四川公路工程数字孪生发展现状与建设前景分析.pdf

引言中央网信办和国家发改委联合发文，将多项前沿技术，包括人工智能、数字孪生、5G 等列为数字化转型的关键和共性技术1，数字孪生由此已上升为国家核心科技。数字孪生可发挥其在数据采集、分析、预测、仿真等方面的作用，以支撑决策，助推企业数字化转型。目前，国内外公路工程数字孪生相关技术的研发尚处于初级阶段。本文对目前公路工程数字孪生核心技术进行阐述回顾。提出了适用于四川地区落地应用的高速公路数字孪生“三步走”实施方案，供参考借鉴。1 四川公路数字孪生建设情况四川省正在积极探索公路数字孪生的实践和应用。作为高速公路数字孪生的阶段性建设，四川高速公路建设开发集团有限公司的监管“一张图”，通过基础数据平台的数据底座，实现“以图管项目”和建养管业务的可视化；实现多源数据基于 BIM+GIS 的融合处理应用，支撑路网级可视化呈现（图 1）。“一张图”将建设期、运维期的单个项目向区域级提升，为全周期精细化管理提供决策数据支撑，为四川公路数字孪生提供数据底座。2 公路工程数字孪生关键技术2.1 BIM+GIS+IoT 与仿真BIM+GIS+IoT 三者相结合提供了创建和实施数字孪生体系所需仿真、数据收集、监测的核心技术基座。三者结合可支撑在役设施资产的实时状态的可视化呈现需求。在通过物联网传感器共同实时在线的基础上确保数字孪生体的实时性、保真性和闭环性；在集成其他新技术的基础上，为运营养护阶段针对在役设施的数字模型和数据的迭代更新提供技术可能性（图 2）。BIM+GIS+IoT 提供的仿真不仅仅是复制模拟出公路工程设施的模型2。运用 IoT 技术还可构建完善的现场生产智能感知体系，结合空间定位技术及移动设备 APP，提升现场数据的获取及处理的效率和质量，包括施工阶段进度 4D 模拟仿真3，把定性分析与定量分析相结合，解决工程建设中数据真实性、信息分散、隐蔽工程监管难等问题，提升现场管控能力；还包括设计和施工阶段的工程量的自动计算 5D 仿真模拟等多维度仿真4。结构性能的 3D 分析仿真主要基于 BIM 技术，由 BIM建模员将大量的模型相关信息，包括几何、编码、属性、材料、型号、成本、生产厂商等添加到模型构件中，然后再将模型导入第三方软件进行下游各项性能分析应用，如土方量计算、能耗碳排放分析等。在施工建设阶段，BIM 模型数据与施工进度相关联，要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要基金项目院本文系四川省交通运输科技项目研究课题数字成绵扩容高速公路建设管理平台关键技术与应用研究的研究成果（项目编号：2022-ZL-03）。作者简介院裴非飞（1986-），男，重庆人，硕士，高级工程师，研究方向为高速公路数字化建设管理；乔科（通讯作者）（1977-），男，四川乐山人，本科，高级工程师，研究方向为高速公路信息化。四川公路工程数字孪生发展现状与建设前景分析Analysis of the Status Quo and Construction Prospect of Digital Twin of Sichuan Highway裴非飞淤于PEI Fei-fei曰乔科盂QIAO Ke曰吕若丹盂LU Ruo-dan曰王世法淤于WANG Shi-fa曰汪军盂WANG Jun曰饶舰盂RAO Jian（淤四川成绵苍巴高速公路有限责任公司成都分公司，成都641400；于四川高速公路建设开发集团有限公司，成都610047；盂四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都610041）（淤Chengdu Branch of Sichuan Chengmian Cangba Expressway Co.，Ltd.，Chengdu 641400，China；于Sichuan Expressway Construction&Development Group Co.，Ltd.，Chengdu 610047，China；盂Sichuan Highway Planning，Survey，Design and Research Institute Ltd.，Chengdu 610041，China）摘要院本文简要介绍四川公路数字孪生目前的实践和应用，并综合阐述实现公路工程数字孪生的核心关键技术。提出了针对四川公路工程数字孪生应用落地的高速公路数字孪生的总体实施方案，并对未来公路工程数字孪生发展进行展望。四川公路工程数字孪生技术发展与实施方案对其他地区公路工程数字孪生建设具有借鉴和参考意义。Abstract:This research introduces the current practice and implementation of highway digital twin in Sichuan Province followed byelaborating the key technologies of digital twin.It proposes a general and strategic implementation plan of the highway digital twin forSichuan,and then discusses the future development of digital twins in the highway industry.The suggested exploratory analysis and theSichuan highway digital twin implementation plan could be used as reference for other regions.关键词院数字孪生；公路工程；大数据；物联网；人工智能Key words:digital twin；highway engineering；big data；IoT；artificial intelligence中图分类号院U495文献标识码院A文章编号院1006-4311（2023）23-126-03doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2023.23.041图2兴康大渡河特大桥监测点Value Engineering图4 野三步走冶实现四川高速公路数字孪生图1四川高速野一张图冶路网级BIM+GIS可视化支撑可将施工进度时间、空间、三方日志等 4D 信息集成融合到 BIM 模型中进行可视化呈现，直观准确地反映整个公路工程施工过程。2.2 云计算与边缘计算云计算为数字孪生提供计算底层基础资源。云计算利用分布式计算等手段，将硬/软件、网络等资源进行集成，为使用者提供了便捷的网络访问能力以及按需计费且可配置的计算资源共享池。边缘计算的特点是将云计算的计算资源配置到靠近用户侧。可在边缘服务器和智能移动设备等靠近数据的终端完成以减少云端传输。边缘计算提供了公路工程设施现场设备端进行数据采集的可能性，大大提高了收集实时数据的效率。2.3 人工智能和大数据人工智能和大数据是数字孪生体进行识别、判断、预测和决策等功能的关键技术，二者互相促进。近年，各行各业的数据呈指数级增长，海量大数据必须通过高性能的算法和模型才能支撑对其进行分析和处理，人工智能技术便随之相伴而生。一方面人工智能依赖海量数据以保证其预测与决策模型的训练准确度，另一方面大数据以来人工智能算法对其进行数据的价值化挖掘和阐释。目前，人工智能技术已升级到如机器学习、深度学习和强化学习等高级技术，能满足大体量数据模型训练、推理和预测的需求5（图 3）。在数字孪生系统中，公路数字孪生通常会感知大量来自物理世界公路实体的实时数据，通过人工智能算法，包括机器学习、机器视觉、自然语言处理、人机交互、知识图谱、语音识别等等分支。通过这些技术，数字孪生体在仿真的基础上和云计算、边缘计算的加持下可以训练出针对不同需求场景的模型和算法，以支撑后续推理、预测以及决策工作。2.4 VR、AR、MRVR 虚拟现实（Virtual Reality）是一种模拟体验，可以与现实世界相似或完全不同。AR 增强现实（AugmentedReality）技术是一种将现实世界和计算机生成的内容相结合的交互式体验。AR 通过改变人体感官让人看到现实世界叠加上虚拟世界。MR 混合现实技术（Mixed Reality），是在 AR 的基础上增加了交互，可以不再需要人手持穿戴设备，而直接与虚拟环境进行互动。数字孪生是 AR 和 MR 相结合的产物，可理解为创建一个与现实物理环境完全相同的虚拟环境，即不仅要创建数字模型，还要对模型组成构件赋予语义，确保虚拟环境能成为实时逼近现实的仿真现实环境。3 打造四川高速公路数字孪生总体方案四川不仅借鉴其他各省市经验，也要根据地区特殊的地质地理环境，打造出了一套因地制宜，具有地方特点，更具四川省内推广价值的高速公路数字孪生实施大纲。四川地区高速公路多建在生态地质环境复杂、高海拔高烈度带地区，途径诸多少数民族地区、贫困山区或旅游景区。高速公路的建造对拉动后疫情时代的经济内需，激发和振兴沿线城镇乡村的经济活力具有重要意义。因此，在打造高速公路数据孪生的实施方案上要打开思路。在传统勘察设计技术目标、原则、基本建设内容和目前报批版的四川地方 BIM 数字化标准规范的基础上，拓展交通+旅游融合思路；并深度使用新材料、新设备、新技术、新工艺，以切实打造全周期低碳低能耗的绿色智慧公路。“三步走”总体实施大纲如图 4 所示。第一步：打造数字孪生底座，着重于公路基础设施的数字化管理，创建基础数据底座和图形底座。淤基于 BIM+GIS+IoT 一体化理论，构建三维可视化的公路设施 BIM 模型；于通过物联网技术，实现公路基础设施的互通互联和设备网络的拓展共享；盂对公路设施创建数字化资产，进行数字化管理。第二步：在数字孪生底座的基础上，实现高速公路在全周期的智能化应用。淤施工建设期，打造智慧工地，实现建设监管；于运营养护阶段，通过对资产运维状态的可视价值工程化呈现，对病害进行日常巡检养护，并与 BIM 模型构件关键，实现精细化管理；盂将 VR、AR、MR 技术和 BIM 技术紧密结合，为高速路用户和游客提供真实高端的多维体验，全方位欣赏高速公路沿途美景；榆全线路网实现实时车流运行动态监控，监控点主要分布在车流较为集中立交和互通出口处，将公路交通运行情况通过图像传输通道实时上传到监控指挥中心；虞在车路实时动态信息交互和交通信息采集得以保证的基础上，打造车路协同系统，实现主动性车辆行驶安全控制和公路协同管理打下基础；愚“一张图”实时反映路况信息，及时做出应急措施，保障道路安全畅通。第三步：通过物联网设备收集全周期产生的海量多源异构数据，进行云端存储，并通过智能算法进行数据清洗、挖掘和分析，提取有价值信息，为专家系统和人工智能模型的运用提供优质数据。在智能算法的协助下，对高速公路全周期各阶段做出分析、预测、预防、优化，支撑决策并提出解决方案。4 结语本文介绍了四川公路工程数字孪生的具体案例。在通过回顾当前实现公路工程数字孪生的关键技术的基础上，提出了适用于四川地区创建公路数字孪生的“三步走”总体实施方案。打造高速公路数字孪生首先要打造公路数字底座，建立以 BIM+GIS+IoT 为基础的大数据中心；通过交通“一张图”实现业务协同与可视化；在数字底座基础上，建成监测感知体系，实现实时监测；再通过现有 IT 领域的大数据、数据挖掘等技术创建辅助决策系统；最后，朝“智慧高速”建设，辅助和赋能车路协同，以实现未来高速公路的数字孪生建设。参考文献院1国家发展改革委 中央网信办.关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案的通知（2020）EB/OL.（2020-04-07）2020-04-10.https:/ al.(2017).Trends and Opportunities of BIM-GISIntegrationintheArchitecture,EngineeringandConstructionIndustry:A Review from a Spatio-Temporal Statistical Perspective.ISPRS International Journal of Geo-Information,6(12).5H俟thwohl.P.,Brilakis.I.,Detectinghealthyconcretesurfaces,Adv.Eng.Informatics.(2018).图3基于人工智能的桥梁混凝土表面病害自动识别（a）卷积神经网络Google Inception v3模型（b）人工识别病害区域及类别（c）智能识别病害区域得分（d）三维视图呈现孪生模型及其病害纹理