环境破坏，保障绿色施工，有着明显的生态效益。此外，方案建立的数字化平台能够促进勘察工作时的有效沟通，形成信息共享、开放的协同设计环境，为用户提供一体化多方位的决策支持服务，大幅提升工程勘察设计服务水平。

面对工程数字化、信息化及智能化建设蓬勃发展的大趋势，仍需深化基于Bentley平台的地质勘察数字孪生方案在生产各环节中数字化快速作业技术路线，不断提升在地质数据外业智能采集、地质数据管理与挖掘、地质成果三维可视化展示与分析、地质资源跨平台全面共享等业务方面的应用，在地质生产理念和管理模式上进行转变和创新。