基于Bentley平臺(tái)的數(shù)字孿生技術(shù)在地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

■ 中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 王國崗 陳亞鵬 趙文超

水利水電工程地質(zhì)勘察周期長達(dá)數(shù)年之久，積累了大量的過程數(shù)據(jù)資產(chǎn)與成果資產(chǎn)，但這些資產(chǎn)分布零散，很難生成系統(tǒng)性的數(shù)字化成果[1]。此外，目前工程地質(zhì)勘察仍主要依靠紙質(zhì)記錄及二維圖紙的生產(chǎn)方式進(jìn)行生產(chǎn)，為此需要投入高于勘察市場(chǎng)要求的的人力與時(shí)間，難以滿足日益緊張的勘察周期要求[2][3]。

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理世界的虛擬實(shí)體，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過程的技術(shù)手段[4]。將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)勘察中，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目地質(zhì)勘察現(xiàn)場(chǎng)物理空間的感知與數(shù)據(jù)傳輸，利用三維實(shí)景技術(shù)與地質(zhì)三維模型實(shí)現(xiàn)虛擬空間對(duì)真實(shí)物理空間的仿真模擬，借助人工智能算法等實(shí)現(xiàn)虛擬空間與物理空間的動(dòng)態(tài)交互，從而實(shí)現(xiàn)從勘察外業(yè)數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析、三維地質(zhì)建模、數(shù)據(jù)仿真與分析等勘察生產(chǎn)全過程的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)基于Bentley平臺(tái)的數(shù)字孿生技術(shù)在勘察中的全方位應(yīng)用。

為解決地質(zhì)原始數(shù)據(jù)采集難點(diǎn)大、數(shù)據(jù)格式不一致、各環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)難以快速有效協(xié)同、缺乏統(tǒng)一實(shí)用的信息系統(tǒng)支撐等難題，本文基于Bentley數(shù)字孿生技術(shù)，提出了勘察生產(chǎn)全過程的數(shù)字化解決方案，包括勘察外業(yè)數(shù)字化采集、數(shù)據(jù)中心內(nèi)業(yè)智能分析、三維地質(zhì)建模、三維數(shù)值仿真分析、數(shù)字化交付等內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘察的三維正向設(shè)計(jì)。該方案的應(yīng)用效果良好，具有較高借鑒意義。

Bentley數(shù)字孿生解決方案

在工程地質(zhì)數(shù)字孿生解決方案的軟件及平臺(tái)支撐方面，Bentley系列軟件基于一個(gè)模型、一個(gè)平臺(tái)、一個(gè)數(shù)據(jù)架構(gòu)，具有良好的通用性與數(shù)據(jù)兼容性，在行業(yè)中得以廣泛應(yīng)用[5]。Bentley以MicroStation為基礎(chǔ)圖形平臺(tái)、以ProjectWise為協(xié)同作業(yè)平臺(tái)，形成了工程測(cè)繪、地質(zhì)勘察、巖土體設(shè)計(jì)分析、綜合應(yīng)用為一體的數(shù)字化解決方案，為地質(zhì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)深度處理、地質(zhì)軟件開發(fā)應(yīng)用和地質(zhì)信息綜合服務(wù)提供了高效的數(shù)字化應(yīng)用平臺(tái)。

如圖1所示，在工程地質(zhì)虛擬環(huán)境的搭建中，主要利用ContextCapture、Pointools及Descartes進(jìn)行實(shí)景建模及處理，基于MicroStation自主開發(fā)的三維地質(zhì)建模系統(tǒng)完成三維地質(zhì)模型的建立，通過GEOPAK進(jìn)行模型開挖模擬，在PLAXIS等軟件中分析了地質(zhì)體及壩體的力學(xué)特性，將地質(zhì)三維成果在ProjectWise中與多專業(yè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，并在B/S端進(jìn)行了數(shù)字化交付。

圖1 基于Bentley的地質(zhì)數(shù)字孿生方案

此外，為更好滿足勘察生產(chǎn)需求，中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司充分利用三維GIS、無人機(jī)傾斜攝影、工程數(shù)據(jù)庫、三維地質(zhì)建模等現(xiàn)代信息技術(shù)，進(jìn)行了深度研發(fā)[6][7]：基于GIS平臺(tái)研發(fā)了數(shù)字化采集模塊，即三維地質(zhì)數(shù)字化采集軟件（桌面端）與數(shù)字化地質(zhì)測(cè)繪軟件（移動(dòng)端），用于進(jìn)行數(shù)字化地質(zhì)測(cè)繪工作；基于SQL Server研發(fā)了三維地質(zhì)信息數(shù)據(jù)軟件用于進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)的管理與分析；基于MicroStation研發(fā)了三維地質(zhì)建模及出圖軟件，將前期勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行三維地質(zhì)建模，建立起三維地質(zhì)環(huán)境中核心的數(shù)字孿生體；在MicroStation平臺(tái)上完成與CAE軟件的集成，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜三維地質(zhì)模型快速轉(zhuǎn)化為CAE模型，通過二次開發(fā)將相關(guān)仿真計(jì)算過程固化，形成標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化的計(jì)算流程，為地質(zhì)勘察虛擬世界指導(dǎo)物理世界提供算力支撐。

項(xiàng)目實(shí)踐

項(xiàng)目概述

西藏PZ水利樞紐為大（2）型水利工程，工程等別為Ⅱ等。工程主要建設(shè)任務(wù)是保證下游3.95萬畝灌區(qū)灌溉需求、向流域及周邊缺電地區(qū)提供電力，結(jié)合城鄉(xiāng)供水，并為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件。工程建設(shè)受復(fù)雜區(qū)域條件影響，地質(zhì)勘察不利因素多：地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)數(shù)據(jù)獲取過程繁瑣；地質(zhì)勘察人員及工期緊張，傳統(tǒng)勘察方式難以滿足進(jìn)度要求；位于高寒、高海拔地區(qū)，勘察環(huán)境惡劣，工作開展難度大；外業(yè)地質(zhì)測(cè)繪區(qū)域廣，測(cè)繪點(diǎn)、線狀展開，整體性與系統(tǒng)性差；生態(tài)環(huán)境脆弱，水土保持及環(huán)境保護(hù)要求高。

勘察工作利用基于Bentley的工程地質(zhì)勘察數(shù)字孿生解決方案，打通了勘察全過程數(shù)字化的技術(shù)路線，保證了勘察工作的順利開展。

具體應(yīng)用

三維數(shù)字化采集

面對(duì)工程區(qū)高寒、高海拔及人工測(cè)繪難度大等問題，通過基于三維實(shí)景的數(shù)字化地質(zhì)測(cè)繪技術(shù)高效完成了測(cè)繪任務(wù)：一是對(duì)工程區(qū)進(jìn)行高精度無人機(jī)傾斜攝影，獲取高清晰圖片；二是將無人機(jī)采集的圖像導(dǎo)入ContextCapture三維實(shí)景建模軟件，軟件通過空三計(jì)算、重建階段的參數(shù)設(shè)置等計(jì)算過程，輸出結(jié)果為三維實(shí)景模型，能夠滿足大比例地質(zhì)測(cè)繪需求；三是將三維實(shí)景模型導(dǎo)入三維地質(zhì)數(shù)字化采集系統(tǒng)桌面端（以下簡稱“桌面端”），形成初步的融合底圖；四是在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)地質(zhì)點(diǎn)、鉆孔、地質(zhì)界線的外業(yè)數(shù)字化采集；五是在桌面端完成地質(zhì)勘測(cè)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的整理、分析，形成數(shù)字化的地質(zhì)外業(yè)成果，如圖2所示。

圖2 基于三維實(shí)景的數(shù)字化測(cè)繪成果

壩址區(qū)三維地質(zhì)建模

壩址區(qū)出露地層分別為白堊系昂仁組第一段（K1-2a1）地層、第四系（Q）松散堆積物及侵入巖，其中，K1-2a1根據(jù)地層巖性、沉積韻律并結(jié)合巖體的工程地質(zhì)特征，大致可分為8個(gè)工程地質(zhì)巖組（層），即K1-2a1-X1-K1-2a1-X8。通過三維地質(zhì)建模，將覆蓋層、巖性（層）等進(jìn)行了三維可視化展示，并利用二三維聯(lián)動(dòng)技術(shù)修正網(wǎng)格面，動(dòng)態(tài)更新三維地質(zhì)模型。當(dāng)模型固化后，通過布爾運(yùn)算，生成壩址區(qū)三維地質(zhì)體模型（圖3），為工程決策提供地質(zhì)條件支撐。

圖3 壩址區(qū)三維地質(zhì)模型

數(shù)值仿真分析與數(shù)字交付

通過基于MicroStation開發(fā)的CAD/CAE數(shù)值仿真程序，將建立好的三維地質(zhì)模型快速轉(zhuǎn)化為含高保真地質(zhì)信息的三維數(shù)值計(jì)算模型，為工程重要部位巖土體的變形與穩(wěn)定性進(jìn)行力學(xué)分析，為水工設(shè)計(jì)及時(shí)便捷的提供定性分析。圖4展示了料場(chǎng)邊坡CAD/CAE數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果在MicroStation“光滑—缺省”及“消隱—缺省”兩種顯示樣式下的展示方式。

圖4 料場(chǎng)邊坡CAD/CAE數(shù)值仿真分析

在建設(shè)工程區(qū)地質(zhì)數(shù)字孿生平臺(tái)時(shí)，利用三維仿真技術(shù)、BIM、GIS技術(shù)，構(gòu)建全場(chǎng)景數(shù)字化平臺(tái)，搭建真實(shí)的三維數(shù)字場(chǎng)景，結(jié)合勘察布置、水工方案，形成基礎(chǔ)工作平臺(tái)，使管理決策在可視化狀態(tài)中進(jìn)行，支撐多專業(yè)協(xié)同工作的動(dòng)態(tài)化、精細(xì)化和科學(xué)化，服務(wù)于工程各參建方。

應(yīng)用成效

基于Bentley平臺(tái)的數(shù)字孿生地質(zhì)勘察技術(shù)首次在本項(xiàng)目勘察全過程得到了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)信息的數(shù)字化采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、參數(shù)化建模、模型動(dòng)態(tài)更新的地質(zhì)勘察三維設(shè)計(jì)，方案提高了工程地質(zhì)專業(yè)內(nèi)外業(yè)的工作效率，提升了地質(zhì)勘察工作的精準(zhǔn)度與可靠度，使勘察總體設(shè)計(jì)效率比目前的狀態(tài)提升至少60%，極大提升了勘察的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。

結(jié)語

基于Bentley平臺(tái)的數(shù)字孿生方案為工程勘察搭建了三維數(shù)字化場(chǎng)景，使勘察全過程具備了三維可視化仿真分析能力，降低了地質(zhì)勘察工作的難度，保障了勘察質(zhì)量，可顯著降低工程成本；同時(shí)，數(shù)字化勘察有助于提升地質(zhì)數(shù)據(jù)的利用率，減少環(huán)境破壞，保障綠色施工，有著明顯的生態(tài)效益。此外，方案建立的數(shù)字化平臺(tái)能夠促進(jìn)勘察工作時(shí)的有效溝通，形成信息共享、開放的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，為用戶提供一體化多方位的決策支持服務(wù)，大幅提升工程勘察設(shè)計(jì)服務(wù)水平。

面對(duì)工程數(shù)字化、信息化及智能化建設(shè)蓬勃發(fā)展的大趨勢(shì)，仍需深化基于Bentley平臺(tái)的地質(zhì)勘察數(shù)字孿生方案在生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中數(shù)字化快速作業(yè)技術(shù)路線，不斷提升在地質(zhì)數(shù)據(jù)外業(yè)智能采集、地質(zhì)數(shù)據(jù)管理與挖掘、地質(zhì)成果三維可視化展示與分析、地質(zhì)資源跨平臺(tái)全面共享等業(yè)務(wù)方面的應(yīng)用，在地質(zhì)生產(chǎn)理念和管理模式上進(jìn)行轉(zhuǎn)變和創(chuàng)新。