三維全景數(shù)字孿生技術(shù)在箱梁運(yùn)架施工中的應(yīng)用*

韓麗麗,蔣愛(ài)德,丹 晨

(1.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院能源與智能工程學(xué)院,河南 鄭州 450006;2.鄭州新大方重工科技有限公司,河南 鄭州 450064)

0 引言

數(shù)字孿生(digital twin)是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型,借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為,通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段,增強(qiáng)或擴(kuò)展物理實(shí)體的能力。數(shù)字孿生充分利用物理實(shí)體模型、傳感器自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等信息資料,集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程,在虛擬空間中完成映射,從而反映物理實(shí)體的動(dòng)態(tài)過(guò)程。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù),數(shù)字孿生發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁與紐帶作用,提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)[1]。

數(shù)字孿生技術(shù)最早形態(tài)是由美國(guó)提出,最初的研究領(lǐng)域很窄,主要用于航空航天模型建設(shè),先建立真實(shí)飛行器的數(shù)字模型,再通過(guò)傳感器收集分析飛行器的健康狀況等數(shù)據(jù)并進(jìn)行研究。2010年左右,其較多被應(yīng)用在軍事、航空領(lǐng)域。2015年以后,各國(guó)逐步提出制造業(yè)轉(zhuǎn)型,其中涉及智能化、數(shù)字孿生等技術(shù)[2]。目前,世界各國(guó)都致力于將數(shù)字孿生技術(shù)融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)、城市管理等領(lǐng)域。

我國(guó)鐵路工程建設(shè)發(fā)展迅猛,截至2020年底,全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到14.6萬(wàn)km,其中高速鐵路3.8萬(wàn)km。鐵路網(wǎng)覆蓋呈現(xiàn)廣而密的趨勢(shì),項(xiàng)目工程質(zhì)量、安全要求高,鐵路規(guī)模愈發(fā)宏大,工程建設(shè)環(huán)境復(fù)雜,施工難度大,需依靠新的技術(shù)手段輔助施工及管理[3]。

高速鐵路箱梁運(yùn)架施工是鐵路工程建設(shè)的重點(diǎn)環(huán)節(jié),具有運(yùn)輸線路長(zhǎng)、往返時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn),而架橋機(jī)、運(yùn)梁車體積龐大,架梁地點(diǎn)往往遠(yuǎn)離項(xiàng)目駐地,從而導(dǎo)致各級(jí)管理者不能在第一時(shí)間掌控現(xiàn)場(chǎng)情況,即使是操作者與隨車人員,也不能隨時(shí)掌握架橋機(jī)實(shí)時(shí)狀況[4-5]。同時(shí),高速鐵路箱梁運(yùn)架施工管理還涉及人員、物資、設(shè)備、安全、進(jìn)度、質(zhì)量、環(huán)境等多方面的交互管理。所以,近年來(lái)信息化技術(shù)開(kāi)始在箱梁運(yùn)架施工領(lǐng)域得到初步應(yīng)用,在施工進(jìn)度、設(shè)備管理等方面取得了一些成果,解決了箱梁運(yùn)架施工中的部分問(wèn)題[6],但大部分系統(tǒng)的信息采集以人員手動(dòng)輸入、二維數(shù)字展示為主,在信息的自動(dòng)采集、智能處理、三維數(shù)字仿真和應(yīng)用方面探索較少。

本文根據(jù)高速鐵路箱梁運(yùn)架施工特點(diǎn),通過(guò)北斗衛(wèi)星定位、GIS地圖、運(yùn)架設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、智能推理,獲取運(yùn)架設(shè)備動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù);通過(guò)數(shù)據(jù)清洗和多數(shù)據(jù)規(guī)則形成驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)更新、驅(qū)動(dòng)三維全景數(shù)字孿生模型,實(shí)現(xiàn)了箱梁運(yùn)架施工的三維“數(shù)字化”“可視化”,并在荊門—荊州高速鐵路項(xiàng)目中形成了高速鐵路施工的典型應(yīng)用(見(jiàn)圖1)。

圖1 荊門梁場(chǎng)三維數(shù)字孿生模型

1 數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)

箱梁運(yùn)架施工三維全景數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)分為4層,即實(shí)體層、信息采集層、模型驅(qū)動(dòng)層和功能應(yīng)用層,如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)

1)實(shí)體層 現(xiàn)實(shí)存在的物理實(shí)體主要由施工環(huán)境、箱梁、提梁機(jī)、運(yùn)梁車、架橋機(jī)等組成,是完成項(xiàng)目施工活動(dòng)、實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)采集的物理實(shí)體。

2)信息采集層 實(shí)時(shí)自動(dòng)采集施工過(guò)程中提梁機(jī)、運(yùn)梁車、架橋機(jī)等設(shè)備的實(shí)時(shí)位置、設(shè)備狀態(tài)、動(dòng)作、速度、載重量等參數(shù),這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是三維全景數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

3)模型驅(qū)動(dòng)層 由三維數(shù)字模型和實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)組成,其中三維數(shù)字模型是現(xiàn)實(shí)物理設(shè)備及環(huán)境特征的數(shù)字化模擬,由實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)更新驅(qū)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)虛擬的數(shù)字化環(huán)境實(shí)時(shí)同步展現(xiàn)實(shí)際施工過(guò)程。

4)功能應(yīng)用層 從箱梁運(yùn)架施工管理需求出發(fā),以三維數(shù)字孿生模型為基礎(chǔ),利用自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)信息,通過(guò)邊緣計(jì)算處理,提供施工進(jìn)度管理、設(shè)備組態(tài)管理、數(shù)據(jù)分析等功能模塊;施工管理人員可通過(guò)可視化大屏、PC 客戶端或手機(jī)APP、小程序等方式實(shí)時(shí)全局掌控箱梁運(yùn)架施工狀況,系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生大屏展示

2 數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多維模型構(gòu)建

箱梁運(yùn)架施工多維模型的構(gòu)建過(guò)程,就是建立完整的實(shí)體施工環(huán)境到虛擬數(shù)字環(huán)境的映射過(guò)程,需從多維模型、多場(chǎng)景轉(zhuǎn)換、多數(shù)據(jù)規(guī)則等角度對(duì)物理模型空間進(jìn)行定義,并對(duì)所建立的模型驅(qū)動(dòng)復(fù)核,保證模型的正確性、有效性和實(shí)時(shí)性,從而實(shí)現(xiàn)物理實(shí)際施工環(huán)境與虛擬仿真空間的全面映射,形成一個(gè)完整、實(shí)時(shí)的虛擬運(yùn)架施工數(shù)字孿生模型[7]。

1)多維模型 對(duì)箱梁運(yùn)架施工設(shè)備及場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)體建模,包括梁場(chǎng)、箱梁、提梁機(jī)、運(yùn)梁車、架橋機(jī)等各種物理施工要素。通過(guò)BIM,Solidworks,3DMAX等三維建模軟件,建立箱梁運(yùn)架施工相關(guān)的三維可視化模型,保證運(yùn)架設(shè)備相對(duì)動(dòng)作部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,并在結(jié)構(gòu)外形、尺寸信息等方面保持和物理實(shí)體的一致性,然后導(dǎo)入三維模型引擎,作為箱梁運(yùn)架施工數(shù)字孿生的驅(qū)動(dòng)對(duì)象。

電導(dǎo)率定義為溶液的導(dǎo)電能力[22]，受酒體中離子濃度和性質(zhì)的影響。酒類儲(chǔ)藏期間酒體內(nèi)物質(zhì)發(fā)生的氧化聚合、酯化等各種反應(yīng)都會(huì)使電導(dǎo)率產(chǎn)生變化。

2)多場(chǎng)景轉(zhuǎn)換 通過(guò)運(yùn)架設(shè)備上安裝的北斗定位模塊實(shí)時(shí)采集各設(shè)備位置信息,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)運(yùn)算,實(shí)時(shí)定位到相關(guān)模型和周邊環(huán)境GIS地圖中,實(shí)現(xiàn)設(shè)備在多場(chǎng)景三維數(shù)字孿生模型中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新。

3)多數(shù)據(jù)規(guī)則 對(duì)實(shí)際運(yùn)行的提梁機(jī)、運(yùn)梁車、架橋機(jī)等施工設(shè)備的指令信號(hào)、工作參數(shù)、傳感器信號(hào)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,梳理總結(jié)采集數(shù)據(jù)和設(shè)備動(dòng)作響應(yīng)的對(duì)應(yīng)規(guī)則,并融入施工工序,將大體量多維模型數(shù)據(jù)、多尺度、多時(shí)相、多場(chǎng)景的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分類、組織、處理,實(shí)現(xiàn)多維模型可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和多路復(fù)用的存取調(diào)度策略,形成多數(shù)據(jù)參數(shù)與動(dòng)作的映射關(guān)系,驅(qū)動(dòng)三維數(shù)字孿生模型動(dòng)作,以實(shí)現(xiàn)對(duì)箱梁運(yùn)架施工進(jìn)行全面、實(shí)時(shí)模擬和仿真。

2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取

為了高效快捷地獲取運(yùn)架設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù),需要構(gòu)建運(yùn)架設(shè)備的數(shù)據(jù)采集模型。本文以提梁機(jī)數(shù)據(jù)模型構(gòu)建過(guò)程為例進(jìn)行說(shuō)明,如圖4所示。

圖4 提梁機(jī)數(shù)據(jù)采集模型

1)數(shù)據(jù)采集 提梁機(jī)上安裝的PLC、荷載傳感器、高度傳感器、速度傳感器等元(器)件自動(dòng)采集箱梁高度、運(yùn)動(dòng)速度等設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)在觸摸屏內(nèi)進(jìn)行整合。

2)串口傳輸 觸摸屏整合后的數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)工業(yè)RS485串口以100ms/次的頻率發(fā)送到智能網(wǎng)關(guān)。

3)邊緣計(jì)算 為提高服務(wù)器的響應(yīng)速度,減少數(shù)據(jù)傳輸量,從提梁機(jī)采集到的數(shù)據(jù)在智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)進(jìn)行邊緣計(jì)算處理,剔除無(wú)效數(shù)據(jù)。

4)數(shù)據(jù)模型 智能網(wǎng)關(guān)將經(jīng)過(guò)邊緣計(jì)算處理后的有效數(shù)據(jù),在智能網(wǎng)關(guān)中構(gòu)建數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫(kù),利用地址空間找到物理實(shí)體的數(shù)據(jù)源,對(duì)提梁機(jī)的開(kāi)關(guān)信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)、起重量、速度、地理信息等數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建,數(shù)據(jù)模型通過(guò) MQTT通信協(xié)議與部署在服務(wù)器上的云端數(shù)據(jù)庫(kù)相連,實(shí)現(xiàn)提梁機(jī)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取,形成服務(wù)器數(shù)據(jù)模型。

2.3 箱梁運(yùn)架施工過(guò)程實(shí)時(shí)映射

圖5 施工過(guò)程實(shí)時(shí)映射

通過(guò)對(duì)箱梁運(yùn)架設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、整合、邊緣計(jì)算等形成實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù),結(jié)合多維模型和多數(shù)據(jù)規(guī)則,形成數(shù)字孿生模型,服務(wù)器以多線程并行的處理方式實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字環(huán)境中的映射,達(dá)到三維數(shù)字模型和物理實(shí)體實(shí)時(shí)同步的效果(見(jiàn)圖6);并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)箱梁運(yùn)架施工進(jìn)度、設(shè)備組態(tài)管理、數(shù)據(jù)分析等功能(見(jiàn)圖7,8),從而進(jìn)一步優(yōu)化施工過(guò)程。

圖6 提梁機(jī)數(shù)字孿生畫(huà)面

圖7 施工進(jìn)度和數(shù)據(jù)分析

某時(shí)刻提梁機(jī)三維數(shù)字孿生動(dòng)作如圖6所示,根據(jù)荷載傳感器和高度傳感器信號(hào),智能判斷箱梁位置,并實(shí)景展示;根據(jù)提梁機(jī)實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)信號(hào)展示設(shè)備動(dòng)作,單擊設(shè)備行走機(jī)構(gòu)可展示行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)行數(shù)據(jù);單擊各位置攝像頭可實(shí)時(shí)顯示相應(yīng)位置圖像畫(huà)面。

箱梁運(yùn)架施工進(jìn)度和數(shù)據(jù)分析如圖7所示,通過(guò)架橋機(jī)施工位置樁號(hào)和GIS地圖實(shí)景顯示當(dāng)前箱梁架設(shè)位置,用實(shí)體箱梁和透明箱梁對(duì)比直觀展示已架設(shè)和待架設(shè)部分;通過(guò)餅狀圖實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前架設(shè)數(shù)量和總體數(shù)量,施工進(jìn)度清晰明了;用條狀圖直觀顯示提運(yùn)架設(shè)備的使用情況,設(shè)備利用率一目了然。

提梁機(jī)的組態(tài)管理頁(yè)面如圖8所示,實(shí)時(shí)顯示提梁機(jī)的工作參數(shù)、報(bào)警信息,并記錄設(shè)備的歷史工作數(shù)據(jù)。組態(tài)頁(yè)面可根據(jù)展示需要自定義顯示參數(shù),使設(shè)備管理更加便捷。

圖8 設(shè)備組態(tài)管理

綜上所述,箱梁運(yùn)架施工三維全景數(shù)字孿生系統(tǒng),通過(guò)PLC、編碼器、傳感器等數(shù)據(jù)感知、采集裝置,從提運(yùn)架設(shè)備采集到多源異構(gòu)數(shù)據(jù),在智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)進(jìn)行邊緣計(jì)算清洗處理后形成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模型;通過(guò)設(shè)備實(shí)時(shí)多場(chǎng)景動(dòng)態(tài)和多數(shù)據(jù)規(guī)則定義、智能決策判斷,形成虛擬設(shè)備動(dòng)作指令,驅(qū)動(dòng)虛擬設(shè)備動(dòng)作。

3 應(yīng)用中的典型問(wèn)題及處理

該項(xiàng)目是三維全景數(shù)字孿生在箱梁運(yùn)架施工中的首次嘗試,在應(yīng)用中遇到了數(shù)字孿生模型運(yùn)動(dòng)遲滯、北斗定位精度不足等問(wèn)題。

傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)由設(shè)備自動(dòng)采集的大量數(shù)據(jù)僅需簡(jiǎn)單運(yùn)算,一般采用后臺(tái)服務(wù)器直接處理模式,該項(xiàng)目最初也采用了這種方案。然而實(shí)際測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn),數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的運(yùn)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出服務(wù)器的處理能力,出現(xiàn)數(shù)據(jù)排隊(duì)現(xiàn)象,導(dǎo)致三維數(shù)字孿生模型卡滯。為解決該問(wèn)題,嘗試采用數(shù)據(jù)分級(jí)處理模式,即在智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)編制程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行初次邊緣計(jì)算,只保留有效數(shù)據(jù),而在服務(wù)器內(nèi)進(jìn)行數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的邏輯運(yùn)算。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明,分級(jí)處理模式使傳輸數(shù)據(jù)量大為減少,有效利用了服務(wù)器算力,三維數(shù)字孿生系統(tǒng)的同步性得到保證。

該項(xiàng)目中提運(yùn)架設(shè)備采用北斗定位模塊進(jìn)行設(shè)備的自動(dòng)定位及GIS地圖匹配,并根據(jù)架橋機(jī)位置坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)施工進(jìn)度,因此設(shè)備定位信息非常關(guān)鍵,但在應(yīng)用中出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況不符問(wèn)題。經(jīng)實(shí)測(cè),北斗模塊的定位精度約為10m,在進(jìn)度計(jì)算中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)1榀梁的誤差。經(jīng)過(guò)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析,引入橋墩位置信息及架橋機(jī)行走啟停、行程等數(shù)據(jù)對(duì)位置坐標(biāo)進(jìn)行修正。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整測(cè)試,修正后的定位精度在1m以內(nèi),達(dá)到了精確計(jì)算施工進(jìn)度的目的。

4 三維全景數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值

箱梁運(yùn)架施工三維全景數(shù)字孿生系統(tǒng)在箱梁運(yùn)架施工過(guò)程中起到了可視化呈現(xiàn)、智能診斷、輔助決策、提高效益四大方面的作用[8]。

1)可視化呈現(xiàn) 數(shù)字孿生虛擬模型根據(jù)現(xiàn)實(shí)物理世界搭建,通過(guò)多維模型、多場(chǎng)景轉(zhuǎn)換、多數(shù)據(jù)規(guī)則和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),將箱梁運(yùn)架施工的相關(guān)性能進(jìn)行可視化呈現(xiàn),實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)同虛擬的一一映射和同步。

2)智能診斷 在數(shù)字孿生虛擬映射的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)運(yùn)架施工數(shù)字孿生信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,實(shí)現(xiàn)了對(duì)箱梁運(yùn)架施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)的智能診斷。

3)輔助決策 根據(jù)箱梁運(yùn)架施工長(zhǎng)距離、大規(guī)模、多專業(yè)協(xié)同特點(diǎn),利用數(shù)字孿生挖掘數(shù)據(jù)集成應(yīng)用的新價(jià)值,通過(guò)現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的綜合分析,對(duì)箱梁運(yùn)架過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo),從而輔助施工,做出科學(xué)決策。

4)提高效益 數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代化信息技術(shù)應(yīng)用于箱梁運(yùn)架施工,對(duì)施工過(guò)程的全要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,提高了施工效益。

5 結(jié)語(yǔ)

依托荊門—荊州高速鐵路項(xiàng)目,對(duì)箱梁運(yùn)架施工三維數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹和項(xiàng)目實(shí)際驗(yàn)證。通過(guò)三維全景數(shù)字孿生技術(shù)搭建物理世界與虛擬世界的融合通道,形成交互式的三維數(shù)字鏡像,實(shí)現(xiàn)了模型與物理實(shí)體的實(shí)時(shí)同步動(dòng)作,有效解決了傳統(tǒng)箱梁運(yùn)架施工過(guò)程中實(shí)時(shí)信息掌握困難、可視化程度低等難題,提高了箱梁運(yùn)架施工管理的效率,保證了數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性,為施工管理決策提供了有效的輔助工具;通過(guò)數(shù)字孿生全局視角,各級(jí)管理人員更便捷、高效地對(duì)實(shí)際施工過(guò)程進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)和管控。同時(shí),箱梁運(yùn)架施工三維全景數(shù)字孿生系統(tǒng)深度融合箱梁運(yùn)架大型高端施工裝備控制技術(shù)、高速鐵路運(yùn)架施工技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù),形成了多學(xué)科交叉、多維模型融合、多數(shù)據(jù)規(guī)則、多場(chǎng)景轉(zhuǎn)換的數(shù)字孿生典型應(yīng)用。