CN113792433A - 管道工程建设的数字孪生管控方法及系统 - Google Patents

管道工程建设的数字孪生管控方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种管道工程建设的数字孪生管控方法及系统。所述数字孪生管控方法包括以下步骤：虚拟场景构建，设计模型植入，施工数据采集，实时模型构建以及数字孪生构建。所述数字孪生管控系统，包括第一采集装置、第二采集装置、管道、站场、管道孪生体、站场孪生体以及存储装置。其中，管道孪生体和站场孪生体均与存储装置通信连接。管道孪生体与站场孪生体的连接关系等同于管道与站场的连接关系。本发明的有益效果可包括：能够实现工程项目的智能化、可视化管控；能够记录工程建设中的信息。

Description

管道工程建设的数字孪生管控方法及系统
技术领域
本发明涉及管道工程建设技术领域，具体来讲，涉及一种管道工程建设的数字孪生管控方法及系统。
背景技术
在管道工程建设领域，一直存在着对施工进度、质量、安全无法实时把控的问题。例如，不能及时发现工程建设现场的安全隐患；工程建设项目数据通过纸质文档记录的情况，不易整理且容易丢失；工程建设结构化、非结构化数据脱离项目实际场景，信息化程度不高。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，施工进度、质量、安全无法实时把控的问题，工程建设项目数据仍旧采用纸质文档记录的问题。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种管道工程建设的数字孪生管控方法。所述管控方法包括以下步骤：虚拟场景构建，构建与管道工程建设所涉及范围的实际场景相匹配的虚拟场景，管道工程建设所涉及范围内的任一现实位置均在虚拟场景中存在与其相对应虚拟位置；设计模型植入，在所述虚拟场景内植入管道设计模型、站场设计模型和附属设施设计模型；施工数据采集，采集管道作业区现场的施工数据；实时模型构建，根据现实位置将施工数据植入虚拟场景中所对应的虚拟位置，将施工数据进行可视化得到可视化信息，根据已植入的施工数据和可视化信息建立管道实时模型、站场实时模型和附属设施实时模型中的至少一项；数字孪生构建，将管道实时模型与管道设计模型、站场实时模型与站场设计模型、附属设施实时模型与附属设施设计模型中的至少一项，得到管道工程的虚拟现实与真实现场相结合的数字孪生。
本发明另一方面提供了一种管道工程建设的数字孪生管控系统，所述数字孪生管控系统包括第一采集装置、第二采集装置、管道、站场、管道孪生体、站场孪生体以及存储装置。管道孪生体和存储装置通信连接；站场孪生体和存储装置通信连接；管道孪生体与站场孪生体的连接关系等同于管道与站场的连接关系；第一采集装置设置在管道建设地，能够采集管道的信息，第一采集装置与管道孪生体和存储装置通信连接；第二采集装置设置在站场建设地，能够采集站场信息，第二采集装置与站场孪生体和存储装置通信连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：
(1)能够实时把控施工进度和施工质量；
(2)能够实现工程项目的智能化、可视化管控；
(3)可以数字化记录和存储工程建设项目数据，便于了解和回溯重大事件发生的关键节点和全过程。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明的一个示例性实施例中所述管道工程建设的数字孪生管控方法的流程图；
图2示出了本发明的一个示例性实施例中所述管道工程建设的数字孪生管控系统的结构示意图。
图中标记：1-第一采集装置，2-第二采集装置，3-存储装置，4-管道，5-站场，6-管道孪生体，7-站场孪生体。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的管道工程建设的数字孪生方法及系统。
本文中，如未特别指出顺序关系，则“第一”、“第二”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性或具有严格的顺序性。
实施例1
在本发明的一个示例性实施例中，所述管道工程建设数字孪生管控方法包括以下步骤：虚拟场景构建，设计模型植入，施工数据采集，实时模型构建以及数字孪生构建，其工作流程可以是如图1所示的流程图。
所述虚拟场景构建是通过是根据数字线划图、数字射影像图和数字高程模型搭建管道工程建设范围的高精度可视化三维电子场景，三维电子场景即虚拟场景。例如，利用虚拟现实技术、空间地理信息技术和BIM建模技术，根据管道工程建设范围的数字线划图、数字射影像图和数字高程模型使用睿-PLAT引擎，搭建管道工程途径区域的高精度三维电子场景，并实现所述三维电子场景的可视化。
进一步地，可以采用管道途经行政区划的数据精度为1：100万的数字线划图，管道沿线两侧各1km的数据精度为1：5万的数字线划图，管道沿线两侧各50km的数据精度为15m的全色卫星影像，管道沿线两侧各1km的数据精度优于0.61m的全色卫星影像，管道沿线两侧各0.25km的数据精度优于0.3m的无人机全景影像，以及管道途经省级行政区划的数据精度为90m格网的数字高程模型，进行融合、调色、处理植入等得到管道工程建设范围的高精度可视化三维电子场景。
在管道工程建设所涉及范围内的任一现实位置均在虚拟场景中存在与其相对应虚拟位置，也就是说虚拟场景与管道工程所途经区域的实际地理场景一一对应，能够反映管道沿线周边如大山、河流、居民租户区域、学校区域和保护区域等的位置，还能够通过不同的图标挂接具体详细的信息在电子沙盘中进行交互呈现，能够为管道工程建设数字孪生管控提供基础支撑。
所述设计模型植入是在所述虚拟场景内植入管道设计模型、站场设计模型和附属设施设计模型，以进一步为管道工程建设数字孪生管控提供支撑。进一步地，所述管道设计模型的植入可通过以下步骤来实现，在虚拟场景中输入管道设计模型的焊口信息，所述焊口信息包括焊口编号、焊口坐标、两相邻焊口距离(例如，小于12m)和焊口埋深等，根据焊口信息来生成焊口图标，在两个相邻的焊口图标之间生成钢管模型并在焊口图标处形成焊缝。
进一步地，所述管道设计模型的植入还可通过以下步骤来实现，在虚拟场景中输入管道设计模型的中心线上设计桩的坐标点，依次连接中心线上设计桩的坐标点形成中心线，沿着中心线的创建钢管模型。进一步地，针对如光缆等附属设施也可以采用沿着光缆设计中心线创建模型的方法植入虚拟场景。
所述站场设计模型的植入可通过在虚拟场景与站场设计模型的现实位置相对应的虚拟位置植入PDMS或PDS站场三维设计模型来实现。在虚拟场景中植入站场设计模型能够实现站场的未建设先可视。
所述施工数据采集是采集管道作业区现场的施工数据作为构建实时模型和构建数字孪生的基础。所述施工数据包括施工现场照片(需要清晰的反应施工现场的真实情况，例如，能够看清施工的焊口编号或坑号等)或视频(需要清晰的反应施工的过程)以及拍照或录像的位置(也就是施工进行的现实位置)，施工开始和完成时间，施工时所使用的设备，和施工过程中的特殊信息。例如，挖掘坑沟时的视频或照片以及挖掘坑沟的位置，开始挖掘坑沟的时间和挖掘坑沟完场的时间，根据实际地理情况对施工计划的调整措施。进一步地，所述施工数据通过摄像头、移动终端或无人机采集。例如，在特定的手机APP中上传施工过程中的照片等。
所述实时模型构建包括以下步骤，根据现实位置将施工数据植入虚拟场景中所对应的虚拟位置，将施工数据进行可视化得到可视化信息，例如，根据施工现场视频建立的720度全景影像，根据已植入的施工数据和可视化数据建立管道实时模型、站场实时模型和附属设施实时模型中的至少一项，以实现工程进度的可视化。
所述数字孪生构建将管道实时模型与管道设计模型、站场实时模型与站场设计模型、附属设施实时模型与附属设施设计模型中的至少一项，得到管道工程的虚拟现实与真实现场相结合的数字孪生。所述数字孪生能够直观且全息化的反应工程的建设进度，具体建设情况等，便于项目管理决策层掌握施工进展情况，及时采取资源调整或工期调整等措施。同时，通过虚拟位置与现实位置的一一对应关系，能够迅速定位施工过程中重点关注的部位和发生重要事件的地区，并且能够实施查看相关的施工数据，避免通过纸质存查查找麻烦的问题。
进一步地，所述管道工程建设数字孪生管控方法还包括施工进度监控步骤。工序拆分：将管道工程建设拆分为N1、N2……Nn共n个项目，并将每个项目拆分为依次进行的M1、M2、……Mn道工序，其中，n、m、M1、M2、……Mn为自然数，N1、N2、……Nn为项目名称。例如，将管道工程建设拆分为N1和N2共2个项目，则n＝2，同时将这2个项目根据自身情况进行拆分，将N1拆分为依次进行的6道工序，则M1＝6，将N2拆分为依次进行的10道工序，则M2＝10。其中，项目N1所拆分的依次进行的6道工序可以为QN1.1、QN1.2、……QN1.M1。
数据获取：施工人员根据所拆分的项目和工序上传完工数据，检测施工人员施工是否上传完工数据至服务器，在检测到已上传的情况下，预设下一道工序的完工日期，在日期达到所预设的下一道工序的完工日期前，服务器始终保持对施工人员是否上传完工数据的检测，在检测到已上传的情况下，预设再下一道工序的完工日期，直到所有工序完工，所述完工数据包括焊口编号、项目名称、工序名称、施工人员、承建单位、完工日期、以及完工图像。
进度统计：根据各个工序是否上传完工数据统计各个项目的施工进度和进度数据，并根据各个项目的进度数据统计管道工程建设进度。例如，当项目N1的10道工序QN1.1、QN1.2、……QN1.10中每一道工序的完工数据均未上传，则项目N1的施工进度为未开工，且得到项目N1的进度数据为0％。例如，当项目N2的6道工序QN2.1、QN2.2、……QN2.6中存在已上传完工数据的工序QN2.1和QN2.2，但其余4到道工序均未上传完工数据，即项目N2中已上传完工数据的工序数量小于该项目中工序的数量，则项目N2的施工进度为施工中，且得到项目P2的进度数据为33.33％。例如，当项目N3的7道工序QN3.1、QN3.2、……QN3.7均已上传完工数据，则项目N3的施工进度为已完工，且得到项目P3的进度数据为100％。进而，得到管道工程建设进度为(0％+33.33％+100％)/3＝11.11％，便于管理人员对更精确的对管道工程建设进度进行管控。
综上所述，采用本发明的方法能够解决管道工程建设数据脱离项目实际场景，施工进度、质量、安全无法实时把控的问题。
实施例2
在本发明的一个示例性实施例中，所述管道工程建设数字孪生管控系统包括第一采集装置、第二采集装置、管道、站场、管道孪生体、站场孪生体以及存储装置。例如图2所示，管道4与站场5具有特定的连接关系，管道孪生体6与站场孪生体7的连接关系是根据管道4与站场5的连接关系来设置的。第一采集装置1设置在管道4的建设地，能够采集管道信息，例如管道4在建设过程中的管沟挖掘、管道焊接、管线碰口、扫吹试压、防腐喷漆等的照片或视频信息，管道焊口的前后钢管的材质，管道焊口的编号、焊接信息、焊接人信息。
第一采集装置1与管道孪生体6连接，能够将采集的管道信息传递给管道孪生体6，以便于管道孪生体6根据管道信息调整为与管道4相匹配的数字孪生体。工作人员能够通过查看管道孪生体6的情况来间接查看管道4的情况，进而能够实时把控管道工程建设的施工进度、施工质量、施工安全和各种施工数据。
管道孪生体6与存储装置3通信连接。进一步地，管道孪生体6能够将每一次调整前的数据和调整后的数据存储在存储装置3内。第一采集装置1还通过与管道孪生体6的连接与存储装置3连接，进而能够将采集到的所有管道信息存储于存储装置3内，以确保工作人员能够在管道孪生体6根据管道信息调整后能够回溯其调整前的情况，进而对管道4的建设过程中的重大事件或重点工序进行回溯，同时保存数字化的管道工程建设项目数据。
第二采集装置2设置在站场的建设地，能够采集站场外信息，例如站场5在建设过程中的工作人员安全教育、挖坑挖沟、设备安装等的照片或视频信息，站场编号和地理位置信息，站场建设过程中的调整措施和施工指令，所使用设备的型号等。
第二采集装置2与站场孪生体7连接，且能够将采集的站场信息传递给站场孪生体7，以便于站场孪生体7根据站场信息调整为与站场5相匹配的数字孪生体。工作人员能够通过查看站场孪生体7的情况来间接查看站场5的情况，进而能够实时把控管道工程建设的施工进度、施工质量、施工安全和各种施工数据。
站场孪生体7与存储装置3通信连接。进一步地，站场孪生体7能够将每一次调整前的数据和调整后的数据存储在存储装置3内，第二采集装置2通过与站场孪生体7的连接与存储装置3通信连接，进而能够将采集到的站场信息存储与存储装置3内，以确保工作人员能够在站场孪生体7根据站场信息调整后能够回溯其调整前的情况，进而对站场5的建设过程中的重大事件或重点工序进行回溯，同时保存数字化的管道工程建设项目数据。
进一步地，所述第一采集装置包括摄像头、无人机和移动终端中的任意一项或多项。例如，在通过在管道建设地安装固定的摄像头采集管道信息，通过使用无人机采集管道信息，通过工作人员使用移动终端(如手机)采集管道信息。
进一步地，所述第二采集装置包括摄像头、无人机和移动终端中的任意一项或多项。例如，在通过在站场建设地安装固定的摄像头采集站场信息，通过使用无人机采集站场信息，通过工作人员使用移动终端采集站场信息。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (8)

1.一种管道工程建设数字孪生管控方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
虚拟场景构建，构建与管道工程建设所涉及范围的实际场景相匹配的虚拟场景，管道工程建设所涉及范围内的任一现实位置均在虚拟场景中存在与其相对应虚拟位置；
设计模型植入，在所述虚拟场景内植入管道设计模型、站场设计模型和附属设施设计模型；
施工数据采集，采集管道作业区现场的施工数据；
实时模型构建，根据现实位置将施工数据植入虚拟场景中所对应的虚拟位置，将施工数据进行可视化得到可视化信息，根据已植入的施工数据和可视化信息建立管道实时模型、站场实时模型和附属设施实时模型中的至少一项；
数字孪生构建，将管道实时模型与管道设计模型、站场实时模型与站场设计模型、附属设施实时模型与附属设施设计模型中的至少一项，得到管道工程的虚拟现实与真实现场相结合的数字孪生。
2.根据权利要求1所述的管道工程建设数字孪生管控方法，其特征在于，
所述植入管道设计模型通过以下步骤实现，在虚拟场景中输入管道设计模型的焊口信息，根据焊口信息生成钢管模型，或通过以下步骤实现，在虚拟场景中输入管道设计模型的中心线上设计桩的坐标点，根据中心线上设计桩的坐标点生成钢管模型，
所述植入站场设计模型通过以下步骤实现，在虚拟场景与所设计的实体站场相对应的虚拟位置植入PDMS或PDS站场三维设计模型。
3.根据权利要求1所述的管道工程建设数字孪生管控方法，其特征在于，所述虚拟场景为根据数字线划图、数字射影像图和数字高程模型搭建管道工程建设范围的高精度可视化三维电子场景，其中，
所述数字线划图包括管道途经行政区划的数据精度为1：100万的数字线划图以及管道沿线两侧各1km的数据精度为1：5万的数字线划图；
所述数字射影像图包括管道沿线两侧各50km的数据精度为15m的全色卫星影像、管道沿线两侧各1km的数据精度优于0.61m的全色卫星影像以及管道沿线两侧各0.25km的数据精度优于0.3m的无人机全景影像；
所述数字高程模型包括管道途经省级行政区划的数据精度为90m格网的数字高程模型。
4.根据权利要求1所述的管道工程建设数字孪生管控方法，其特征在于，所述方法还包括施工进度监控步骤，所述工序进度监控包括以下步骤：
工序拆分：将管道工程建设拆分为N1、N2……Nn共n个项目，并将每个项目拆分为依次进行的M1、M2、……Mn道工序，其中，n、m、M1、M2、……Mn为自然数；
数据获取：施工人员根据所拆分的项目和工序上传完工数据，检测施工人员施工是否上传完工数据至服务器，在检测到已上传的情况下，预设下一道工序的完工日期，在日期达到所预设的下一道工序的完工日期前，服务器始终保持对施工人员是否上传完工数据的检测，在检测到已上传的情况下，预设再下一道工序的完工日期，直到所有工序完工，所述完工数据包括焊口编号、项目名称、工序名称、施工人员、承建单位、完工日期、以及完工图像；
进度统计：根据各个工序是否上传完工数据统计各个项目的施工进度和进度数据，并根据各个项目的进度数据统计管道工程建设进度。
5.一种管道工程建设数字孪生管控系统，其特征在于，包括第一采集装置、第二采集装置、管道、站场、管道孪生体、站场孪生体以及存储装置，其中，
管道孪生体和存储装置通信连接；
站场孪生体和存储装置通信连接；
管道孪生体与站场孪生体的连接关系等同于管道与站场的连接关系；
第一采集装置设置在管道建设地，能够采集管道的信息，第一采集装置与管道孪生体和存储装置通信连接；
第二采集装置设置在站场建设地，能够采集站场信息，第二采集装置与站场孪生体和存储装置通信连接。
6.根据权利要求5所述的管道工程建设数字孪生管控系统，其特征在于，所述第一采集装置包括摄像头、无人机和移动终端中的任意一项或多项；所述第二采集装置包括摄像头、无人机和移动终端中的任意一项或多项。
7.根据权利要求6所述的管道工程建设数字孪生管控系统，其特征在于，所述管道孪生体能够根据第一采集装置采集的管道的信息进行调整，且能够将每一次调整前和调整后的数据存储在存储装置。
8.根据权利要求7所述的管道工程建设数字孪生管控系统，其特征在于，所述站场孪生体能够根据第二采集装置获取的站场的信息进行调整，且能够将每一次调整前和调整后的数据存储在存储装置。
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