运用数字孪生技术，新布拉德斯洲大坝欲增加设施监控能力

美国陆军工程兵团（USACE）2021年曾报告称，该兵团管理下的水坝有97%已有30年以上历史，70%已经达到或超过最初设计建设时规划的50年使用寿命。

新布拉德斯洲大坝由加利福尼亚州马里斯维尔的尤巴水务局负责管理。这是一座645英尺高的混凝土拱坝，位于太浩湖国家森林边缘的北尤巴河上。该大坝于1969年建成，距今已有50多年历史，旨在降低洪水风险、提供清洁水力发电并确保周边居民获得可靠供水。其高度在全加州排名第二，在全美排名第五。

但新布拉德斯洲大坝的管理系统已经相当陈旧，工作人员在进入坝址时会面临安全隐患，而且预留的测量点也比较有限，无法对大坝进行全面监测。

以往，大坝的健康状况数据只能手动收集，这显然是个极为耗时的过程。调查团队需要直面挑战，踏入偏远且崎岖的地形，甚至承受随时坠落的危险。事实上，为了适应该大坝在高风险地点通过绳索进行作业的现实，工作人员还需要专门接受坠落防护方面的额外培训。

而这一问题的解决方案，就是由Bentley软件公司为大坝创建数字孪生副本。

Bentley软件公司交通业务副总裁Dustin Parkman表示，预计未来全球水位将会持续上升，而水坝将成为保护城镇免受洪水侵袭的关键屏障。

2021年，全球海平面创下历史新高，较1993年高出3.8英寸。而且根据美国国家海洋与大气管理局（NOAA）的调查，全球海平面上升速度仍在持续加快，目前的增速相较于20世纪每年0.06英寸的增速已经实现了翻倍，到2006年-2015年期间已经达到每年0.14英寸。

Parkman表示，通过数字孪生模型，尤巴水务局得以覆盖大坝的整个表面，并随时间推移探究大坝结构暴露在不同条件下时的结构活动与变化情况。

Parkman补充道，“无人机已经成为检查破损问题的常用工具。通过将无人机收集的信息与数字孪生相结合，即可以通过以往难以想象的精细方式查看损坏情况，并在舒适的办公室里开展问题分析。”

借助新布拉德斯洲大坝的数字孪生模型，尤巴水务局得以远程收集监测数据，并根据预定的预警阈值和自动报告系统发出警报。“该软件根据无人机数据创建出3D实景网格，并以数字孪生的视图呈现大坝状态、执行裂缝检测。”

Parkman还补充道，“当监控处于非活动状态时，云端安全系统还会锁定对整个水坝设施的访问。”

“借助新布拉德斯洲大坝的数字孪生模型，当地水务局能够降低风险、提高安全性并减少停机时间和故障频率。与以往的手动方式相比，监测数据点增加了1000倍，其中与手动数据收集相比，自动全站监测的数据准确性也提高了50%。”

技术三重奏

Parkman还提到，随着时间推移，传感器、数字孪生和物联网数据将能更准确地洞察资产在现实世界中的表现。

“了解现有地质条件和资产状况，将能极大推动利用过往工程数据为未来提供信息、驱动更佳决策。测量到的岩土数据也可合并至数字孪生当中，帮助人们深刻理解岩土情况如何影响建筑结构，进而为工程与施工活动提供支持，预测基础设施在真实环境下的表现。”

“我们希望数字孪生能更好地为资产的设计、构建和运营变更提供信息，做出更明智的决策，优化变更操作，最终在设施信托、性能和安全性等方面带来更佳结果。”

Parkman指出，工程数据首先要体现设计规范，其次要体现建造规范。然而一旦设施投入运行，操作环境下的工程数据维护就变得极为艰难。

Parkman还提到，“通常情况下，一旦开始推动工程变更，那么前后往往需要几个月时间来持续更新工程记录。”

那么，在记录实际变化和被记录在案的这段空白期内，究竟会发生什么？

“这段时间里，流程会很容易出错，导致资产、人员和环境面临更高的风险。资产的数字孪生或者说数字表示，则能持续反映最新工程数据、提供准确且符合实际情况的资产表示，从而增加工程与岩土数据的意义和价值。”

Parkman强调，其中的典型案例就是桥梁设计，具体细节往往需要根据预期的天气变化做出调整。“这些工程变化可以被反映在数字孪生当中，而资产可视化能力对于加快工程施工、运营培训和问题解决都具有重大价值。”

“当需要对设计变更做审查和批准时，数字孪生这种持续在线、随时同步的特性总能节约成本。换言之，数字孪生极大促进了远程协作和沟通的成效。”

数字孪生的未来

Parkman表示，随着数字孪生成为常态，未来将有更多数据点可供使用，从而模拟一切相关数据。Parkman指出，“随着可穿戴设备和混合现实等更多技术形式的出现，这些工具的商品化水平将持续提升，并带来更多新的信息应用形态。”

但Parkman坦言，数字孪生在发展道路上还有一道障碍需要跨越。

“这个障碍，就是工程企业与其客户之间的专有数据挑战。数字孪生模型到底归谁所有？数字孪生到底要不要作为硬性标准，被强制移交给资产所有者的运营团队？”

“出于资产运营和维护工作的安全性和可靠性考虑，团队当然需要一套与资产相对应的动态数字孪生模型。而且即使是在后续退役过程中，他们也需要这样的模型来快速、轻松理解运营状态，全面把握设施资产的种种细节。如今，工程企业和业主运营部门间的合作越来越多，一些工程公司将此视为提供运营服务的机会，毕竟他们掌握着基础设施资产的设计专业知识、也非常了解如何更好地开展运营实践。”

但Parkman认为，从更严峻的前景来看，随着数字孪生技术的发展，工程单位必须想办法提升流程上的设计、构建与运营水平，才能真正满足市场需求。“一旦大部分精力被分散在这些方向上，基础设施本身的整体性能改善就会在一段时间内处于停滞。”

“不过必须承认，着眼于未来10到20年后，如果没有数字孪生，市政及纳税人肯定要浪费掉大量金钱才能监测桥梁和水坝，特别是继续依赖于陈旧过时的人力+脚手架式的检查方法。”

“如今的我们已经处于缺乏熟练工人的危机模式之下，所以可以设想，如果不积极采取行动来推广数字孪生和物联网技术，那么十年之后肯定要天下大乱。市政和水务机构的更多技术人才将流向待遇更好的数字化领域，越来越多的学校和学院开始传授这些技术，而数字时代的原住民（Z世代及之后）也会硬性要求自己在工作场所中也能用到学校里教授的工具。”

Parkman指出，物联网可以在难以抵达或者风险过高的场景下取代人类，而且在天气恶劣等极端条件下几乎不受影响、继续按时交付监测数据。“我们必须设想未来的气候变化会带来哪些新的挑战。我们需要用无人机加现实建模对物联网数据进行可视化与背景填充，需要用数字孪生来实现整体资产的可视化与自动化分析，同时支持早期预警，实现远超人工操作的快速、准确决策能力。”

“越来越多的水坝正在接近其设计寿命极限（50年以上），而且面临着由气候变化、地震活动和资产老化所带来的日益严峻的性能挑战。我们预计，在未来的基础设施当中，数字孪生将在水坝和桥梁等现有及新建基础设施的可持续性与弹性保障方面发挥更大的作用。”

Parkman补充称，来自传感器和无人机的物联网数据将被纳入数字孪生模型，从而提高能源效率并减少浪费。

“数字孪生提供的见解有助于推进可持续实践，最大限度减少对环境的影响，同时提高基础设施的运营安全性。”