摘要：随着全球能源需求的持续增长与基础设施建设的不断深化，管道工程作为关键的生命线，其施工安全、效率与质量日益成为行业核心关切。传统设备管理方式依赖人工经验与静态记录，难以应对复杂施工环境中的动态变化与潜在风险，导致设备利用率低下、维护成本高昂及安全隐患频发。数字孪生技术作为智能制造与数字化转型的核心驱动力，利用构建物理实体与虚拟模型的全方位实时交互，为突破传统管理瓶颈提供了革命性路径，本文旨在探讨基于数字孪生技术的管道施工设备管理系统开发与应用。

关键词：数字孪生技术；管道施工；管理系统

引言：

我国管道工程建设规模持续扩大，施工环境日趋复杂，对高价值重型设备的管理提出了前所未有的挑战，行业内普遍存在设备状态不透明、调度协同效率低、计划外停机频发、维护策略滞后等问题，严重制约了项目工期与成本控制。物联网、5G通信、云计算与人工智能等新一代信息技术的迅猛发展，为设备管理数字化奠定了坚实基础。数字孪生技术融合了这些先进技术，能够实现对物理设备的超高保真度虚拟映射和全生命周期动态仿真，已在航空航天、高端制造等领域展现出巨大潜力。其在管道施工这类复杂户外工程场景下的深度应用仍处于探索阶段，面临着多源异构数据融合、模型精度与实时性平衡等关键技术挑战，亟需开展针对性研究以实现技术落地与价值创造。

1.构建设备三维可视化模型，实现物理实体与虚拟模型双向映射

数字孪生驱动的管道施工设备管理系统，其核心基础在于高精度设备三维可视化模型的构建，过程绝非简单的三维扫描或外观复制，而是深度融合了机械设计数据、传感器实时信息与物理属性规则的深度数字化再造。系统利用激光扫描、摄影测量等技术手段，精准捕获实体设备的几何外形、尺寸结构与装配关系，形成与实物高度一致的静态模型。

管理系统在管道施工的复杂应用场景中展现出巨大价值，管理人员无需亲临条件恶劣、分布广泛的野外施工现场，即可在中央控制室的统一可视化平台上，洞察每一台设备（如吊管机、焊接工程车、挖掘机）的实时工作状态、健康水平与精确地理位置。系统利用孪生模型的状态变化直观预警潜在故障，例如当虚拟模型中的发动机图标因传输回的过热数据而变为红色并报警时，运维团队可即刻远程诊断并规划维保方案，极大提升了设备可靠性并避免了非计划停机。

2.开发设备运行状态实时监测模块，采集振动、温度、压力多源数据

设备运行状态实时监测模块的开发，是构建管道施工设备数字孪生系统的核心与基石，模块旨在突破传统设备管理的滞后性，其设计核心在于构建一个集多源异构数据采集、边缘预处理与实时传输于一体的智能化感知层。技术团队面临的核心挑战并非单一传感器的简单集成，而在于如何实现振动、温度、压力等不同物理量传感单元在严苛施工环境下的协同、同步与抗干扰工作[1]。

模块所实现的振动、温度、压力多源数据融合采集，其应用价值远不止于简单的状态显示，而是深刻变革了管道施工设备的管理模式与安全范式，系统利用对这些实时数据的耦合分析，能够实现对设备健康状态的早期预警与精准诊断。例如离心泵轴承的轻微磨损会首先表现为特定频段振动能量的异常升高，而此时温度尚未发生显著变化，液压系统的内泄或堵塞则会引发压力脉动异常与局部油温的微妙变化。

3.集成GPS与传感器数据，实现移动式施工设备群协同作业调度

移动式设备群的协同作业效率直接决定了工程进度与成本。传统管理方式依赖人工经验与独立调度，信息滞后且协调性差，易导致设备闲置、路径冲突或工序脱节。本系统深度融合数字孪生技术，利用集成高精度GPS定位与多类传感器，构建了动态感知与协同调度平台，系统为每台设备生成实时数字镜像，精准追踪其位置、姿态、运行状态及能耗数据，并通过低延迟通信网络将信息汇聚至云端孪生模型。

基于实时数据融合与数字孪生模型，系统进一步实现了施工设备群的全局协同与自适应优化，GPS与传感器数据持续输入孪生体，借助算法分析设备群的整体运行状态，识别效率瓶颈或资源分配不均的问题。例如若某台挖掘机因故障或地形阻碍导致进度延迟，系统可动态调整周边设备任务顺序，重新分配作业区域，甚至调度备用设备支援，确保关键工序不受影响。

4.应用设备寿命预测算法，动态评估关键零部件剩余使用寿命

应用设备寿命预测算法是提升设备可靠性和降低运维成本的核心环节，系统通过构建高保真度的设备数字孪生体，实时映射物理设备的运行状态、工作负荷及环境参数，为寿命预测提供多源数据基础。寿命预测算法并非依赖海量历史数据，而是结合设备机理模型与实时传感信息，动态模拟关键零部件（如发动机曲轴、液压泵核心轴承）的退化过程，例如基于应力-强度干涉模型和累积损伤理论，算法能够量化疲劳载荷与材料性能的交互作用，进而估算剩余使用寿命（RUL）。

寿命预测算法的工程应用显著优化了管道施工设备的全生命周期管理，系统借助边缘计算单元实时采集振动、温度、压力等信号，并传输至数字孪生平台进行算法解析。动态评估结果以可视化形式展示，如剩余寿命百分比曲线或健康指数趋势图，指导运维人员制定差异化维护策略，例如针对挖掘机的回转齿轮箱，算法结合实时扭矩载荷与材料磨损速率模型，预测其剩余寿命并触发预警阈值，避免突发故障导致的工期延误[2]。

5.搭建管道焊接工艺参数数据库，匹配不同材质管径的优化参数集

焊接工艺参数数据库的构建是实现焊接过程精细化管理的关键环节，数据库系统性地整合了不同材质与不同管径规格所对应的优化焊接参数集，涵盖电流、电压、焊接速度、热输入量、层间温度控制以及焊材选用等核心数据。其开发并非简单的数据罗列，而是基于大量历史工艺试验数据、焊接物理冶金学理论以及数字孪生虚拟仿真结果的深度融合。利用建立精确的数据模型与专家知识规则，系统能够智能地映射材质特性、管径尺寸、坡口形式与环境条件之间的复杂耦合关系，从而生成高置信度的参数推荐方案。

焊接工艺参数数据库与数字孪生系统的集成，实现了从静态数据支持到动态过程管控的跨越，每一台焊接设备、每一段管口都被创建了虚拟映射，数据库中的优化参数集被实时推送至孪生模型，作为驱动虚拟焊接过程仿真运行的输入条件。操作人员或系统自动化控制模块可据此在虚拟空间中预先验证参数集的可行性与有效性，预测潜在缺陷，并完成参数微调，从而在实际施焊前将工艺方案固化至最优状态。

结语：

基于数字孪生技术的管道施工设备管理系统的研究，是响应国家智能制造与数字化转型战略、推动工程建设领域高质量发展的有益实践，本文探讨了基于数字孪生技术的管道施工设备管理系统开发与应用，为克服传统管理模式的局限提供了参考。随着关键技术的持续突破与行业应用的不断深入，该系统必将在保障施工安全、降本增效、促进绿色低碳发展方面发挥更为关键的作用，最终推动整个管道建设行业向更加智能化、精细化的新阶段迈进。

参考文献：

[1]刘峻豪. 数字化技术在油田管道完整性管理中的创新应用研究 [J].中国石油和化工标准与质量, 2025, 45 (13): 52-54.

[2]唐孝林,周益凡,朱兆银,等. 基于数字孪生的城中村密集房屋区管道施工安全监测的可视化实时预警技术 [J]. 人民珠江, 2022, 43 (03):131-136.