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为解决传统公路工程建设管理方式中的信息不对称、管理效率不高等问题，提高公路工程建设管理的质量和效率，近年来，在大数据、北斗技术、AI人工智能等前沿技术的发展和需求升级的共同驱动下，数字孪生技术为公路工程建设管理提供了新的思路。通过运用数字孪生技术建设国省道公路，可实现公路项目多标段建设管理过程全方位的数字化管理，从项目前期到项目交竣工，对项目的投资、质量、进度、安全等建设管理各个要素进行有效管控，大大提升项目管理的效能和管理的规范化程度。同时，平台的应用也为参建各方搭建起协作桥梁，达到可会商、可预警、可指挥、可分析的良好作用。
数字孪生技术是一种充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程的技术。简单来说，它通过将实际的物理系统与其相应的虚拟模型相结合，实时跟踪物理系统的状态和行为，以提供精确、可靠的数据和信息支持。数字孪生技术包括物理系统、虚拟模型和数据流三个核心要素。物理系统指实际存在的物理对象，虚拟模型是对物理系统的数学建模和仿真，数据流则是从物理系统中获取的各种传感器数据、操作记录和其他相关信息，用于更新和校准虚拟模型，实现与实际物理系统的同步更新。数字孪生中的物理对象和数字空间可以双向映射、动态交互和连接。这意味着数字孪生具有将物理实体映射到各种数字模型的能力，并且具有在不同数字模型之间相互转换和融合的能力。其次，数字孪生技术具有集成、添加和替换数字模型的能力，并且可以对模型内容进行扩展，因此数字孪生技术能够适应不同的应用场景和需求变化。此外，数字孪生中的数字虚拟体用于描述物理实体的可视化模型和内部机制，从而监控物理实体的状态数据，进行分析推理，优化工艺参数和运行参数，并实现决策功能。这形成了一个对虚拟体和物理实体使用的闭环系统，有助于提高物理系统的性能和效率。数字孪生技术在国省道公路建设工程领域中的应用以普通公路建设共享业务需求出发，平台通过二三维数据采集，形成二三维数字孪生底座，高保真还原设计阶段三维成果，并对项目现场进行全方位物联感知设备布置，进一步打通项目建设管理和行业监管的数据壁垒，实现项目、企业、监管的一体协同。基于数字孪生技术，平台可真实还原国省道公路物理场景，采用物联网技术实现从材料进场、试验检测、拌合摊铺等全流程全方位管控；同时基于北斗定位和数字编码技术，实现物理世界设备数据与虚拟世界三维模型间数据融通，从项目前期到项目交竣工，项目的投资、质量、进度、安全等建设管理的各个要素都能通过平台进行有效管控，极大提升项目管理的效能和管理的规范化程度；平台建设项目建设指挥中心和梁场分中心，通过数据汇总、分析和预警，便于管理部门实时掌控项目建设进展情况及存在问题，最大化发挥数据价值，进一步提升管理效能。该平台以数字孪生为核心，改变了传统公路工程建设管理模式，通过多业务融合的数字化解决方案，可全面、准确、及时管理和控制公路工程建设信息，提高公路工程建设质量和效率。系统采用多终端（大屏、PC、移动端）结合，基于公路工程全过程建设管理业务场景，打造“1+5+1”体系，形成1个一体化基础管理平台（包括项目底层数据库、综合数据枢纽、业务流程引擎、二三维模型引擎、物联网平台等）；5大核心业务板块：智慧建设特色场景、智慧建设管理系统、项目建设指挥中心、协同管理系统、工地物联监控；1套公路工程数字化创新管理体系（项目全流程管理体系、BIM全过程应用体系、多跨应用联动体系、工地设备物联体系）。平台总体架构如图1所示。平台包含智慧建设管理系统、项目建设指挥中心软件部分（全生命周期驾驶舱）、协同管理系统等。采用面向服务的层次体系架构（Service Oriented Architecture，简称SOA架构）进行建设。各业务功能以“服务”形式提供给不同的业务应用，各功能之间相互独立，以一种“松耦合”的协议机制进行组合。基于标准信息服务建立的平台，可以提供应用搭建和业务协同机制，支持用户对应用模型进行定义，并灵活配置、扩展系统，实现数据与功能共享，适应不断变化的需求。Web端采用B/S架构，前后端分离。前端专注业务交互，服务端专注业务逻辑处理和数据存取。移动端采用C/S、B/S混合架构，平台层开发为原生App，可与移动设备进行交互。业务的移动端以H5开发，接入到平台App，通过平台App提供的接口实现访问移动设备的能力。系统技术架构如图2所示。全线无人机影像采集采用国家2000坐标系，高程基准为CGCS 2000国家高程基准。对项目全线进行无人机采集正射影像数据，并利用专业软件生成正射影像。正射影像覆盖范围为项目全线两侧宽度至少200米以上，并设置用地红线控制线主线30米、匝道15米，影像地面分辨率应优于4厘米。影像质量应清晰、层次丰富、反差适中、色调柔和，应能辨认出与地面分辨率相适应的细小地物影像。影像上不应有云、云影、烟、大面积反光、污点等缺陷，确保避免因飞机速度原因造成曝光瞬间像点位移过大。（1）像片控制点应选取目标影像清晰、易于判别的目标，困难时应现场布设靶标。像控点应选择在影像明显的地物交角、地表标志线角点。优先选择斑马线的角点、空旷地带地砖图案的角点等测量误差小、内业易于判读地带；无地表标志线的地方，应选择用油漆在地面制作大于50厘米的直角标记，困难地区可选择用石灰之类的撒出直角标记等。（2）所有的点位应避开高大的楼群、高压电线、发射塔、高大树木等对GPS信号接收有影响的障碍物。（3）像控点按“名称字母+顺序号”形式进行编号，名称字母为县、乡镇、村庄名（重点区域名称）第一个拼音字母。（4）像片控制点测量采用千寻CORS系统进行像控点测量。测量控制点时应每个控制点观测2次，每次20个历元，每次采样间隔应重启仪器，取各次测量中数作为最终结果，利用GNSS接收机采用网络RTK方式进行观测，基本条件要求如表1所示。（5）像控点的精度平面控制点和平高控制点相对邻近基础控制点的平面位置误差不应超过±0.05m。高程控制点和平高控制点相对邻近基础控制点的高程中误差不应超过±0.10m。观测次数、初始化次数和历元数的要求如表2所示。注：采样间隔为1s；观测阈值平面2cm、高程3cm；每测回有效观测值不少于10个；两测回之间平面坐标互差不大于5cm、高程互差不大于5cm。3.2 数字孪生全景公路系统构建
基于公路建设管理业务需求，通过对公路工程的正射影像采集、数据处理与发布，按时间轴显示公路施工全过程实景影像、全景影像等内容，形成虚实对比，直观呈现项目整体建设过程风貌，打造数字孪生全景公路建设特色场景。呈现效果如图3所示。数字孪生平台作为工程建设信息的载体，可实现公路全资产的数字化、可视化工程建设管理。通过BIM模型施工图精度建模，并根据WBS划分规则对模型进行拆分赋码，满足工程质量、工程安全、工程计量等业务管理开展的要求，轻量化处理发布平台，减轻对硬件的要求，可实现综合浏览查阅、资料挂接、业务开展。平台数字孪生模型构成如图4所示。平台汇聚GIS模型、BIM模型、DEM数字高程模型、项目红线等多维数据，形成数字孪生模型底座。基于此开展进度、质量、安全等专项应用，全面提升项目建设全过程的信息化、数字化、智能化应用和管理水平。通过结合数字孪生技术，将监理审核通过的WBS与模型绑定，通过结构物浇筑进度联动抓取实际进度，结合上传的计划进度进行实际/计划进度对比（如图5所示），实现基于BIM模型的各单位工程总体形象进度展示，使孪生场景与物理现实同生共长。基于业务管理后台和移动端质量业务数据，平台可实现自动计量支付、电子档案自动组卷等精细业务数据同步，进行可视化综合展示。基于业务管理后台业务数据，实现报表审批、材料调差、清单数据、计量台账等精细业务数据同步，实现计量情况BIM联动，在数字孪生监管平台进行可视化综合展示。该模块主要实现对项目建设一般事务的综合管理。可实现项目新闻、通知公告在线维护，个人任务状态在线提醒，提升项目建设管理效能。该模块是整个系统的基础，所有其他模块统一从平台门户进入。实时抓取实际进度，结合填报的计划进度进行进度纠偏。同时各参建方可通过投资进度填报，对各单位工程的总体形象进度、当期形象进度、下期计划进度进行多维度展示。进度管理模块的主要功能为计划创建、计划变更、投资进度、进度预警、进度展示。通过系统自动汇聚各方数据，辅助业务人员快速生成进度计划及对应甘特图等，确保计划实效性，为计划监管落实奠定基础。进度管理包括：计划创建与填报、计划变更、投资进度、进度预警、进度统计与展示等功能。计划创建包括里程碑、总体计划、年度计划、季度计划、月度计划、自定义计划等内容。施工单位通过横道图的形式，在线创建各项计划并发起计划审批流程，管理单位通过在线浏览、在线审批，实现计划申报的无纸化管理。计划变更主要用于计划变更申请及审批，通过在线编辑变更计划，并进行在线审批，审批结束后自动替换原施工计划。投资进度主要用于业主投资进度填报及管控，通过汇总现场实际产值进度，比对投资计划，并形成投资预警信息，为业主投资管控提供数据支撑。进度预警是汇总计划进度、实际进度数据，结合预设预警规则，实现自动推送进度预警信息，方便现场进度管控。同时还设置手动发起预警信息功能，辅助特定里程碑节点或构件的进度预警管理。通过统计预警次数及预警闭环程度，结合相关进度管理制度，对施工单位进行奖惩，提升施工单位施工进度积极性。汇总计划进度、实际进度数据，通过三维模型的形式进行三维展示，同时各施工单位上传现场航拍视频，实现实时复核现场进度。质量管理包括：开工资料、工序资料、工序报验、质量评定、试验检测报告、项目划分管理、质量巡检、质量物联监测等功能。通过质量管理模块，实现对浙江省交通工程资料表格的全部内置，规范化施工用表的管理，并通过系统实现过程资料在线报验，提高工作效率；利用在线填报提取相关表格数据，实现表间数据关联，并运用于工程质量评定，实现自动化质量评定，减轻工作量。同时通过质量管理模块，实现在线安排巡检任务、现场巡查、线上问题整改等闭环处置流程。以监控监测数据为基础，实现拌合站生产、工地试验室检测、路面摊铺、水泥搅拌桩软基处理、预应力张拉压浆等多过程生产质量数据监测与预警，实现公路建设项目的施工过程质量监督，确保项目质量达标。通过安全管理模块，实现在线安排巡检任务、现场巡查、线上问题整改等闭环处置流程。同时对产业工人、机械设备建立“一人一档”“一机一档”，实现从“入场-现场管理-出场”的全流程闭环管理。结合系统数据统计与分析，以监控监测数据为基础，通过统一入口、多维度展示和多样化输入等手段，保证公路建设项目的施工活动受监管部门监控，避免潜在安全隐患的扩大化，有效提高工程安全管理水平，实现与“浙路品质”安全码监管平台的数据对接。根据项目所在地的征迁制度政策，配置相关的行政区域字典、征拆协议字典、征拆资料字典。为保证征迁工作的有序进行，可针对征迁工作制定相关的进度计划，并对每一阶段的征拆工作进行记录，生成征拆日志。同时根据项目征拆工作的开展情况反馈，在地图上生成相关记录点，结合三维地形图进行展示，并根据需要生成相应报表。实现将工程计量纳入线上审批。通过将各标段的工程量清单的内置，实现0#清单分解，严格规范计量过程；通过系统自动生成计量相关财务支付月报表，完成在线审批。实现对工程建设过程中施工单位预付款、中期计量、合同支付、监理计量、变更管理、合同管理等的有效管控。以合同工程量清单为基础，通过关联已完结的质量检验资料，形成计量依据，自动锁定清单上限、内置公式、自动计算，提高中间计量效率、缩短计量周期，保证计量支付工作进展的准确性和稳定性，并通过计量支付完成情况体现进度完成情况。设计管理模块包括：图纸及模型管理、设计交底、设计变更等功能，用于图纸和模型的交付管理。通过对各阶段的设计图纸实施统一编码管理，方便各参建方随时快速查阅相关施工图纸的出图进度和图纸内容。此外，以同样的方式对各阶段的设计模型进行统一管理，审查合格的模型作为有效的施工依据，供各参建方开展BIM应用。档案管理包括：案卷整理、档案管理、案卷封装、档案台账等功能。涵盖从工程资料文件的形成、各工序节点工程质量的监控到工程文件的签批及归档的整个项目生命周期。工程资料与工程进度同步产生、整理及归档，实行“三同步”管理。使用电子签名技术，提供辅助功能，解决文件整理不规范、不全面等问题。通过建设基于数字孪生的国省道公路智慧建设平台，可极大改善项目管理水平，提升建设效率。平台价值主要体现在以下几点：工程数字化精准监管：引入数字化手段赋能工地人员、设备、工点、计量支付等精细化管控；项目管理信息化闭环：项目管理流程数字化，实现全程溯源，责任落实到人，进度、质量、安全情况闭环可视、可管、可控；可视化彰显数据力量：采用数字孪生的创新性可视化展示窗口，进度、质量、计量、安全情况所见即所得。基于数字孪生的国省道公路智慧建设平台目前已应用于351国道磐安安文至东阳马宅段改建工程（东阳段）项目。平台以BIM+GIS模型为载体，智慧物联为抓手，业务管控为核心，针对项目管控需求，研发涵盖前期管理、协同办公、项目管控、BIM应用、清廉党建、智慧物联、资金监管、电子档案等8大业务模块的智慧建设平台。系统目前已在项目部署应用，通过无纸化办公提升办公效率30%，利用物联监测有效提升质量合格率25%，施工返工率下降26%。通过基于数字孪生的国省道公路智慧建设平台的建设，改变了传统国省道公路建设工程全过程管理的沟通方式。数字孪生技术作为工程规划、工程设计及工程建设的基础底座，搭建起基于数字孪生技术的智慧管理系统及公路工程全过程建设管理业务场景，形成“数据最多录一次、管理痕迹可溯源、基层好用管理层管用”的数字化创新管理体系，实现了决策效率的提高，进而实现了智能化、扁平化管理。
