数字孪生不仅仅在制造业闪闪发亮，其耀眼的光芒更跨界照射到其它领域，并发挥出巨大作用，比如四川省成都市的二环路全线高架桥梁的数字孪生。

背景

四川省成都市二环高架是中国城市基础设施建设的一个小奇迹，也是成都市有史以来最大的市政工程。这座投资数百亿、含10座互通立交、加上桥梁引道总共40余公里的环形高架桥梁，从2012年5月开始，在极短的一年多时间内搭建了2128个桥墩，制作了2323个承台，安放了6785根桩基，每天有4000余人在现场施工。2013年5月建成通车，是市内唯一快速通道，全程无红绿灯通行，每天运送20多万人次，极大的缓解了成都市的城市交通压力。

二环高架建成通车之后，随之而来的是密集的交通流量、巨大的设施数量、复杂多样的结构类型、海量的设计施工材料等，给桥梁的管理养护单位成都市城市道路桥梁监管服务中心（后称路桥服务中心）带来从未有过的挑战。社会关注方面，本身公众对二环高架修建和投资的误会较多，建成后依赖性很高，如果管理养护不及时、信息发布不准确、甚至发生安全问题，都有可能会导致严重社会公众问题；养护数据方面，二环路参与设计施工的单位较多，数据信息量非常巨大，竣工资料和已建成路桥难以准确对应，相应资料查找耗时耗力；养护维修方面，二环高架中部分桥梁高达40米，甚至更高，工作人员对类似箱梁、桥墩等构件进行检测和养护都异常艰难和危险。同时由于缺乏有力的工具和管理系统，病害从发现到处理完成，需要相当长的一段时间，甚至可能会影响民众出行，严重的将带来安全隐患。为了保证二环路的正常运行，保证民众的安全出行，路桥服务中心最终决定通过数字孪生等最新信息技术手段，提高桥梁设施的养护信息化水平，实现桥梁的管养转型升级。

1.1 二环高架数字孪生

1.1.1 数字化移交

本二环高架桥总共2100余跨，各种构件数量达数十万个，竣工资料、图纸数十万份，一张图纸上往往又有成百上千个构件，这让桥梁管养运维人员在维修指定构件时，就面临几乎无法从海量数据中查找出与构件相关图纸资料的困难。

路桥服务中心照先进制造业的方式，结合桥梁管理的实际需求，建立了桥梁构件编码规范，给每个桥梁构件一个身份证号，通过构件编码可以查看构件对应的二维图纸、三维BIM模型、计算书、竣工资料、病害历史信息、病害照片、病害处理过程、构件所在地理位置、经纬度等，实现了数据对象的快速、精准定位。

制作桥梁构件“身份证”，将印有构件编码、二维码的铝板铭牌贴于高架桥梁桥墩上，运维人员只需要用手机专用App扫描二维码，30秒之内即可得到与该桥墩及相关构件的所有信息。

图 桥梁“身份证”

构件编码工作完成之后，根据桥梁实际情况，参照先进制造业的产品结构树，再将构件组织起来，形成桥梁的资产结构树。

图 桥梁构件树

再将桥梁资产结构树上的每个构件节点作为数据关联的主体，进行整个桥梁数据的数字化移交。路桥服务中心将一张图纸上的几百构件一一拆分出来，形成几百张图纸，并与桥梁资产结构树上的构件一一对应，形成关联。

图 数字化移交及文档关联

1.2.2 三维BIM模型

有了完整的资产结构树，就可以建立桥梁的三维BIM模型。路桥服务中心通过对多种三维BIM(Building information Modeling)建模工具的比较，最终选择了通常用于飞机汽车设计建模的三维设计软件，法国达索公司的CATIA。CATIA可以建立精密度极高的三维BIM模型，后期还可以在三维BIM模型上对桥梁进行受力、形变、疲劳等仿真分析。

图 桥梁建模

1.2.2.1 BIM模型的构件管理

系统建立了完整的BIM模型编码规则，实现了构件编码与构件的一一对应。通过构件编码，可对构件位置进行快速定位，同时也为图文档与构架挂接奠定基础。

图 桥梁构件编码规则

 

1.2.2.2 “骨架+模板”三维建模思路

完成二环路清水河立交桥、双楠立交桥、杉板桥、双桥子立交桥以及永丰立交桥的BIM模型建设。在模型建设过程中利用“骨架+模板”的三维建模思路，成功解决了二环路高架桥的建模问题。以桥梁总体布置图为主导，以构建模板为核心，结合CATIA参数化功能进行桥梁的模型搭建。

           图 成温立交桥“骨架”控制线

由于二环路高架桥BIM模型的桥墩类型繁多，各构件间差别大，模型复用率低，系统采用了CP（POWERCOPY，即：超级副本）和UDF（User Feature Definition，即：用户特征定义）的方式进行模型参数化。通过使用UDF模板使建模更加方便、灵活。

运用CATIA的“知识工程”模块，对桥梁的桩基承台、桥墩、泄水管和水篦子、支座、垫石、7.5M小箱梁、28.5M小箱梁等构件建立模板。通过模板库可首先保证模型的规范和统一，在保证模型质量的前提下实现BIM模型的快速搭建。

图 桥梁构件模板

对不同类型的桥墩，系统都能够通过更改参数来实现与桥墩的完美配合，支持将多个类型的桩基承台合并到同一模板下，可通过修改参数和与平面线射线夹角方向来确定类型以及参数。

图  合并承台模板

“骨架+模板”建模方法的实践，提高了BIM建模的灵活性，缩短了建模周期。

1.2.3 三维BIM模型叠加地理信息系统(GIS)

现实世界中，二环高架桥是处于大地座标系中，构件也有相应的地理位置、经纬度等，为了能够让维修人员能及时定位病害、找到病害并执行维修，将二环高架桥三维BIM模型叠加到地理信息系统(GIS)中就迫在眉睫。地理信息系统相关信息关系着国家安全，路桥服务中心选用了国产GIS软件-北京超图集团的SuperMap GIS。将二环高架的三维BIM模型通过CATIAtoSuperMap插件导入到SuperMap GIS中以后，采用BIM+GIS项结合的领先手段实现二维GIS地图与三维BIM模型的无缝集成与展现，就使得二环高架的数字孪生具有了GIS相关属性，可以进行GIS相关功能操作。

1.2.3.1 基础地图操作

   系统提供基础地图操作功能，实现了地图缩放、地图平移和模型的旋转等。

地图操作功能：通过菜单可快速切换地图，使用鼠标可在地图视窗中对图形进行实时平移、放大、缩小、全图浏览等操作，从而方便地浏览信息。同时，系统将显示当前鼠标位置坐标及比例尺。

图层控制功能：由于模型数据量极大，系统采用片状加载的方式以提高地形图加载速度，提升加载流畅度和用户使用体验。系统提供可视化的操作，控制视图的显示。

1.2.3.2 构件信息查看

    通过选择筛选条件，实现在列表中点取查询，可实现各区域地图的快速切换。系统显示查询到的结果，并支持点击构件查看其图纸、病害、构件详情。

图 查看构件详情

 

1.2.3.3 专题图查看

专题图支持各业务模块数据的统计功能，可统计各状态下的病害、违章、大中修项目数量等，通过权限设置限制各角色的可视范围。地理信息专题图支持通过复合条件查询，在地图中可显示筛选结果。

图 专题图查看

1.2.3.4 人员位置管理

基于位置服务系统接口接收手机GPS信号，经过空间坐标处理，在电子地图上定位，并在图中高亮显示人员实时位置，统计在线人数，并支持查看人员历史轨迹。

图 巡查轨迹

图 人员位置

1.2.4 打通数字主线（Digital Thread）

二环高架在使用过程中的情况，可以通过巡检人员、安装在桥梁上的各种传感器、北斗定位系统等反映到二环高架的数字孪生中。

1.2.4.1 巡检人员手机App应用

通过手机APP，巡检人员可以发现病害后，可快速输入病害信息，同时上传照片、GPS定位，以及扫描构件编号; 通过移动终端介绍控制中心下达的任务，并反馈任务执行状况; 随时查询相关的文档和项目资料库。

图 移动端应用

1.2.4.2 物联网应用

在二环高架桥梁上安装一些振动、应变、磁通量传感器，并实时采集桥梁状态数据并上传到云端，显示到二环高架桥梁的数字孪生中，可实时监测桥梁的结构、沉降、超载及水位等情况。如果某些采集值超过其阀值，系统将及时在二环高架的数字孪生中显示桥梁状态，并根据预设规则通知相关人员。

图 桥梁监测

图 预警处置过程

未来，还可以使用智能巡检机器人配合5G技术快速将桥梁情况传输到数字孪生中，利用人工智能自动识别病害并通知相关人员处理。

小结：数字孪生应用三大亮点

首先，实现了从传统的管理模式向现代化、国际化、专业化和信息化的管理模式的转变。

其次，可协调设计管理，快速查看二环路高架桥各构件的图纸和相关文档、病害信息和图纸等。通过GIS专题图，提高了业务数据的可视化程度，方便决策层快速制定相应计划，同时也缩短了执行层的响应时间，大大降低了各部门间的沟通成本，实现了数据共享。

最后，系统实现了工作资产的数字化管理。系统对历史资料进行了整理和存档，支持提交、更新、查找、下载资料，提高了资料查阅、共享、管理的便利性，解决了资料散杂存放、容易丢失、查找困难的问题。

经过一段时间的数据积累和分析，发现使用数字孪生并且打通数字主线后，二环高架的病害处理速度比其它桥梁的快8倍，人力使用效率提升了8.3倍。