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关于数字孪生体在地铁盾构下穿施工应
用研究
摘要:近年来,随着城市化进程的加快,根据国家统计局的数据,城市人口
超过1000万的超大城市有7个,人口超过500万的特大城市有14个。为了满足
城市人口流动发展的需要,城市轨道交通项目的建设正在加快。与一般建设项目
相比,城市轨道交通工程具有规模大、风险高、施工技术复杂、涉及主体多、与
项目周边环境互动性强等特点。以“数字孪生”系统为主要工具和核心模式,基
于数字开放平台,利用 BIM 模型构建物联网感知控制和业务数据集成等技术应用。
研究盾构地下通道施工管理的应用效果,结合多源时空数据信息构建项目施工管
理场景,解决地铁盾构地下通道建设过程中存在的问题。
关键词:数字孪生;地铁盾构贯通不足;建设应用研究
1数字孪生的概念内涵
数字孪生作为一套技术体系,不同行业和学者对数字孪生有不同的理解和认
知。一些人将数字孪生视为物理实体的高保真三维模型,有些人将数字双胞胎视
为大数据,有些人则将数字孪生看作模拟、虚拟验证或可视化。虽然有各种观点,
但从根本上讲,理想的数字孪生具有以下五个核心要素:物理实例、虚拟对象、
孪生数据、信息连接、面向服务。对于城市轨道车辆行业,作者对数字孪生做出
如下定义:数字孪生是物理实体的数字“克隆”,物理实体是数字孪生的实例化
对象。
数据是数字孪生的基本核心,信息技术是数字孪生形成的基本条件。通过数
据建立了包括物理模型、行为模型和规则模型在内的多维孪生模型。通过信息技
术实现孪生模型与物理实例的双向连接和实时交互,最终实现产品全生命周期的
多种服务和功能。包括仿真验证、运行监控、智能管控、健康管理等。基于上述
定义的城市轨道车辆数字孪生架构模型包括五个要素:物理车辆、虚拟车辆、孪
生数据池、服务应用和传感器连接。
2 总体平台架构
基于数字开放平台,构建了智能盾构数字化管控一体化应用平台。通过
BIM+GIS+IOT 技术获取盾构掘进过程的实时数据,实时采集盾构机工业控制系统
中泡沫系统、导向系统、状态预警、掘进进度、风险源等数据信息。此外,还需
要将采集到的掘进参数、掘进姿态、预警信息和进度信息与 BIM 模型深度融合,
实现对业务数据和 BIM 数据的全生命周期、所有利益相关者和所有因素的协同管
理。智能盾数字控制与控制综合应用平台的技术架构基于电力建设云。在统一的
标准规范体系下,以统一的数字开放平台为支撑,集成应用于盾构管控综合信息。
3 智能盾数字控制集成应用平台的核心功能
3.1 编制 BIM 数据管理标准
盾构管理和控制涉及的一些核心基础数据源是BIM 模型,包括盾构模型、地
质模型、环形模型等。因此,应对BIM 模型提出严格要求,应从模型分类和编码
标准、模型应用标准、设计交付标准、模型存储标准等方面进行控制。还应定义
非模型类型的数据,包括:数据交换模式、数据格式、数据类型等。它为盾构施
工全生命周期的信息资源共享和业务合作提供了有力保障。
3.2 GIS+BIM数据辅助的智能监控
盾构掘进的过程监控需要地面和地下监控的可视化应用,因此有必要对工作
区域的现有环境进行在线孪生可视化。通过无人机采集地上倾斜摄影测量数据,
并将倾斜摄影、隧道模型、地质模型和环形模型等BIM 和 GIS 数据深度集成,可
以增强施工现场的管理能力,BIM 模型可以反映盾构机的各种掘进数据和工作状
态。当盾构机参数发生较大异常变化时,BIM 模型可实现快速准确的定位,以辅
助盾构施工。通过多种技术的综合应用,生成盾构监测数据指标的可视化,满足
盾构管理对智能监测可视化的要求。
3.3 建立统一的盾构监测系统
在盾构施工阶段,根据盾构工程的施工要求,建立智能盾构数字控制综合应
用平台,形成盾构监测大后台、小前端的管理模式。不同的业务系统被集成和规
划,以整理盾构隧道数据和业务流程。此外,该平台还实现了与盾构施工现场物
联网设备和数据采集设备的数据互通。应建立统一的管理者屏蔽监控系统,以解
决多个系统的复杂业务逻辑、数据交互困难、数据分散、冗余和业务流程碎片化
等问题。
3.4 建立多维智能监控系统
(1) 机器界面智能监控涵盖泡沫系统、引导系统、视频监控等系统,在基
础平台上实现线路位置与 GIS 的结合,在线显示风险点识别和信息。一体机界面
包括盾构机、泡沫系统、盾构密封、润滑系统等系统的主界面。根据本项目的特
点和建设要求,完成了盾构机工业控制系统、
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