引江补汉工程建设管理数字孪生体系的构建研究

孙瑞刚，陶少雄，管林杰，张国帅

（1.中国南水北调集团有限公司，100036，北京；2.中国南水北调集团江汉水网建设开发有限公司，430048，武汉；3.长江设计集团有限公司，430048，武汉）

近年，随着云计算、区块链、数字孪生等新一代信息技术浪潮的到来，以“感知、互联、智能”为特点的智慧化应用极大地优化了各个行业的行为方式。水利部门秉承“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的目标，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，深入推动智慧水利体系建设。数字孪生作为实现物理系统向信息空间数字化模型映射的关键技术，已经成为“信息水利”向“智慧水利”跨越的重要手段。引江补汉工程是推进南水北调后续工程高质量发展的首个开工项目，工程以深埋长隧洞为主，地质条件复杂、隧洞施工难度大、工程建设周期长、不确定因素多、管理难度大。为了服务引江补汉工程建设管理，支撑工程超前地质预报、施工方案优化，保障施工安全与进度、实现工程的精准化调度，以数字化、网络化、智能化为主线，建设数字孪生引江补汉工程十分重要。

一、构建思路

运用新一代信息技术，建立覆盖工程全域的空—天—地感知网，实现引江补汉工程建设阶段隧洞超前地质预报、支护方案动态优化，施工过程进度仿真、质量管控、安全评价、投资预算管控；运营阶段水量联合调度、生态环保、安全监测等物联感知操控、全要素数字映射、可视化呈现、模拟仿真推演等，实现工程的数字化映射、智慧化模拟、精准化决策和“四预”功能，减少工程在物理空间的试错和建设成本，提升工程建设效率，保证工程安全和质量。

数字孪生引江补汉工程总体架构由工程基础设施、数字底座、智能运行中枢、数字孪生应用体系四大横向层，以及工程安全防线和标准规范两大纵向层构成。其中，工程基础设施建设提供必要的基础环境；数字底座是“算据”，为上层应用提供数据支撑；智能运行中枢是能力中台，也是工程大脑；工程数字孪生应用体系是工程全生命周期各阶段信息化、数字化、智能化和智慧化应用。

二、框架设计

引江补汉的数字孪生体系是跨越工程建设、运营维护阶段的一体化智慧工程，是高起点、高定位、多方协同的工作平台。

1.全生命周期一体化管控

工程建设阶段，以项目管理业务为核心，为参建各方提供统一高效的智慧施工协同平台，用信息化手段搭建信息流转和汇集枢纽，满足不同层次参与者的信息共享需求。工程运营阶段，以高效管理为核心，提供统一的数字化、可视化管理，利用数字孪生技术为输水自动化、智能水量调度、水质监测管理、工程运行维护管理等提供技术支撑。

2.全方位施工管控、辅助决策

工程建设期以施工安全、进度、质量管控为目标，以数字孪生和智慧建造为手段，充分利用一体化感知设施，实现对人、机、料、法、环、测施工全要素的感知操控，规范工程安全、质量、进度、合同、物资等业务的日常管理。同时利用数字孪生技术重点解决长距离隧洞工程TBM施工过程中地理信息、地质信息、主机工作状态信息的快速获取、快速解译、快速集成、模拟推演，提高工程施工辅助智能控制与决策能力。

3.多工程联合、智慧、精准调度

引江补汉工程的运行涉及范围大、工程对象多，调度目标及边界复杂，基于常规的单工程水量调度模型不仅过程复杂、计算量大，而且由于模型率定等原因难以获得准确合理的结果，需要借助大数据分析建模方法，建立多个工程智能、精准联合调度模型，充分考虑多个工程联合调度需求，利用多个工程来水、用水、调水等多元数据，为多个工程联合、智能、精准调度提供支撑。

4.创新科技应用技术支撑平台

采用物联网、大数据、云计算和数字孪生等新技术，充分利用全要素数字映射、虚实融合互动、可视化呈现、数据融合供给、模拟仿真推演，以及自学习、自优化等优势技术，为精准化决策和“四预”赋能，提升工程管理效率和水平。

三、建设内容

1.基础设施建设

基础设施建设旨在采集和更新引江补汉全域地理空间信息、实景三维数据、全要素监控监测数据、工程业务数据等，确保现实与虚拟的实时镜像和同步运行。

①全域感知设施。采集和更新工程安全监测信息、地质岩层信息、TBM施工信息、渣土料场监控信息、人员车辆定位信息、水量/水温/水质监测信息、视频信息、施工环境信息等。建设内容包括隧洞内地质、环境等智能化监测监控设施设备、TBM智能感知设备、外部环境监测监控设施、隧洞UWB（超宽带）智能定位、车载GPS定位、智能视频监控（施工过程智能监控、闸门泵站工情监控）、水量、温控、水质等感知设施和移动采集设备。

②网络连接设施。为工程勘测、现场施工以及后期运营等提供数据感知和交互支持，保障隧洞内外网络连接正常，以及与相关业务系统实现实时数据交互响应。建设内容包括建设期现场接入网、传输网、核心网构成的三层网络连接设施，以及运营期自建及租用的网络连接设施。

③智能计算设施。为系统提供运行环境支持，同时满足可视化引擎、模仿仿真引擎、计算分析引擎等高性能硬件保障需求。建设内容包括服务器主机系统、存储与备份系统和计算机网络系统（由软件来控制及资源分配部分），在此硬件设施基础上，通过统一的虚拟化平台，将这些资源抽象化为计算资源、存储资源和网络资源，分别存放在计算资源池、存储资源池和网络资源池。

④网络与计算资源调度平台。主要基于云边协同计算等技术，对虚拟化的计算资源、存储资源和网络资源进行动态分配，满足引江补汉工程信息化高效调度使用云网资源。

2.数字底座建设

①感知与智能设施管理平台。对引江补汉工程感知体系和智能化设施进行统一接入、设备管理和反向操控。

②工程大数据平台。汇聚全域工程地理空间数据、全要素模型数据、监控监测等业务感知和计算分析数据等，与基于BIM+GIS的工程信息模型平台整合，展现工程全生命期各阶段全貌和建设状态，成为数据驱动工程建设模式的强大基础。

③基于BIM+GIS的工程信息模型平台。与工程大数据平台融合，形成基础数据统一、监控监测数据汇集、业务数据融合、二三维一体化的工程数字底座，是工程全域全要素实现精准映射、虚实互动的核心。

3.工程智能运行中枢建设

①共性技术赋能与应用支撑平台。汇聚人工智能、大数据、AR/VR等新技术基础服务能力，以及引江补汉工程特有的场景服务、数据服务、仿真服务等能力，为上层应用提供技术赋能与统一开发服务支撑。

②专业模型与知识平台。主要是工程建设、运营全生命周期各阶段专业分析模型（如超前地质预报模型、支护方案动态优化、施工仿真模型、水量联合调度模型、安全监测分析模型等），以及根据工程大数据分析、专家经验等获取的规则库、知识图谱等。如：根据TBM现场施工采集的视频、影像，以及TBM本身感知信息，获取施工质量、进度、安全、资金等与现场环境的关联规则；根据物联感知数据和人工专家经验，建立样本数据，进行机器学习，获取如隧洞岩性分析、地质鉴别等规则和知识；根据来水预测预报、用水数据等，进行反演和关联分析，获取水量调度的关联知识图谱。

③应用开发支撑平台与应用开发组件。为应用系统开发和运行提供必要的基础功能支撑，包括为各类应用提供二次开发、交互封装、软件运行的组件基础，以及对各类服务（如视频服务、空间数据服务、模型服务等）进行管理，并提供平台自身管理功能。

4.数字孪生应用体系建设

工程数字孪生应用体系建设内容不仅包括工程全生命期各阶段应用，更包括凸显工程管理数字孪生特征的智慧应用，如工程画像、虚拟服务、动态可视化仿真、决策支持等，支撑工程超前地质预报、动态支护施工方案优化，保证施工安全和进度、实现精准调度。

①建设期数字孪生应用。基于超前预报监测反馈数据、勘探数据等构建的规则和知识，进行地质数据动态更新，支撑施工方案快速可视化，辅助隧洞支护方案动态调整及比选。BIM模型全生命期各阶段继承应用等。根据专业模型与知识平台中施工安全、进度、质量、资金等要素的关联规则，以及隧洞围岩岩体智能识别、结构面解译、岩性分析与定量评价分析专业模型，辅助施工资源的合理有效配置和优化施工方案，实现施工全要素管理的精细化和精益化。构建建设期全要素联动的领导驾驶舱，辅助施工决策分析。

②运营期数字孪生应用。基于构建的水量调度规则库和知识图谱，实现多个工程联合、智能、精准的水量调度。通过来水等预测预报数据、用水监测数据等大数据分析得到的关联关系，实现精细化用水管理。基于调水、用水的水质、水量等监测数据，生态环境监测数据，实现生态环保影响评估与决策分析。通过构建的工程全域感知网，实现工程安全的实时/准实时动态监测和工程设施设备的智慧化运维。基于调水、用水、生态环保以及工程安全等数据分析和评估结果，辅助决策会商和应急管理等。

四、数字孪生体系的关键技术

1.系统技术构架设计

引江补汉数字孪生工程服务于项目的建设期和运营期，建设周期长，覆盖业务面广，对系统稳定性、可靠性、实时性、准确性、开放性、可扩展性、可维护性要求很高。

除了采用国内最先进、成熟的基础支撑，如3D GIS+BIM平台、工作流引擎平台、统一身份认证和单点登录、电子签章等外，还大力推进大数据、云计算、物联网、5G等新一代信息技术在数字孪生引江补汉工程建设中的应用，使系统架构本身具有足够的先进性和前瞻性，可以较好适应技术设备和运行环境的升级和变迁。

工程信息化系统以“开发标准化、系统模块化、操作工具化、运行容器化、应用服务化”为技术路线，采用微服务架构模式，根据业务实际需求，建设符合引江补汉工程智慧管理平台的数据中台、技术中台及业务中台。

采用微服务标准开发框架、服务化方式，提供“去中心化”服务调用；通过服务编排组合，快速满足多应用多前端的功能实现。建立工程数据资源统一管理平台，对整合后的数据资源进行有效的管理、监控，提供准确、便捷、高效的数据访问服务。

基于大数据分析框架，进行深层次数据挖掘和综合分析。基于物联网平台、数据中心、一体化应用支撑平台打造“全域感知、全程管控、全时决策”的全新系统架构，解决跨网、跨系统、跨部门的协同问题，提升工程管理的智慧化水平。

2.智能水量调度模型

智能水量调度系统包括三个核心模型，分别为：年内水量分配模型、实时水量调度模型和水量调度评价模型。其中实时调度模型最重要、最复杂。

为实现供水计划目标，实时调度模型需要在运行调度过程中，根据实测水位、流量信息，由调度指挥机构发送给各现地闸站的闸门需要达到的开度值。实时调度模型的算法开发和参数拟定以实时调度模拟模型为基础。

实时调度模拟模型可以根据目标工况，进行控制操作及水力学响应模拟，生成整个调度过程的模拟结果。通过模拟模型，检验所制定的调度规则、控制策略的合理性和有效性。模拟模型需要针对大量的工况、备选策略、算法和参数进行全时长模拟计算，对模型的智能性、适用性、灵活性和运算速度提出了较高要求。

智能水量调度系统，结合工程运行后大数据的积累，对模型参数不断优化。尝试大数据、人工智能技术在智能水量调度模型开发中的应用，采用大数据挖掘技术动态优化水量调度，采用人工智能技术辅助实时调度决策。

五、结 语

引江补汉工程数字孪生体系架构以提升建设效率、保证质量安全为目标，通过四大横向层、两大纵向层交织构建，内设基础设施、数字底座、运行中枢、孪生体系等内容，实现了工程全生命周期管控，全方位施工辅助决策，多工程联合、智慧、精准调度，创新应用技术支撑等目标体系，为后续类似水利工程数字孪生项目实施提供了较好的借鉴。