基于數(shù)字孿生的城市地下綜合管廊應(yīng)用研究

郭 杰，朱玉明，李夏晶，劉紅義

(北京京航計(jì)算通訊研究所，北京 100074)

1 引言

1.1 城市地下綜合管廊現(xiàn)狀

城市地下綜合管廊是建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施，是由干線綜合管廊、支線綜合管廊和纜線綜合管廊組成的多級網(wǎng)絡(luò)銜接的系統(tǒng)。為保障綜合管廊本體、內(nèi)部環(huán)境、管線運(yùn)行和人員安全，配套建設(shè)消防、通風(fēng)、供電、照明、監(jiān)控與報(bào)警、給排水和標(biāo)識等附屬設(shè)施。

目前，城市地下綜合管廊存在人工投入大、過程數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、信息孤島、智能化水平偏低等問題，導(dǎo)致運(yùn)營成本居高不下、安全缺少保障、事故發(fā)生概率增加。參與綜合管廊規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、系統(tǒng)集成、運(yùn)營管理的各方，由于對其它環(huán)節(jié)的了解或技術(shù)能力不足，相互之間未能建立貫穿全過程的深度交流與溝通，導(dǎo)致管廊建成后其功能可能無法滿足運(yùn)維管理的需要[1]，因未預(yù)留條件升級改造困難，部分監(jiān)控系統(tǒng)淪為雞肋，距離實(shí)現(xiàn)預(yù)前控制、危機(jī)處理、智慧管控仍存在較大差距。

1.2 數(shù)字孿生應(yīng)用概述

數(shù)字孿生首先應(yīng)用在以航空、航天為代表的軍事領(lǐng)域，如無損檢查/評估、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、結(jié)構(gòu)拆除評估、負(fù)載和環(huán)境表征、表征建模與測試、預(yù)測與風(fēng)險(xiǎn)分析等。近年來，隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息化、智能化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生應(yīng)用[2]逐漸拓展至各類民用行業(yè)，尤其在制造業(yè)中得到大量研究與應(yīng)用，比如產(chǎn)品數(shù)字孿生[3]、數(shù)字孿生車間[4]、數(shù)字化工廠等。目前，數(shù)字孿生已經(jīng)引起眾多亟需數(shù)字化轉(zhuǎn)型行業(yè)的廣泛關(guān)注，并在汽車、船舶、電力、醫(yī)療、智慧城市等諸多領(lǐng)域得到探索應(yīng)用。

目前，數(shù)字孿生城市[5-7]為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，是建設(shè)新型智慧城市的一條新興技術(shù)路徑。基于數(shù)字化標(biāo)識、自動化感知、網(wǎng)絡(luò)化連接、普惠化計(jì)算、智能化控制、平臺化服務(wù)的信息技術(shù)體系和城市信息空間模型，在數(shù)字空間再造一個(gè)與物理城市相匹配的孿生城市，全息模擬、動態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)診斷、精準(zhǔn)預(yù)測城市物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的狀態(tài)，推動城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、城市運(yùn)行管理協(xié)同化智能化，實(shí)現(xiàn)物理城市與孿生城市協(xié)同交互與平行運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.3 數(shù)字孿生適用性分析

城市地下綜合管廊是城市安全運(yùn)行的“生命線”，也是數(shù)字孿生城市的重要組成部分。將數(shù)字孿生應(yīng)用于城市地下綜合管廊安全管理中適用性分析[8]如下：

1)數(shù)字孿生適用于極端及高危運(yùn)行環(huán)境，支持運(yùn)行環(huán)境自主感知、運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)可視化、多粒度多尺度仿真以及虛實(shí)實(shí)時(shí)交互等功能[9]。城市地下綜合管廊屬于高危運(yùn)行環(huán)境，存在燃?xì)庑孤?、給排水爆管、電纜火災(zāi)等重大安全風(fēng)險(xiǎn)隱患，且具有封閉性和不易疏散性等特點(diǎn)。

2)數(shù)字孿生適用于社會效益大的工程或場景需求，支持工程/場景的實(shí)時(shí)可視化、多維度/多粒度仿真、虛擬驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)、及沉浸式人機(jī)交互、為保障安全提供輔助等[9]。城市地下綜合管廊安全管理可提升城市防災(zāi)能力和安全等級，在地震、洪水、臺風(fēng)等自然災(zāi)害中，能夠盡量減少對廊內(nèi)管線的損壞，實(shí)現(xiàn)災(zāi)后快速修復(fù)。同時(shí)，便于各種管線的檢修、擴(kuò)容、接入接出，避免了道路二次開挖及對城市交通的影響，具有重大社會效益。

3)數(shù)字孿生適用于需降低投入產(chǎn)出比且具有重大經(jīng)濟(jì)效益的行業(yè)，從而支撐行業(yè)提質(zhì)增效。城市地下綜合管廊避免了各類市政管線工程在建設(shè)初期的交叉投入，同時(shí)降低了廊內(nèi)各類市政管線的運(yùn)行維護(hù)成本，避免了因管線維修、擴(kuò)容引起的二次開挖，減少了“馬路拉鏈”的反復(fù)投資；綜合管廊內(nèi)各類市政管線布置緊湊合理，節(jié)約了城市用地且管線運(yùn)營更安全，并可提升區(qū)域品質(zhì)增強(qiáng)沿線地塊經(jīng)濟(jì)價(jià)值，具有重大經(jīng)濟(jì)效益。

2 基于數(shù)字孿生的城市地下綜合管廊

2.1 數(shù)字孿生管廊總體架構(gòu)

城市地下綜合管廊數(shù)字孿生體[10]，歸根結(jié)底是多模型的集合，孿生信息模型是數(shù)字孿生的核心。通過采用虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、介導(dǎo)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)為城市地下綜合管廊實(shí)體提供多維度、多時(shí)空、多尺度的高保真數(shù)字化映射，這是實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的綜合管廊安全管理應(yīng)用的前提。通過綜合運(yùn)用3DGIS地理信息模型、BIM建筑信息模型及物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，構(gòu)建綜合管廊孿生信息模型，包括綜合管廊建筑模型、結(jié)構(gòu)模型、內(nèi)部設(shè)備模型、入廊管線模型等，將綜合管廊規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工中的信息資源與管廊孿生信息模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在管廊運(yùn)營階段實(shí)時(shí)更新模型相關(guān)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)城市地下綜合管廊規(guī)化建設(shè)管理全生命周期精細(xì)化管理。理想情況下，綜合管廊孿生信息模型不僅是簡單的三維模型，而是一種多維多時(shí)空多尺度模型[11]，具備高保真、高可靠、高精度的特征，并能夠與綜合管廊實(shí)體之間進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，實(shí)時(shí)更新監(jiān)測數(shù)據(jù)保證信息的時(shí)效性和真實(shí)性，并可進(jìn)行不同場景動態(tài)推演實(shí)現(xiàn)預(yù)警預(yù)測。

圖1 數(shù)字孿生管廊總體架構(gòu)

孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生應(yīng)用的核心驅(qū)動力，綜合管廊實(shí)體的孿生數(shù)據(jù)應(yīng)集成綜合管廊規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)施工、運(yùn)營管理全生命周期[12-13]的全業(yè)務(wù)、全流程、全要素的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)深度融合，以及孿生數(shù)據(jù)與綜合管廊實(shí)體、綜合管廊孿生模型以及應(yīng)用服務(wù)的精準(zhǔn)映射與實(shí)時(shí)交互。

表1 數(shù)據(jù)列表

2.2 核心應(yīng)用服務(wù)

基于數(shù)字孿生的城市地下綜合管廊核心應(yīng)用服務(wù)主要為：

1)綜合管廊虛擬漫游巡視

三維空間的有效感知與實(shí)景可視化是基于數(shù)字孿生的城市地下綜合管廊安全管理應(yīng)用的基礎(chǔ)。通過利用日趨成熟的新型測繪技術(shù)、多模態(tài)多尺度空間數(shù)據(jù)智能提取技術(shù)、高性能三維渲染技術(shù)等，對城市地下綜合管廊、管廊附屬設(shè)施、地下管線、周邊環(huán)境及建筑物等進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高真實(shí)感和低成本的全自動全要素結(jié)構(gòu)化表達(dá)。通過在綜合管廊三維場景中以任意角度、距離以及路線進(jìn)行虛擬漫游巡視，全面且直觀感知綜合管廊自身及周邊環(huán)境情況，為檢查規(guī)劃設(shè)計(jì)缺陷、優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)施方案、運(yùn)營維護(hù)可視化管理提供有效支撐。

2)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段碰撞檢測

在綜合管廊規(guī)劃設(shè)計(jì)及施工階段，基于綜合管廊孿生信息模型可從任意角度剖切查看進(jìn)行可視化碰撞檢測，識別綜合管廊內(nèi)部、管廊與周邊環(huán)境的沖突問題，檢測綜合管廊結(jié)構(gòu)交叉節(jié)點(diǎn)、入廊管線交叉節(jié)點(diǎn)等的碰撞沖突，實(shí)現(xiàn)綜合管廊內(nèi)部各專業(yè)管線間、綜合管廊與已建地下空間、綜合管廊與軌道交通等的碰撞檢測，從而對復(fù)雜節(jié)點(diǎn)及各管線的位置等進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，優(yōu)化調(diào)整管線布局方案，避免規(guī)劃及施工過程中的碰撞點(diǎn)，保證管線布局的合理性及綜合管廊與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性，減少工程施工返工，提高實(shí)施速度，有效節(jié)約施工工期和施工成本。

3)管廊項(xiàng)目進(jìn)度全面管控

在綜合管廊項(xiàng)目施工階段，基于全要素的城市地下綜合管廊數(shù)字孿生體，真實(shí)再現(xiàn)施工作業(yè)環(huán)境，在該環(huán)境中進(jìn)行可視化三維立體施工模擬，揭露出施工現(xiàn)場中可能存在的問題，優(yōu)化施工順序，并可進(jìn)行多套方案施工模擬對比分析，最終確定最優(yōu)施工方案；通過將施工方案與項(xiàng)目工作計(jì)劃進(jìn)行模擬對比，檢查施工過程中容易影響工期的因素，分析進(jìn)度計(jì)劃的合理性，調(diào)整施工組織計(jì)劃并對施工過程進(jìn)行全面可視化管控；針對項(xiàng)目進(jìn)度滯后問題，通過大數(shù)據(jù)分析與預(yù)判自動分析滯后原因，并及時(shí)采取對應(yīng)處置措施，從而提高管理與決策效率。

4)管廊運(yùn)行監(jiān)測智能管控

城市地下綜合管廊運(yùn)維階段，基于前期建筑、結(jié)構(gòu)、入廊管線等多種綜合管廊數(shù)字孿生模型積累了規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)施工全部孿生數(shù)據(jù)，可生成完整的城市地下綜合管廊數(shù)字孿生體，用于綜合管廊遠(yuǎn)程智能監(jiān)控及維護(hù)。通過漫游巡視及三維可視化管理，可直觀且實(shí)時(shí)對管廊內(nèi)部空間的環(huán)境、安防、消防、入廊管線運(yùn)行情況、設(shè)備健康及能耗，以及管廊周邊環(huán)境等方面進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)獲取管廊內(nèi)各系統(tǒng)工作狀態(tài)、異?；蚬收蠄?bào)警信息并精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)綜合管廊運(yùn)行環(huán)境設(shè)備聯(lián)動調(diào)節(jié)、報(bào)警事件及時(shí)處置，綜合管廊整體能耗優(yōu)化等常態(tài)化智能管控。

5)管廊潛在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測預(yù)警

城市地下綜合管廊本體、附屬設(shè)施、入廊管線、周邊環(huán)境等存在潛在風(fēng)險(xiǎn)，逐步排查繁瑣耗時(shí)較長，導(dǎo)致突發(fā)安全事故無法及時(shí)處置?；诔鞘械叵戮C合管廊數(shù)字孿生體，將實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)與安全評估參數(shù)進(jìn)行比對，定量評估風(fēng)險(xiǎn)等級，對管廊結(jié)構(gòu)縱橫變形、供水爆管、燃?xì)獗ā⑽鬯疂B漏、有害氣體超標(biāo)、周邊環(huán)境空洞富水等病害等進(jìn)行預(yù)測預(yù)警，自動鎖定隱患點(diǎn)并及時(shí)通知相關(guān)責(zé)任單位，可通過綜合管廊數(shù)字孿生體詳細(xì)查看隱患點(diǎn)及相關(guān)信息，針對性制定巡檢或運(yùn)維方案，保障管廊安全運(yùn)營和入廊作業(yè)人員安全。

6)綜合管廊應(yīng)急模擬仿真

基于綜合管廊數(shù)字孿生體，能夠?qū)C合管廊燃?xì)庑孤?、給排水爆管、電纜火災(zāi)等重大風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行災(zāi)害鏈模擬仿真，推演風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生后引發(fā)的直接災(zāi)害和次生衍生災(zāi)害并進(jìn)行三維可視化演示，量化災(zāi)害動態(tài)演變過程和影響。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行應(yīng)急預(yù)案制定及模擬演練，動態(tài)展示應(yīng)急指揮調(diào)度、應(yīng)急聯(lián)動處理處置及人員疏散，分析并修正應(yīng)急預(yù)案缺陷，提高突發(fā)事件應(yīng)急處置熟練程度，改善各應(yīng)急組織機(jī)構(gòu)、人員之間的交流溝通和協(xié)調(diào)合作，從而有效降低事故造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

3 基于數(shù)字孿生的地下綜合管廊典型應(yīng)用

3.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段

城市地下綜合管廊規(guī)劃設(shè)計(jì)階段[14-16]，由于綜合分析因素眾多并且非常復(fù)雜，存在城市地下綜合管廊選址安全合理、與其它地下設(shè)施規(guī)劃協(xié)調(diào)、事故安全影響分析等規(guī)劃難點(diǎn)，以及入廊管線組合設(shè)計(jì)、管線分艙安全設(shè)計(jì)、斷面設(shè)計(jì)、埋深設(shè)計(jì)、防火設(shè)計(jì)、防水設(shè)計(jì)、抗震設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。針對上述規(guī)劃設(shè)計(jì)難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，基于數(shù)字孿生的城市地下綜合管廊，利用3DGIS地理信息模型、BIM建筑信息模型等技術(shù)，將規(guī)劃因素與實(shí)際空間位置相結(jié)合，建立三維可視化工程環(huán)境，提供多維度的分析處理方法，支撐綜合管廊規(guī)劃設(shè)計(jì)，典型應(yīng)用總體框圖如圖2所示．

圖2 規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的典型應(yīng)用框圖

1)規(guī)劃可行性分析及空間分析

基于各項(xiàng)規(guī)劃、勘測資料及規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)等資料，提取地下管線、地形地質(zhì)、交通路網(wǎng)、經(jīng)濟(jì)人口等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，基于3DGIS集成上述數(shù)據(jù)并添加信息的空間屬性，與地理信息建立有機(jī)聯(lián)系，構(gòu)建地下管網(wǎng)、地質(zhì)信息三維工程模型、規(guī)劃構(gòu)筑物BIM模型等，創(chuàng)建基于3DGIS的規(guī)劃環(huán)境模型?；谝?guī)劃范圍內(nèi)的空間數(shù)據(jù)和模型，可進(jìn)行用地類型分析、河流及道路走向分析、地形分析等工程適宜性分析評價(jià)，及規(guī)劃范圍內(nèi)現(xiàn)狀市政管線及地質(zhì)分析等規(guī)劃可行性分析?；贐IM模型及GIS分析，通過規(guī)劃空間分析進(jìn)行管廊多規(guī)劃方案比選，實(shí)現(xiàn)管廊選址定線、管廊斷面選型及重要節(jié)點(diǎn)控制。

2)設(shè)計(jì)可行性分析

基于管線規(guī)劃線位數(shù)據(jù)、工程選用的坐標(biāo)系與對應(yīng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，創(chuàng)建管廊項(xiàng)目周邊環(huán)境三維實(shí)景模型，用于設(shè)計(jì)方案模擬。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)勘測數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)方案技術(shù)指標(biāo)，構(gòu)建設(shè)計(jì)方案模型進(jìn)行綜合管廊建設(shè)方案直觀展示與比選，對管廊建設(shè)與周邊環(huán)境情況、艙室分布及斷面形式是否合理等進(jìn)行分析；依據(jù)現(xiàn)狀道路及管線物探數(shù)據(jù)等，構(gòu)建交通疏解及管線搬遷設(shè)計(jì)模型，分析管廊主體結(jié)構(gòu)圍擋及周邊建筑對交通的影響，通過行車模擬及人流仿真模擬驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的交通安全可行性，直觀分析確定哪些管線需要被改遷，遷改后管線附屬構(gòu)筑物空間是否滿足及管線綜合節(jié)點(diǎn)碰撞情況等。

3)初設(shè)及深化設(shè)計(jì)分析

基于可行性研究階段的管廊BIM模型，對管線入廊方案進(jìn)行可行性模擬，分析論證燃?xì)夤艿馈⒂晡壑亓艿赖热肜鹊目煽啃?，合理?guī)劃空間位置與安裝順序。在管廊復(fù)雜交叉節(jié)點(diǎn)、管線出入口等處，易發(fā)生不同專業(yè)管線之間碰撞及預(yù)留安裝、檢修空間不足等問題，通過整合給排水、電氣、水工結(jié)構(gòu)等專業(yè)模型，確定沖突檢測及管線綜合的基本原則，進(jìn)行管線綜合與分析檢查，逐一解決各專業(yè)之間的碰撞沖突問題?；诠芾裙?jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)模型，直觀展示復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的空間位置關(guān)系及異型構(gòu)件的準(zhǔn)確信息，對節(jié)點(diǎn)的尺寸、節(jié)點(diǎn)位置及連接方式、管線排布進(jìn)行分析優(yōu)化，提前發(fā)現(xiàn)錯(cuò)、漏、碰、缺等問題，確保施工出圖的準(zhǔn)確性，避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致的施工返工。

3.2 建設(shè)施工階段

城市地下綜合管廊建設(shè)施工階段[17-18]，由于建設(shè)施工周期普遍較長，與施工有關(guān)的各項(xiàng)工作都是變化的、多階段的，施工組織協(xié)調(diào)復(fù)雜且存在與已建建筑物最小施工安全距離設(shè)計(jì)、施工工序、作業(yè)工藝等施工安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，同時(shí)在施工進(jìn)度、施工質(zhì)量與安全管理等方面存在監(jiān)管乏力問題。針對上述建設(shè)施工痛點(diǎn)，基于數(shù)字孿生的城市地下綜合管廊可通過“虛擬施工”進(jìn)行施工籌劃模擬及優(yōu)化，施工進(jìn)度的動態(tài)模擬及優(yōu)化調(diào)整，施工安全技術(shù)交底及質(zhì)量與安全事前控制及事后反饋閉環(huán)管理，典型應(yīng)用總體框圖如圖3所示。

圖3 建設(shè)施工階段的典型應(yīng)用框圖

1)施工籌劃模擬及優(yōu)化

基于施工場地布置模型協(xié)調(diào)施工平面，解決多階段施工平面布置協(xié)調(diào)中依靠二維圖紙堆疊查看的復(fù)雜性和各階段平面布置信息的不連續(xù)問題。通過施工籌劃模擬，檢查校驗(yàn)施工籌劃的合理性，通過檢查、反饋、調(diào)整，形成科學(xué)合理的施工籌劃。當(dāng)管廊項(xiàng)目位于市區(qū)主干路上時(shí)，由于存在場地狹小、周圍建筑物多、地下市政管線復(fù)雜等問題，通過可視化三維立體施工模擬進(jìn)行預(yù)施工，合理確定施工工序，優(yōu)化工期。針對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行施工模擬，預(yù)見多作業(yè)面立體交叉施工時(shí)的空間“打架”現(xiàn)象，將虛擬施工信息進(jìn)行提取，用以修正優(yōu)化施工方案。

2)施工進(jìn)度模擬與管控

基于綜合管廊整體三維模型，可進(jìn)行各分項(xiàng)工程的工程量提取，為項(xiàng)目施工準(zhǔn)備、材料采購及各類指標(biāo)控制提供數(shù)據(jù)支撐。通過模擬項(xiàng)目施工全過程，估算各階段資源需求量及消耗量，分析各階段的資源分配情況，檢查施工過程中容易影響工期的因素，及時(shí)調(diào)整施工組織計(jì)劃，保證施工進(jìn)度，避免工期延誤。通過將施工各階段、各專業(yè)的信息集成到施工模型中，對比實(shí)際進(jìn)度和計(jì)劃進(jìn)度，分析進(jìn)度偏差及滯后原因，并及時(shí)采取相應(yīng)處置措施，對施工過程進(jìn)行全面管控。

3)施工質(zhì)量與安全管理

在施工質(zhì)量與安全防控方面，可依托模型進(jìn)行復(fù)核和隱患排查，以及施工方案可視化交底，對個(gè)別工藝進(jìn)行 3D 模擬，精確展示施工中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，輔助項(xiàng)目施工；通過在移動設(shè)備上查看項(xiàng)目模型信息，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，保證工程準(zhǔn)確實(shí)施，提高施工質(zhì)量。另外，將施工過程情況與模型綁定，可隨時(shí)查看模型節(jié)點(diǎn)的施工詳情，實(shí)時(shí)獲取報(bào)警信息，及時(shí)處理設(shè)備故障及違章操作，記錄現(xiàn)場發(fā)生的各類質(zhì)量和安全情況，做到各類質(zhì)量和安全情況的發(fā)生、反饋、處理、解決數(shù)據(jù)可追溯，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量與安全閉環(huán)管理。

3.3 運(yùn)營管理階段

城市地下綜合管廊運(yùn)營管理階段[19-20]，存在溫度、濕度、壓力、有害氣體濃度、氧氣濃度等管廊內(nèi)部環(huán)境運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，管廊上方道路塌陷、臨近地下工程施工、外侵及人為破壞等外部環(huán)境運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，以及作業(yè)人員人身安全、規(guī)范性操作、監(jiān)控預(yù)警設(shè)備是否安全運(yùn)行等檢修維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)。針對上述運(yùn)營維護(hù)管理風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，基于數(shù)字孿生的城市地下綜合管廊可通過可視化管理、虛擬漫游及模擬仿真，實(shí)現(xiàn)常態(tài)化智能監(jiān)控及預(yù)測預(yù)警、突發(fā)事件應(yīng)急模擬仿真及處置等功能，典型應(yīng)用總體框圖如圖4所示。

圖4 運(yùn)營管理階段的典型應(yīng)用框圖

1)運(yùn)營維護(hù)可視化管理

集成整合規(guī)劃設(shè)計(jì)及建設(shè)施工階段積累的BIM模型和數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合GIS地理信息數(shù)據(jù)，管廊本體及周邊環(huán)境、管廊內(nèi)部環(huán)境及設(shè)備、入廊管線運(yùn)行狀態(tài)、管廊安防消防、人員定位等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，通過“一張圖”方式提供基于位置的可視化服務(wù)，可直觀展示綜合管廊整體運(yùn)行情況、預(yù)警告警位置及報(bào)警信息，支持二維地圖和管廊三維模型的綜合展示，提供漫游巡視、分區(qū)顯示、空間測量、綜合管廊智能監(jiān)控和聯(lián)動控制、巡檢人員定位及巡檢軌跡查詢等功能，滿足地下綜合管廊的常態(tài)化監(jiān)控和管理需要。

2)風(fēng)險(xiǎn)評估與預(yù)測預(yù)警

面向常態(tài)化運(yùn)營管理，基于城市地下綜合管廊數(shù)字孿生體，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評估專業(yè)模型和算法，根據(jù)管廊本體、入廊管線、附屬設(shè)施、周邊環(huán)境等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，定量評估潛在風(fēng)險(xiǎn)的狀態(tài)和等級，如供水管線爆管風(fēng)險(xiǎn)、排水管線滲漏和淤積風(fēng)險(xiǎn)、熱力管線泄漏風(fēng)險(xiǎn)、燃?xì)夤芫€泄漏風(fēng)險(xiǎn)、電力電纜火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和管廊綜合風(fēng)險(xiǎn)等，并以“風(fēng)險(xiǎn)熱力圖”形式展示風(fēng)險(xiǎn)分布；利用空間信息數(shù)據(jù)及氣體擴(kuò)散模型、水泄漏模型等對管廊實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，并通過專家模型及AI算法將計(jì)算結(jié)果與事故歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而預(yù)測可能出現(xiàn)的問題并及時(shí)預(yù)警。

3)應(yīng)急模擬仿真及處置

城市地下綜合管廊數(shù)字孿生體集成整合了規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)維各階段數(shù)據(jù)，為火災(zāi)、爆管、地震等突發(fā)事件應(yīng)急模擬仿真提供了可靠環(huán)境。針對管廊事故模擬過程中涉及的人員疏散特征、氣體擴(kuò)散特征、水流速特征等進(jìn)行特征參數(shù)分析及確定?；诜抡姝h(huán)境及各對象的特征參數(shù)，根據(jù)事故類型及程度確定需啟動的應(yīng)急預(yù)案，并根據(jù)應(yīng)急預(yù)案流程將事故模擬涉及的各個(gè)對象如人員逃生、火災(zāi)擴(kuò)散、管廊積水變化、管廊結(jié)構(gòu)形變等的特征參數(shù)動態(tài)加載到環(huán)境模型中進(jìn)行模擬仿真，通過反復(fù)模擬和運(yùn)算全面分析火災(zāi)、爆管、地震等事故狀態(tài)，推演事故發(fā)生后引發(fā)的直接災(zāi)害和次生衍生災(zāi)害，并通過三維場景進(jìn)行動態(tài)展示，從而直觀地對應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行驗(yàn)證及優(yōu)化，保障綜合管廊安全運(yùn)營。

4 總結(jié)

隨著新型測繪、標(biāo)識感知、協(xié)同計(jì)算、全要素表征、模擬仿真等技術(shù)快速發(fā)展為數(shù)字孿生應(yīng)用注入了新活力。基于數(shù)字孿生的綜合管廊將具備數(shù)化、互動、先知、先覺、共智的成熟度特征，形成完備的城市地下綜合管廊數(shù)字孿生體，可與綜合管廊實(shí)體之間虛實(shí)交互、實(shí)時(shí)映射、動態(tài)演化，并可根據(jù)不同業(yè)務(wù)場景需求進(jìn)行仿真推演，實(shí)現(xiàn)預(yù)測預(yù)警、智能決策與智慧管控，促進(jìn)綜合管廊安全管理向智慧時(shí)代跨越。