淺析數(shù)字孿生技術(shù)在水利水電工程地質(zhì)的應(yīng)用方案

王國崗，趙文超，陳亞鵬，陳建輝

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

水利水電工程地質(zhì)勘察生產(chǎn)內(nèi)容涉及面廣、作業(yè)流程繁雜、成果質(zhì)量要求高，承擔(dān)著勘察數(shù)據(jù)的采集、存儲、整理、分析及地質(zhì)圖紙與地質(zhì)報告等勘察成果的提交等工作。目前工程地質(zhì)勘察仍以傳統(tǒng)的工作模式為主，即依靠紙質(zhì)記錄及二維圖紙的生產(chǎn)方式進(jìn)行生產(chǎn)[1]。這種生產(chǎn)模式需要投入大量的人力、耗費大量的時間，存在生產(chǎn)過程繁瑣效率低、數(shù)據(jù)多元異構(gòu)且管理混亂、地質(zhì)勘察信息化低、地質(zhì)成果轉(zhuǎn)化難等問題。

數(shù)字孿生(Digital Twin)模型是物理資產(chǎn)、流程或系統(tǒng)以及對性能進(jìn)行建模的工程信息的數(shù)字化表示，虛擬與現(xiàn)實的高度融合是其核心概念，可實現(xiàn)虛擬空間的虛擬模型與物理空間中的實體模型間信息數(shù)據(jù)的精確關(guān)聯(lián)，為智慧建造的實現(xiàn)提供了可能性[2- 3]。 數(shù)字孿生技術(shù)最早由美國國家航空航天局用于空間飛行器的健康維護(hù)與保證[4]；2003年，Michael Grieves教授首次提出了數(shù)字孿生概念，并于2011年對該概念模型進(jìn)行了進(jìn)一步的描述，明確了數(shù)字孿生體的定義[2，5]；莊存波等[6]較為系統(tǒng)地總結(jié)了數(shù)字孿生體的內(nèi)涵、體系結(jié)構(gòu)、實施途徑和發(fā)展趨勢等相關(guān)內(nèi)容；劉創(chuàng)等[7]以雄安市民服務(wù)中心項目為實踐，利用數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)了基于大數(shù)據(jù)的項目管理和決策，促進(jìn)了建筑工地管理模式的改變；石焱文等[8]討論了數(shù)字孿生技術(shù)在水利工程運行管理過程中的應(yīng)用。針對目前地質(zhì)勘察所面臨的問題，積極探索數(shù)字孿生技術(shù)對上述水利水電工程地質(zhì)勘察問題的解決方案，進(jìn)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(zhì)勘測朝著一體化、數(shù)字化、信息化、智能化的方向發(fā)展，達(dá)到切實極大提高勘察的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量的目的，對變革水利水電及其他行業(yè)勘察生產(chǎn)方式具有重要的參考價值。

1 應(yīng)用方案的提出

1.1 問題的提出

水利水電工程地質(zhì)勘察任務(wù)貫穿工程建設(shè)的各個時期，是水工、機電等相關(guān)專業(yè)進(jìn)行設(shè)計的基礎(chǔ)。但截至目前，勘察工作流程、專業(yè)工作方法仍停留在幾十年前的生產(chǎn)模式，產(chǎn)生了地質(zhì)生產(chǎn)效率低下、地質(zhì)數(shù)據(jù)與地質(zhì)成果質(zhì)量較難保證、工程地質(zhì)資源無法及時共享等問題[9]，主要體現(xiàn)為：

(1)就勘察工具而言，多為傳統(tǒng)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(shù)據(jù)來源而言，相關(guān)的地質(zhì)信息涉及多源、多量、多類、多元、多維和多主題的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的工程地質(zhì)資料的分析和解譯一般局限于二維、靜態(tài)的表達(dá)方式，它描述空間地質(zhì)構(gòu)造的起伏變化的直觀性差，難以使人們直接、完整和準(zhǔn)確理解地下的地質(zhì)情況。

(3)就勘察數(shù)據(jù)管理而言，面對日益增多的海量地質(zhì)數(shù)據(jù)，缺乏有效的存儲、管理，缺乏對數(shù)據(jù)的深度挖掘與實時共享，地質(zhì)數(shù)據(jù)的價值有待進(jìn)一步開發(fā)。

(4)就勘察的周期而言，隨著我國水利水電工程開發(fā)周期的加快，工程勘察設(shè)計任務(wù)日益繁重，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，技術(shù)要求越來越高，傳統(tǒng)的地質(zhì)專業(yè)內(nèi)外業(yè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)和地質(zhì)圖件的生成業(yè)務(wù)流程已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)形勢發(fā)展的需要。

(5)就勘察的生產(chǎn)流程而言，外業(yè)采集作業(yè)目前還是通過傳統(tǒng)測量方式來獲取數(shù)據(jù)，要靠人力采集和輸入，成果質(zhì)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(guān)聯(lián)性較弱，不利于數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理；外業(yè)數(shù)據(jù)采集步驟之間存在重復(fù)勞動以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)入庫工作煩瑣，外業(yè)的成果不僅無法及時匯總，到了室內(nèi)還需要用手工輸入的方式進(jìn)行資料整理，生產(chǎn)效率低下。

(6)基于BIM技術(shù)的三維協(xié)同設(shè)計在行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，地質(zhì)專業(yè)作為水利水電行業(yè)最上游的基礎(chǔ)專業(yè)之一，需要相應(yīng)的地質(zhì)軟件或地質(zhì)系統(tǒng)配合，共同推動水利水電行業(yè)數(shù)字化三維設(shè)計大規(guī)模推廣。

1.2 技術(shù)路線

1.2.1總體功能需求分析

通過對水利水電工程地質(zhì)勘察生產(chǎn)中重點、難點、痛點的分析，結(jié)合工程地質(zhì)全過程生產(chǎn)中全生產(chǎn)要素的作業(yè)流程及地質(zhì)成果的整理等需求，基于數(shù)字孿生技術(shù)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(nèi)容：實現(xiàn)工程地質(zhì)三維數(shù)字采集進(jìn)而使野外作業(yè)實現(xiàn)無紙化與信息化；勘察數(shù)據(jù)通過云平臺實現(xiàn)地質(zhì)信息的實時傳輸與共享；通過三維地質(zhì)建模技術(shù)快速生成三維模型以提高對復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象的直觀展示；基于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫與三維地質(zhì)模型的平切圖、剖面圖等相關(guān)圖紙的快速編繪；基于地質(zhì)模型的多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計；工程地質(zhì)數(shù)據(jù)分析與工程量統(tǒng)計；工程地質(zhì)(巖土)CAD/CAE一體化設(shè)計計算分析以及三維地質(zhì)模型的數(shù)字化移交。

圖1 水利水電工程地質(zhì)勘察數(shù)字化應(yīng)用總體需求

1.2.2應(yīng)用方案架構(gòu)

基于對水利水電工程地質(zhì)勘察的功能需求，以地質(zhì)工作作業(yè)流程和一線生產(chǎn)實際需求為基礎(chǔ)，以解決勘察生產(chǎn)中的重點、難點與痛點為目標(biāo)，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建從勘察外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)集成、綜合處理、三維建模、數(shù)據(jù)挖掘與分析等勘察生產(chǎn)全過程數(shù)字化的應(yīng)用體系，該體系的功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字孿生的工程地質(zhì)解決方案功能架構(gòu)

該功能架構(gòu)的前端主要實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的外業(yè)采集與數(shù)據(jù)傳輸，主要以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，通過電子地質(zhì)羅盤、GPS、GIS、移動終端、無人機等軟硬件采集外業(yè)鉆孔、平洞、地質(zhì)測繪、施工地質(zhì)等方面的地質(zhì)數(shù)據(jù)，并通過4G與5G網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸；核心層以地質(zhì)數(shù)據(jù)的綜合處理、數(shù)據(jù)分析與服務(wù)、地質(zhì)三維建模與分析等為主要內(nèi)容，充分挖掘地質(zhì)數(shù)據(jù)的應(yīng)用深度與廣度，體現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)服務(wù)和三維可視化分析等方面發(fā)揮的重要價值；終端主要為地質(zhì)三維模型的應(yīng)用與成果發(fā)布，包括外業(yè)三維數(shù)字采集、地質(zhì)數(shù)據(jù)管理、三維地質(zhì)建模、地質(zhì)項目管理與查詢等應(yīng)用層的內(nèi)容。

更進(jìn)一步地，水利水電工程地質(zhì)數(shù)字孿生體系的功能架構(gòu)可以分為三部分內(nèi)容：①主要通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)工程項目地質(zhì)勘察現(xiàn)場物理空間的感知與數(shù)據(jù)傳輸；②主要通過三維實景技術(shù)與地質(zhì)三維模型實現(xiàn)虛擬空間對真實物理空間的仿真模擬；③主要通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等實現(xiàn)虛擬空間與物理空間的動態(tài)交互。

2 關(guān)鍵技術(shù)說明

數(shù)字孿生技術(shù)以虛擬模型為數(shù)字化載體，并以智能化的方式實時指導(dǎo)物理實體，在工業(yè)制造、建筑施工、智慧城市等領(lǐng)域均有應(yīng)用。在水利水電工程地質(zhì)勘察行業(yè)，融合BIM、GIS、GPS、傾斜攝影等技術(shù)手段，結(jié)合大數(shù)據(jù)、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等新一代信息技術(shù)，構(gòu)架數(shù)字孿生工程地質(zhì)勘察應(yīng)用體系，為工程建設(shè)各個階段提供全方位的真實地質(zhì)三維實景環(huán)境，工程地質(zhì)及其他專業(yè)人員在統(tǒng)一的地質(zhì)場景下實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的實時傳輸與共享、地質(zhì)成果的快速轉(zhuǎn)化、地質(zhì)問題及時上報與處理、地質(zhì)資源的智能查詢等工作任務(wù)，提高地質(zhì)生產(chǎn)數(shù)字化、信息化、智能化水平。

2.1 GIS技術(shù)

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是對現(xiàn)實世界的抽象與表達(dá)，可為工程地質(zhì)外業(yè)提供詳細(xì)精確的地質(zhì)空間信息。尤其，新一代三維GIS 以二三維一體化 GIS技術(shù)為基礎(chǔ)框架，可融合傾斜攝影、BIM、激光點云等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)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(zhì)數(shù)據(jù)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(zhì)勘察中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在工程地質(zhì)外業(yè)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、分析等方面[10- 11]，主要包括：①工程地質(zhì)外業(yè)數(shù)字化底圖的創(chuàng)建，如通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，將 BIM、傾斜攝影模型、點云等數(shù)據(jù)與其他GIS數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)在GIS二三維場景中的融合匹配。②實現(xiàn)地質(zhì)信息的空間可視化，如GIS場景能夠提供較為全面的空間數(shù)據(jù)，可以形象直觀地觀察道路、水系、地質(zhì)界面跡線、房屋等標(biāo)識的全局、局部和細(xì)節(jié)。③地質(zhì)矢量數(shù)據(jù)的提取，矢量數(shù)據(jù)通常由點、線、面來表達(dá)地理實體，如使用線表達(dá)一條河流，使用面表達(dá)某覆蓋層區(qū)域，使用點表達(dá)地質(zhì)巖性露頭。這些點、線、面數(shù)據(jù)都可以方便地從GIS地圖中提?。虎艿刭|(zhì)圖的疊加分析，可對區(qū)域內(nèi)的專題地質(zhì)圖進(jìn)行管理和應(yīng)用，如基巖地質(zhì)、地質(zhì)遺跡、地下水分布、古河道、地質(zhì)災(zāi)害點等。⑤量測和空間分析?；跀?shù)據(jù)的不同二三維空間分析功能，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(shù)碼照片作為輸入數(shù)據(jù)源，為當(dāng)前環(huán)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(fù)雜場景，通過高效的數(shù)據(jù)采集設(shè)備及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理流程生成的數(shù)據(jù)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(chǎn)效率[12]。

三維建模在水利水電工程行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛與深入，在工程地質(zhì)方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)為：①可應(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)成果；②可應(yīng)用于外業(yè)地質(zhì)編錄，如在施工期對地質(zhì)結(jié)構(gòu)的識別、提取、擬合、產(chǎn)狀分析等；③對不良地質(zhì)現(xiàn)象的分析，如通過三維實景展現(xiàn)危巖體、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的空間分布，量測影響范圍、分析體積方量、監(jiān)測災(zāi)害動態(tài)等；④水工洞室的測量，如通過三維激光掃描等技術(shù)生成三維實景，對洞室斷面、空間走向、展布特征等進(jìn)行分析；⑤其他方面的應(yīng)用。

2.3 大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)[12- 14]

大數(shù)據(jù)(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(gòu)信息提供了新的處理模式。趙鵬大(2019)分析了地質(zhì)大數(shù)據(jù)具有混合型、抽樣性、因果性、時空性、多態(tài)性、多元性等特征，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可建立地質(zhì)“知識庫”，有效減少對復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象研究的多解性與不確定性。針對水利水電工程地質(zhì)數(shù)據(jù)種類多、內(nèi)容廣泛、增速快等特點，依托大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高效存儲、管理、分析、挖掘等功能。

物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things)通過傳感器、RFID、移動網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實現(xiàn)對目標(biāo)物體智能化識別、定位、跟蹤、數(shù)據(jù)自動化采集等目的，主要包括智能檢測層、信息傳輸層、應(yīng)用支撐層與業(yè)務(wù)應(yīng)用層。

云計算將提高地質(zhì)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)資源、計算資源的利用率，并將提升地質(zhì)計算資源獲取的便利性，推動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)在地質(zhì)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)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(zhǔn)，通過不斷加強對數(shù)字地球的認(rèn)知能力，促進(jìn)地質(zhì)領(lǐng)域的信息化進(jìn)步，充分發(fā)揮其社會化公益性作用。

2.4 Bentley相關(guān)技術(shù)支持

在水利水電工程地質(zhì)數(shù)字孿生解決方案的軟件及平臺支撐方面，國內(nèi)主要以BIM主流設(shè)計平臺A(Autodesk)平臺、B(Bentley)平臺、C(CATIA)平臺為依托實現(xiàn)地質(zhì)信息的三維數(shù)字化[15]。其中，Bentley是一家定位在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的全球領(lǐng)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(shù)據(jù)架構(gòu)，具有良好的通用性與數(shù)據(jù)兼容性，得到了各個行業(yè)的普遍認(rèn)可。水利水電行業(yè)的三維協(xié)同設(shè)計方案由以MicroStation為基礎(chǔ)的圖形平臺、水利水電各專業(yè)設(shè)計模塊及協(xié)同工作平臺ProjectWise構(gòu)成。在水利水電工程地質(zhì)方面，Bentley形成了以工程測繪、地質(zhì)勘察、巖土體設(shè)計分析、工程結(jié)構(gòu)計算分析、綜合應(yīng)用為一體的數(shù)字化解決方案(圖3)，可較為全面地滿足工程地質(zhì)生產(chǎn)數(shù)字化總體需求。

圖3 基于Bentley的水利水電工程地質(zhì)解決方案

3 應(yīng)用方案內(nèi)容

如圖4所示，結(jié)合GIS、三維空間影像技術(shù)、工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫技術(shù)、三維地質(zhì)建模技術(shù)及大數(shù)據(jù)時代的物聯(lián)網(wǎng)與云計算等技術(shù)，形成水利水電工程地質(zhì)勘測內(nèi)外業(yè)一體化數(shù)字智能采集處理、工程地質(zhì)信息的管理與服務(wù)、三維地質(zhì)建模與分析三大綜合性功能模塊，實現(xiàn)外業(yè)工程地質(zhì)數(shù)據(jù)動態(tài)采集、實時傳輸、實時處理及遠(yuǎn)程指導(dǎo)；實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理與綜合利用，使地質(zhì)數(shù)據(jù)走向互聯(lián)互通的地質(zhì)云桌面、云存儲、地質(zhì)云端；實現(xiàn)三維地質(zhì)模型的動態(tài)建立及可視化分析，助力水利水電工程的三維協(xié)同設(shè)計，為工程的全生命周期保駕護(hù)航。

圖4 基于物聯(lián)網(wǎng)與云平臺的地質(zhì)數(shù)字孿生概念模型

3.1 工程地質(zhì)三維數(shù)字化采集

目前，水利水電工程地質(zhì)分析手段越來越先進(jìn)，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(shù)等大量軟硬件與新技術(shù)不斷融合于地質(zhì)勘察的內(nèi)外業(yè)工作中。建立基于物聯(lián)網(wǎng)與云平臺的地質(zhì)三維數(shù)字化采集系統(tǒng)，實現(xiàn)野外數(shù)據(jù)采集、勘探等工作實時協(xié)同作業(yè)，綜合利用地質(zhì)大數(shù)據(jù)資源，建立地質(zhì)專家預(yù)判輔助功能，充分挖掘地質(zhì)數(shù)據(jù)價值，提高地質(zhì)勘察內(nèi)外業(yè)的工作效率。圖5展示了工程地質(zhì)三維數(shù)字化采集系統(tǒng)具體實現(xiàn)流程，主要分為工程地質(zhì)數(shù)據(jù)采集處理內(nèi)外業(yè)一體化及地質(zhì)數(shù)據(jù)云端一體化管理存儲分析兩部分內(nèi)容。

圖5 工程地質(zhì)三維數(shù)字化采集流程圖

工程地質(zhì)內(nèi)外業(yè)一體化秉承“先內(nèi)業(yè)—后外業(yè)—再內(nèi)業(yè)，把野外現(xiàn)場搬回家”的專業(yè)理念。“先內(nèi)業(yè)”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(guān)參考資料進(jìn)行預(yù)分析處理，提取制作野外地質(zhì)采集“基本底圖”；“后內(nèi)業(yè)”是指到野外現(xiàn)場利用移動端軟件對內(nèi)業(yè)制作的“基本底圖”內(nèi)容進(jìn)行調(diào)查核實和補充完善；“再內(nèi)業(yè)”是指在外業(yè)工作結(jié)束后只需要將移動端上的地質(zhì)采集數(shù)據(jù)傳回到桌面端軟件中，利用桌面端軟件對數(shù)據(jù)的再一次融合處理分析及整理歸類，即可得到正式的地質(zhì)測繪成果數(shù)據(jù)、表格數(shù)據(jù)及圖件，這樣的作業(yè)流程有效解決了內(nèi)外業(yè)信息不對稱而造成的重復(fù)性工作、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中的信息丟失，外業(yè)工作周期可大幅縮短，也可以使內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的分析整理、表格數(shù)據(jù)及圖件的成果處理與輸出變得更加標(biāo)準(zhǔn)化和智能化，工作效率及成果質(zhì)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(zhì)云平臺與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)間的連接，采用虛擬化等系列核心技術(shù)，實現(xiàn)地質(zhì)數(shù)據(jù)云存儲、地質(zhì)云計算，并提供相應(yīng)的云服務(wù)，實現(xiàn)工程項目人員利用不同設(shè)備皆可直接上傳、訪問、查詢到權(quán)限內(nèi)的相應(yīng)地質(zhì)數(shù)據(jù)。

3.2 工程地質(zhì)信息管理與服務(wù)

水利水電工程地質(zhì)信息來源廣泛，地質(zhì)種類繁多，數(shù)據(jù)形式多樣，數(shù)據(jù)量增長快，具有海量、多元、異構(gòu)等特點。地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)主要包括地質(zhì)測繪、地形、鉆孔、平洞、探井、物探、試驗、邊坡、洞室等內(nèi)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|(zhì)大數(shù)據(jù)的地質(zhì)云平臺建設(shè)對這些工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化處理，實現(xiàn)地質(zhì)信息的集中管理、實時共享與數(shù)據(jù)深度挖掘，進(jìn)而實現(xiàn)為工程建設(shè)提供地質(zhì)工程信息決策的支持。

依托于地質(zhì)云平臺，將不同方式采集或收集到的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲，建立地質(zhì)大數(shù)據(jù)中心，形成工程地質(zhì)信息的存儲、管理、挖掘、服務(wù)一體化的數(shù)據(jù)倉庫。如圖6所示，水利水電工程地質(zhì)信息管理與服務(wù)包括了地質(zhì)數(shù)據(jù)采集云端、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)安全管理等內(nèi)容。這些內(nèi)容為地質(zhì)勘察提供了“知識感知”的工作空間，形成了以“大數(shù)據(jù)+大計算”為特點的水利水電工程地質(zhì)勘察全生命周期的服務(wù)鏈，實現(xiàn)了計算資源、數(shù)據(jù)資源、存儲資源的互聯(lián)互通，并為用戶提供定制化應(yīng)用流程。

圖6 工程地質(zhì)信息管理與服務(wù)結(jié)構(gòu)圖

地質(zhì)云平臺以地質(zhì)知識的流程化和智能化應(yīng)用為核心，覆蓋了地質(zhì)勘察的全領(lǐng)域、全空間、全資源，為地質(zhì)人員提供全方位的智能感知、認(rèn)知能力和協(xié)助工具，以及輔助解決地質(zhì)科學(xué)問題的超級智能化環(huán)境，是水利水電工程地質(zhì)勘察數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)據(jù)與平臺支撐。

3.3 地質(zhì)三維建模與分析

水利水電工程地質(zhì)三維模型是復(fù)雜地質(zhì)條件的三維可視化，是工程地質(zhì)信息的重要承載者，構(gòu)成了工程地質(zhì)勘察數(shù)字孿生體，可在更加真實、直觀和形象的條件下進(jìn)行地質(zhì)現(xiàn)象分析、模型抽象、實體重構(gòu)、科學(xué)計算、過程再現(xiàn)、知識發(fā)現(xiàn)、成果表達(dá)、評價決策和工程設(shè)計。工程區(qū)三維實景、模型地質(zhì)三維模型與水工BIM模型的組合實現(xiàn)了地上、地表、地下一體化的數(shù)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(shù)字孿生體示意圖

4 結(jié)論

文章分析了水利水電工程地質(zhì)勘察目前所面臨的勘測手段數(shù)字化程度低、過程不便捷等相關(guān)問題，結(jié)合工程地質(zhì)全過程生產(chǎn)中全生產(chǎn)要素的作業(yè)流程及地質(zhì)成果的整理等需求，基于數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建了從勘察外業(yè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)集成、綜合處理、三維建模、數(shù)據(jù)挖掘與分析等勘察生產(chǎn)全過程數(shù)字化的數(shù)字孿生應(yīng)用方案。該解決方案為工程地質(zhì)勘測朝著一體化、數(shù)字化、信息化、智能化的方向發(fā)展提供了思路，可達(dá)到切實極大提高勘察的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量的目的，對變革水利水電及其他行業(yè)勘察生產(chǎn)方式具有重要的參考價值。

文章所提出的基于數(shù)字孿生技術(shù)的水利水電工程地質(zhì)解決方案主要側(cè)重于理念的提出，搭建了數(shù)字孿生體系的架構(gòu)，對于該應(yīng)用方案的具體實施細(xì)節(jié)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。