基于數(shù)字孿生的工程項(xiàng)目管理研究

摘 要：工程總承包模式為建筑行業(yè)設(shè)計(jì)施工一體化提供了有效解決方案，隨著BIM、云計(jì)算和數(shù)字孿生等技術(shù)迅速發(fā)展，傳統(tǒng)工程項(xiàng)目管理如何與數(shù)字化融合，向智慧化轉(zhuǎn)型成為熱門話題。本文研究了數(shù)字孿生技術(shù)在工程項(xiàng)目管理中規(guī)劃、施工和運(yùn)維等全生命周期內(nèi)的智能化、數(shù)字化、信息化的創(chuàng)新運(yùn)用，提出構(gòu)建“一臺雙賦三化N用”的全生命周期數(shù)字孿生體系，分析了實(shí)施新型工程項(xiàng)目管理模式的應(yīng)用效果，并給出采用數(shù)字孿生技術(shù)的工程案例，為數(shù)字孿生在工程項(xiàng)目管理中的應(yīng)用提供參考，為傳統(tǒng)管理模式變革提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；工程項(xiàng)目；管理模式變革

工程建設(shè)項(xiàng)目主要有流程多，工藝復(fù)雜，參與人數(shù)廣等特點(diǎn)。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，多行業(yè)開始探索信息化道路，傳統(tǒng)工程建設(shè)已經(jīng)無法適應(yīng)新時代需求。面對工程項(xiàng)目管理行業(yè)激烈競爭，如何應(yīng)用信息化優(yōu)化工程項(xiàng)目管理中各個環(huán)節(jié)，提升企業(yè)形象，促進(jìn)信息化轉(zhuǎn)型成為亟待解決的問題。2022年5月，住建部發(fā)布了《“十四五”工程勘察設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)劃中指出，數(shù)字技術(shù)與建筑業(yè)的融合為行業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了新動力，全過程工程咨詢、工程總承包、建筑師負(fù)責(zé)制等新模式拓展了行業(yè)業(yè)務(wù)新空間[ 1 ]。運(yùn)用信息化新型技術(shù)，增強(qiáng)科技創(chuàng)新，加快推進(jìn)業(yè)務(wù)模式升級和數(shù)字化轉(zhuǎn)型，應(yīng)對信息時代新挑戰(zhàn)已成為時代需求。

數(shù)字化工程建設(shè)項(xiàng)目管理作為近年來的研究熱點(diǎn)，近年來學(xué)界圍繞體系架構(gòu)、解決方案、運(yùn)營維護(hù)等方面做了很多研究工作。吳智泉等從生產(chǎn)管理和信息系統(tǒng)兩個維度對智慧系統(tǒng)的體系架構(gòu)進(jìn)行了探索和研究[ 2 ]；劉誠等以礦山信息模型為例研究了數(shù)字化設(shè)計(jì)與交付解決方案[ 3 ]；雷斌等從理論、技術(shù)和應(yīng)用等角度對BIM信息化技術(shù)在軌道車輛運(yùn)維進(jìn)行了研究并提出相應(yīng)解決方案[ 4 ]。然而目前多數(shù)研究著眼與工程建設(shè)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維中某階段的應(yīng)用和改進(jìn)，有關(guān)工程項(xiàng)目全生命周期覆蓋的數(shù)字孿生研究較少，尚處于起步階段。

一、數(shù)字孿生在工程項(xiàng)目管理不同階段中的應(yīng)用

數(shù)字孿生又稱數(shù)字鏡像和數(shù)字映射等，一經(jīng)提出便成為科學(xué)領(lǐng)域前沿話題，其特點(diǎn)是對研究目標(biāo)采用虛擬技術(shù)手段進(jìn)行動態(tài)仿真，以數(shù)字化形式對其創(chuàng)建1：1虛擬模型，借助歷史信息、氣象地形等輔助數(shù)據(jù)、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)和相關(guān)多領(lǐng)域模型算法等，模擬預(yù)測物理目標(biāo)的生命周期過程，在工程項(xiàng)目管理領(lǐng)域可使建設(shè)項(xiàng)目不再是傳統(tǒng)低效的施工設(shè)計(jì)管理，而是采用信息手段的規(guī)劃施工和運(yùn)維全過程的有效管理[5]。

（一）規(guī)劃階段

工程項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)階段可分為方案初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)階段，而基于數(shù)字孿生的新型規(guī)劃設(shè)計(jì)平臺可以為其提供工程選址布局智能設(shè)計(jì)，環(huán)境條件智慧分析，且在此綜合平臺中可集成設(shè)計(jì)過程中不同人員常用工具，以實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)多類工作人員協(xié)同工作的需求[6]。

在規(guī)劃選址階段，可充分運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和BIM等技術(shù)手段，并予以融合實(shí)時氣象庫，遙感影像庫，各類算法庫等工作，為設(shè)計(jì)單位提供環(huán)境數(shù)據(jù)評估，工程宏觀、微觀選址建議及水資源評價、地形圖生成及處理，工程要素設(shè)計(jì)等功能，結(jié)合項(xiàng)目工程造價信息從而對項(xiàng)目位置布局進(jìn)行最優(yōu)選取。

在規(guī)劃方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，由于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)較為龐大，傳統(tǒng)項(xiàng)目管理一般采用通過存儲介質(zhì)進(jìn)行多級人員分發(fā)拷貝的方式，而通過數(shù)字孿生新型平臺可在同一工作平臺通過設(shè)計(jì)圖紙協(xié)同工作，設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)時上傳等功能實(shí)現(xiàn)技術(shù)參數(shù)實(shí)時討論并有效控制，實(shí)現(xiàn)信息集中存儲訪問和審批權(quán)限統(tǒng)一管理，消除全部的技術(shù)和安全不確定性。

在規(guī)劃營銷設(shè)計(jì)階段，通過數(shù)字孿生平臺，可通過將營銷信息統(tǒng)一上傳至平臺，實(shí)現(xiàn)多地銷售平臺的營銷材料一致性，營銷材料與工程設(shè)計(jì)的一致性和銷售價格的一致性[7]。

（二）施工階段

工程施工智慧管理是工程建設(shè)領(lǐng)域的一個重要部分，通過數(shù)字孿生平臺可應(yīng)用最新的BIM、GIS、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)及機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)構(gòu)建工程施工智能管理系統(tǒng)，可為建設(shè)參與單位提供BIM協(xié)同工作平臺[8]。在此平臺中可集成項(xiàng)目BIM模型及相關(guān)平面圖紙，并將項(xiàng)目施工現(xiàn)場工作人員、車輛、施工和設(shè)備、材料等進(jìn)行實(shí)時協(xié)調(diào)管控。通過不同主體對象隨身攜帶移動智能設(shè)備，可實(shí)時監(jiān)控其實(shí)時位置、運(yùn)行狀態(tài)，從而對其進(jìn)行合理人員調(diào)度和安全預(yù)警；通過工程建設(shè)過程中信息綜合集成從而對進(jìn)度進(jìn)行有效把控和智能分析，為工程項(xiàng)目管理提供可控化和實(shí)時數(shù)據(jù)監(jiān)測；通過在工地布設(shè)多類型傳感器，可將工地的基本狀態(tài)以動態(tài)實(shí)時的方式在數(shù)字孿生平臺中呈現(xiàn)，以動態(tài)方式將工地模型、收集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時更新， 從而為工程的進(jìn)度、質(zhì)量管控等提供數(shù)據(jù)支撐，為工程建設(shè)參與單位提供全階段的信息查詢與分析服務(wù)。

在施工過程中，可參與方可在數(shù)字孿生平臺中對施工階段中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳與融合，各參與方可在該平臺上進(jìn)行模型的實(shí)時管理。由于施工中會存在復(fù)雜建筑節(jié)點(diǎn)，專業(yè)類型結(jié)構(gòu)較多等客觀問題，通過智慧平臺上三維可視化模型，施工和管理人員能夠在全方位無死角觀察和研究模型后找出潛在問題并給出解決方案。同時，三維可視化模型可直接用于工程指導(dǎo)，進(jìn)行施工深化。

（三）運(yùn)維階段

通過數(shù)字孿生平臺建立了物理目標(biāo)的數(shù)字化表達(dá)，保證虛擬和物理世界的1：1一致性。通過運(yùn)維數(shù)字孿生平臺對工程項(xiàng)目整體進(jìn)行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)，然后通過平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，從而對工程項(xiàng)目的運(yùn)營情況和安全問題進(jìn)行高效監(jiān)測[9]。運(yùn)維階段通過數(shù)字孿生平臺主要有以下關(guān)鍵點(diǎn)：

1.全生命周期公共信息模型

運(yùn)用數(shù)字孿生平臺可運(yùn)用BIM技術(shù)規(guī)范化組織和整理工程項(xiàng)目整體設(shè)備設(shè)施基本信息，建立設(shè)備資產(chǎn)的全生命周期公共信息模型（CIM）。運(yùn)維人員可根據(jù)此模型將設(shè)備設(shè)施在不同階段產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫歸納，從而快速掌握設(shè)備設(shè)施的型號規(guī)格、數(shù)量位置、運(yùn)行情況和歷史維修信息等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目信息信息的有效查詢管理和精準(zhǔn)完整的生命周期信息。

2.實(shí)景工程

通過在工程項(xiàng)目中布設(shè)傳感器、智能管理設(shè)備和無人機(jī)定期航拍等方式建立項(xiàng)目數(shù)據(jù)采集通道，從而建立工程項(xiàng)目1：1虛擬場景模型（實(shí)景工程）。采用該實(shí)景工程可根據(jù)不同監(jiān)測數(shù)據(jù)的類型和特征設(shè)定不同采集頻率進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)獲取，將設(shè)備運(yùn)行情況、故障預(yù)警模塊等與環(huán)境氣象模型等進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可獲取項(xiàng)目信息的可視化表達(dá)，為工程項(xiàng)目運(yùn)維中設(shè)備人員的高效調(diào)度提供保障。

3.智能預(yù)警

在運(yùn)維階段運(yùn)用多源數(shù)據(jù)實(shí)時處理，特征提取等技術(shù)，可為工程項(xiàng)目監(jiān)測數(shù)據(jù)提供實(shí)時分析，從而高效判斷故障類型，自動報警并進(jìn)行針對性維護(hù)和檢修。針對多個故障地點(diǎn)，結(jié)合排程智能算法，系統(tǒng)可生成最優(yōu)調(diào)度計(jì)劃并進(jìn)行任務(wù)分發(fā)，維修人員通過移動設(shè)備可接收任務(wù)信息進(jìn)行目標(biāo)維修和反饋。

二、數(shù)字孿生技術(shù)與新型工程項(xiàng)目管理實(shí)踐

通過數(shù)字孿生平臺可為工程項(xiàng)目管理提供全生命周期管理高效技術(shù)手段，針對數(shù)字孿生在項(xiàng)目管理中的應(yīng)用模式，提出了“一臺雙賦三化N用”的數(shù)字孿生工程體系建設(shè)管理模式?！耙慌_”是指搭建工程項(xiàng)目的數(shù)字孿生平臺；“雙賦”是指對工程建設(shè)管理與工程運(yùn)營管理雙向賦能；“三化”是指對工程項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、精細(xì)化管理；“N用”是指規(guī)劃設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)維階段等不同階段的全生命周期業(yè)務(wù)應(yīng)用。在此應(yīng)用模式下，進(jìn)而明確“完善信息基礎(chǔ)設(shè)施、搭建數(shù)字孿生平臺、提升智能化應(yīng)用水平、保障網(wǎng)絡(luò)安全、強(qiáng)化系統(tǒng)集成”等重點(diǎn)建設(shè)任務(wù)。

（一）規(guī)范信息分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)工程項(xiàng)目所屬的領(lǐng)域或行業(yè)不同，亟需建立符合實(shí)際工程需要的信息分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)信息模型的唯一索引。通過標(biāo)識不同的系統(tǒng)、設(shè)備、文檔人員等各類信息，成為采購、項(xiàng)目管理、施工、運(yùn)營維護(hù)人員間相互了解和溝通的樞紐。同時BIM模型能夠?qū)㈨?xiàng)目成本、施工狀態(tài)、日常監(jiān)測數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)，因此在模型的瀏覽模塊中便可對任何環(huán)節(jié)、任何節(jié)點(diǎn)的相關(guān)工作計(jì)劃進(jìn)行查看。

（二）健全全生命周期的數(shù)字資產(chǎn)體系

為滿足工程項(xiàng)目在設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維等全生命周期階段的精細(xì)化、完整化、準(zhǔn)確化、智慧化的建設(shè)需求，亟需建立全生命周期數(shù)字資產(chǎn)體系。體系建成后需將各類數(shù)據(jù)類型信息進(jìn)行數(shù)字化處理以數(shù)據(jù)庫的形式進(jìn)行串聯(lián)和整合，從而形成一個貫穿工程全生命周期的數(shù)字化數(shù)字資產(chǎn)體系[ 1 0 ]。

（三）搭建數(shù)字孿生平臺

數(shù)字孿生平臺能夠使設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營、維護(hù)和升級相關(guān)的各個組織在同一個平臺中進(jìn)行協(xié)作，為用戶提供了核心的模型數(shù)據(jù)管理以及可視化展示解決方案， 實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目或資產(chǎn)的可視化，精確管理工程內(nèi)容，隨時跟蹤變更。并根據(jù)當(dāng)前趨勢進(jìn)行分析，幫助用戶預(yù)測和優(yōu)化項(xiàng)目或資產(chǎn)性能。

（四）構(gòu)建數(shù)字孿生+BIM一張圖管理

數(shù)字孿生+BIM一張圖管理是將不同類型圖層疊加通過逐級展示、統(tǒng)一編碼等的方式建立GIS和BIM模型虛擬場景“一張圖”上的集成展示。在“一張圖”上可實(shí)現(xiàn)在工程建設(shè)過程中的規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程進(jìn)度、質(zhì)量安全等多種數(shù)據(jù)的一體化管理，進(jìn)而從多角度、多尺度、多維度等方面的綜合分析和描述[ 1 1 ]。

（五）打造全生命周期數(shù)字孿生體系

通過新型工程項(xiàng)目管理模式可直接建立全生命周期數(shù)字孿生體系，在規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維階段，如何將模型及數(shù)據(jù)能夠在已有模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行繼承、深化和提升這將是關(guān)鍵所在。即在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段建立初始的模型；施工階段對模型添加屬性信息，最后形成數(shù)字資產(chǎn)以此來進(jìn)行模型深化；運(yùn)維階段將實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型互聯(lián)，并進(jìn)行相關(guān)應(yīng)用。在上述階段的基礎(chǔ)上形成的全生命周期數(shù)字孿生體系能夠最大限度發(fā)揮數(shù)字孿生在工程建設(shè)中的優(yōu)勢，提升工程數(shù)字化價值。

三、結(jié)論

目前傳統(tǒng)工程項(xiàng)目管理模式已難以滿足如今智慧化管理需求，數(shù)字孿生技術(shù)將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬模型進(jìn)行連接，融合大數(shù)字、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)對工程項(xiàng)目的智慧化管控。本文研究了數(shù)字孿生在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維全周期的應(yīng)用和應(yīng)用效果，提出“一臺雙賦三化N用”的管理模式，并分析應(yīng)用數(shù)字孿生后項(xiàng)目管理的預(yù)期效果。

鑒于數(shù)字孿生技術(shù)的多行業(yè)整合性和顛覆性，其在不同領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿薮螅杂休^多技術(shù)問題亟待解決。本文可為傳統(tǒng)工程項(xiàng)目管理變革提供技術(shù)支撐和思路借鑒，促進(jìn)工程項(xiàng)目管理數(shù)字化進(jìn)程。

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（作者簡介：劉麗，碩士研究生，中級工程師，工作單位：航天宏圖信息技術(shù)股份有限公司。聶慧梓，碩士研究生，中級工程師；魏雷濤，碩士研究生，高級工程師；劉愛國，碩士研究生，中級工程師。工作單位：航天規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司）