陳志濤,陸艷銘,李 朋

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650041）

0 引言

數(shù)字孿生（Digital Twin）作為一種在信息世界刻畫物理世界、仿真物理世界、優(yōu)化物理世界、可視化物理世界的重要技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化（如智慧交通、智能制造）、服務(wù)化、綠色可持續(xù)等全球工業(yè)和社會發(fā)展趨勢提供了有效途徑。當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)被工業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注和研究。

數(shù)字孿生的概念最早于2003年由密歇根大學(xué)的教授Dr.Michael Grieves提出，直到2010年后，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）正式提出了“數(shù)字孿生”這一詞語，并通過數(shù)字孿生對飛機(jī)進(jìn)行健康監(jiān)測、運(yùn)行維護(hù)、壽命預(yù)測等，建立全生命周期的計(jì)算機(jī)模型，用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命及狀態(tài)的評估研究中。之后，美國的一些大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)將數(shù)字孿生應(yīng)用于“智慧城市”“智慧工廠”的構(gòu)建等領(lǐng)域。德國提出工業(yè)4.0后，數(shù)字孿生正好契合德國工業(yè)4.0需求，以西門子、亞琛工業(yè)大學(xué)等為代表的工業(yè)4.0主推和實(shí)施機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的數(shù)字孿生與制造業(yè)結(jié)合的相關(guān)研究。隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)以及人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字孿生的應(yīng)用將不再只局限于制造業(yè)，而是開始廣泛涉足城市管理、工程建設(shè)、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域。

2019年交通運(yùn)輸部印發(fā)的《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》（交規(guī)劃〔2019〕89號）中提出了“到2025年，交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)載裝備全要素、全周期的數(shù)字化升級邁出新步伐，數(shù)字化采集體系和網(wǎng)絡(luò)化傳輸體系基本形成”的發(fā)展目標(biāo)。這一目標(biāo)與數(shù)字孿生的理念高度一致，將智慧交通與數(shù)字孿生結(jié)合已經(jīng)是必然趨勢。隧道作為智慧交通的重要應(yīng)用場景，但這方面的數(shù)字孿生應(yīng)用的研究還較為薄弱[1]。機(jī)電設(shè)備管理工作仍然以日常監(jiān)管、被動響應(yīng)、抽查巡檢為主，并且未涵蓋建設(shè)期的管理，機(jī)電設(shè)備健康狀態(tài)評估也存在缺失問題。因此，有必要建立隧道數(shù)字孿生技術(shù)體系，完善數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)。

1 高速公路隧道數(shù)字孿生體系

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)集成多學(xué)科、多物理量、多尺度的仿真過程，在虛擬空間中完成實(shí)體映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全壽命周期過程。數(shù)字孿生具有多學(xué)科、多物理量、多尺度等復(fù)雜屬性，同時公路隧道也是一個復(fù)雜系統(tǒng)，涉及的專業(yè)領(lǐng)域廣，養(yǎng)護(hù)維修專業(yè)性強(qiáng)。這些問題導(dǎo)致不同層次、不同專業(yè)的人員對于數(shù)字孿生的理解有所不同。該研究將首先從數(shù)字孿生體系的搭建開始，從技術(shù)體系、架構(gòu)體系、服務(wù)體系三個角度分別考慮數(shù)字孿生體系的搭建，為之后公路隧道數(shù)字孿生的其他技術(shù)研究提供基礎(chǔ)。如圖1所示，數(shù)字孿生的物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、數(shù)據(jù)連接、服務(wù)應(yīng)用四個部分如何從技術(shù)體系、架構(gòu)體系、服務(wù)體系三個方面與公路隧道結(jié)合將是這部分研究的關(guān)鍵。

圖1 數(shù)字孿生與公路隧道體系關(guān)系

1.1 技術(shù)體系

在技術(shù)體系方面，由于公路隧道運(yùn)營監(jiān)測數(shù)據(jù)龐大，設(shè)備管理困難，所以應(yīng)當(dāng)通過性能化數(shù)字孿生，對公路隧道結(jié)構(gòu)及機(jī)電設(shè)備的性能進(jìn)行數(shù)字化、信息化，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)形成公路隧道結(jié)構(gòu)和機(jī)電系統(tǒng)健康狀態(tài)評價(jià)體系。具體實(shí)施方案如下：在設(shè)計(jì)階段，對地質(zhì)信息、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、機(jī)電設(shè)備參數(shù)及交通工程信息（如設(shè)計(jì)交通量等）進(jìn)行數(shù)字化。在施工階段，完成地質(zhì)和結(jié)構(gòu)物信息的實(shí)時更新，并進(jìn)行數(shù)字化。在運(yùn)營階段，完成結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備、交通工程的監(jiān)測及定檢數(shù)據(jù)的數(shù)字化?；谏鲜鰯?shù)據(jù)，形成公路隧道結(jié)構(gòu)和機(jī)電系統(tǒng)健康狀態(tài)評價(jià)體系。

1.2 架構(gòu)體系

在架構(gòu)體系方面，需要針對公路隧道結(jié)構(gòu)和機(jī)電系統(tǒng)的全壽命周期，完善設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營之間數(shù)字孿生的交付方法，設(shè)計(jì)數(shù)字孿生模型中各角色交互與多專業(yè)協(xié)同框架。具體實(shí)施方案如下：

確定公路隧道數(shù)字孿生交付標(biāo)準(zhǔn)，明確“三階段兩過程”的公路隧道數(shù)字孿生交付要求（三階段——設(shè)計(jì)階段、施工階段和運(yùn)營階段；兩過程——設(shè)計(jì)階段到施工階段的過程交付和施工階段到運(yùn)營階段的過程交付）。明確設(shè)計(jì)單位、施工單位、業(yè)主、監(jiān)理、運(yùn)維管養(yǎng)單位等不同角色在公路隧道數(shù)字孿生體系中的交互方式，并構(gòu)建各角色的交互體系。明確各專業(yè)（地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、通風(fēng)、照明、消防應(yīng)急等專業(yè)）在公路隧道數(shù)字孿生體系中的劃分、協(xié)同方式，并構(gòu)建各專業(yè)的交互體系。

1.3 應(yīng)用體系

在應(yīng)用體系方面，公路隧道數(shù)字孿生的最終目的是提供各種信息化服務(wù)，重點(diǎn)反映公路隧道結(jié)構(gòu)和機(jī)電系統(tǒng)在全生命周期各階段的特征、行為、過程及狀態(tài)等，可實(shí)現(xiàn)公路隧道結(jié)構(gòu)及機(jī)電系統(tǒng)全業(yè)務(wù)、全過程信息化、可視化統(tǒng)一管理與優(yōu)化，并且還可以為后續(xù)的相關(guān)科研提供大量真實(shí)的工程與運(yùn)行數(shù)據(jù)。具體實(shí)施方案如下：在設(shè)計(jì)階段，構(gòu)建公路隧道數(shù)字孿生的優(yōu)化設(shè)計(jì)服務(wù)體系，達(dá)到合理反饋、優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。在施工階段，構(gòu)建公路隧道數(shù)字孿生的施工指導(dǎo)體系，可以幫助決策施工過程中遇到的問題，并且建立信息化管理體系，提供信息化服務(wù)。在運(yùn)維階段，構(gòu)建基于公路隧道數(shù)字孿生的云專家會診系統(tǒng)，并且構(gòu)建包括主動性養(yǎng)護(hù)、實(shí)時狀態(tài)查看、科學(xué)養(yǎng)護(hù)、重點(diǎn)養(yǎng)護(hù)等的預(yù)見性養(yǎng)護(hù)體系。構(gòu)建基于公路隧道數(shù)字孿生的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為科研提供大量真實(shí)工程數(shù)據(jù)。針對公路隧道中的各個專業(yè)積累大量數(shù)據(jù)，建立專業(yè)工程，為專家系統(tǒng)提供支撐。

2 全壽命周期數(shù)字孿生體構(gòu)建

數(shù)字孿生模型是虛擬空間中對實(shí)體的映射，構(gòu)造數(shù)字孿生信息化關(guān)鍵技術(shù)主要從以下幾個方面考慮。首先要考慮全壽命周期數(shù)字孿生的構(gòu)建與各方面的結(jié)合。公路隧道數(shù)字孿生模型的構(gòu)建包括了隧道模型、地理信息系統(tǒng)模型，以及物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等多種內(nèi)容，需要考慮各模塊的構(gòu)建方法與各模塊的結(jié)合方法[2]。構(gòu)造數(shù)字孿生信息化關(guān)鍵技術(shù)，需要考慮多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的匯總，由于數(shù)字孿生模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且數(shù)據(jù)量大，需要對如何匯聚處理各種數(shù)據(jù)展開研究，達(dá)到對多元數(shù)據(jù)的解析、存儲以及分發(fā)功能。構(gòu)造數(shù)字孿生信息化關(guān)鍵技術(shù)，同時需要考慮隧道的監(jiān)測預(yù)警，通過人工智能等技術(shù)達(dá)到基于對隧道災(zāi)害等問題的監(jiān)測預(yù)警。對虛擬環(huán)境下構(gòu)造的數(shù)字孿生體，還需要考慮其加載、交互等問題，完成數(shù)字孿生模型的應(yīng)用交互功能。具體實(shí)施方案如下：

一是完成全壽命周期數(shù)字孿生體構(gòu)建與集成技術(shù)。通過對Autodesk、Bentley、Catia、魯班、廣聯(lián)達(dá)等平臺的調(diào)研與分析，研究公路隧道模型構(gòu)建方法，研究公路隧道模型、地理信息系統(tǒng)模型、IoT數(shù)據(jù)等相關(guān)內(nèi)容的集成技術(shù)。二是完成全壽命周期多元異構(gòu)數(shù)據(jù)匯聚技術(shù)。通過匯聚多源異構(gòu)工程數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)，研究多元異構(gòu)數(shù)據(jù)的解析、存儲和分發(fā)技術(shù)。三是完成基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能算法與監(jiān)測預(yù)警技術(shù)。對優(yōu)化設(shè)計(jì)、決策施工中遇到的問題、云專家會診系統(tǒng)診斷、預(yù)見性養(yǎng)護(hù)、機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測、災(zāi)害事件預(yù)測、運(yùn)營期結(jié)構(gòu)病害識別等過程中的人工智能算法進(jìn)行研究，并根據(jù)不同的場景，研究不同的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方式。四是完成全壽命周期數(shù)字孿生體交互與表達(dá)技術(shù)研究。通過對Cesium、Unity、UE4等技術(shù)的調(diào)研與分析，研究數(shù)字孿生體的加載、交互和表達(dá)方式的實(shí)現(xiàn)方法。

3 隧道土建工程性能化數(shù)字孿生研究

3.1 基于地質(zhì)信息交互的工程地質(zhì)評價(jià)及災(zāi)害預(yù)警技術(shù)的研究

基于設(shè)計(jì)階段地質(zhì)信息，研究施工過程中潛在的風(fēng)險(xiǎn)源預(yù)測方法，初步獲取地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)類型和范圍[3]，并結(jié)合施工階段不斷揭示的地質(zhì)信息，研究地質(zhì)信息交互方法、隧道地質(zhì)狀態(tài)評價(jià)方法，對地質(zhì)及災(zāi)害情況進(jìn)行預(yù)測分析。

3.2 隧道建設(shè)期結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測關(guān)鍵指標(biāo)與安全評價(jià)、可視化預(yù)警

通過數(shù)值模擬，研究隧道開挖后影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全的關(guān)鍵參數(shù)或指標(biāo)。根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息，結(jié)合監(jiān)控量測類型、方法、設(shè)備等，研究建設(shè)期結(jié)構(gòu)狀態(tài)安全綜合評價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)?；跀?shù)字孿生技術(shù)，研究結(jié)構(gòu)狀態(tài)可視化預(yù)警方法。

3.3 隧道運(yùn)營期結(jié)構(gòu)病害識別、監(jiān)測與結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)健康評價(jià)

根據(jù)隧道運(yùn)營期病害檢測數(shù)據(jù)及監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)信息及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康狀態(tài)評價(jià)方法及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，預(yù)測結(jié)構(gòu)潛在病害的發(fā)展。

3.4 隧道運(yùn)營期結(jié)構(gòu)智慧養(yǎng)護(hù)加固及結(jié)構(gòu)性能診斷

基于結(jié)構(gòu)物性能狀態(tài)健康診斷信息，揭示結(jié)構(gòu)物健康狀態(tài)，開展基于結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)成本的養(yǎng)護(hù)加固策略的研究；基于預(yù)測結(jié)構(gòu)潛在病害，開展超前養(yǎng)護(hù)加固策略的研究。

4 隧道交通工程性能化數(shù)字孿生研究

4.1 隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行耦合關(guān)系

基于公路隧道數(shù)字孿生應(yīng)用平臺運(yùn)營維護(hù)數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域的Apriori算法，分析公路隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行耦合關(guān)系，將Apriori算法應(yīng)用于公路隧道機(jī)電設(shè)備故障關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘中，對公路隧道數(shù)字孿生應(yīng)用系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，建立關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘模式，從而挖掘出故障設(shè)備之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)規(guī)則，以便進(jìn)行故障分析。

4.2 隧道機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行關(guān)鍵指標(biāo)

基于高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)營維護(hù)數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域中的聚類分析和分類樹算法，研究影響系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)辨識方法，按照重要程度對高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行分級，為系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測及運(yùn)營維護(hù)篩選重點(diǎn)關(guān)注對象。

4.3 隧道機(jī)電設(shè)備故障診斷與剩余使用壽命預(yù)測

研究基于設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)的公路隧道機(jī)電設(shè)備故障診斷方法及機(jī)電設(shè)備壽命預(yù)測方法，具體包括數(shù)據(jù)采集、特征提取、模型訓(xùn)練和模型測試。根據(jù)公路隧道機(jī)電設(shè)備的特點(diǎn)，提出適合設(shè)備狀態(tài)信號處理及提取表征壽命特征因子的方法。建立基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)電設(shè)備剩余壽命預(yù)測方法，將提取到的特征因子作為預(yù)測網(wǎng)絡(luò)輸入量，將機(jī)電設(shè)備剩余壽命作輸出量，實(shí)現(xiàn)對公路隧道機(jī)電設(shè)備剩余壽命的預(yù)測。

4.4 隧道機(jī)電系統(tǒng)健康評價(jià)體系構(gòu)建

依托隧道數(shù)字孿生平臺，開展公路隧道機(jī)電設(shè)備健康評價(jià)指標(biāo)分析，研究健康評價(jià)系統(tǒng)的構(gòu)建，形成合理可行的公路隧道機(jī)電系統(tǒng)健康評價(jià)體系。

5 白兆隧道數(shù)字孿生系統(tǒng)

為進(jìn)一步深化研究隧道數(shù)字孿生體系，構(gòu)建白兆隧道數(shù)字孿生系統(tǒng)。數(shù)字孿生系統(tǒng)通過下述步驟開展建設(shè)。

5.1 隧道數(shù)字孿生體地形地貌構(gòu)建

隧道地形地貌采用谷歌影像及無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)實(shí)現(xiàn)，坐標(biāo)系采用WGS-84地理坐標(biāo)系和WGS-84通用墨卡托投影（UTM）。隧道在系統(tǒng)內(nèi)任何位置均有準(zhǔn)確的經(jīng)緯度信息，對于運(yùn)維、應(yīng)急聯(lián)動、現(xiàn)場量算等場景，均可通過該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[4]。圖2為白兆隧道無人機(jī)三維傾斜攝影模型，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)位置、距離、面積測算。

圖2 白兆隧道無人機(jī)三維傾斜攝影模型

5.2 隧道數(shù)字孿生體地質(zhì)模型構(gòu)建

隧道地質(zhì)模型在構(gòu)建隧道數(shù)字孿生體時至關(guān)重要，其可以支撐隧道前期方案比選、施工階段不同工法選取，以及運(yùn)維階段監(jiān)測設(shè)備的布設(shè)。該次利用加拿大Intrepid GeoScience公司研發(fā)的GeoModeller 地質(zhì)建模軟件，基于潛勢場算法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、穩(wěn)定的三維地質(zhì)模型構(gòu)建，支持露頭數(shù)據(jù)、鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)等多源地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。考慮到軟件的穩(wěn)定性及建模數(shù)據(jù)的多源性，該工程采用其作為地質(zhì)建模工具。GeoModeller中可采用以下三種方法構(gòu)建地質(zhì)模型：

（1）剖面建模方法在模型的任一平面內(nèi)可繪制任意的剖面跡線，并指定剖面的產(chǎn)狀，進(jìn)而構(gòu)建剖面。通過在剖面中添加虛擬鉆孔或估測地質(zhì)點(diǎn)的方式構(gòu)建地層界面，進(jìn)而構(gòu)建地質(zhì)體。

（2）直接建模方法采用鉆孔數(shù)據(jù)，通過克里金插值算法直接生成各個地層界面，進(jìn)而構(gòu)建三維地質(zhì)模型。

（3）數(shù)字化建模方法可選擇圖片格式的地質(zhì)圖數(shù)據(jù)作為建模的數(shù)據(jù)源，對地質(zhì)圖中的信息進(jìn)行數(shù)字化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建。

5.3 隧道數(shù)字孿生體結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

目前主流的BIM建模軟件包括Autodesk Revit、Bentley OpenRoad，Dassault等，由于Revit具有較好的擴(kuò)展性與易用性，其二次開發(fā)接口豐富，適用于隧道等非線性工程模型的建立，其在國內(nèi)工程應(yīng)用中具有較高使用率。該項(xiàng)目采用Revit平臺作為建模平臺，綜合使用了Dynamo可視化編程插件，建立了隧道結(jié)構(gòu)模型。

5.4 隧道數(shù)字孿生體機(jī)電模型構(gòu)建

隧道機(jī)電系統(tǒng)主要分為通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)物監(jiān)測系統(tǒng)。利用Bently軟件分別構(gòu)建不同設(shè)備模型。圖3為隧道風(fēng)機(jī)模型。

圖3 風(fēng)機(jī)模型

5.5 隧道數(shù)字孿生體性能化模型構(gòu)建

隧道性能化模型構(gòu)建主要是將設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)維階段與隧道孿生體相關(guān)的數(shù)據(jù)，與孿生體進(jìn)行綁定。多源數(shù)據(jù)主要涵蓋設(shè)計(jì)圖紙、變更資料、地勘資料、設(shè)備廠家信息、設(shè)備型號等。在多源異構(gòu)模型基礎(chǔ)上，實(shí)時監(jiān)測隧道的運(yùn)營狀況，包括機(jī)電設(shè)備的在線狀態(tài)、結(jié)構(gòu)物監(jiān)測數(shù)據(jù)指標(biāo)，融合相關(guān)算法，可分析出隧道的安全狀態(tài)、通行效率、服務(wù)指標(biāo)等內(nèi)容。

5.6 隧道數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建

數(shù)字孿生體、性能孿生體均需信息化平臺進(jìn)行承載。該項(xiàng)目采用Cesium開源地理信息引擎，加載上述兩個模型，后端利用Spring Boot框架實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)搭建，前端利用Vue框架實(shí)現(xiàn)前端數(shù)據(jù)展示，利用MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接，利用地理信息數(shù)據(jù)庫PostgreSQL存儲GIS數(shù)據(jù)，利用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MongoDB存儲非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。圖4為召夸至瀘西高速公路白兆隧道數(shù)字孿生系統(tǒng)。中間為數(shù)字孿生體，兩側(cè)為該隧道相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖4 隧道數(shù)字孿生系統(tǒng)

6 結(jié)語

該文介紹了公路數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建的主要內(nèi)容，包括數(shù)字孿生技術(shù)體系、全壽命周期數(shù)字孿生體構(gòu)建技術(shù)、隧道土建的性能化數(shù)字孿生研究、隧道交通工程性能化數(shù)字孿生研究，最終在上述數(shù)字孿生體系指導(dǎo)下，構(gòu)建白兆隧道數(shù)字孿生系統(tǒng)。隧道數(shù)字孿生體構(gòu)建涉及的技術(shù)復(fù)雜、專業(yè)性強(qiáng)，需要進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化孿生體在不同階段的交付標(biāo)準(zhǔn)。在性能化數(shù)字孿生方面，需進(jìn)一步研究相關(guān)算法模型，從而保障隧道運(yùn)營安全。