数字孪生在市政建设项目中的场景应用_王诗昆.pdf

202212Building Construction3002数字孪生在市政建设项目中的场景应用王诗昆上海建工集团股份有限公司 上海 200080摘要：随着社会的进步发展，数字孪生技术已成为各领域行业的研究热点。以建造智慧韧性城市为契机，针对目前长线状市政项目在建设过程中管理方式繁冗、工程筹划困难等问题，构建了以数字孪生技术为基础的市政建设项目同步虚拟场景。该场景囊括了多维度视频监控、智慧AI识别、边缘计算系统、倾斜摄影、BIM和SuperMap结构仿真模拟等技术手段，解决了人机实时跟踪、违规要素分析研判、进度管理、管线布设、交通组织、吊机站位优化、工程量计算等诸多建设管理难题。通过引入数字孪生技术，市政工程的精细化管理水平得到了极大提升，同时该场景的构建给传统项目建设思维带来了新的启发。关键词：数字孪生；映射；可视化；SuperMap；场景应用中图分类号：TU712 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2022)12-3002-04 DOI：10.14144/ki.jzsg.2022.12.054Scenario Application of Digital Twins in Municipal Construction ProjectsWANG ShikunShanghai Construction Group Co.,Ltd.,Shanghai 200080,ChinaAbstract:With the development of society,digital twins technology has become a research hotspot in various fields.Taking the opportunity of building a smart and resilient city,aiming at the problems such as cumbersome management methods and difficult project planning in the construction process of long linear municipal projects,a synchronous virtual scenario of municipal construction projects based on digital twins technology is built.The scene includes multi-dimensional video monitoring,intelligent AI recognition,edge computing system,tilt photography,BIM and SuperMap structure simulation and simulation and other technical means,and solves many construction management problems such as human-computer real-time tracking,analysis and judgment of violation factors,progress management,pipeline layout,traffic organization,crane station optimization,and engineering quantity calculation.By introducing digital twin technology,the refined management level of municipal engineering is greatly improved.At the same time,the construction of this scenario brings new inspiration to the traditional project construction thinking.Keywords:digital twins;mapping;visualization;SuperMap;scenario application台，数字孪生技术将致力于打造智慧韧性城市。数字孪生城市建设已在德国、新加坡、中国雄安等地实践，以解决人口、交通、能源等大城市突出矛盾。借助无人机群多维度扫描建立城市数字模型，划分商业、街道、社区、娱乐等功能板块，并辅以城市机场车站、公路隧道、供电供水、无线网络等各种系统化功能，同时借助精细化几何建模、逻辑建模、多场耦合性能仿真、神经网络、遗传算法、多网融合、CPS、AR、VR、区块链、云计算等数字孪生技术手段，形成人与人、物与物、人与物之间连接、管理、协同、交互和优化的六维关系。在智慧城市中，人既是数字孪生技术中最重要的要素之一，更是数字孪生技术受用的客户实体，数字孪生技术将不断改善人类生存环境4-5。基于此，为提升新型韧性城市的内在品质，推动其智慧化、数字化和现代化建设，本文将对数字孪生技术在市政项目建设管理过程中实时场景的真实复现方法进行深入研究。在很多未来电影中，人类可以在数字化的虚拟世界里学习、工作以及生活。广义上来讲，这种赋予地球中的一切人、动物和事物独立又相互联系的编程代码而构建出的虚拟场景即为数字孪生。为了使数字孪生这一超越现实的抽象概念更加具化，国内外学者更愿意将其描述为一种信息化技术，抑或是将其看作偏向于信息载体的一个或多个重要的、彼此依赖的数字映射系统，即充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程1-3。目前，随着“十四五”数字经济发展规划的出作者简介：王诗昆（1996），男，硕士，助理工程师。通信地址：上海市闵行区东兰路682号漕宝路快速路新建工程3标上海建工工项目部（201102）。电子邮箱：收稿日期：2022-09-13数字建造DIGITAL CONSTRUCTION建筑施工第44卷第12期30031 场景需求随着我国城市化进程不断提速，既有市政道路已不能满足大众日常出行，以越江隧道、城市高架等为代表的快速化交通建设需求日益迫切。然而市政工程的建设现场往往为线状，点多面广、分布狭长、人员庞杂，实施有效管理难度大。虽然工程有视频监控布设，但是因为多次翻交、现场电力及网络条件等限制，全方位实时覆盖约束大，且目前监控设备仅起到记录及追溯作用，无法对工程管控提供及时有效的管理信息。因此，如何实现线状市政道路工程便捷高效的视频监控全覆盖，并且从监控信息及时提取有效管理信息是该类型工程建设智慧化管控的当务之急。2 场景规划针对市政线状道路施工管理难的问题，本文解决方法如下：1）通过太阳能储能方式，解决现场高效便捷的视频全覆盖难题，根据现场监视需求设置监控设施，借助定点和巡视的全覆盖边缘计算等数字化监测手段对施工现场进行管控。2）通过边缘计算解决监控数据回传控制中心数据量大的难题，原位储存并分析大量数据，有效删减无用的常态化资料，从而获得关键技术控制数据，对同类事件提供事前预判、事中告警、事后追溯的三大功能。3）通过算法优化解决同一监控数据多维度、多元素有效信息提取难题，同步提取现场安全、质量、进度等数据并融合成数字化信息，直观地展现在数字孪生模型上，并通过该模型解决一系列工程筹划问题。总体而言，通过实现视频信息前端数据采集的自动化与智慧化，为后续的大数据处理和集成展示提供坚实的基础，进而结合BIM、倾斜摄影、SuperMap等手段建立虚实结合的智慧化数字孪生管理平台，通过提前预判使施工人员对重大风险点做到心中有数，通过及时告警使施工人员准确快速地把控、处理风险，通过原因追溯不断智慧化边缘计算系统的大脑，从而解放现场管理人员，真正做到高效、便捷的智慧施工。3 技术手段与效果3.1 全域可视化1）定点监控。优化施工现场枪机、球机的布设点位、角度和方向，做到立体三维全面交叉覆盖，在重要施工部位、重点翻交路段、重大风险节点加密加精布置。此外，监控系统辅助以视频智能AI分析盒，可以对视频画面中的危险要素进行识别、提取和报警，主要有人员核验、车辆检查、非法闯入、临边缺失、人员突然聚集、周界入侵、人员倒地、违规操作等功能。2）巡视监控。在施工用地范围内投放移动式AI边缘计算智能监控，弥补因市政道路施工作业面长、流动性高，定点监控布线烦琐、不便拆卸的劣势而带来的监控漏洞。此设备由视频采集模块（高清夜视、4G通信）、边缘计算模块（GPU单元计算板）、供电模块（太阳能充电板、蓄电池）和机械构造（立杆、带锁死装置的移动式板车）四部分组成，具有续航能力长、移动灵活、可覆盖监控死角的优点。同时，可实现AI算法智能识别，通过设备旁站协助管理人员对施工现场进行动态管控，主要功能包括UWB高精定位关键面人员机械计数、工人工作时长统计、安全区域划分、安全措施报警等，事态处理流程页面如图1所示。投放设备 信息化场景布设 关健事件报警 数据分析图1 移动式AI边缘计算智能监控流程3）高位监控。选择邻近制高点布置鹰眼摄像头，通过全景摄像机对关键工点进行全局定点摄像和延迟摄影，若发现异常情况，则利用细节跟踪摄像机通过云盘调节功能进行锁定，如图2所示。视频智能环，重点区域布控，灵活调用图2 高位鹰眼布设4）传输处理。上述监控画面均可集成各自子系统的后台应用数据，通过网页链接、中控大屏、移动端的应用APP等渠道，对工地实时情况进行数字化映射，同时对识别的危险要素信息进行及时检索和分类，并快速向相关管理人员报警。本文构建的框架流程如图3所示。3.2 结构仿真与模拟1）倾斜摄影。通过无人机搭载传感器在1个垂直、4个倾斜，5个视角同步采集施工现场影像，由Acute 3D Viewer软件实现自动化建模，形成实景三维模型，真实、准确、王诗昆:数字孪生在市政建设项目中的场景应用202212Building Construction3004定点监控枪机、球机巡视监控可移动式、太阳能续航高位监控360全域鹰眼捕捉视频AI智能分析、边缘计算模块要素识别数据分析优化项目部中控大屏手机APP、短信提醒PAD端PC网页端报警处理监控布设可视化管控界图3 可视化管控流程全面地反映工地周边地物情况，获取丰富的环境素材及具有高分辨率和精细化纹理的建（构）筑物图像，同时采用定位技术将位置、高度、间距等精确地理信息参数嵌入倾斜摄影模型，以辅助决策本项目管线搬迁、道路翻交、场地布置等工程筹划。图4为倾斜摄影三维模型效果图。（a）模型描绘远景（b）角度细节调整（c）数据标点测量图4 倾斜摄影三维模型效果2）BIM建模。对本市政道路的施工建设范围全线进行建模，利用BIM建模将既有地下轨交线路、市政管线、高架桥梁桩基承台等与待建工程进行碰撞检查，从而超前预判工程施工难点和风险。同时，对本工程跨线吊装方案进行工况模拟，及时进行优化设计。图5所示为部分BIM模型场景树。图5 BIM模型应用3）倾斜摄影与BIM结合。在GIS技术基础上，对倾斜摄影数据和BIM模型数据进行地理信息交互标记，通过SuperMap I Desktop 10i软件完成2种技术的融合6-8。借助软件对现场进行云勘察映射，为本市政工程道路设计过程中图像信息的获取提供高效辅助决策和指导，实现各专业间的快速协同（图6）。环境图6 倾斜摄影BIM建模效果呈现相较于传统的工程表达方式，SuperMap构建的倾斜摄影与BIM结合的模型，不仅真实还原了施工场地周边的地理情况，具有三维可视效果好、获取地理数据简单的优势，而且可以进行简单快捷的修改、拼接和整合，具有高效的利用率。3.3 场景应用效果目前，借助上述技术手段搭建的孪生管理平台已完成了以下几部分场景应用。3.3.1 人机实时跟踪施工前，通过数字哨兵实名化系统录入进场人员的个人情况和面部信息，同时在数字化平台中录入大型机械设备的性能参数并形成二维码在其表面贴牌。在日常施工过程中，管理者可在中控室内借助定点监控、巡视监控和高位监控对场地中工作人员和机械设备进行追踪，将人机要素信息交互衍生，实现全域可视化场景映射。在边缘计算系统辅助下，结合智能监控视频的红外热感扫描、人脸面部识别、UWB等技术，对场内人员进行精确定位和工作时长统计，并使用多色标签对重点人员实施特殊标记，如高龄工人、患基础病工人以及特种作业人员，不仅可以简化工人劳务统计结算流程，而且加强了对场内人员的精细化管理。此外，根据机械设备类型，在监控映射场景中划定安全区域，即在施工机械危险区域设定动态虚拟围墙，当有人员冒进时发出实时报警，极大地降低了施工过程中人员设备的安全风险。3.3.2 违规要素分析研判通过分析视频智能AI边缘计算模块对场景内部关键事件捕捉和报警的数据统计结果，从事件发生频次与时间段、天气温度、地理位置、工作时长、工程节点等要素之间的关系着眼，可以获得施工现场工人违规事件的发生规律，从而对同类事件的发生进行预判。同时，基于此规律不断优化场景的可视化布局，合理安排安全文明施工岗位王诗昆:数字孪生在市政建设项目中的场景应用建筑施工第44卷第12期3005的劳动力数量和辅助的巡视监控站位，以提升整个项目实体的管理效率和文明化施工程度。3.3.3 进度管理赋能高位鹰眼监控边缘计算人工智能算法，以日、周、月、季度、年为时间单位对场景内施工全域进行定点拍摄。利用Mask R-CNN实例分割算法识别关键工序，如本市政高架桥梁的桩基、承台、立柱、盖梁、小箱梁等等，通过算法主动学习不断提高识别准确率，同时将识别的工程要素快速映射到BIM模型中，实现了远程无接触化的进度把控，大大降低了时间及人力成本。3.3.4 管线布设在市政工程中，为保障项目建设的顺利实施，不可避免地会对既有管线进行临迁或永搬。传统管线布置的方案设计筹划是借助CAD平立剖图纸实现的，但此方法具有行业和空间局限性。在本场景中，设计人员使用SuperMap模型进行管线布设，不仅可以通过BIM手段对市政道路地下管线的尺寸、间距及埋深进行建模，也可以借助倾斜摄影实现BIM管线模型在三维立体，地上地下全方位的经度、纬度及高程坐标定位，从而简单直观地与周围实景建（构）筑物进行碰撞检测和保护距离校对。3.3.5 交通组织借助SuperMap场景模型多视角观察地物，可以简单直接地测量隧道基坑边界与道路两边商铺、住宅区之间的距离，划定施工区域，从而框定道路翻交可利用面积，进行横断面道次道宽分配，省去了长线状数公里道路勘察测量的繁冗过程，不仅节约了时间成本，而且根据本场景标定的交组标线较CAD而言具有更高的准确性和实用性。3.3.6 吊机站位优化在绿色低碳施工的严格要求下，市政高架桥梁的建设均采用预制装配，故在强环境约束条件下如何完成预制构件的高效拼装是工程的重中之重。利用本场景模型可以对吊装工况进行多次重复模拟试验，通过倾斜摄影地理坐标信息择优选择吊机机型，一键核验吊机投影安全距离及航空限高距离，从最大程度上减小吊装过程中吊机对既有道路行车条件的影响。3.3.7 工程量计算传统的方格网、断面、DTM等工程量计算方法存在计算工作量大、现场测量效率低和结果准确率低等劣势，而借助倾斜摄影与BIM模型，结合SuperMap场景便于修改删减的优势，可以实现工程土体挖填和混凝土浇筑工程量的快速精准计算，并对不同时间节点完成工程量进行预测，能够极大地降低人工成本和时间成本，尤其是对于不规则形状的工程方量计算，这种优势效果更为明显。总之，通过及时、真实、全面和有效的信息交互对接，实现了数字孪生场景对施工全过程的数字化映射，有助于管理者进行精准预测和判决，从而一步步达到自主自治式终极建设运维管理模式。4 结语本文从长线状市政工程入手，借助数字孪生概念，通过全域可视化、边缘计算、倾斜摄影、BIM、SuperMap等技术手段搭建工程现场的虚拟场景，解决了人机实时跟踪、违规要素分析研判、进度管理、管线布设、交通组织、吊机站位优化、工程量计算等诸多建设管理难题，实现了智慧化项目施工筹划，为同类型工程建设提供了新的管理思路。与此同时，本应用场景的全面性和标准化还需进一步加强和提升。未来，随着信息科技的不断发展，数字孪生技术将在市政建设项目中扮演更加重要的角色，在策划设计、安全管理、质量管控、进度推进等各个方面发挥不可磨灭的作用。1 陶飞,张辰源,戚庆林,等.数字孪生成熟度模型J.计算机集成制造 系统,2022,28(5):1267-1281.2 陶飞,张辰源,张贺,等.未来装备探索:数字孪生装备J.计算机集成 制造系统,2022,28(1):1-16.3 聂蓉梅,周潇雅,肖进,等.数字孪生技术综述分析与发展展望J.宇 航总体技术,2022,6(1):1-6.4 陶飞,张贺,戚庆林,等.数字孪生模型构建理论及应用J.计算机集 成制造系统,2021,27(1):1-15.5 陶飞,张贺,戚庆林,等.数字孪生十问:分析与思考J.计算机集成制 造系统,2020,26(1):1-17.6 雷强胜,刘立,俞博.交通设施空间数据查询系统构建:基于SuperMap 大数据地理信息系统J.智能城市,2022,8(3):13-15.7 唐小丽,吕顺杰,郭红操.基于SuperMap平台的地下管线三维自动化 建模J.城市勘测,2021(6):40-43.8 张海兵,操锋.面向SuperMap的BIM模型轻量化处理研究J.铁路技 术创新,2021(5):49-54.王诗昆:数字孪生在市政建设项目中的场景应用