［摘要］数字孪生是开拓智慧运维、提升运维管理能力的关键手段。针对数字孪生应用工作中，孪生模型搭建精度要求高、数据量大以及不可控因素的等，引入全球定位系统（Global Positioning System,GPS），从可行性分析、适应性探索到实践运用，直至GPS技术成为数字孪生的重要组成部分和强大推动力。文章首先概述GPS技术，然后阐述数字孪生的构建，最后分析GPS技术在数字孪生中的具体应用与实践。
［关键词］数字孪生,GPS,信息技术,运维管理
0引言
数字孪生是指物理实体、过程或系统的虚拟副本，其通过实时数据反馈与物理世界相互作用，帮助监测、决策、控制和优化。随着物联网（Internet of Things,IoT）和大数据技术的发展，数字孪生的应用逐渐扩展到各个领域，包括制造业、城市管理、物流与交通等，本文主要探讨其在基建工程中的应用与发展。
GPS技术作为关键的定位与导航技术，在数字孪生建模及运维阶段发挥着重要作用，若采用北斗卫星与全球定位系统相结合的双模定位测量手段，则拥有更高的精确度、更好的稳定性和更便捷的操作［1］。通过提供高精度的位置信息，可精准放线、高效捕获标的物，不仅可以实现对物理实体的实时定位与跟踪，增强孪生模型的准确性，还可以在使用和运维阶段极大地提供实时性、高效性便利。虽然GPS技术在数字孪生中的应用面临着巨大挑战，但是未来发展十分可观。
1 GPS技术概述
1.1 GPS的基本原理
GPS是利用一组在地球轨道上运行的卫星组成的导航系统，至少4颗卫星向地面接收设备发送信号，利用三角测量的方法测量信号传播时间来计算接收设备的位置、速度和时间等信息。其特点包括高精度定位、全天候服务、全球覆盖以及实时性强等。
1.2 GPS的分类和发展
GPS系统可分为民用和军用两类。民用GPS广泛应用于导航、测绘、环境监测等领域，而军用GPS则具备更高的精度和抗干扰能力。自20世纪70年代问世以来，GPS经历了多个发展阶段。从最初的仅限于军事用途，到如今民用GPS的广泛应用，技术的进步使得定位精度不断提升。当前，实时动态定位（Real-Time Kinematic,RTK）技术的出现，使得GPS的定位精度进一步提升，为数字孪生的应用奠定了基础。
2数字孪生的构建
数字孪生是物理实体的虚拟模型，能够实时反映其状态与行为。其主要特征包括实时性、互动性和可视化等，使得用户能够更好地理解和管理复杂系统。数字孪生技术是一种将实际设备、系统或流程的数字模型与物理实体同步更新的技术。通过模拟和分析，可以实现对实体的实时监测、预测和优化等功能。以物理实体为基础，数字孪生生成的数码模型由物理模型、数据模型和连接器组成，能够实时地展示、预测并优化物理实体的运行状况和行动，可以提高生产效率、降低成本、减少能源消耗，提升系统的可靠性和安全性［2］。其中，物理模型是对真实物理实体的数字化描述，数据模型是对物理实体的数据采集和处理，连接器用于实现物理模型和数据模型之间的交互。运用数字孪生技术可以降低人工巡视的成本，提高工作效率，增强可靠性和安全性，在厂区管理中具有重要的应用价值［3］。
2.1数据采集
首先，通过实地测绘、全站仪放线、RTK放线等多种方式，获取物理对象的基础数据；其次，根据标的物的特征，测量或计算并记录其质量、寿命、效用、作用频率及利用率等实用数据；最后，采取合理、有效的动态数据采集、监测、控制的方式，确定孪生交互模式，定向选取符合需求的单片机模组，完成交互方案的制订及方案数据的采集。
2.2数据处理与建模
一是根据预设的模型分配比例，计算收集到的三维数据，利用立体模型软件成像，完成数字模型初构；二是划分模型节点，导入其外观、物理、化学数据及动态分析方程式等多维度运算结果，实现高精度模仿物理实际；三是将模型导入控制系统和操作平台，模块化建设控制程式，实现数字孪生与物理实体间的动态更新，并增加实时控制、高效处理等功能。
2.3模型验证、更新与控制
通过对比物理对象与数字模型的表现，持续优化和更新模型。在物理对象与三维模型间增设单片机模组，模组下端连接各种传感器组成感应系统，如温度、湿度、气压、红外传感器、GPS定位装置等，安装在园区的一些特定位置、特殊装置和不可控人或物上，就可以实时采集动态数据；利用单片机的数据处理和通信功能，上端连接服务器和操作平台，将采集到的数据进行解析、传送并接收输出指令，为数据分析和决策提供支持，达到实时监测与控制、故障诊断与预测、能耗管理与优化、安全监控与预警等多样化先进功能的预期。
2.4数据源的精确性与高效性
无论是在数字孪生模型的构建工作中，还是在孪生交互的实践操作中，数据源的精确性都至关重要，高效性同样不可或缺。GPS技术提供的数据十分契合数字孪生技术对数据高效且精准的要求。测绘工作中，定位放线精准便捷，三维模型为数字孪生打下坚实基础；定位传感数据实时、准确且可以补充环境信息、状态数据，为后台处理提供有保障的数据，以便作出更加精准的判断和动作。
3 GPS技术在数字孪生中的具体应用与实践
3.1 RTK测量测绘技术应用
RTK载波相位差分技术是一种新的利用卫星定位技术开展并完成测量的方法，它使用载波相位差分法实时处理两个载波观测站采集的相位数据，求差进而计算目标坐标［4］。相较于以前的水准仪、全站仪，无论是静态、快速静态还是动态测量，都需要事后进行人工计算才能获得坐标，且仅达厘米级精度，而RTK则能够通过测量并自动计算得到实时的毫米级精度坐标结果，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图及各种控制测量提供了新的测量原理和方法。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅要通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，给出定位结果，历时不足一秒钟，直接省去了后续人工计算所需时间，减少了产生错误的风险，提高超50%的测量作业效率，并进一步提高了测量精度和准确性。使用专业的RTK测量仪，基于北斗卫星导航系统，采用独有的kRTK核心技术和高可靠性的载波跟踪算法，将测量放线的结果实时传输到云端，并自动生成测绘放样点的三维图纸。对于数字孪生模型的中期构建，设计人员可直接选其作为绘制底图，节省绘图时间，进一步提高孪生效率和准确性。
在探索数字孪生技术的过程中，运用GPS技术的RTK测量仪器实践后，在建模初期完全地胜任并取代了其他测量工具。其数据平台使用便捷、直接，与孪生操作软件十分吻合，能够快速完成三维模型的构建，提供的数据经过后续长时间的运维检验后，几乎毫无差漏；使用阶段，持续不断更新物理实际数据，实时保持模型与现实的一致，初步达到了数字化观测、管理、设计、提升的设想。在智能园区建设中，数字孪生模型通过GPS数据实时更新基础设施的信息，管理者利用这些数据开展设施维护、环境监测、动态分析等工作，有效提升了管理效率。通过物联网建设工控网络架构，实时监控生产设备的运行状态，通过数据分析预测设备故障，提前进行维护，减少了生产损失。GPS技术应用于数字孪生中实现了全过程的监控，通过实时数据分析，优化了作业路线，降低了运营成本，提高了客户满意度。
3.2定位装置的应用
对于成熟的数字孪生模型，完成物理实际中固定物的孪生与监测、控制后，模型中的不可控人或物成为智能管理工作中的新挑战。随着科技的进步，安全帽定位系统在现代智慧工地施工过程中的应用愈加广泛，不仅可以有效保证工程现场工作人员的安全，而且可以实现企业对员工的高效率管理［5］。受到启发后，我们效仿并引入GPS定位装置及线上操作系统，实现了实时定位标的物，动态轨迹跟踪并记录、完善人员权限设定，监控异常位置、异常速度等报警，以及动态人或物与静态门、机联动控制等新的管理功能。
在安全帽定位装置的延伸引用实践中，我们通过GPS对进入孪生模型的人员进行定位，并将位置信息展示到孪生模型上，从而实现了对作业人员日常巡检工作的实时监管。同时，作业人员可通过智能化的GPS终端将作业中发现的异常情况以文字、图片、语音的方式实时上报到系统，方便管理者及时接收隐患信息，实时掌控各现场的状况，对于隐患较大的风险，更是能够及时作出反应与决策，最大限度降低隐患风险。例如，对危险作业的管理，危险作业现场巡检是日常检查工作中的重点，在孪生系统中备案危险作业，利用GPS定位装置有效监督巡检人员开展必检点巡检。巡检人员到达作业现场后，可以将现场情况以照片、文字、语音的形式上传到系统中，在调度中心可查看巡检人员是否对负责的相应危险作业现场进行巡检，若巡检人员上传了当天的巡检信息，则表示巡检任务完成，并可查询现场情况；若没有上报，则未完成巡检工作。
3.3 GPS通用应用
3.3.1实时定位与追踪
GPS技术能够实时追踪人或物的位置、轨迹和状态，提高了管理效率。例如，通过数字孪生模型，物流公司能够实时监控运输过程，优化运输路线，降低成本。
3.3.2环境监测
在城市建设中，结合GPS和传感器的环境监测系统，可以实时更新数字孪生模型，及时应对自然灾害。例如，利用GPS技术监测城市内的水位变化，及时发出警报，有效减少灾害损失。
3.3.3智能交通系统
基于智能交通系统的数字孪生模型，利用GPS数据分析交通流量，优化交通信号控制。通过数字孪生模型，城市交通管理者可以模拟不同交通方案的效果，选择最佳方案，提升交通效率。
3.3.4工业制造
在工业4.0的背景下，GPS技术在设备监控与维护中发挥着重要作用。数字孪生模型可以实时反映设备状态，提前预警故障，从而缩短停机时间，提高生产效率。
4结束语
在数字孪生的搭建、维护与实践过程中，BIM+GPS模式的多方位数据融合，使三维模型的成长与贡献等全生命周期的不同阶段都得以升华，而GPS的效果发挥、应用贯穿了数字孪生的设计、建设、运营和管理等各个阶段，无论是其提供的地形模型、卫星影像，还是地下管线监测、动态数据管理等工作，在GPS技术引入后，都不断地优化数字孪生，从点到面，为智慧城市、智慧建造、智慧园区等的建设、决策分析提供可靠的技术支撑，未来的技术应用空间极大。
GPS技术在数字孪生中的应用前景广阔，但也面临一些挑战。例如，GPS信号会受到建筑物、树木等障碍物的干扰，导致定位不准确。同时，数据的准确性和可靠性也要提高。在数据隐私与安全方面，GPS数据的使用可能引发用户隐私问题，企业必须采取有效措施保护用户数据安全。此外，多源数据集成的复杂性也会影响数字孪生模型的性能。未来，随着人工智能和大数据技术的进一步发展，GPS技术与数字孪生的结合将更加紧密。智能算法也将帮助分析和应对数字孪生与GPS技术结合中的挑战，系统地提高二者相互适应的能力。
GPS技术在数字孪生建模中的应用具有重要意义。通过实时获取多维位置信息，GPS技术能够提升数字孪生模型的准确性与实时性，帮助企业和城市管理者优化决策和资源管理。尽管面临一些技术与应用方面的挑战，但随着技术的进步，GPS技术在数字孪生中的应用前景广阔，将推动各行业的创新与发展。
主要参考文献
［1］刘家龙,吴柯锐,张会新,等.基于北斗/GPS双模模块的高可靠定位系统设计［J］.航天控制,2024(4):35-41.
［2］王庆.数字孪生城市建设理论与实践［M］.南京:南京东南大学出版社,2020:19-23.
［3］曾思铭,冷先凯,徐志浪,等.基于数字孪生的智慧社区建设与应用［J］.绿色建造与智能建筑,2024(6):143-147.
［4］胡伍生.土木工程测量学［M］.3版.南京:南京东南大学出版社,2021:61-62.
［5］何跃川,杨晓娇.施工过程管控多维模型与数字孪生架构研究［J］.建筑技术,2024(18):2295-2300.
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