数字孪生(digital twin)技术是将工业产品、制造系统、城市等复杂物理系统的
结构、状态、行为、功能和性能映射到数字化的虚拟空间,并在虚拟空间进行各种操
作、模拟与分析,从而对物理系统未来的性能和行为进行预测,提出决策优化,并反
馈到物理世界进行协作调控。
孪生概念最早由美国国家航空航天局(NASA)提出。在阿波罗项目中,
NASA制造两个完全相同的实物空间飞行器,通过对地面上的孪生飞行器进行
仿真实验和数据分析,来反映和预测空间飞行器的飞行状态。大卫· 葛兰特
(David Gelernter)在1991年的著作《镜像世界》(Mirror Worlds)中首次提出了数
字孪生的概念:镜像世界是一个信息的海洋,由许多数据流提供。一些数据通过
计算机终端手动输入,它们慢慢地流动。其他的则由自动数据收集和监控设备提
供数据,例如医院重症监护室的机器、天气监控设备或安装在道路上的交通量传感
器。迈克尔·格里夫斯(Michael Grieves)于2003年将数字孪生概念首次应用于
制造业,并正式发布了数字孪生软件的概念。2010年,NASA 为了改进航天飞行
器的物理仿真模型,由约翰·维克斯(John Vickers)命名引入了数字孪生这个名
词。随后,不同领域的学者开始探索数字孪生技术。近年来,随着5G、物联网、云
计算、大数据、人工智能和混合现实等新一代信息技术的发展,数字孪生在理论层
面和应用层面均取得了快速发展。数字孪生与产业技术的深度融合,有力推动了相
关产业数字化、智能化和自动化的发展进程,正成为产业转型升级的强大推动力。
在城市地下空间领域,国内外学者和企业开始探索将数字孪生技术应用于城
市地下空间规划、设计、施工、运营、维护甚至拆除各阶段。在设计初期,通过数字
孪生技术建立城市地下空间的数字化模型,模拟各种设计方案并进行性能评估,从
而选择最优的设计方案。在施工过程中,数字孪生技术可以用于施工进度、质量和
安全的实时监控、反馈和优化,并提升施工的智能化水平。在运营阶段,数字孪生
可以协助运营团队进行资产管理和能源管理,预测潜在问题并优化运营策略。在
面对自然灾害和其他突发事件时,基于数字孪生技术的态势感知、仿真推演、动态
决策、应急联动,可显著提高城市地下空间的应急响应能力。在维护阶段,数字孪
生模型可以协助维护团队进行故障定位和诊断,提供精确的维修方案。在拆除阶
段,基于数字孪生模型的模拟、数据分析以及决策支持等手段,可确保拆除过程的
安全、高效和环保。因此,数字孪生技术的应用在城市地下空间全生命周期的管理
中具有显著的优势和广阔的前景,其不仅有助于提高城市地下空间开发利用的安
全性、经济性和高效性,还能推动城市建设的数字化和智能化转型。
目前,城市地下空间领域尚未有通用的数字孪生模型,数字孪生相关技术也在
持续发展中。本书从理论、技术、应用等维度,介绍城市地下空间数字孪生的内涵
和要素,构建数字孪生平台的关键技术和架构,以及深圳大学未来地下城市研究院
科研团队的相关应用案例。全书分为上下两篇。上篇聚焦城市地下空间数字孪生
的核心要素和实现技术,包括虚拟模型建立与可视化技术、智能感知与互联技术、
平行推演技术和平台开发技术。下篇着重介绍数字孪生技术在城市地下工程中的
应用案例,包括双洞密贴顶管车站顶进施工智能控制、复杂地层盾构隧道掘进平行
推演技术及应用和地铁地下空间水灾推演与应急疏散。本书旨在为读者提供一套
较全面和系统的城市地下空间数字孪生技术的相关理论与实践指南,以期为相关
领域的管理人员、科研人员及工程技术人员提供有价值的参考和借鉴。
本书相关研究受国家重点研发计划项目城市站城融合立体网络空间智慧运
维关键技术与应用(编号:2023YFC3807500)、国家自然科学基金重大项目超大
城市深层地下空间韧性基础理论的课题一超大城市深层地下空间地质环境效应
多场互馈机制及评估理论(编号:52090081)、广东省重点领域研发计划(编号:
2019B111105001)以及深圳大学2035追求卓越研究计划(编号:2022B007)的资
助。本书由苏栋、陈湘生担任编委会主任,由陈鹏禄、王雪涛、沈翔担任编委会副主
任,龚浩锋、陈建航、莫泽新、宋棋龙、谭毅俊、曾仕琪、李荣康、周进威、黄聪等参与
了编写工作,在此表示衷心的感谢。
由于作者水平有限,书中难免会存在不足和不妥之处,热忱希望读者和同行专
家批评指正。
苏 栋 陈湘生
2025年1月
上篇: 技 术 篇
第1章 虚拟建模与更新 3
1.1 几何建模方法 3
1.1.1 地质体建模 4
1.1.2 地下结构体建模 8
1.1.3 地下机电设备建模 11
1.1.4 几何建模轻量化技术 13
1.2 建模工具及模型标准化 15
1.2.1 地质体建模软件 16
1.2.2 结构体建模软件 20
1.2.3 机电设备建模软件 22
1.2.4 模型标准化方法 25
1.3 模型动态更新 27
1.3.1 几何模型更新 27
1.3.2 物理模型更新 29
1.3.3 行为模型更新 30
1.3.4 规则模型更新 31
1.3.5 模型更新周期 31
1.4 高效动态渲染性能优化 32
1.4.1 几何优化 33
1.4.2 纹理优化 34
1.4.3 着色器优化 34
1.4.4 GPU优化 35
1.4.5 云渲染技术 35
1.4.6 云计算可视化 37
参考文献 40
第2章 智能感知与互联 42
2.1 时空数据感知与采集 42
2.1.1 时空数据感知 43
2.1.2 数据高效传输 45
2.1.3 海量数据存储 46
2.2 跨源元数据的清洗与融合 47
2.2.1 数据清洗 48
2.2.2 数据转换 48
2.2.3 数据映射 49
2.2.4 数据融合 50
2.3 多终端设备互联同步 50
2.3.1 同步协议 51
2.3.2 数据同步 56
2.3.3 性能优化策略 58
参考文献 60
第3章 平行推演与应用 62
3.1 数字孪生平行推演模型 62
3.1.1 基于机理的模型 62
3.1.2 基于数据的模型 63
3.1.3 机理与数据的融合模型 69
3.2 数据驱动决策与优化 69
3.2.1 数据驱动的决策流程与方法 69
3.2.2 基于大语言模型的决策优化策略 72
3.3 平行推演应用场景 74
3.3.1 地质环境监测 74
3.3.2 结构体状态评估 75
3.3.3 设备故障诊断 76
3.3.4 资源分配与调度 77
3.3.5 突发事件应急管理 77
参考文献 78
第4章 数字孪生平台设计与开发 81
4.1 平台开发设计 81
4.1.1 平台开发架构 81
4.1.2 平台开发原则 86
4.1.3 平台可视化引擎 88
4.1.4 平台功能集成 94
4.1.5 平台未来扩展 98
4.2 环境配置与开发技术 99
4.2.1 开发环境配置 99
4.2.2 前端布局界面 110
4.2.3 后端服务系统 119
4.2.4 数据交互机制 121
4.2.5 数据通信协议 123
参考文献 125
下篇: 实 践 篇
第5章 复杂地层大直径盾构掘进平行推演技术及应用 131
5.1 背景与需求分析 131
5.2 软土格栅加固地层盾构开挖面稳定性评估 133
5.2.1 格栅加固开挖面失稳规律数值模拟研究 133
5.2.2 格栅加固开挖面稳定性理论评估模型 136
5.2.3 理论评估模型应用效果分析 146
5.3 强变异地层盾构滚刀磨损预测 148
5.3.1 滚刀磨损预测方法构建思路 148
5.3.2 滚刀磨损预测公式推导 149
5.3.3 滚刀磨损预测效果分析 151
5.4 软土地层盾构掘进姿态智能分析 154
5.4.1 基于机器学习的盾构姿态预测方法 154
5.4.2 数据预处理和参数选择 157
5.4.3 盾构姿态预测效果验证 159
参考文献 162
第6章 双洞密贴顶管车站顶进施工智能控制 164
6.1 项目背景与需求分析 164
6.1.1 项目概述 165
6.1.2 顶管施工难点分析 167
6.1.3 智能控制关键挑战与应对策略 168
6.2 顶管顶进过程平行推演算法原理 171
6.2.1 顶管机姿态推演分析 171
6.2.2 地层、箱涵沉降推演分析 180
6.3 顶管顶进智能控制实施流程及平台 197
6.3.1 顶进姿态控制模块实施流程 198
6.3.2 地层、箱涵沉降控制模块实施流程 202
6.3.3 顶管顶进智能控制平台 204
6.4 实施效果分析 207
6.4.1 总体情况介绍 207
6.4.2 顶管机姿态控制效果分析 210
6.4.3 地层及箱涵沉降控制效果分析 212
参考文献 215
第7章 地铁地下空间水灾推演与人员应急疏散动态规划 218
7.1 背景及需求分析 218
7.1.1 地铁地下空间水灾案例 218
7.1.2 推演技术需求分析 220
7.2 基于元胞自动机的平面空间洪水漫延模拟方法 222
7.2.1 元胞自动机的基本原理 222
7.2.2 基于元胞自动机的平面空间洪水漫延模型 222
7.3 基于元胞自动机的立体空间洪水漫延模拟方法 225
7.3.1 立体空间元胞自动机的层连接规则 225
7.3.2 立体空间元胞自动机的层连接模拟流程 228
7.3.3 立体空间元胞自动机水灾模拟案例 228
7.4 考虑洪水漫延过程的人员应急疏散分析方法 230
7.4.1 考虑洪水漫延过程的人员应急疏散分析方法 230
7.4.2 考虑洪水漫延过程的疏散路线动态规划 232
7.5 水灾推演及应急疏散数字孪生平台构建与应用 234
7.5.1 基于数字孪生技术的水灾推演及应急疏散平台构建 234
7.5.2 地铁隧道水灾人员疏散模拟与效率评估 238
7.5.3 地铁车站水灾人员疏散模拟与效率评估 245
参考文献 250
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