数字孪生在智慧城市中的应用

数字孪生在智慧城市中的应用

张一帆

上海市安装工程集团有限公司  上海  200431

摘要：结合当前推进智慧城市建设的形势，开展数字孪生工程建设，构建高精度数据底板和数字化场景，应用专业模型、智能识别模型和可视化模型，提升工程管理能力，实现工程的智慧化、精细化管理，十分必要且具有重要意义。本文探索了数字孪生在隧道工程建设中的应用，进而提升隧道工程运行效能，推动隧道建设业务的全面创新。未来，数字孪生技术将向更多行业渗透，并实现与人工智能、大数据、云计算等前沿技术的深度融合，打造新一代智能系统。

关键词：数字孪生；智慧；隧道工程

前言

数字孪生技术可广泛应用于工业、建筑、交通、能源等领域。例如：在工业制造业领域，用于生产线和产品的数字化设计、仿真、监控；在智慧城市建设中，用于构建城市数字孪生，辅助城市规划、交通管理、能源管理等；在智慧医疗中，建立病人和药物的数字孪生，用于医疗诊断、治疗、药物研发；在农业领域，用于构建数字化农场，进行作物生长监测与决策支持。在数字化浪潮下，数字孪生技术的发展前景广阔。

1数字孪生技术及平台概述

1.1数字孪生技术的概念

数字孪生（Digital Twin）是指通过软件工具和数据分析，创建一个真实物理对象、系统或过程的虚拟数字复制品。数字孪生集成了物联网（IoT）、人工智能（AI）、机器学习和大数据分析等多项技术，通过实时数据与模型的同步更新，为用户提供决策支持，优化操作和维护策略[1]。

1.2数字孪生平台

1.2.1数据底板

数据底板为数字孪生隧道工程提供“算据”支撑，主要包含数据接入、存储和服务三项内容，其中数据接入是数据底板的建设入口，数据存储是数据底板的内核，数据服务是数据底板的出口，数据底板构建的数据内容涵盖了基础、监测、跨行业共享、地理空间和业务管理等多个数据类别。

1.2.2模型平台

模型平台是实现数字孪生隧道工程的精准映射和虚实互动的核心组成部分，为智慧工程应用提供了必要的“算法”支持。同时，按照“标准化、模块化、云服务”的原则制定覆盖平台开发、模型调用、数据共享和接口等多方面的技术标准。平台涵盖隧道工程、智能识别、可视化和模拟仿真等专业化模型。

1.2.3知识平台

构建隧道工程知识平台，集合多方面业务涉及到的基础数据形成知识化体系，能够帮助管理人员对相关数据进行迅速查询，促进快捷调度，高效执行和联动，并且能够将各业务指标与相应的事件关联。利用知识图谱和机器学习等技术提取、管理以及综合应用隧道工程对象之间的关联关系以及规律等信息，这一智能核心为数字孪隧道工程的运行进行赋能，支撑正向智能推理和逆向溯因分析[2]。

2数字孪生技术的应用分析

2.1设计阶段应用

在设计阶段，数字孪生技术的应用非常广泛，可以在规划设计、概念设计、初步设计、详细设计与模拟仿真等方面发挥作用。首先，在概念设计与初步设计阶段，数字孪生技术通过项目数据的高度集成，可以自动提供包括了周边环境、设计文件以及其它可以有助于概念设计、初步设计等的数据来源。其次，在详细设计过程中，依托孪生模型结合虚拟现实技术对建筑物设计进行检查，及时发现不合理的地方，规避由于设计缺陷造成的返工整改。最后，通过数字孪生可以进行模拟仿真，从而减少设计缺陷，加快设计的迭代，从而提高项目的设计速度与质量，使设计方案达到最优。例如，通过隧道工程进行建模，充分考虑地质条件、施工现场环境及施工机械等措施，建立包括地下空间、构筑物结构、施工现场三个模型在内的数据孪生体，从而大幅提高了机械化施工的精度，生成符合机械化施工的设计方案，提升了地下工程的施工效率。利用数字孪生与机器人技术的融合，通过构建动态、数据驱动的模型，使施工机器人能够与动态化施工方案设计协同，从而使自动化施工成为可能等。

2.2智慧化模拟

依托数字孪生隧道工程数据底板地理空间数据，搭建可视化模型，对象包括自然背景、隧道工程与机电设备，重点管理区域建筑、设备模型，结合模拟仿真引擎，实现隧道工程全场景要素可视化表达、三维渲染、空间分析、业务模拟仿真，为隧道工程创造具有交互性、真实感、沉浸感的数字孪生场景。结合隧道工程安全和调度等知识管理与应用需求，建设涵盖业务规则、历史场景、专家经验、预报调度方案等内容的专业知识库，通过知识引擎提供的知识提取、知识更新、知识查询等服务能力，实现不同预警条件下应急抢险、调度预案的自动推荐，有效支撑应急抢险、调度精准化决策。同时基于模拟仿真引擎能力根据预案实现推演，有力提高预案的科学性和可操作性。

2.3驱动精准化安全“四预”

数字孪生隧道工程针对工程安全、金属结构安全、泵站机组安全等问题，开展工程安全“四预”建设。基于监测信息，构建工程安全分析数理统计模型，预测测点的变形、渗流、应力应变趋势，实现安全风险预报预警，并在典型工况和预报基础上，进行安全预演，集成专家经验、风险评估和综合效益评价，生成工程安全预案。例如，根据机电设备组监测数据，构建机电设备安全分析模型，实现电机、转子叶轮、轴承壳体等关键部件的故障诊断和健康评价，为机组安全、调度运行、维修养护提供决策支撑

[3]。

2.4交通场景“数”实融合

交通数字孪生是以数字化方式创建交通运输场景中各类物理实体（包括交通基础设施、运载工具、交通参与者、交通环境）和其关联关系的虚拟实体及其关联关系，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，通过软件定义与服务，描述、诊断、预测、决策、控制交通场景中各类物理实体全生命周期过程或全要素运行过程。信息世界与物理世界通过数字孪生技术有机连接起来，基于“数实融合、以虚控实、持续优化”的孪生平台，提供更加实时、高效、智能的管理与服务，可应用于交通基础设施运维、载运工具状态监测、交通问题的分析与实验等方面[4]。

隧道数字孪生运行感知与安全管控应用：针对目前隧道运行异常事件发现难、响应不及时等问题，采用激光雷达、毫米波雷达、视频分析等不同感知方案进行隧道交通运行状态数据采集与检测精度对比，将采集得到的数据与结果在数字孪生场景中进行复现，实时还原隧道交通运行状态，及时发现异常事件，并对不同管控方案进行仿真推演与对比优化，从而准确感知隧道交通的实时情况，以及对应急事件实现即时管理与控制。

隧道视觉引导系统数字孪生行车识认性评价应用：针对隧道内视觉引导系统行车识认性评价难的问题，构建光学属性数据驱动的隧道视觉引导系统数字孪生场景，研发基于数字孪生的驾驶员视角隧道行车动态视觉评价系统，实现对隧道内标志标识标牌识认性的直观评价，形成隧道视觉引导系统动态演化和持续改进的数字化基础，提升了驾驶员隧道行车安全性。

3结语

数字孪生技术已经成为提高工程建设质量的重要手段。数字孪生技术在工程设计、智慧化模拟、安全预警、交通场景中的应用能够显著提高项目的质量和效率。未来，随着技术的不断发展和创新，数字孪生技术将在智慧城市建设、可持续发展项目和灾害应急管理等领域发挥更大的作用。同时，也需要进一步探索数字孪生技术与物联网、人工智能等新兴技术的融合应用，为工程建设做出更大的贡献。

参考文献

[1]胡国芳,王丽,张磊.数字化背景下数字孪生技术的发展[J].质量与认证,2024,(02):36-38.

[2]王海山,何其飞,张铭.数字孪生技术对工程高质量建设的实证研究——以BIM技术应用为例[J].质量与认证,2024,(02):42-45.

[3]蔡勇.数字孪生峡江水利枢纽工程建设探索实践[J].水利发展研究,1-8.

[4]贾新胜,马存兵,董庆杰.数字孪生调水泵站工程可视化模型构建和数据交互技术研究与应用[J].中国水利,2024,(01):64-69.