中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)張春生：工程領(lǐng)域的數(shù)字孿生

張春生中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)

一、數(shù)字孿生的定義

目前不同研究者對(duì)數(shù)字孿生有不同的定義，尚未形成統(tǒng)一共識(shí)。我們認(rèn)為數(shù)字孿生是以三維可視化為表現(xiàn)形式，以數(shù)據(jù)的采集、生產(chǎn)、匯集、清洗、分析、應(yīng)用為基本手段，從而為工程和城市建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、管理提供全生命周期服務(wù)的一種技術(shù)。它是工程技術(shù)和三維數(shù)字化技術(shù)的一種高度融合，是工程實(shí)體在數(shù)字空間中包括物理形態(tài)、實(shí)時(shí)狀態(tài)、變化演進(jìn)、外界作用等全信息的準(zhǔn)確映射（見(jiàn)圖1）。

二、數(shù)字孿生探索實(shí)踐及水利領(lǐng)域應(yīng)用

我從時(shí)間和空間兩個(gè)維度來(lái)談?wù)勎覀冊(cè)跀?shù)字孿生方面的應(yīng)用和實(shí)踐。

第一個(gè)維度是從時(shí)間進(jìn)程上講。數(shù)字孿生是全生命周期的，即從工程項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)，直到后期的維修、報(bào)廢，貫穿整個(gè)工程的生命全過(guò)程。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，使傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行的表現(xiàn)形式和工作方式都發(fā)生了深刻變化。

設(shè)計(jì)中，通過(guò)數(shù)字孿生手段，可實(shí)現(xiàn)多專(zhuān)業(yè)三維協(xié)同設(shè)計(jì)。把各專(zhuān)業(yè)從設(shè)計(jì)到審核的線(xiàn)性流程貫通下來(lái)，建立模型使各專(zhuān)業(yè)可同時(shí)開(kāi)展設(shè)計(jì)工作，進(jìn)行碰撞檢查，設(shè)計(jì)變動(dòng)即時(shí)更新、信息互通，目的是設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率的提升。

建造中，可基于三維模型模擬建設(shè)過(guò)程，進(jìn)行計(jì)劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度對(duì)比，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度管控，并通過(guò)數(shù)據(jù)匯聚應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本等數(shù)據(jù)集中展示、高效分析、輔助決策，基于三維可視化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)建設(shè)過(guò)程的管控，改變了傳統(tǒng)的以表單方式分頭處理的工作模式。

運(yùn)行中，資產(chǎn)管理可實(shí)現(xiàn)全景管理體驗(yàn)、全程數(shù)據(jù)追蹤、全局分析掌控；工程常規(guī)巡檢可通過(guò)虛擬漫游巡檢進(jìn)行；利用運(yùn)行診斷，實(shí)時(shí)分析掌握工程健康狀態(tài)，按需準(zhǔn)確檢修，避免了傳統(tǒng)的計(jì)劃?rùn)z修可能帶來(lái)的維修不足或過(guò)度維修問(wèn)題；并可通過(guò)三維模擬，對(duì)更多工作人員進(jìn)行更全面、更便捷的設(shè)備檢修培訓(xùn)。

圖1數(shù)字孿生定義示意

圖2數(shù)字孿生全域賦能

第二個(gè)維度是從空間尺度上講。也就是從單個(gè)工程級(jí)，到工程群或行業(yè)領(lǐng)域級(jí)，再到多領(lǐng)域、更大尺度的城市級(jí)。要讓數(shù)字孿生全域賦能，面臨著處理多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)的問(wèn)題。在處理這一問(wèn)題的過(guò)程中，需要“1個(gè)數(shù)字孿生底座+N個(gè)智慧應(yīng)用”。數(shù)字孿生底座需貫穿時(shí)間軸和空間軸，承載著所有智慧應(yīng)用，使智慧應(yīng)用得以發(fā)揮規(guī)劃、建設(shè)和管理的作用（見(jiàn)圖2）。下面從水利角度進(jìn)行闡釋。

從單個(gè)工程來(lái)講，以數(shù)字孿生水庫(kù)運(yùn)維為例?；贐IM+GIS+IoT的水庫(kù)全息管理，以BIM+GIS為數(shù)據(jù)載體，集成庫(kù)區(qū)運(yùn)行各要素，構(gòu)建BIM+GIS模型與IoT深度融合體系，可為水庫(kù)管理業(yè)務(wù)可視化奠定基礎(chǔ)；基于BIM+GIS設(shè)備設(shè)施全生命周期管理，以BIM+GIS為數(shù)據(jù)載體，以數(shù)據(jù)編碼為紐帶，充分利用虛擬巡檢、NFC近場(chǎng)通信等技術(shù)，形成水庫(kù)設(shè)備設(shè)施的全生命管理體系。以閘站調(diào)度為例，基于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)算法設(shè)計(jì)和大數(shù)據(jù)分析，可為水閘提供輔助調(diào)度技術(shù)手段，進(jìn)而對(duì)配水加藥、配水量、洪澇調(diào)度等進(jìn)行預(yù)測(cè)性分析，從而進(jìn)行運(yùn)營(yíng)規(guī)劃。

從行業(yè)級(jí)來(lái)講，以綜合性水資源配置工程為例。綜合性水資源配置工程有項(xiàng)目規(guī)模大、點(diǎn)多面廣、工程類(lèi)型多、參建單位多、管理復(fù)雜、施工地域條件多變、人員流動(dòng)性大等特征。通過(guò)數(shù)字孿生手段，可在“一張圖”上通過(guò)專(zhuān)業(yè)圖層靈活切換以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)的分類(lèi)、聯(lián)動(dòng)、聚合展示，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工程群的管理。從流域的層面，統(tǒng)籌流域與區(qū)域管理，運(yùn)用GIS+BIM+IoT+AI等技術(shù)，構(gòu)建水上水下、河內(nèi)河外、地上地下的數(shù)字化流域模型，努力實(shí)現(xiàn)流域水災(zāi)害的實(shí)時(shí)感知、精準(zhǔn)預(yù)報(bào)、智能預(yù)警、科學(xué)調(diào)度和流域水工程全生命周期管理，推動(dòng)流域水旱災(zāi)害防御體系的現(xiàn)代化。

從城市級(jí)來(lái)講，以供水為例。搭建“橫向到邊、縱向到底”的系統(tǒng)平臺(tái)大框架，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用集成，數(shù)據(jù)互通，業(yè)務(wù)協(xié)同；以供水、雨水、污水“三網(wǎng)合一、廠網(wǎng)一體、綜合統(tǒng)籌”為核心，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)數(shù)字化、預(yù)警精準(zhǔn)化、指揮便捷化、管理精細(xì)化、決策科學(xué)化，為水務(wù)一體化與數(shù)字化改革提供網(wǎng)格化管理、供排水戶(hù)管理、數(shù)字化廠站管控等應(yīng)用功能。以排水為例，采用GIS、5G+AI、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)值模擬等技術(shù)，開(kāi)發(fā)面向水行政管理單位及運(yùn)維單位的綜合智慧水務(wù)系統(tǒng)，打造水行政管理、水事務(wù)管理業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，解決“排水管理進(jìn)小區(qū)”、水質(zhì)安全監(jiān)管與河湖管理下放到區(qū)水務(wù)局等管理模式轉(zhuǎn)變帶來(lái)的水政管理點(diǎn)多面廣、人力不足等業(yè)務(wù)痛點(diǎn)。

圖3數(shù)字孿生工程示意圖

三、總結(jié)與思考

一是數(shù)字孿生的核心價(jià)值在于工程數(shù)據(jù)的“一次產(chǎn)生，終生使用”，應(yīng)確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、唯一性和共享性（見(jiàn)圖3）。

二是行業(yè)術(shù)語(yǔ)、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等應(yīng)達(dá)成多行業(yè)統(tǒng)一，這樣才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、軟件、標(biāo)準(zhǔn)等在一個(gè)平臺(tái)上兼容，進(jìn)而讓數(shù)字孿生從工程范疇跨入社會(huì)范疇，實(shí)現(xiàn)從數(shù)字工程到數(shù)字城市的轉(zhuǎn)變。

三是要打通專(zhuān)業(yè)制約和部門(mén)之間的數(shù)據(jù)壁壘，避免多部門(mén)的重復(fù)建設(shè)。

四是要注重輕量化技術(shù)的研究應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)各種移動(dòng)端的接口便捷。只有各種角色的用戶(hù)都能將數(shù)字孿生用起來(lái)，它才能有生命力，也才能發(fā)揮最大的價(jià)值。 ■