摘要：随着网络技术和信息化技术的发展，在推进水利工程建设中对数字化、网络化和智能化水平提出了更高的要求。数字孪生综合管理系统以建筑信息模型（BIM）和地理信息系统（GIS）为基础，利用数据融合技术和模拟仿真设计了基于BIM+GIS的引绰济辽水利工程数字孪生综合管理系统应用的技术路线，结合引绰济辽水利工程对系统数据驱动模型的构建与集成的需求，对设计中使用的BIM数据和GIS数据等多源数据融合进行了研究，应用到引绰济辽水利工程数字孪生综合管理系统的建设中，为系统中的接口开发、应用模块和智慧管理提供了支撑。最后结合引绰济辽水利工程应用，验证了所提基于BIM+GIS数字孪生技术在水利工程综合管理系统中的应用，为BIM+GIS和数字孪生技术在智慧水利建设提供了参考。

　　关键词：水利工程；BIM+GIS；多源数据融合；数字孪生；综合管理系统

　　0引言

　　随着现在网络信息技术、计算机处理技术以及人工智能的发展，数字孪生在多个领域得到了重要的应用。现在工程领域都在进行数字化和智慧化转型，提高工程管理系统的信息化水平，特别是在水利工程中，要加快推行我国水利工程信息化转型，建设高效的管理系统实现对水利工程中设备的管理和维护[1]。

　　建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）在智慧城市和工程建造领域中得到了广泛的应用，成为了信息化建设的重要的一种信息化技术。将BIM技术引入到水利工程建设和运行管理的智慧化系统的设计中，通过建立高精度的3D信息模型，提高水利工程的集成度

　　和三维可视化管理，实现水利工程内外部空间信息的协同和一体化管理。地理信息系统（Geographical Informa‐tion System，GIS）后台服务与发布为系统提供GIS前端功能所需的各类基础、业务功能后台地图服务，空间数据分析与查询，为三维场景搭建、综合信息展示提供GIS后台服务。

　　在管理系统的设计中物理实体与信息化空间的数据融合是亟须解决的问题，针对此，数字孪生（Digital Twin，DT）被提出。数字孪生是指利用硬件设备（如传感器、RFC等）实时上传的数据和历史生产运行的数据，再选用一种可视化的方法在虚拟空间中进行模型的搭建，完成物理实体的空间等比映射，并且结合得到的数据信息对实体在真实场景里的生产行为进行动态模拟[2-3]。在水利工程管理系统中引入数字孪生技术不仅能够发挥出此项技术的数据间融合互通的能力，而且，能够依据多种调度规则，解决当前BIM+GIS的数据融合中的难点，包括数据格式转换、坐标转换、轻量化处理以及多源数据匹配问题[4]。基于BIM+GIS构建水利工程全生命周期内的单体精细化模型，提高系统中真实地形、矢量图等信息，构建数字孪生水利工程的数据底板，为水利工程智慧管理提供算据支持，在水利工程综合管理系统的虚实融合中起到重要作用。

　　1关键技术分析

　　1.1 BIM技术

　　BIM在工程项目建设的管理阶段能够集成项目全生命周期内所有的项目建设和设备信息，为项目管理的进度控制提供参考，实现项目全生命周期管理中各方之间的信息互联，促进工程数字化、信息化和高效化建设[5]。

　　现在常用的BIM应用平台主要有Autodesk BIM应用平台和Bentley BIM应用平台，这两种平台根据需要解决的方案和软件特点进行选用，根据水利工程以及包括的建筑物特性，利用BIM能够为系统模型轻量化处理和接入三维GIS平台提供支持，一般是使用Autodesk BIM应用平台对水利工程BIM进行综合设计。Autodesk BIM应用平台在水利工程应用如图1所示。

　　1.2 GIS技术

　　随着计算机以及无人智能化设备建模技术的发展，GIS技术得到了快速发展，可以分为二维GIS和三维GIS，经过在不同领域的应用，三维GIS在二维GIS的基础上具有更强大的空间分析能力，特别是在数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现方面具有较强的优势[6-7]。

　　三维GIS能够从地上、地下、地表到空间高程等全方法的展现，对空间信息能够以图像化的形式更为直观地展示出更丰富和逼真，使人们将抽象难懂的空间信息可视化和直观化，人们结合自己相关的经验就可以理解，从而做出准确而快速的判断[8]。毫无疑问，三维GIS在可视化方面有着得天独厚的优势。虽然三维GIS的动态交互可视化功能对计算机图形技术和计算机硬件也提出了特殊的要求，但是一些先进的图形卡、工作站以及带触摸功能的投影设备的陆续问世，不仅完全可以满足三维GIS对可视化的要求，还可以带来意想不到的展示和体验效果。

　　1.3数字孪生技术

　　在数字孪生应用中的关键是进行数字孪生建模、数据采集和数字孪生可视化。

　　（1）数字孪生建模

　　数字孪生建模需要结合对象的基本组成，利用数字化仿真软件进行布局、使用的工艺逻辑、执行任务的流程进行模型的搭建[9]。水利工程行业的数字孪生是一项复杂的系统工程，通过参数化的方法对对象属性以及运行逻辑进行设置，利用数据表的方式驱动数字孪生模型的建立[10]。

　　数字孪生模型在原有的三维模型的基础上进行扩充，添加孪生数据和连接两个维度，得到的数字孪生五维模型如图2所示。

　　根据数字孪生使用的语境环境，知道模型是本体，物理实体作为参考对象，数据是对研究对象特征信息的反映，仿真是进行模拟演化过程中使用到的工具和方法。

　　（2）数据采集

　　数据采集是连接实际生产设备和虚拟模型的重要部分，对于水利工程中大量的设备的数据采集数据存在很大程度的差异，如何得到实际工程数据对水利工程的数字孪生模型的建立有着重要的作用，特别是对不同设备的数据输入和输出，多种不同类型设备数据的解析和格式的统一都有着重要的意义[11-12]。为了能够保证建立的数字孪生模型和实际的设备进行交互，具有稳定、迅速和安全的数据采集方式具有重要的作用[13]。多源异构数据采集是进行数字孪生建模的基础，包括对水利工程中人、机、料、法、环、测实时多源异构数据的采集和融合，是进行数字孪生虚实融合和信息物料交换的重要部分。

　　（3）数字孪生可视化

　　可视化模块的构建指的是系统模型在Web界面的可视化，而达到此功能就先要在可视化界面中做场景渲染，同时完成模型加载；数字孪生系统可视化模块的技术路线如图3所示。

　　Three.js技术发展之前，Web端常用WebGL技术进行三维场景和模型的展示，但是该技术对开发人员的要求非常高一一必须掌握大量图形学知识以及WebGL原生的接口内容。因此，Three.js技术在WebGL的基础上封装接口以及简化各种接口，使得开发者无需熟练了解复杂的图形学知识的前提下，就能够完成三维场景的渲染，因此，此项技术在Web端三维渲染中起到重要作用。可视化模块运行流程如图4所示。

　　2基于二次误差度量的水利工程孪生模型构建

　　2.1数字孪生模型分析

　　数字孪生五维模型中主要包括虚拟实体（VE）、服务（Ss）、孪生数据（DD）、物理实体（PE）以及各个部分之间的连接（CN），可以得到的数字孪生五维模型的表示式为：

　　Model={PE,VE,Ss,DD,CN}（1）

　　孪生数据主要包括物理实体数据。虚拟数据、服务数据、知识数据和融合衍生数据，数学表示式为：

　　DD={Dp,Dv,D s,Dk,Df}（2）

　　在式（2）中，Dp代表的是物理实体的规格、功能和性能等物理属性，可以反映出物理实体的运行情况、环境参数等；Dv表示的是虚拟实体的相关数据，包括设备对应的规格、载荷和特征对应的数字孪生模型数据；Ds表示的经过算法和规则训练后的数据；Dk主要是使用的专家知识、规则约束和算法库中与模型相对应的数据；Df表示的是经过预处理、连接、转换等手段后得到的衍生数据。

　　连接是数字孪生模型中各个部分之间的互联互通，由实体、虚拟实体和服务构成结点，结点之间相互连接形成数字孪生的拓扑结构，连接的数学表示式为：

　　CN={CN_PD,CN_PV,CN_PS,CN_VD,CN_VS,CN_SD}（3）

　　在式（3）中，CN_PD表示的是实体和孪生数据之间的交互；CN_PV表示的是实体和虚拟实体两者之间的交互，利用网络协议实现数据的传输；CN_PS是实体和服务之间的交互，数据通过服务分析后传输给用户；CN_VD代表的是虚拟实体和数据两者之间的交互，虚拟实体进行仿真的数据通过JDBC、ODBC等数据库接口进行存储，用于数据库历史数据分析；CN_VS代表的是虚拟实体和服务之间的交互，利用网络通信对仿真数据进行传输；CN_SD代表的是服务和数据之间的交互，通过数据存储保留数据对模型进行训练。

　　孪生数据层包括虚拟模型的仿真数据、物理实体的实测数据、虚拟体和物理实体的反馈交互数据，基于数据孪生的数据采集系统如图5所示。

　　2.2水利工程建筑物孪生模型

　　在水利工程中，建筑物模型可以按照构建进行分解，包括河道面板堆石坝、溢洪道以及隧道等，对这些构建利用Revit软件建立三维精细化模型，根据工程的细腻系进行属性赋值[14]。

　　根据不同的构建建立构建的族参数，并且将参数加载到构建的软件设计模型中，根据水利工程的图纸和模型结构进行组装放置，装配成完整BIM模型，结合水利工程模型中的构件具有关联性和参数可驱动性，利用得到的构件参数在软件对构件进行快速修改[15]。

　　在水利工程不同阶段，进行属性信息的添加、修改和删除，满足水利工程全生命周期信息的管理需求。

　　2.3基于二次误差度量的模型轻量化处理

　　在水利工程BIM孪生数据由于各个部分之间实现互联互通和数据共享，存在着BIM模型体量大，会造成管理系统占用较多的计算机资源和运行速度慢的问题[16-17]。为了能够满足数字孪生平台在实时交互加载速度的要求，在保留模型信息和精度的前提下，对BIM模型进行轻量化处理，降低数据体量。在进行轻量化处理中利用二次误差度量算法能够对模型进行多层次简化[18]。

　　在轻量化处理算法中最早用的是边折叠算法，该算法的本质是对模型三角网格的某条边进行折叠操作，如图6所示。对于图6中的V1 V2进行折叠操作得到新顶点V0，最初与被删除的两个顶点V1、V2相互连接的顶点要重新进行调整，并且与新顶点V0保持连通性，通过多次折叠完成三角网格简化处理。

　　在边折叠算法的基础上，利用引入代价函数进行改进得到一种新的度量方法。在原始模型中，对于三角网格顶点周围的相邻三角形作为一个平面集合，在折叠算法进行操作的过程中，将操作后的三角形和原三角形进行比较，可以得到误差为：

　　对误差度量进行处理，得到：

　　在式（5）中，Kp是矩阵。基于二次误差度量算法的轻量化处理流程如图所示。

　　3基于BIM+GIS水利工程模型与流程设计

　　3.1多源数据融合模型分析

　　在工程领域中，多源数据融合处理模型，如图8所示。

　　（1）数据源

　　数据源指的是在多源数据融合中能够被应用的输入信息，其中设备的基本参数数据以及参考信息与地理信息等有关数据[19]。

　　（2）人机接口界面

　　人机接口界面为用户和装置提供了交互平台，用户可在此融合系统装置中完成输入指令以及信息查询等操作，并通过此装置呈现出动态定位与检测信息等。

　　（3）数据预处理

　　数据通过预处理操作后能够使得融合系统数据处理得到简化，进而在整个数据融合环节，能够重点关注到当前具体数据的处理上。

　　3.2基于BIM+GIS的数据转换流程设计

　　利用多源数据融合模型将GIS和BIM数据融合集成，先是将BIM模型导出为IFC数据[20]，进行数据格式转换得到GIS使用的CityGML数据标准，集成到三维GIS平台上，使用的数据转换流程如图9所示。

　　两者模型融合中为狼来了能够保证较高的匹配度，在BIM模型作为数据源接入时，利用坐标转换集成到同一坐标系下，实现与三维GIS模型、地形数据等的精准融合，BIM和GIS数据集成流程如图10所示。

　　4基于BIM+GIS水利工程综合管理系统应用实践验证与分析

　　对BIM模型和GIS服务器在Web前端对数据进行配置，将BIM模型和三维图层多源数据进行系统设计，主要对数据驱动模型交互接口进行研究，包括定义交互对象的模型ID、数字孪生关联的数据存储接口以及调用接口等[21]。

　　水利工程管理系统在数字孪生平台下，支持三维模拟仿真、数据动态更新、实时修改配置等，以引绰济辽水利工程为例，设计的综合管理系统如图11所示。

　　根据水利工程的控制需求建立基于BIM+GIS的模型，根据实际的调度控制设计调度逻辑，结合运行控制进行调度模型的耦合计算，对水利工程中的重要闸门进行了控制设计，建立了映射模式和状态反馈模型，利用物联网设备能够及时得到水利工程中重要设备的工作运行状态，通过数据资源通用访问屏蔽各专业数据库的访问接口差异，提供通用的数据访问技术框架，可灵活获取各类异构数据源的数据信息，实现通用数据访问，为各类实时、历史数据访问业务组件提供基础数据库通用访问框架，为维护和保养提供了依据。

　　以BIM+GIS和数字孪生技术构建的水利工程综合管理系统，利用计算机技术建立数字空间和实际设备之间的数据驱动模型，应用到水利工程资源管理和调度中，能够提升调度效率。设计的综合管理系统能对工程涉及水雨情水质、工程安全监测、泵组、金属结构、电气等设备在线监测，以及视频监控、计算机监控等监测监控实时数据，为了保证姚江上游西排工程数字化平台与各监控子系统的互联互通，设置实时监测数据库，全面掌握工程实时运行状态，以满足综合管理需求。在综合管理系统中提高数据共享程度，降低数据的冗余，优化整个系统的运行性能。

　　5结束语

　　随着计算机信息技术和数字孪生技术的发展，为了提高水利工程的管理的智能化和信息化水平，在加大智慧水利和数字孪生的推动下，本文主要对基于BIM+GIS的水利工程数字孪生综合管理系统进行研究，构建了以数字孪生为工程管理基础的数字底板，利用了BIM、三维GIS以及多源数据融合等关键技术，重点对综合管理系统设计中的BIM+GIS数据融合存在的问题进行研究，提出了一种基于二次误差度量的轻量化处理方法，并进行数据转换接入到三维GIS平台，以引绰济辽水利工程为例，构建了数字化场景，并给出了综合管理系统的界面，经过在引绰济辽水利工程中的实际应用，验证了基于BIM+GIS的水利工程数字孪生综合管理系统在工程应用中的有效性，对水利工程的可视化、全景式智能运行和远程控制能力。

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