長(zhǎng)輸管道靜態(tài)數(shù)字孿生體逆向構(gòu)建方法實(shí)踐

關(guān)鍵詞：智能管道；數(shù)字孿生體；逆向構(gòu)建

中圖分類(lèi)號(hào)：TE832.2；TP391.92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0124-04

以互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)智能化、工業(yè)一體化為代表的第四次工業(yè)革命已然來(lái)臨[1]，管道行業(yè)由此也掀起了一場(chǎng)“智能管道、智慧管網(wǎng)”革命。智慧管網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)是數(shù)字孿生體的構(gòu)建，數(shù)字孿生體是與物理管網(wǎng)相對(duì)應(yīng)的虛擬管網(wǎng)（相當(dāng)于人類(lèi)的“虛擬”身體），其中會(huì)應(yīng)用到數(shù)字孿生技術(shù)（即對(duì)物理實(shí)體或數(shù)字實(shí)體的虛擬化表達(dá)）[2]。針對(duì)新建管道而言，需要采用正向構(gòu)建方法實(shí)現(xiàn)管道全數(shù)字化移交的目標(biāo)；針對(duì)國(guó)內(nèi)10余萬(wàn)km在役管道而言，已經(jīng)錯(cuò)過(guò)了正向構(gòu)建的時(shí)機(jī)，則需采用逆向構(gòu)建方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體的構(gòu)建，常用的4種靜態(tài)逆向構(gòu)建方法包括管道地理空間位置信息構(gòu)建、管道屬性結(jié)構(gòu)化恢復(fù)、基于內(nèi)檢測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)齊、三維實(shí)景模型構(gòu)建。展望未來(lái)，復(fù)合型一體化構(gòu)建工具是逆向構(gòu)建方法的發(fā)展趨勢(shì)，但本著“優(yōu)生優(yōu)育”的原則，正向構(gòu)建仍然是數(shù)字孿生體的最佳手段。

1數(shù)字孿生體逆向構(gòu)建方法

1.1管道地理空間位置信息構(gòu)建

1.1.1構(gòu)建方法及要求

對(duì)于在役管道而言，通過(guò)航空攝影測(cè)量、管線本體及設(shè)備設(shè)施探測(cè)、線路三維地形構(gòu)建等方式對(duì)埋地管道本體數(shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)[3]，可孿生為二維的結(jié)構(gòu)化矢量數(shù)據(jù)及三維的半結(jié)構(gòu)化模型數(shù)據(jù)，孿生度相似估計(jì)在90%以上，能夠有效獲取管道三維地理空間坐標(biāo)，提高數(shù)據(jù)精確度，某管道運(yùn)營(yíng)期數(shù)據(jù)恢復(fù)流程如下：

（1）基準(zhǔn)點(diǎn)建設(shè)[4]。線路、重要穿跨越D級(jí)GPS控制測(cè)量，基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在沿線站場(chǎng)、大型河流穿跨越、地災(zāi)點(diǎn)附近，沿線路最大間距不超過(guò)50km，每處標(biāo)識(shí)按雙點(diǎn)設(shè)置，共計(jì)布設(shè)24個(gè)；

（2）線路航空攝影測(cè)量[5]。采用固定翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行全線帶寬800m（兩側(cè)各400m）的航飛工作，制作0.2mDOM及2m格網(wǎng)的DEM數(shù)據(jù)，共計(jì)生產(chǎn)316.8km2成果；

（3）地下管線探測(cè)[6]。按照30m的間距要求，采用RTK或者CORS測(cè)量方式進(jìn)行管道中心線坐標(biāo)測(cè)量，采用雷迪進(jìn)行管道埋深探測(cè)，當(dāng)探測(cè)出管道彎曲時(shí)，增加管道點(diǎn)探測(cè)密度，以保證能準(zhǔn)確反映出管道的彎曲特征，并找出彎頭拐點(diǎn)，要求相鄰探測(cè)點(diǎn)間距保持在1～2m，共計(jì)完成792km地下管線探測(cè)；

（4）三樁一牌測(cè)量。采用RTK或者CORS測(cè)量方式，與管道中心線測(cè)量同步，以相同作業(yè)方法，對(duì)管道15250個(gè)三樁一牌進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，包括樁號(hào)、樁類(lèi)型、坐標(biāo)、照片等內(nèi)容；

（5）線路三維地形構(gòu)建。獲取中線兩側(cè)不少于2500m范圍內(nèi)的高分辨率遙感影像和數(shù)字高程模型，結(jié)合無(wú)人機(jī)航測(cè)成果DOM和DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建1980km2線路三維地形。

1.1.2空間位置信息價(jià)值及盲區(qū)

通過(guò)以上方式可以最大化獲取管道本體、設(shè)備實(shí)施及周邊環(huán)境的地理空間位置信息，對(duì)于掌握管道位置臺(tái)賬、實(shí)現(xiàn)管道精細(xì)化管理、促進(jìn)第三方施工等維修維護(hù)的精準(zhǔn)定位具有重要意義，是確保管道安全的基礎(chǔ)性工作。

但上述方法也存在構(gòu)建盲區(qū)，例如管道垂直上下彎屬于雷迪探測(cè)的盲區(qū)，埋深信息無(wú)法準(zhǔn)確獲取，大于5m的埋深，探測(cè)埋深誤差較大；小于15°的左右彎在實(shí)地探測(cè)中也可能被漏測(cè)；大型隧道穿越等數(shù)據(jù)無(wú)法獲取等等，這些都制約著數(shù)字孿生體構(gòu)建的精度。上述構(gòu)建方法主要獲取了管道地理空間位置信息，對(duì)于管道屬性及邏輯關(guān)系則獲取較少，需通過(guò)管道屬性結(jié)構(gòu)化恢復(fù)的方式進(jìn)一步獲取。

1.2管道屬性結(jié)構(gòu)化恢復(fù)

1.2.1恢復(fù)方法及要求

針對(duì)通過(guò)探測(cè)無(wú)法采集到的管道設(shè)施數(shù)據(jù)屬性信息，將已建管道的非結(jié)構(gòu)化竣工資料利用圖像識(shí)別結(jié)合人工干預(yù)的方式進(jìn)行數(shù)字化入庫(kù)，可孿生為二維的結(jié)構(gòu)化矢量數(shù)據(jù)[7]，孿生相似度估計(jì)在80%以上，能夠有效提高管道屬性完整率，為管道日常管理提供數(shù)據(jù)支撐。某管道屬性結(jié)構(gòu)化恢復(fù)方法：

竣工資料的恢復(fù)需要按照APDM模型的Excel模板進(jìn)行整理，如焊縫、鋼管信息、閥門(mén)、彎頭、補(bǔ)口、防腐層、封堵物、附屬物、管道連接方式、埋地標(biāo)識(shí)、套管、異徑管等數(shù)據(jù)。

1.2.2屬性及位置信息整合入庫(kù)

通過(guò)以上方式可以最大化獲取管道本體、設(shè)備設(shè)施的屬性，例如可以恢復(fù)焊縫、鋼管等核心要素的屬性信息，對(duì)于掌握管道身份臺(tái)賬具有重要意義。將管道屬性臺(tái)賬與位置臺(tái)賬進(jìn)行整合入庫(kù)，就可以形成具有位置、屬性的靜態(tài)數(shù)字孿生體，但是由于竣工資料本身的質(zhì)量問(wèn)題以及時(shí)效性問(wèn)題，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提升，且管道改線、換管、大修等信息可能沒(méi)有得到及時(shí)更新，需要通過(guò)基于內(nèi)檢測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)齊進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

1.3基于內(nèi)檢測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)齊

1.3.1對(duì)齊方法及要求

首先將地理空間位置信息與管道屬性及邏輯關(guān)系信息整合為PIS（管道完整性管理系統(tǒng)）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基于內(nèi)檢測(cè)的對(duì)齊?？蓪\生為二維的結(jié)構(gòu)化矢量數(shù)據(jù)，孿生相似度估計(jì)在95%以上，能夠最大化實(shí)現(xiàn)管道完整性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。PIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一般來(lái)源于管道測(cè)繪、竣工資料等，數(shù)據(jù)的位置相對(duì)準(zhǔn)確，屬性相對(duì)完整，邏輯關(guān)系相對(duì)準(zhǔn)確，而要素?cái)?shù)量可能不太完整；內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到的特征數(shù)據(jù)量比較完整，邏輯關(guān)系比較準(zhǔn)確，但缺乏管道基礎(chǔ)屬性信息。通過(guò)基線與內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)齊與校準(zhǔn)，以?xún)?nèi)檢測(cè)數(shù)量及邏輯關(guān)系為準(zhǔn)，以PIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)空間位置及屬性信息為準(zhǔn)，采用內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊管理系統(tǒng)以最快、最優(yōu)的方式完善PIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以提高基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量及管理效率[8-11]。對(duì)齊方法和要求如下：

（1）選擇硬點(diǎn)。硬點(diǎn)是指經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的位置準(zhǔn)確的管道特征點(diǎn)。單要素硬點(diǎn)包括：閥門(mén)、彎頭、封堵物等。組合要素類(lèi)型包括：

連續(xù)管節(jié)，連續(xù)管節(jié)可分為以下2類(lèi)：第1，只比較管長(zhǎng)的連續(xù)管節(jié)，如連續(xù)短管、長(zhǎng)短搭配、連續(xù)長(zhǎng)管。第2，比較管長(zhǎng)和壁厚的連續(xù)管節(jié)，如比較管長(zhǎng)和壁厚。組合特征物，分為特征物+管長(zhǎng)，特征物+管長(zhǎng)+屬性?xún)深?lèi)，例如彎頭+短管。坐標(biāo)類(lèi)硬點(diǎn)，帶坐標(biāo)不參與分段和匹配的硬點(diǎn)，只用于后期校驗(yàn)，如出土點(diǎn)；除了閥門(mén)作為一級(jí)硬點(diǎn)之外，其余所有硬點(diǎn)均為二級(jí)硬點(diǎn)。

（2）硬點(diǎn)匹配對(duì)齊。硬點(diǎn)匹配和拉伸流程為：一級(jí)硬點(diǎn)匹配、一級(jí)硬點(diǎn)拉伸、二級(jí)硬點(diǎn)匹配、二級(jí)硬點(diǎn)拉伸。

一級(jí)硬點(diǎn)匹配即根據(jù)系統(tǒng)匹配誤差對(duì)閥門(mén)進(jìn)行匹配，匹配完成后自動(dòng)將匹配結(jié)果加載到條帶視圖中，一級(jí)硬點(diǎn)匹配完成后需要進(jìn)行拉伸才可以進(jìn)行二級(jí)硬點(diǎn)匹配，拉伸校正可以明顯減少每個(gè)匹配段內(nèi)數(shù)據(jù)里程的偏差。

（3）分段管理。對(duì)已匹配上的硬點(diǎn)進(jìn)行分段管理，相鄰2個(gè)匹配要素形成一個(gè)小的分段，在此分段內(nèi)進(jìn)行焊縫對(duì)齊?？梢杂羞x擇地將很近的硬點(diǎn)設(shè)置為不參與分段來(lái)避免生成一些長(zhǎng)度很小的分段。

數(shù)據(jù)分段可以將焊縫和缺陷的匹配區(qū)間設(shè)置在長(zhǎng)度合適的范圍內(nèi)，提高系統(tǒng)操作效率。由于硬點(diǎn)都是特征比較明顯或者已經(jīng)被驗(yàn)證了的特征要素及其組合，可靠性比較高，分段后根據(jù)PIS和內(nèi)檢測(cè)二者的分段長(zhǎng)度可進(jìn)一步分析當(dāng)前分段的性質(zhì)。

（4）焊縫對(duì)齊。設(shè)置好匹配參數(shù)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)匹配，當(dāng)遇到匹配不上的點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)停止，批量匹配遇到不可匹配的點(diǎn)時(shí)，用戶(hù)可自動(dòng)或手動(dòng)指定新的匹配起點(diǎn)，從此位置繼續(xù)開(kāi)始向下批量匹配。匹配完成后，進(jìn)入拉伸分段選擇界面。

1.3.2構(gòu)建基于環(huán)焊縫的數(shù)字孿生體

通過(guò)以上方式可以將多時(shí)相、多源、異構(gòu)的管道運(yùn)營(yíng)期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空間位置、屬性、數(shù)量及邏輯關(guān)系最大化逆向恢復(fù)，構(gòu)建基于環(huán)焊縫維度的靜態(tài)數(shù)字孿生體，對(duì)于管道安全管理具有重要意義。由于內(nèi)檢測(cè)實(shí)施難度較高，部分老舊管道無(wú)法實(shí)施內(nèi)檢測(cè)；可以實(shí)施的管道內(nèi)檢測(cè)成果的精度受制于承包商能力、內(nèi)檢測(cè)設(shè)備性能及實(shí)施人員經(jīng)驗(yàn)的影響，因此對(duì)齊后的成果也不一定能夠達(dá)到100%的靜態(tài)數(shù)字孿生，需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證的方式進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)精度。

1.4三維實(shí)景模型構(gòu)建

1.4.1構(gòu)建方法及要求

針對(duì)已建管道高后果區(qū)、站場(chǎng)、閥室、大型跨越采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量方式進(jìn)行實(shí)景三維建模，可孿生為三維的實(shí)景模型數(shù)據(jù)，孿生相似度估計(jì)在98%以上，能夠真實(shí)再現(xiàn)管道本體、高后果區(qū)、大型穿跨越等地形地貌及地物信息。

傾斜攝影是站場(chǎng)三維建模的主要途徑，某管道采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全球定位系統(tǒng)（GPS-RTK）方法完成站場(chǎng)像控點(diǎn)測(cè)量，采用無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭的相機(jī)對(duì)站場(chǎng)進(jìn)行實(shí)景三維拍攝，拍攝完成后對(duì)原始照片及像控點(diǎn)成果進(jìn)行質(zhì)量檢查，并處理內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建站場(chǎng)的三維傾斜模型、站場(chǎng)三維地形及站內(nèi)建筑物、設(shè)備設(shè)施等三維實(shí)景模型[12-13]。

1.4.2三維實(shí)景模型的優(yōu)缺點(diǎn)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在POS系統(tǒng)和野外像控測(cè)量的輔助下，模型上每個(gè)點(diǎn)都具有三維坐標(biāo)，能夠高效率單兵化地完成管道周邊三維實(shí)景建模，具有建設(shè)周期短、成本低、模型直觀可視等特點(diǎn)，能夠有效節(jié)約高后果區(qū)、第三方施工、地質(zhì)災(zāi)害管理的成本。但是，傾斜攝影測(cè)量在某些高落差的山區(qū)地帶具有局限性，生成的三維模型的精度較低，不能夠很好的表達(dá)實(shí)景效果，需要用手工建?；蛘叩孛嫜a(bǔ)拍的方式進(jìn)一步優(yōu)化三維實(shí)景效果。

2構(gòu)建結(jié)果及分析

通過(guò)以上4種方法可以有效對(duì)運(yùn)營(yíng)期數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向恢復(fù)，構(gòu)建包含管道三維實(shí)景模型、管道空間位置信息、管道屬性信息以及基于內(nèi)檢測(cè)對(duì)齊的靜態(tài)管道數(shù)字孿生體，這是目前行業(yè)內(nèi)能夠進(jìn)行長(zhǎng)輸管道靜態(tài)數(shù)字孿生體逆向構(gòu)建的最佳方法，在中緬油氣管道數(shù)字孿生體構(gòu)建項(xiàng)目中得到了實(shí)踐應(yīng)用[3]。但與此同時(shí)，因?yàn)楣艿酪呀?jīng)埋地，可獲取的數(shù)據(jù)要素種類(lèi)、要素?cái)?shù)量受制于地形地貌、視線遮擋、衛(wèi)星信號(hào)、探測(cè)工具、竣工資料缺失及人員經(jīng)驗(yàn)和水平的影響，這些構(gòu)建手段都不能達(dá)到100%相似度的孿生體的構(gòu)建。因此，還需要進(jìn)一步優(yōu)化構(gòu)建方法、構(gòu)建能力及配套工具，從而進(jìn)一步提升靜態(tài)數(shù)字孿生體構(gòu)建的相似度。

3結(jié)語(yǔ)

對(duì)于在役管道而言，通過(guò)航空攝影測(cè)量、管線本體及設(shè)備設(shè)施探測(cè)、線路三維地形構(gòu)建等方式對(duì)埋地管道本體數(shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)及周邊環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，可孿生為二維的結(jié)構(gòu)化矢量數(shù)據(jù)及三維的半結(jié)構(gòu)化模型數(shù)據(jù)，孿生度相似估計(jì)在90%以上，能夠有效獲取管道三維地理空間坐標(biāo)，提高數(shù)據(jù)精確度，展望未來(lái)，復(fù)合型一體化構(gòu)建工具是逆向構(gòu)建方法的發(fā)展趨勢(shì)，例如管道內(nèi)檢測(cè)設(shè)備將由單純的缺陷檢測(cè)向高清晰度、GPS和GIS技術(shù)集成于一體的高智能檢測(cè)器方向發(fā)展，可直接有效獲得各種潛在的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)及準(zhǔn)確的地理位置。但本著“優(yōu)生優(yōu)育”的原則，正向構(gòu)建及管道建設(shè)數(shù)據(jù)全數(shù)字化移交仍然是數(shù)字孿生體的最佳手段[14-15]。