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数字孪生技术在水利水电工程地质中的应用

2.广东中灏勘察设计咨询有限公司云南分公司????云南???蒙自???661199

摘要：水利水电工程地质勘察工作面临着复杂的地质条件与较差的自然环境，形成对勘察工作的诸多限制，导致野外作业不便捷，内业需要处理大量重复性工作，降低了工程地质勘察内外业工作的效率及质量。因此，基于数字孪生技术，探寻其在水利水电工程地质中应用的技术路线，深入分析水利水电工程地质勘察需求，完善水利水电工程地质信息管理与服务系统的功能设计，并细化其三维数字化采集系统、地质云平台、三维建模及分析等在工程地质中实际应用的路径。

关键词：数字孪生技术；水利水电工程；工程地质勘察

水利水电工程地质勘察工作贯穿于整个工程建设过程，是水利水电工程建设安全、建设质量、建设进度的基本保障，勘察任务重、采集数据多，并且勘察面临着复杂的地质条件。传统的内外业数据处理技术、数据存储与管理，以及数据采集、数据入库等工作效率低，如存在重复性劳动、手工录入等。为了切实解决工程地质勘察工作的困境，有必要进行数字孪生技术应用的深度探讨。

1.数字孪生技术在水利水电工程地质中应用的技术路线

1.1工程地质勘察需求分析

运用数字孪生技术专门研发水利水电工程地质信息管理与服务系统，首先要深入分析工程地质勘察存在的现实问题，聚焦重点、难点与痛点，结合勘察工作要素、工作流程等，明确地质勘察数字化应用的总体需求，完善系统功能设计，具体功能需求如下，一是地质三维数字采集，为工程地质勘察野外作业提供数据采集技术支撑；二是勘察数据实时传输共享，勘察现场采集数据利用系统直接上传至云平台；三是三维建模，基于采集的数据利用三维地质建模技术，即使勘察地质条件复杂，也可快速搭建三维模型，并进行直观展示；四是地质图编绘，以地质数据库为底层设计，以三维建模为支撑，可快速完成地质图的编绘；五是基于地质模型，水利水电工程多个专业协同开展地质模型的三维设计；六是查询统计，对工程地质数据进行统计分析，可精确计算工程量；七是地质模型数字化移交，将地质勘察成果进行整合，以数字形式移交给云平台；八是CDA与CAE一体化计算分析，计算机辅助设计通过计算、比较、分析，选择最佳设计方案，计算机辅助工程进行设计方案的模拟，评估设计的可行性，论证工程的可用性与可靠性。

???1.2系统架构设计

基于水利水电工程地质信息化、数字化、实时化、三维立体化勘察的需要，结合地质工作作业流程，突破工作中的重难点，切实解决传统工程地质勘察数据采集、数据传输、数据处理、数据分析、数据挖掘等各项问题，打造数字化应用体系及其功能架构，前端架构分为两个层面，一个是数据传输，基于5G移动网络、卫星、物联网技术等实现数据实时传输；另一个是数据采集终端，利用移动终端、无人机、GPS与GIS等，实现钻孔数据、平洞数据、地质测绘编录、施工地质等的数据采集，并上传至核心层。核心层主要用于工程地质信息管理，基于服务器、云端、PC端运行，主要功能有创建地质全信息模型、工程应用、数据存储处理等，全面深度挖掘地质数据，实现工程地质的可视化分析及展示。终端为模型应用与成果发布层，实现的功能有外业三维数字化采集，自动收集外业获取的地质数据；地质数据管理系统，集中分类管理及存储地质数据；三维建模系统，基于地质数据构建三维立体数字化模型；地质项目管理与查询，为水利水电工程提供工程地质信息服务。数字孪生技术在系统架构设计中，基于工程地质勘察及工作需求，整合利用了物联网技术、三维实景技术、大数据、云计算、GIS技术、Bentley相关技术等，建立水利水电工程地质物理空间与虚拟空间之间的映射关系，数据动态采集、实时传输，两个空间动态交互，实现地质数据在系统中的互联互通，并可完成物理空间工程地质在虚拟空间的三维仿真模拟。

2.数字孪生技术在水利水电工程地质中的应用路径

2.1工程地质三维数字化采集系统

现代水利水电工程地质勘察内外业工作中信息化程度较高，各种移动终端、无人飞机、电子罗盘，以及先进的地质工程相关软件的运用，全面提高了内业与外业工作的质效。而在数字孪生技术投入使用后，水利水电工程地质勘察内外业工作将上升至新的台阶。运用水利水电工程地质信息管理与服务系统终端的地质三维数字化采集系统，构建内外业数据采集、管理、存储一体化流程，①先内业，在桌面端导入基础数据，主要有地质搜集资料、三维实景图，内业经过项目管理、坐标转换、数据编辑、配准纠正、数据融合、格式转换等预处理后，输出基本底图，传递至外业采集层。②后外业，外业工作接收到基本底图后，在野外勘察现场运用项目管理、坐标转换、配准纠正、底图导入、地质测绘、输入、成果输出等功能，补充、修正、核对基本底图，最后将采集成果反馈给内业。③再内业，内业接收到外业采集成果后，进行一系列的内业处理流程，整合、整