淺析數字孿生技術在水利水電工程地質的應用方案

王國崗，趙文超，陳亞鵬，陳建輝

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

水利水電工程地質勘察生產內容涉及面廣、作業流程繁雜、成果質量要求高，承擔著勘察數據的采集、存儲、整理、分析及地質圖紙與地質報告等勘察成果的提交等工作。目前工程地質勘察仍以傳統的工作模式為主，即依靠紙質記錄及二維圖紙的生產方式進行生產[1]。這種生產模式需要投入大量的人力、耗費大量的時間，存在生產過程繁瑣效率低、數據多元異構且管理混亂、地質勘察信息化低、地質成果轉化難等問題。

數字孿生(Digital Twin)模型是物理資產、流程或系統以及對性能進行建模的工程信息的數字化表示，虛擬與現實的高度融合是其核心概念，可實現虛擬空間的虛擬模型與物理空間中的實體模型間信息數據的精確關聯，為智慧建造的實現提供了可能性[2- 3]。 數字孿生技術最早由美國國家航空航天局用于空間飛行器的健康維護與保證[4]；2003年，Michael Grieves教授首次提出了數字孿生概念，并于2011年對該概念模型進行了進一步的描述，明確了數字孿生體的定義[2，5]；莊存波等[6]較為系統地總結了數字孿生體的內涵、體系結構、實施途徑和發展趨勢等相關內容；劉創等[7]以雄安市民服務中心項目為實踐，利用數字孿生技術實現了基于大數據的項目管理和決策，促進了建筑工地管理模式的改變；石焱文等[8]討論了數字孿生技術在水利工程運行管理過程中的應用。針對目前地質勘察所面臨的問題，積極探索數字孿生技術對上述水利水電工程地質勘察問題的解決方案，進而解決目前勘測手段單一、勘測過程不便捷等問題，使工程地質勘測朝著一體化、數字化、信息化、智能化的方向發展，達到切實極大提高勘察的生產效率與生產質量的目的，對變革水利水電及其他行業勘察生產方式具有重要的參考價值。

1 應用方案的提出

1.1 問題的提出

水利水電工程地質勘察任務貫穿工程建設的各個時期，是水工、機電等相關專業進行設計的基礎。但截至目前，勘察工作流程、專業工作方法仍停留在幾十年前的生產模式，產生了地質生產效率低下、地質數據與地質成果質量較難保證、工程地質資源無法及時共享等問題[9]，主要體現為：

(1)就勘察工具而言，多為傳統手段，野外勘測記錄多是利用表格、素描、照片等，記錄手段單一，編錄煩瑣。

(2)就勘察的數據來源而言，相關的地質信息涉及多源、多量、多類、多元、多維和多主題的數據，傳統的工程地質資料的分析和解譯一般局限于二維、靜態的表達方式，它描述空間地質構造的起伏變化的直觀性差，難以使人們直接、完整和準確理解地下的地質情況。

(3)就勘察數據管理而言，面對日益增多的海量地質數據，缺乏有效的存儲、管理，缺乏對數據的深度挖掘與實時共享，地質數據的價值有待進一步開發。

(4)就勘察的周期而言，隨著我國水利水電工程開發周期的加快，工程勘察設計任務日益繁重，地質條件越來越復雜，技術要求越來越高，傳統的地質專業內外業數據處理技術和地質圖件的生成業務流程已經遠遠不能適應形勢發展的需要。

(5)就勘察的生產流程而言，外業采集作業目前還是通過傳統測量方式來獲取數據，要靠人力采集和輸入，成果質量也難以整齊劃一，丟漏、人為錯誤情況比較常見，編錄記錄和編錄圖件關聯性較弱，不利于數據統一管理；外業數據采集步驟之間存在重復勞動以及內業數據入庫工作煩瑣，外業的成果不僅無法及時匯總，到了室內還需要用手工輸入的方式進行資料整理，生產效率低下。

(6)基于BIM技術的三維協同設計在行業應用越來越廣泛，地質專業作為水利水電行業最上游的基礎專業之一，需要相應的地質軟件或地質系統配合，共同推動水利水電行業數字化三維設計大規模推廣。

1.2 技術路線

1.2.1總體功能需求分析

通過對水利水電工程地質勘察生產中重點、難點、痛點的分析，結合工程地質全過程生產中全生產要素的作業流程及地質成果的整理等需求，基于數字孿生技術提出了如圖1所示的總體功能要求，主要包括8個方面的內容：實現工程地質三維數字采集進而使野外作業實現無紙化與信息化；勘察數據通過云平臺實現地質信息的實時傳輸與共享；通過三維地質建模技術快速生成三維模型以提高對復雜地質現象的直觀展示；基于地質數據庫與三維地質模型的平切圖、剖面圖等相關圖紙的快速編繪；基于地質模型的多專業三維協同設計；工程地質數據分析與工程量統計；工程地質(巖土)CAD/CAE一體化設計計算分析以及三維地質模型的數字化移交。

圖1 水利水電工程地質勘察數字化應用總體需求

1.2.2應用方案架構

基于對水利水電工程地質勘察的功能需求，以地質工作作業流程和一線生產實際需求為基礎，以解決勘察生產中的重點、難點與痛點為目標，結合數字孿生技術，構建從勘察外業數據采集、數據傳輸、數據集成、綜合處理、三維建模、數據挖掘與分析等勘察生產全過程數字化的應用體系，該體系的功能架構如圖2所示。

圖2 基于數字孿生的工程地質解決方案功能架構

該功能架構的前端主要實現地質數據的外業采集與數據傳輸，主要以物聯網技術為支撐，通過電子地質羅盤、GPS、GIS、移動終端、無人機等軟硬件采集外業鉆孔、平洞、地質測繪、施工地質等方面的地質數據，并通過4G與5G網絡、衛星等實現數據的實時傳輸；核心層以地質數據的綜合處理、數據分析與服務、地質三維建模與分析等為主要內容，充分挖掘地質數據的應用深度與廣度，體現地質數據在數據服務和三維可視化分析等方面發揮的重要價值；終端主要為地質三維模型的應用與成果發布，包括外業三維數字采集、地質數據管理、三維地質建模、地質項目管理與查詢等應用層的內容。

更進一步地，水利水電工程地質數字孿生體系的功能架構可以分為三部分內容：①主要通過物聯網實現工程項目地質勘察現場物理空間的感知與數據傳輸；②主要通過三維實景技術與地質三維模型實現虛擬空間對真實物理空間的仿真模擬；③主要通過物聯網、大數據、云計算等實現虛擬空間與物理空間的動態交互。

2 關鍵技術說明

數字孿生技術以虛擬模型為數字化載體，并以智能化的方式實時指導物理實體，在工業制造、建筑施工、智慧城市等領域均有應用。在水利水電工程地質勘察行業，融合BIM、GIS、GPS、傾斜攝影等技術手段，結合大數據、云平臺、物聯網、移動互聯等新一代信息技術，構架數字孿生工程地質勘察應用體系，為工程建設各個階段提供全方位的真實地質三維實景環境，工程地質及其他專業人員在統一的地質場景下實現地質數據的實時傳輸與共享、地質成果的快速轉化、地質問題及時上報與處理、地質資源的智能查詢等工作任務，提高地質生產數字化、信息化、智能化水平。

2.1 GIS技術

地理信息系統(Geographic Information System，GIS)是對現實世界的抽象與表達，可為工程地質外業提供詳細精確的地質空間信息。尤其，新一代三維GIS 以二三維一體化 GIS技術為基礎框架，可融合傾斜攝影、BIM、激光點云等多源異構數據，為實現宏觀微觀一體化與空天/地表/地下一體化提供了可能性，為地質數據的采集方式提供了新的思路與方法。

GIS在水利水電工程地質勘察中的應用主要體現在工程地質外業數據的采集、處理、存儲、分析等方面[10- 11]，主要包括：①工程地質外業數字化底圖的創建，如通過坐標系轉化，將 BIM、傾斜攝影模型、點云等數據與其他GIS數據統一到一個坐標系，實現多源數據在GIS二三維場景中的融合匹配。②實現地質信息的空間可視化，如GIS場景能夠提供較為全面的空間數據，可以形象直觀地觀察道路、水系、地質界面跡線、房屋等標識的全局、局部和細節。③地質矢量數據的提取，矢量數據通常由點、線、面來表達地理實體，如使用線表達一條河流，使用面表達某覆蓋層區域，使用點表達地質巖性露頭。這些點、線、面數據都可以方便地從GIS地圖中提??；④地質圖的疊加分析，可對區域內的專題地質圖進行管理和應用，如基巖地質、地質遺跡、地下水分布、古河道、地質災害點等。⑤量測和空間分析?；跀祿牟煌S空間分析功能，具體包括剖面線分析、等高線分析、坡度坡向分析、空間距離量算、貼地距離量算、水平距離量算、空間距離量算、空間面積量算、貼地表面積量算、高程量算等。

2.2 三維實景建模

三維實景建模是通過不同角度拍攝的數碼照片作為輸入數據源，為當前環境輕松生成高分辨率的三維模型。實景建模以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景，通過高效的數據采集設備及專業的數據處理流程生成的數據成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證，與此同時可有效提升模型的生產效率[12]。

三維建模在水利水電工程行業中的應用日益廣泛與深入，在工程地質方面的應用主要體現為：①可應用于地形生成與測量中，如通過傾斜攝影測量所獲得的三維實景數據可真實反映地物的外觀、位置、高度等屬性，并能同時輸出DSM、DOM、DLG 等數據成果；②可應用于外業地質編錄，如在施工期對地質結構的識別、提取、擬合、產狀分析等；③對不良地質現象的分析，如通過三維實景展現危巖體、滑坡、泥石流等地質災害的空間分布，量測影響范圍、分析體積方量、監測災害動態等；④水工洞室的測量，如通過三維激光掃描等技術生成三維實景，對洞室斷面、空間走向、展布特征等進行分析；⑤其他方面的應用。

2.3 大數據、物聯網等新一代信息技術[12- 14]

大數據(Big Data)具有大量、多樣、價值、高速、真實性的特征，對海量、高增長、多源異構信息提供了新的處理模式。趙鵬大(2019)分析了地質大數據具有混合型、抽樣性、因果性、時空性、多態性、多元性等特征，利用大數據分析技術，可建立地質“知識庫”，有效減少對復雜地質現象研究的多解性與不確定性。針對水利水電工程地質數據種類多、內容廣泛、增速快等特點，依托大數據技術實現對數據的高效存儲、管理、分析、挖掘等功能。

物聯網(The Internet of Things)通過傳感器、RFID、移動網絡等技術實現對目標物體智能化識別、定位、跟蹤、數據自動化采集等目的，主要包括智能檢測層、信息傳輸層、應用支撐層與業務應用層。

云計算將提高地質領域的數據資源、計算資源的利用率，并將提升地質計算資源獲取的便利性，推動互聯網和物聯網在地質領域內迅速發展，將更加有效地提升地上世界與地下世界的二維、三維一體化顯示的精準，通過不斷加強對數字地球的認知能力，促進地質領域的信息化進步，充分發揮其社會化公益性作用。

2.4 Bentley相關技術支持

在水利水電工程地質數字孿生解決方案的軟件及平臺支撐方面，國內主要以BIM主流設計平臺A(Autodesk)平臺、B(Bentley)平臺、C(CATIA)平臺為依托實現地質信息的三維數字化[15]。其中，Bentley是一家定位在基礎設施領域的全球領先的軟件公司，為工程全生命周期提供完整的解決方案。Bentley系列軟件基于一個模型、一個平臺、一個數據架構，具有良好的通用性與數據兼容性，得到了各個行業的普遍認可。水利水電行業的三維協同設計方案由以MicroStation為基礎的圖形平臺、水利水電各專業設計模塊及協同工作平臺ProjectWise構成。在水利水電工程地質方面，Bentley形成了以工程測繪、地質勘察、巖土體設計分析、工程結構計算分析、綜合應用為一體的數字化解決方案(圖3)，可較為全面地滿足工程地質生產數字化總體需求。

圖3 基于Bentley的水利水電工程地質解決方案

3 應用方案內容

如圖4所示，結合GIS、三維空間影像技術、工程地質數據庫技術、三維地質建模技術及大數據時代的物聯網與云計算等技術，形成水利水電工程地質勘測內外業一體化數字智能采集處理、工程地質信息的管理與服務、三維地質建模與分析三大綜合性功能模塊，實現外業工程地質數據動態采集、實時傳輸、實時處理及遠程指導；實現地質數據的標準化處理與綜合利用，使地質數據走向互聯互通的地質云桌面、云存儲、地質云端；實現三維地質模型的動態建立及可視化分析，助力水利水電工程的三維協同設計，為工程的全生命周期保駕護航。

圖4 基于物聯網與云平臺的地質數字孿生概念模型

3.1 工程地質三維數字化采集

目前，水利水電工程地質分析手段越來越先進，信息化程度越來越高，平板電腦、電子羅盤、GIS、GPS、傾斜攝影技術等大量軟硬件與新技術不斷融合于地質勘察的內外業工作中。建立基于物聯網與云平臺的地質三維數字化采集系統，實現野外數據采集、勘探等工作實時協同作業，綜合利用地質大數據資源，建立地質專家預判輔助功能，充分挖掘地質數據價值，提高地質勘察內外業的工作效率。圖5展示了工程地質三維數字化采集系統具體實現流程，主要分為工程地質數據采集處理內外業一體化及地質數據云端一體化管理存儲分析兩部分內容。

圖5 工程地質三維數字化采集流程圖

工程地質內外業一體化秉承“先內業—后外業—再內業，把野外現場搬回家”的專業理念?！跋葍葮I”是指利用桌面端軟件對前期獲取的三維實景模型及可利用的相關參考資料進行預分析處理，提取制作野外地質采集“基本底圖”；“后內業”是指到野外現場利用移動端軟件對內業制作的“基本底圖”內容進行調查核實和補充完善；“再內業”是指在外業工作結束后只需要將移動端上的地質采集數據傳回到桌面端軟件中，利用桌面端軟件對數據的再一次融合處理分析及整理歸類，即可得到正式的地質測繪成果數據、表格數據及圖件，這樣的作業流程有效解決了內外業信息不對稱而造成的重復性工作、數據轉換過程中的信息丟失，外業工作周期可大幅縮短，也可以使內業數據的分析整理、表格數據及圖件的成果處理與輸出變得更加標準化和智能化，工作效率及成果質量大幅提高，出錯率得到有效降低。

云端一體化管理存儲分析體系，通過地質云平臺與物聯網進行數據間的連接，采用虛擬化等系列核心技術，實現地質數據云存儲、地質云計算，并提供相應的云服務，實現工程項目人員利用不同設備皆可直接上傳、訪問、查詢到權限內的相應地質數據。

3.2 工程地質信息管理與服務

水利水電工程地質信息來源廣泛，地質種類繁多，數據形式多樣，數據量增長快，具有海量、多元、異構等特點。地質勘察數據主要包括地質測繪、地形、鉆孔、平洞、探井、物探、試驗、邊坡、洞室等內容，并以CAD圖紙、表格、文檔、圖表、圖片、語音、視頻等格式存儲?；诘刭|大數據的地質云平臺建設對這些工程地質勘察數據進行信息化處理，實現地質信息的集中管理、實時共享與數據深度挖掘，進而實現為工程建設提供地質工程信息決策的支持。

依托于地質云平臺，將不同方式采集或收集到的地質數據進行統一存儲，建立地質大數據中心，形成工程地質信息的存儲、管理、挖掘、服務一體化的數據倉庫。如圖6所示，水利水電工程地質信息管理與服務包括了地質數據采集云端、數據管理、數據處理、數據服務、數據安全管理等內容。這些內容為地質勘察提供了“知識感知”的工作空間，形成了以“大數據+大計算”為特點的水利水電工程地質勘察全生命周期的服務鏈，實現了計算資源、數據資源、存儲資源的互聯互通，并為用戶提供定制化應用流程。

圖6 工程地質信息管理與服務結構圖

地質云平臺以地質知識的流程化和智能化應用為核心，覆蓋了地質勘察的全領域、全空間、全資源，為地質人員提供全方位的智能感知、認知能力和協助工具，以及輔助解決地質科學問題的超級智能化環境，是水利水電工程地質勘察數字孿生技術的數據與平臺支撐。

3.3 地質三維建模與分析

水利水電工程地質三維模型是復雜地質條件的三維可視化，是工程地質信息的重要承載者，構成了工程地質勘察數字孿生體，可在更加真實、直觀和形象的條件下進行地質現象分析、模型抽象、實體重構、科學計算、過程再現、知識發現、成果表達、評價決策和工程設計。工程區三維實景、模型地質三維模型與水工BIM模型的組合實現了地上、地表、地下一體化的數字孿生體，完成與工程物理空間的實時交互，如圖7所示。

圖7 水利水電工程數字孿生體示意圖

4 結論

文章分析了水利水電工程地質勘察目前所面臨的勘測手段數字化程度低、過程不便捷等相關問題，結合工程地質全過程生產中全生產要素的作業流程及地質成果的整理等需求，基于數字孿生技術，構建了從勘察外業數據采集、數據傳輸、數據集成、綜合處理、三維建模、數據挖掘與分析等勘察生產全過程數字化的數字孿生應用方案。該解決方案為工程地質勘測朝著一體化、數字化、信息化、智能化的方向發展提供了思路，可達到切實極大提高勘察的生產效率與生產質量的目的，對變革水利水電及其他行業勘察生產方式具有重要的參考價值。

文章所提出的基于數字孿生技術的水利水電工程地質解決方案主要側重于理念的提出，搭建了數字孿生體系的架構，對于該應用方案的具體實施細節還有待完善，如基于Bentley平臺的解決方案尚欠缺具體的工程實例作支持。這也將是下一步工作研究的重點所在。