數(shù)字孿生技術(shù)在地鐵智能化施工中的應用

摘要：隨著我國工業(yè)信息化程度的不斷提高，軌道交通工程施工方式也在高速發(fā)展和轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)的管理模式和管理流程已不能滿足高質(zhì)量發(fā)展的需求，因此需要通過智能化建設提升軌道交通建設工程的管理水平。文章研究數(shù)字孿生技術(shù)在北京軌道交通13號線擴能提升工程土建施工中的應用，從數(shù)字孿生模型在地鐵施工安全管理中的搭建、地鐵施工安全管理應用框架的構(gòu)成、智能云技術(shù)管理平臺的研發(fā)與應用3個方面描述數(shù)字孿生技術(shù)在地鐵智能化施工的應用過程，以期為后續(xù)類似軌道交通施工工程提供經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；模型搭建；智能云技術(shù)；地鐵施工

中圖分類號：TU17" " " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）02-0081-05

0 引言

隨著信息化、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的由建設單位完成項目建設后再移交運營單位進行項目管理的模式已經(jīng)不能滿足智慧城市軌道交通建設和管理的需求，建筑施工向智能化、信息化轉(zhuǎn)型是必然的趨勢?；谶@種發(fā)展趨勢，大型軌道交通工程施工領(lǐng)域可通過結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)、智能建造技術(shù)以及智慧管理平臺等信息行業(yè)的領(lǐng)先技術(shù)提高施工的智能化和現(xiàn)代化水平。2011年起，眾多國內(nèi)外學者開始探索數(shù)字孿生技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域中的應用。在近幾年的研究中，劉占省等［1］提出利用數(shù)字孿生技術(shù)對預應力鋼結(jié)構(gòu)的安全風險水平進行評估預測；張安山等［2］提出一種數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動的建筑物消防疏散動態(tài)引導方法；萬碧玉［3］描述了應用場景驅(qū)動下的數(shù)字孿生城市。目前針對數(shù)字孿生技術(shù)在地鐵建設方面的研究較少，本文以北京軌道交通13號線擴能提升工程為依托，研究數(shù)字孿生技術(shù)在其土建施工中的具體應用，通過數(shù)字孿生技術(shù)彌補傳統(tǒng)地鐵工程施工中的不足，可為后續(xù)類似的地鐵施工工程提供參考。

1 工程概況

北京軌道交通13號線擴能提升工程施工及包含文化路站以及回龍觀西站至文化路站的區(qū)間站，全長1 027.7 m。文化路站位于回龍觀西大街與文化路交叉口西側(cè)，沿回龍觀西大街東西向設置，為地下2層的一側(cè)一島車站，二層三跨結(jié)構(gòu)形式，車站總長378.9 m，采用明挖法施工；標準段寬24.6 m、高14 m，頂板覆土厚約3.3 m，加寬段寬31.7 m、高15.05 m；設置5個出入口、2個風道、1個緊急疏散口及2個無障礙通道電梯口?；佚堄^西站至文化路站區(qū)間站全長648.8 m，采用盾構(gòu)法施工；區(qū)間左右線均從文化路站西端始發(fā)，與回龍觀西站東段頭接頭，在K70+683.348處設置1座聯(lián)絡通道；本段區(qū)間底板埋深15.2～18 m，最大平曲線R=1 000 m，豎曲線R=5 000 m，設“人”字坡，未設置配線，盾構(gòu)管片外徑為6.0 m，管片寬1.2 m、厚0.3 m；聯(lián)絡通道長8.9 m。

該工程項目的施工重點和難點如下：①技術(shù)難度較大，新工藝和工法多且復雜；②改造體量較大，包括5個出入口、站臺層、設備用房等，并且同時涉及的專業(yè)較多；③該工程采用盾構(gòu)平移橫通道斜交正線始發(fā)方式，洞口與正線隧道存在夾角，盾構(gòu)始發(fā)場地狹小，不利于傳統(tǒng)盾構(gòu)始發(fā)工藝技術(shù)的實施；④環(huán)境風險高。

本文根據(jù)工程的施工重點和難點建立了基于數(shù)字孿生技術(shù)的地鐵智能化施工框架，將其應用到整個項目的施工中。首先利用數(shù)字孿生技術(shù)進行模型搭建，其次分析該技術(shù)在施工安全管理中的框架構(gòu)成，并且建立計價云與智慧云系統(tǒng)，提高施工的智能化水平，最終實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在該工程中對工地施工和人員仿真的指導以及對危險的預測。

2 數(shù)字孿生模型的搭建

2.1 數(shù)字孿生技術(shù)簡介

數(shù)字孿生（Digital Twin）是一種將實際物理系統(tǒng)或設備與虛擬模型進行實時交互和仿真的技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)的核心如下：一是虛擬世界和現(xiàn)實世界的相互關(guān)系；二是動態(tài)關(guān)系；三是在映射對象的基礎上對對象的邏輯、行為和過程進行映射，如生產(chǎn)過程和商業(yè)過程；四是物理世界與數(shù)字世界的雙向映射關(guān)系；五是在地鐵施工的整個生命周期通過構(gòu)建與實體同步的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)整個生命周期的交互式反饋。

數(shù)字孿生技術(shù)通過在虛擬空間對真實物體進行可視化模擬，可以幫助技術(shù)使用者提升產(chǎn)品設計與制造的精度與效率［4］。數(shù)字孿生技術(shù)可運用到產(chǎn)品的生命周期管理中，以數(shù)據(jù)與模型的雙重驅(qū)動對產(chǎn)品進行仿真、預測、監(jiān)測、優(yōu)化與控制，支持業(yè)務的不斷創(chuàng)新與快速響應，促進產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化與升級。在城市軌道交通建設的智慧管理中，把建筑信息模型、地理信息系統(tǒng)（GIS）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、人工智能等新興技術(shù)相結(jié)合，以數(shù)字化的形式描述物理實體，建立一個虛實結(jié)合的數(shù)字孿生環(huán)境，可實現(xiàn)項目建造的全過程實時監(jiān)控、建造數(shù)據(jù)集成和動態(tài)化分析，提升整體建造工程的集成化、可視化和智慧化管理水平。

2.2 數(shù)字孿生模型的搭建

基于數(shù)字孿生技術(shù)的地鐵施工安全管理數(shù)據(jù)（DT-SMD）是指與地鐵施工安全管理過程相關(guān)的全因素、全流程、多尺度的數(shù)據(jù)集，主要包括幾何模型信息（GMI）、施工人員信息（CPI）、施工機械設備信息（CMI）、施工任務信息（CTI）及安全管理信息（SMI）。用公式可以表示為

DT-SMD={GMI，CPI，CMI，CTI，SMI}" " " " " " （1）

基于數(shù)字孿生技術(shù)，本文提出一種綜合考慮了五維數(shù)字孿生技術(shù)實用性、適用性、可擴展性等多個方面的研究思路。因此，針對地鐵建設中的安全問題，建立一種新的、適用于地鐵施工的五維數(shù)字孿生模型，即DTSM模型。該模型主要由地鐵施工安全管理（MCP）、虛擬安全管理過程（VSMP）、基于數(shù)字孿生技術(shù)的應用服務平臺（DT-ASP）、基于數(shù)字孿生技術(shù)的地鐵施工安全管理數(shù)據(jù)（DT-SMD）和不同元件之間連接通信的數(shù)據(jù)映射機制（CDM）5個方面的內(nèi)容組成，其具體模型可以表示為

DTSM={MCP，VSMP，DT-ASP，DT-SMD，CDM} （2）

面向地鐵施工安全管理的數(shù)字孿生參考模型見圖2。

DTSM模型為地鐵施工安全管理提供了應用框架，為實現(xiàn)智能化施工、管理奠定了基礎，其主要內(nèi)容如下。

（1）物理地鐵施工安全管理。地鐵施工安全管理（MCP）過程是構(gòu)建數(shù)字孿生地鐵施工安全管理的基礎。由于地層模式不同，施工方法的復雜程度也不同，因此地鐵施工安全管理的難度非常大。本模塊主要關(guān)注發(fā)生率較高的安全事故類型中人員的安全和地下施工方法的安全。

（2）虛擬地鐵施工安全管理。虛擬安全管理過程（VSMP）提供了實時控制和預警功能，并且實現(xiàn)了地鐵施工安全管理（MCP）與地鐵施工過程物理模型的標定和對比分析，保證VSMP能夠真實地映射MCP。

（3）基于數(shù)字孿生的應用服務平臺。DT-ASP是數(shù)字孿生技術(shù)的核心組件，主要實現(xiàn)地鐵施工安全管理中各種數(shù)據(jù)應用、建模和運算等功能，以及實現(xiàn)仿真、預測、優(yōu)化、控制和管理等應用服務。該服務平臺可持續(xù)優(yōu)化地鐵施工的安全管理。

（4）基于數(shù)字孿生技術(shù)的地鐵施工安全管理數(shù)據(jù)。基于數(shù)字孿生技術(shù)的地鐵施工安全管理數(shù)據(jù)（DT-SMD）能真實、準確地反映物理世界的安全管理過程。

（5）通信和數(shù)據(jù)映射。該機制作為構(gòu)建DTSM模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其成熟度和完整度決定了整個模型的成熟度和完整度。

3 地鐵施工安全管理應用框架的構(gòu)成

為了對地鐵施工人員及管理人員進行高效率的安全管理活動，本文提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的地鐵施工安全管理應用框架（見圖3），該框架主要由物理層、交互層和虛擬層3個部分組成。

3.1 物理層

物理層是地鐵施工安全管理過程涉及的施工人員、施工機械設備和施工任務等物理實體的集合，其主要功能是實現(xiàn)安全管理的同時，向虛擬層提供相關(guān)數(shù)據(jù)，主要用于實際安全管理的指導和控制，其涉及對象包括以下3個部分：①安全管理過程中重點關(guān)注的施工對象主要有施工人員（包括實施高空作業(yè)、基坑作業(yè)及其他危險度較高的施工作業(yè)的人員等）、施工機械設備（包括塔吊、盾構(gòu)機、運輸車輛等）、施工任務（包括地下施工法如明挖法、盾構(gòu)機法等）；②獲取攝像頭、傳感器、紅外線探測儀等的感知對象的關(guān)鍵信息（包括施工人員信息、危險區(qū)域信息、塔吊信息、車輛信息）；③基于虛擬層做出反饋指令的執(zhí)行對象，一般指相關(guān)物理設備，如報警器、手機端App等。

3.2 交互層

交互層連接物理層和虛擬層，通過交互層中相關(guān)數(shù)據(jù)的交互，實現(xiàn)物理層和虛擬層之間的雙向互連和互通。因此，通過交互層的傳輸可進一步實現(xiàn)基于數(shù)字孿生技術(shù)的安全管理的迭代優(yōu)化和實時控制，交互層主要有通信連接和數(shù)據(jù)處理2個模塊。

（1）通信連接模塊。通信連接模塊是在地鐵施工安全管理框架搭建的連接物理層和虛擬層的橋梁，通過數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)雙向映射，通過連接方式和傳輸方式實現(xiàn)DTSM中物理層與虛擬層的數(shù)據(jù)同步。本工程在通信方式的選擇上主要采用LoRa（通信模塊）和NB-lot（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)，這些技術(shù)具有傳輸速度快、功耗低、成本低等特點。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理主要有數(shù)據(jù)的采集、傳輸、預處理、集成、分析、存儲等步驟。數(shù)據(jù)處理模塊中的原始數(shù)據(jù)是從地鐵施工過程中收集的感知數(shù)據(jù)，包括幾何數(shù)據(jù)、施工人員數(shù)據(jù)、施工機械設備數(shù)據(jù)、施工任務數(shù)據(jù)等。收集數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)的傳輸和預處理，再將預處理的數(shù)據(jù)和虛擬數(shù)據(jù)存儲到交互層中，進而實現(xiàn)物理數(shù)據(jù)和虛擬數(shù)據(jù)的耦合同步。

3.3 虛擬層

在地鐵施工安全管理過程中，虛擬層主要包括3個子系統(tǒng)：施工人員安全監(jiān)測子系統(tǒng)、施工機械設備監(jiān)測子系統(tǒng)、施工工藝監(jiān)測子系統(tǒng)。

（1）施工人員安全監(jiān)測子系統(tǒng)的功能是通過“機器視覺+人工智能”技術(shù)對施工人員的操作行為是否規(guī)范做出判斷，并給出動態(tài)預警警告。主要實施步驟如下：①視頻記錄施工人員動態(tài)數(shù)據(jù)；②基于人工智能算法和長短時記憶（LSTM）等對視頻進行學習，使人工智能算法能從中截取片段信息并作為訓練學習的樣本；③構(gòu)建施工人員行為的數(shù)字孿生模型；④生成不安全行為規(guī)則判斷；⑤發(fā)出指令信息。

（2）施工機械設備監(jiān)測系統(tǒng)的功能是通過監(jiān)測地鐵施工現(xiàn)場機械設備的運行狀態(tài)，判斷機械設備是否處于安全狀態(tài)。主要實施步驟如下：①獲取施工機械設備及其他相關(guān)施工要素的實時位置信息及力學信息，上傳至基于數(shù)字孿生技術(shù)的應用服務平臺（DT-ASP）；②在DT-ASP中，利用人工智能算法對上述信息進行計算和判斷；③構(gòu)建施工機械設備及其運行狀態(tài)的數(shù)字孿生模型；④生成不安全行為規(guī)則判斷；⑤發(fā)出指令信息。

（3）施工工藝監(jiān)測子系統(tǒng)的功能是監(jiān)測施工工法操作過程中的安全狀態(tài)。主要實施步驟如下：①獲取施工工法實施過程中的相關(guān)力學信息、支護結(jié)構(gòu)變位和周圍環(huán)境條件信息并上傳至DT-ASP；②在DT-ASP中，計算上述信息判斷施工工藝是否可靠、是否滿足安全標準；③構(gòu)建施工工藝實施過程的動態(tài)數(shù)字孿生模型；④通過實時監(jiān)測，計算和判斷施工工藝實施過程中的安全狀態(tài)；⑤記錄施工工藝中的不當操作并糾偏。

4 智能云技術(shù)管理平臺的研發(fā)與應用

4.1 智慧工地云系統(tǒng)

智慧工地指的是利用信息化手段及三維設計平臺，對工程項目展開準確的設計和施工模擬［5］。北京軌道交通13號線擴能提升工程的土建智能化施工以數(shù)字孿生技術(shù)為核心，采用智能云技術(shù)為平臺構(gòu)建出一個互聯(lián)協(xié)同、智能生產(chǎn)、科學管理的施工項目信息化生態(tài)圈，為該工程智能化施工提供了過程趨勢預測及專家預案，實現(xiàn)工程施工的可視化智能管理，提升工程管理的信息化水平，逐漸實現(xiàn)綠色建造和生態(tài)建造的目標。

基于數(shù)字孿生技術(shù)的地鐵施工系統(tǒng)設施主要包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、實名制管理系統(tǒng)、安全帽檢測系統(tǒng)、“藍牙+GPS”人員定位系統(tǒng)、車牌出入管理系統(tǒng)、UWB（超寬帶）人員定位子系統(tǒng)、基坑監(jiān)測系統(tǒng)、VR（虛擬現(xiàn)實）體驗智能管控系統(tǒng)。地鐵施工系統(tǒng)總體設施框架見圖4。

4.2 地鐵施工監(jiān)管平臺

基于數(shù)字孿生技術(shù)的施工監(jiān)管平臺主要采用線上Web端管理，具有獲取信息容易、傳達信息方便、可及時更新等優(yōu)點。通過共用賬號獲取全方位監(jiān)管與工程產(chǎn)生的最新數(shù)據(jù)，便于對施工全過程的數(shù)據(jù)進行監(jiān)管。地鐵施工監(jiān)管平臺功能如下。

（1）隱患管理：包括會簽列表、巡查報告及隱患列表。

（2）視頻管理：主要包括視頻廣場和視頻狀態(tài)。

（3）領(lǐng)導帶班：該模塊的帶班時間表顯示各個時間段負責人的情況，方便遇到問題時及時處理。

（4）上級檢查：主要針對一些重大的排查行動設立模塊，包括檢查批次、檢查問題和統(tǒng)計圖表。

（5）天氣預警：在聯(lián)網(wǎng)時自動查詢近15天的天氣狀況。

（6）進度管理：通過掌控進度流程更好地管理后續(xù)的工作。

（7）業(yè)務字典：包括問題庫管理模塊，該模塊將工程實施中遇到的所有類型的問題進行匯總，然后分析問題并提出解決問題的方法。

4.3 安全預警體系

基于數(shù)字孿生技術(shù)的安全預警體系設計主要由感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)應用層和服務層構(gòu)成［6］（如圖5所示）。感知層是利用智能化的信息采集設備按照檢測設計要求安裝施工現(xiàn)場的監(jiān)測點，用于收集施工現(xiàn)場的各類安全信息；數(shù)據(jù)傳輸層主要是將采集到的信息與上層服務器進行連接和交換；數(shù)據(jù)處理層主要對原始數(shù)據(jù)進行整合處理和使用；數(shù)據(jù)應用層主要實現(xiàn)對智能化施工的安全預警功能；服務層是利用終端設備實現(xiàn)基于數(shù)字孿生技術(shù)的地鐵施工安全預警。

5 結(jié)語

本文針對地鐵施工智能化安全管理方面的需求，結(jié)合北京軌道交通13號線擴能提升工程中土建施工的施工重點和難點，提出數(shù)字孿生技術(shù)在該工程智能化安全管理土建施工中的應用，可成為數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通智能化施工平臺的應用范例，為后續(xù)類似軌道交通施工工程提供參考。

6 參考文獻

［1］劉占省，史國梁，杜修力，等.數(shù)字孿生驅(qū)動的預應力鋼結(jié)構(gòu)安全智能控制方法［J］.天津大學學報（自然科學與工程技術(shù)版），2023，56（10）：1043-1053.

［2］劉占省，張安山，王文思，等.數(shù)字孿生驅(qū)動的冬奧場館消防安全動態(tài)疏散方法［J］.同濟大學學報（自然科學版），2020，48（7）：962-971.

［3］萬碧玉.應用場景驅(qū)動下的數(shù)字孿生城市［J］.中國建設信息化，2020（13）：48-49.

［4］辛佐先，裴芳瓊，王柳.城市軌道交通數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)及其應用［J］.城市軌道交通研究，2023，26（8）：213-217.

［5］李峰，王洪琳.數(shù)字孿生技術(shù)在軌道交通自動運行系統(tǒng)的應用探究［J］.江蘇科技信息，2021，38（28）：31-33.

［6］李勝廣，戚程遠，陳虹旭.數(shù)字孿生技術(shù)在軌道交通安保中的作用［J］.中國安防，2021（3）：42-48.