数字孪生技术在鹤伊高速苔青至伊春段建设项目创新应用

　　一、项目总体介绍

　　鹤伊高速苔青至伊春段项目建设规模较大，路线总长为63.367公里，其中需要建设长隧道/2座，特大桥6009.2m/3座，大桥3590.2m/8座，中桥267.18m/4座，小桥33.96/1座，共计需生产3257片预制梁。鹤伊高速在建设过程如何保证生产质量、进度、安全、环保等方面管理的统一、标准、协调是一大难点。

　　鹤伊高速苔青至伊春段数字孪生平台利用BIM+GIS技术搭建虚拟场景，实时反映现场生产状态。平台在建设过程中将工程建设划分为多个业务场景，包括数字梁厂、数字桥梁、数字隧道、绿色低碳以及数字社区，以虚拟孪生场景反应现场实时施工生产进度。同时，在场景中聚焦项目业务功能，通过感知层实现场景内各要素数字化管理，包括对人机料管控、原材试验检测、混凝土拌合质量、预制梁生产、隧道周边监测、施工安全、绿色环保以及产业工人培训学习等施工要素实时状态监管，利用BIM模型+GIS实景搭载业务数据，形成由点串线、由线汇面的融合模式，从而提升数字化管理效能。

　　二、主要做法

　　本项目数字孪生系统平台建设重点围绕隧道、桥梁互通施工进度、梁厂生产过程、现场绿色低碳实施过程以及产业工人学习等方面，对项目建设全过程开展全面监督与管理，包括孪生场景搭建、前端感知采集、云平台数据处理及客户终端应用。平台建立统一的数据字典框架及信息交互标准协议，打通各工艺环节之间的数据壁垒，实现数据的集成与交互，并大力推进智慧检测技术、创新智慧建造技术、深化智慧生产技术、强化智慧管理体系，建立互联协同、智能生产、科学管理的施工项目信息化生态圈，实现施工管理精细化。

　　鹤伊高速苔青至伊春段数字孪生主场景主要包含项目整体路线走向、重点结构物以及各项目部位置，如图1：

　　图1 鹤伊高速苔青至伊春段数字孪生主场景

　　项目整体建设情况云图，包括建设进度、建设履行程序完成情况、项目组织架构、投资进度、施工进度以及现场实时视频等，如图2：

　　图2 鹤伊高速苔青至伊春段项目概况云图

　　项目AI助手对于用户的询问给予反馈，可进行模糊的交互沟通，如整体施工状态的询问、预警查询的询问，反馈内容对应工程进度自动更新变化，如图3：

　　图3 鹤伊高速苔青至伊春段数字孪生平台AI应用

　　数字梁厂孪生场景主要对梁厂人机料、预制梁生产、安全环保管理。通过利用BIM+GIS技术对梁厂建模，实现现场实际生产在管控平台的映射;通过平台数据对接储存能够在信息模型上实时查看预制梁厂的生产现状、存梁现状，随时查看现场台座使用情况、预制梁生产工序;采用视频监控，直观了解生产情况，通过AI监测对人员不佩戴安全帽、高安全风险区域不规范操作等行为实时监控，以及现场特种设备安全监测等，保障厂区内人员设备安全。

　　鹤伊数字梁厂孪生平台可查看孪生场景内存梁区每片预制梁生产详细信息、制梁区在生产梁生产工序信息以及梁厂内不同区域位置物料设备实时数据，包括环保、视频、物料、龙门吊、AI监测等，同时采用云图形式展示梁厂生产情况，如图4-1至图4-6：

　　图4-1 鹤伊数字梁厂孪生场景

　　图4-2 鹤伊数字梁厂存梁区某片预制梁详细生产信息

　　图4-3 鹤伊数字梁厂平台物联设备实时信息-环保

　　图4-4 鹤伊数字梁厂平台物联设备实时信息-AI监测

　　图4-5 鹤伊数字梁厂平台物联设备实时信息-拌合站

　　图4-6 鹤伊数字梁厂平台生产云图

　　数字桥梁互通孪生场景主要对人员、视频、进度、质量的管理。数字桥梁、互通场景主要包括特大桥四座：汤旺河4号公铁立交特大桥、汤旺河5号公铁立交特大桥、伊春河公铁立交特大桥、嘉临公路公铁立交桥;互通两座：伊春互通、伊春北互通。在建模前将桥梁进行WBS拆分，拆分成不同的结构部位，并将其进行编号，在孪生场景中以不同的颜色显示结构部位已完工的和未完工的状态;数字桥梁场景与梁厂智慧化生产系统进行对接，当预制梁完成生产并处于出梁状态可在相应桥梁场景查看其架设进度;同时可在信息模型上查看相应部位的施工数据，包括拌合信息、运输信息以及施工信息等;在信息模型内可对人员定位信息进行查看和点调管理，实现场景互联;针对信息模型具体位置可实时查看现场施工画面，了解现场进度。

　　鹤伊数字桥梁孪生场景主要模拟现场桥梁生产进度、通过对各工程部位施工数据对接，可查看详细生产信息，同时采用云图展示项目施工情况包括大桥总览、原材检测情况、桩基检测、分部分项工程施工进度、混凝土拌合生产数据以及现场架桥机实时运行参数，如图5-1、5-2：

　　图5-1 鹤伊数字桥梁云图

　　图5-2 鹤伊数字桥梁预制梁生产详情

　　数字隧道孪生场景主要对隧道施工进度和安全监测管理，隧道模型包括东升隧道和苔青隧道。首先信息模型以不同颜色显示各洞隧道掘进进度和二次衬砌进度，以1.2米划分隧道单元;其次根据隧道的围岩等级数据与隧道模型进行挂接，可以通过模型特殊位置显示对应的围岩等级及检测报告;增加红外三维安全预警系统，实现隧道变形量实时监测及预警推送，通过隧道模型上检测点位的布设和检测数据的挂接，可查看每个点位的监测状态及安全预警信息;同时针对信息模型具体位置可实时查看现场施工画面，施工安全实时把握。

　　鹤伊数字隧道孪生场景主要对现场施工初衬、二衬进度进行模拟，对应隧道不同断面位置挂接相应的超前地质预报及监控量测数据，应用红外三维安全预警系统监测隧道变形量，同时采用云图展示隧道施工情况包括左右洞施工进度、工程施工进度、原材检测情况、水泥混凝土拌合质量以及现场视频监控等信息，如图6-1至6-5：

　　图6-1 鹤伊数字隧道施工进度场景

　　图6-2 鹤伊数字隧道云图

　　图6-3 鹤伊数字隧道超前地质预报

　　图6-4 鹤伊数字隧道监控量测曲线图

　　图6-5 鹤伊数字隧道红外三维安全预警

　　绿色低碳模块根据环境管控要素强度与区域环境敏感性，进行绿色风险源等级划分及辨识，得到项目全线绿色管理风险源共计133处，结合施工进度，选取了11处环境风险源敏感点进行监测，实现大气环境超标预警主动推送;确立碳监测边界，建立了碳排放因子库，计算得到该项目总体碳排放量为95.8万吨，打造五大绿色近零碳场景，得到目前累计碳排放总量为49.1万吨、累计降碳总量为5.6万吨，降碳目标已完成58%。

　　伊绿色低碳主要包括绿色风险源情况、各工区实时环境监测数据、监测预警、绿色指数、绿色资讯、碳排放、工区碳排放以及环境检测情况，如图7：

　　图7 鹤伊绿色低碳云图

　　数字社区模块主要聚焦“产业工人智慧的一天”，以产业工人生活、作业的轨迹为主线，构建智慧生态体系，以产业工人为最小使用单位，以班组为管理单位，与生产管理形成联动，包括人员考勤、现场安全、云课堂学习、鹤伊币兑换、社区幸福等，以生活、学习服务、管理服务串联起产业工人的一天。

　　鹤伊数字社区模块主要包括四个工区产业人员的在场考勤情况、日常学习情况统计、鹤伊币获取兑换以及兑换物品排行情况，如图8：

　　图8 鹤伊数字社区云图

　　三、主要创新成果

　　(1)基于制定的BIM信息模型数据分类及编码标准开展模型建立，提出了模型处理的高效轻量化算法，实现大型带状结构物帧率达到65帧/秒，较同类技术效率提升65%;

　　(2)首次在黑龙江地区提出了BIM技术与智慧管控平台融合的建模技术精度标准和数据接口标准，打通BIM与公路工程管理的底层数据共享与唯一映射，大幅提高了工程管理效能，实现数字化场景融合与辅助决策;

　　(3)基于数字孪生技术，利用BIM+GIS技术搭建虚拟孪生场景，结合IOT技术实现虚拟场景与实景数据的交互，通过孪生场景实现对项目梁厂、桥梁以及隧道进度施工进行仿真、模拟、分析、决策。

　　四、取得成效

　　通过对“BIM+GIS+IOT”技术的应用，模拟真实施工场景，实现施工现场人员数量的实时统计、龙门吊、架桥机等设备的在线监控、混凝土拌合数据、原材检测数据、现场施工进度等多方面的数字化统计功能，可为管理者实时提供现场多方面的生产数据，辅助生产者管理者决策;

　　采用梁厂生产系统，通过对预制梁生产订单的合理安排，实现生产计划灵活调整、空闲台座一键选择、生产信息实时提醒，把控生产进度，保证生产过程中台座使用达到最大的效率。预制梁生产效率提升10%以上，平均每个构件减少人工成本300元，依托项目共计节约成本约129万元;

　　在绿色方面通过优化设计，鹤伊项目已实现隧道洞渣利用40.1万方、路基永临结合，减少林地占用15万平、珍贵树种移植4526棵、黑土保护81.5万平、设计优化，缩减房建工程建筑面积4316平。