高速公路隧道數字孿生體系構建研究

陳志濤,陸艷銘,李 朋

（云南省交通規劃設計研究院有限公司,云南 昆明 650041）

0 引言

數字孿生（Digital Twin）作為一種在信息世界刻畫物理世界、仿真物理世界、優化物理世界、可視化物理世界的重要技術，為實現數字化轉型、智能化（如智慧交通、智能制造）、服務化、綠色可持續等全球工業和社會發展趨勢提供了有效途徑。當前，數字孿生技術被工業界和學術界廣泛關注和研究。

數字孿生的概念最早于2003年由密歇根大學的教授Dr.Michael Grieves提出，直到2010年后，美國空軍研究實驗室（AFRL）正式提出了“數字孿生”這一詞語，并通過數字孿生對飛機進行健康監測、運行維護、壽命預測等，建立全生命周期的計算機模型，用于飛機結構壽命及狀態的評估研究中。之后，美國的一些大學等研究機構將數字孿生應用于“智慧城市”“智慧工廠”的構建等領域。德國提出工業4.0后，數字孿生正好契合德國工業4.0需求，以西門子、亞琛工業大學等為代表的工業4.0主推和實施機構進行了大量的數字孿生與制造業結合的相關研究。隨著物聯網、5G、大數據以及人工智能等技術的快速發展，數字孿生的應用將不再只局限于制造業，而是開始廣泛涉足城市管理、工程建設、交通運輸等多個領域。

2019年交通運輸部印發的《數字交通發展規劃綱要》（交規劃〔2019〕89號）中提出了“到2025年，交通運輸基礎設施和運載裝備全要素、全周期的數字化升級邁出新步伐，數字化采集體系和網絡化傳輸體系基本形成”的發展目標。這一目標與數字孿生的理念高度一致，將智慧交通與數字孿生結合已經是必然趨勢。隧道作為智慧交通的重要應用場景，但這方面的數字孿生應用的研究還較為薄弱[1]。機電設備管理工作仍然以日常監管、被動響應、抽查巡檢為主，并且未涵蓋建設期的管理，機電設備健康狀態評估也存在缺失問題。因此，有必要建立隧道數字孿生技術體系，完善數字孿生關鍵技術。

1 高速公路隧道數字孿生體系

數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據集成多學科、多物理量、多尺度的仿真過程，在虛擬空間中完成實體映射，從而反映相對應的實體裝備的全壽命周期過程。數字孿生具有多學科、多物理量、多尺度等復雜屬性，同時公路隧道也是一個復雜系統，涉及的專業領域廣，養護維修專業性強。這些問題導致不同層次、不同專業的人員對于數字孿生的理解有所不同。該研究將首先從數字孿生體系的搭建開始，從技術體系、架構體系、服務體系三個角度分別考慮數字孿生體系的搭建，為之后公路隧道數字孿生的其他技術研究提供基礎。如圖1所示，數字孿生的物理實體、虛擬實體、數據連接、服務應用四個部分如何從技術體系、架構體系、服務體系三個方面與公路隧道結合將是這部分研究的關鍵。

圖1 數字孿生與公路隧道體系關系

1.1 技術體系

在技術體系方面，由于公路隧道運營監測數據龐大，設備管理困難，所以應當通過性能化數字孿生，對公路隧道結構及機電設備的性能進行數字化、信息化，并根據這些數據形成公路隧道結構和機電系統健康狀態評價體系。具體實施方案如下：在設計階段，對地質信息、結構設計方案、機電設備參數及交通工程信息（如設計交通量等）進行數字化。在施工階段，完成地質和結構物信息的實時更新，并進行數字化。在運營階段，完成結構、機電設備、交通工程的監測及定檢數據的數字化?；谏鲜鰯祿?，形成公路隧道結構和機電系統健康狀態評價體系。

1.2 架構體系

在架構體系方面，需要針對公路隧道結構和機電系統的全壽命周期，完善設計、施工與運營之間數字孿生的交付方法，設計數字孿生模型中各角色交互與多專業協同框架。具體實施方案如下：

確定公路隧道數字孿生交付標準，明確“三階段兩過程”的公路隧道數字孿生交付要求（三階段——設計階段、施工階段和運營階段；兩過程——設計階段到施工階段的過程交付和施工階段到運營階段的過程交付）。明確設計單位、施工單位、業主、監理、運維管養單位等不同角色在公路隧道數字孿生體系中的交互方式，并構建各角色的交互體系。明確各專業（地質、結構、通風、照明、消防應急等專業）在公路隧道數字孿生體系中的劃分、協同方式，并構建各專業的交互體系。

1.3 應用體系

在應用體系方面，公路隧道數字孿生的最終目的是提供各種信息化服務，重點反映公路隧道結構和機電系統在全生命周期各階段的特征、行為、過程及狀態等，可實現公路隧道結構及機電系統全業務、全過程信息化、可視化統一管理與優化，并且還可以為后續的相關科研提供大量真實的工程與運行數據。具體實施方案如下：在設計階段，構建公路隧道數字孿生的優化設計服務體系，達到合理反饋、優化設計的目的。在施工階段，構建公路隧道數字孿生的施工指導體系，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。在運維階段，構建基于公路隧道數字孿生的云專家會診系統，并且構建包括主動性養護、實時狀態查看、科學養護、重點養護等的預見性養護體系。構建基于公路隧道數字孿生的大數據系統，為科研提供大量真實工程數據。針對公路隧道中的各個專業積累大量數據，建立專業工程，為專家系統提供支撐。

2 全壽命周期數字孿生體構建

數字孿生模型是虛擬空間中對實體的映射，構造數字孿生信息化關鍵技術主要從以下幾個方面考慮。首先要考慮全壽命周期數字孿生的構建與各方面的結合。公路隧道數字孿生模型的構建包括了隧道模型、地理信息系統模型，以及物聯網數據等多種內容，需要考慮各模塊的構建方法與各模塊的結合方法[2]。構造數字孿生信息化關鍵技術，需要考慮多元異構數據的匯總，由于數字孿生模型結構復雜并且數據量大，需要對如何匯聚處理各種數據展開研究，達到對多元數據的解析、存儲以及分發功能。構造數字孿生信息化關鍵技術，同時需要考慮隧道的監測預警，通過人工智能等技術達到基于對隧道災害等問題的監測預警。對虛擬環境下構造的數字孿生體，還需要考慮其加載、交互等問題，完成數字孿生模型的應用交互功能。具體實施方案如下：

一是完成全壽命周期數字孿生體構建與集成技術。通過對Autodesk、Bentley、Catia、魯班、廣聯達等平臺的調研與分析，研究公路隧道模型構建方法，研究公路隧道模型、地理信息系統模型、IoT數據等相關內容的集成技術。二是完成全壽命周期多元異構數據匯聚技術。通過匯聚多源異構工程數據和模型數據，研究多元異構數據的解析、存儲和分發技術。三是完成基于數據驅動的人工智能算法與監測預警技術。對優化設計、決策施工中遇到的問題、云專家會診系統診斷、預見性養護、機電設備壽命預測、災害事件預測、運營期結構病害識別等過程中的人工智能算法進行研究，并根據不同的場景，研究不同的監測預警技術及實現方式。四是完成全壽命周期數字孿生體交互與表達技術研究。通過對Cesium、Unity、UE4等技術的調研與分析，研究數字孿生體的加載、交互和表達方式的實現方法。

3 隧道土建工程性能化數字孿生研究

3.1 基于地質信息交互的工程地質評價及災害預警技術的研究

基于設計階段地質信息，研究施工過程中潛在的風險源預測方法，初步獲取地質風險類型和范圍[3]，并結合施工階段不斷揭示的地質信息，研究地質信息交互方法、隧道地質狀態評價方法，對地質及災害情況進行預測分析。

3.2 隧道建設期結構狀態監測關鍵指標與安全評價、可視化預警

通過數值模擬，研究隧道開挖后影響結構穩定性和安全的關鍵參數或指標。根據隧道結構設計信息，結合監控量測類型、方法、設備等，研究建設期結構狀態安全綜合評價方法及標準?；跀底謱\生技術，研究結構狀態可視化預警方法。

3.3 隧道運營期結構病害識別、監測與結構性能狀態健康評價

根據隧道運營期病害檢測數據及監測結果，結合地質信息及結構設計方案，對二次襯砌結構進行健康狀態評價方法及評價標準進行研究，預測結構潛在病害的發展。

3.4 隧道運營期結構智慧養護加固及結構性能診斷

基于結構物性能狀態健康診斷信息，揭示結構物健康狀態，開展基于結構性能和經濟成本的養護加固策略的研究；基于預測結構潛在病害，開展超前養護加固策略的研究。

4 隧道交通工程性能化數字孿生研究

4.1 隧道機電系統設備運行耦合關系

基于公路隧道數字孿生應用平臺運營維護數據，利用數據挖掘領域的Apriori算法，分析公路隧道機電系統設備運行耦合關系，將Apriori算法應用于公路隧道機電設備故障關聯規則挖掘中，對公路隧道數字孿生應用系統中的故障數據進行提取，建立關聯規則挖掘模式，從而挖掘出故障設備之間的強關聯規則，以便進行故障分析。

4.2 隧道機電系統設備運行關鍵指標

基于高速公路機電設備運營維護數據，利用數據挖掘領域中的聚類分析和分類樹算法，研究影響系統可靠運行的關鍵指標辨識方法，按照重要程度對高速公路機電設備運行指標進行分級，為系統狀態監測及運營維護篩選重點關注對象。

4.3 隧道機電設備故障診斷與剩余使用壽命預測

研究基于設備運行指標的公路隧道機電設備故障診斷方法及機電設備壽命預測方法，具體包括數據采集、特征提取、模型訓練和模型測試。根據公路隧道機電設備的特點，提出適合設備狀態信號處理及提取表征壽命特征因子的方法。建立基于循環神經網絡的機電設備剩余壽命預測方法，將提取到的特征因子作為預測網絡輸入量，將機電設備剩余壽命作輸出量，實現對公路隧道機電設備剩余壽命的預測。

4.4 隧道機電系統健康評價體系構建

依托隧道數字孿生平臺，開展公路隧道機電設備健康評價指標分析，研究健康評價系統的構建，形成合理可行的公路隧道機電系統健康評價體系。

5 白兆隧道數字孿生系統

為進一步深化研究隧道數字孿生體系，構建白兆隧道數字孿生系統。數字孿生系統通過下述步驟開展建設。

5.1 隧道數字孿生體地形地貌構建

隧道地形地貌采用谷歌影像及無人機傾斜攝影技術實現，坐標系采用WGS-84地理坐標系和WGS-84通用墨卡托投影（UTM）。隧道在系統內任何位置均有準確的經緯度信息，對于運維、應急聯動、現場量算等場景，均可通過該系統實現[4]。圖2為白兆隧道無人機三維傾斜攝影模型，可實現精準位置、距離、面積測算。

圖2 白兆隧道無人機三維傾斜攝影模型

5.2 隧道數字孿生體地質模型構建

隧道地質模型在構建隧道數字孿生體時至關重要，其可以支撐隧道前期方案比選、施工階段不同工法選取，以及運維階段監測設備的布設。該次利用加拿大Intrepid GeoScience公司研發的GeoModeller 地質建模軟件，基于潛勢場算法，可實現復雜、穩定的三維地質模型構建，支持露頭數據、鉆孔數據、地質圖數據、柵格數據等多源地質數據進行建模?？紤]到軟件的穩定性及建模數據的多源性，該工程采用其作為地質建模工具。GeoModeller中可采用以下三種方法構建地質模型：

（1）剖面建模方法在模型的任一平面內可繪制任意的剖面跡線，并指定剖面的產狀，進而構建剖面。通過在剖面中添加虛擬鉆孔或估測地質點的方式構建地層界面，進而構建地質體。

（2）直接建模方法采用鉆孔數據，通過克里金插值算法直接生成各個地層界面，進而構建三維地質模型。

（3）數字化建模方法可選擇圖片格式的地質圖數據作為建模的數據源，對地質圖中的信息進行數字化進而實現模型構建。

5.3 隧道數字孿生體結構模型構建

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

5.4 隧道數字孿生體機電模型構建

隧道機電系統主要分為通信系統、監控系統、通風系統、照明系統、供配電系統、結構物監測系統。利用Bently軟件分別構建不同設備模型。圖3為隧道風機模型。

圖3 風機模型

5.5 隧道數字孿生體性能化模型構建

隧道性能化模型構建主要是將設計階段、施工階段、運維階段與隧道孿生體相關的數據，與孿生體進行綁定。多源數據主要涵蓋設計圖紙、變更資料、地勘資料、設備廠家信息、設備型號等。在多源異構模型基礎上，實時監測隧道的運營狀況，包括機電設備的在線狀態、結構物監測數據指標，融合相關算法，可分析出隧道的安全狀態、通行效率、服務指標等內容。

5.6 隧道數字孿生系統構建

數字孿生體、性能孿生體均需信息化平臺進行承載。該項目采用Cesium開源地理信息引擎，加載上述兩個模型，后端利用Spring Boot框架實現軟件系統搭建，前端利用Vue框架實現前端數據展示，利用MQTT協議實現多系統數據對接，利用地理信息數據庫PostgreSQL存儲GIS數據，利用非關系型數據庫MongoDB存儲非結構化數據。圖4為召夸至瀘西高速公路白兆隧道數字孿生系統。中間為數字孿生體，兩側為該隧道相關數據。

圖4 隧道數字孿生系統

6 結語

該文介紹了公路數字孿生系統構建的主要內容，包括數字孿生技術體系、全壽命周期數字孿生體構建技術、隧道土建的性能化數字孿生研究、隧道交通工程性能化數字孿生研究，最終在上述數字孿生體系指導下，構建白兆隧道數字孿生系統。隧道數字孿生體構建涉及的技術復雜、專業性強，需要進一步標準化孿生體在不同階段的交付標準。在性能化數字孿生方面，需進一步研究相關算法模型，從而保障隧道運營安全。