CN114201798A - 基于bim+gis技术的长大隧道数字孪生系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统及方法，包括BIM+GIS子系统、数字孪生子系统和全生命周期运维管理子系统，各子系统之间可以实现信息转接交互，具体包括以下步骤：建立隧道结构BIM及围岩地质GIS的隧道动态建造运维集成信息模型；构建包含动态正向设计的数字孪生系统；搭建全生命周期智能运维管理平台；该数字孪生系统基于围岩地质探测信息、隧道建造与运营维护阶段的状态监测信息、围岩结构体的有限元数值模拟信息等，开展多维信息应用管理工作。结合信息队列遥测传输及多智能体系统等技术，完成隧道地质结构状态的在线预测及开挖施工自动规划及安全评估，为全生命周期隧道建造安全和健康运营维护提供方法思路。

Description

基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统及方法

技术领域

本发明属于隧道BIM建模技术领域和数字化应用领域，具体涉及一种基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统及方法。

背景技术

BIM+GIS技术的应用具有数字信息化、多维可视化、协同设计化等特点，BIM信息贯穿于设计、施工、运维等阶段的全生命周期过程，针对隧道工程特有的专业多、管理难、技术复杂、危险性高等特点，可以充分发挥BIM+GIS技术在缩短工期、降低造价、优化设计等方面的明显优势，以确保隧道建造安全和健康运营。关于三维地质建模技术及应用，目前的勘探技术难以精准把握岩土体性质及其水文节理等细节信息，需要根据现场施工实况进行二次修正和信息优化。隧道工程(地下岩土工程)与周围地质接触密切，各种岩土体分布及围岩性质对隧道结构的受力机理具有重要影响，建立精确完善的地质孪生体，对于隧道结构BIM正向设计及各分项协同管理具有广泛应用价值。尤其是针对复杂多变地质条件下的长距离、大断面公路隧道，无论采用传统矿山法分部开挖方案，还是现代隧道新奥法施工方案，地质实体和隧道结构都是实现动态反馈、数字孪生体优化、智能建造及运维的两大信息主体(张勇.基于BIM的围岩稳定性监测评估方法、系统及存储介质[P])(一种基于IFC标准的隧道动态反馈分析系统)。

国内的隧道工程BIM+GIS技术应用尚处于起步阶段，隧道BIM相关的智慧建造项目多用于简单的可视化三维建模及结构信息展示，鲜有涉及与地质地层三维数字模型的融合应用。由于建立地质模型通常涉及到不同的建模软件，因此需要借助IFC标准通用框架机制作为信息交互的基础。然而，现阶段的结构及地层数字孪生建模方法多采用高、低阶模型格式之间的转换来达到统一融合管理的目的，该方法容易造成多维信息的遗漏或丢失；关于地质实体及隧道结构的数字孪生体的优化过程，未能有效结合BIM正向设计的实际需求实现隧道结构的动态修正和施工方案优化评估；没有充分发挥数字孪生体在现实模拟仿真过程中的显著优势，实现数字孪生关于“反映过去、感知现在、预测未来”的基本要求，对于数字孪生系统智能化综合应用还有待创新与突破。因此，有必要构建一种基于BIM+GIS技术的隧道数字孪生系统及方法，通过隧道数字孪生系统的全方位创新应用，提高隧道工程全生命周期信息管理的数字化、可视化、智能化水平。

发明内容

本发明提供一种基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统及方法，以克服上述提及的技术问题。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统，包括BIM+GIS子系统、数字孪生子系统、全生命周期运维管理子系统、动态信息更新模块、多维信息交互模块：

所述BIM+GIS子系统包括隧道结构及地质实体建模模块、多维信息应用管理模块、隧道动态建造运维集成信息模型；

所述数字孪生子系统包括现场信息采集模块、数据传输存储及处理模块、隧道BIM正向设计模块、数字孪生体优化模块；

所述全生命周期运维管理子系统包括数字孪生智能运维模块、数字孪生应用模块；

所述动态信息更新模块用于连接BIM+GIS子系统与数字孪生子系统，可实现现场信息采集模块、数字孪生体优化模块以及数字孪生智能运维模块与隧道动态建造运维集成信息模型之间的动态信息转换，并将符合IFC标准及统一命名标准的多维信息添加到集成信息模型中；

所述多维信息交互模块用于连接数字孪生子系统与全生命周期运维管理子系统，通过调用隧道动态建造运维集成信息模型的有效信息，进行多智能体系统模拟，并将智能生成的动态反馈信息更新至集成信息模型，实现多维信息的运维交互过程。

进一步地，所述隧道结构及地质实体建模模块包括用于定义隧道结构及地质实体信息的IFC标准、隧道结构及围岩地质融合体的统一命名和注解标准、用于实现融合管理与应用的动态建造运维集成信息模型；

所述动态建造运维集成信息模型以BIM+GIS融合信息模型为基础，包含了用于建立结构实体模型的BIM建模单元和用于建立围岩地质模型的GIM建模单元；

所述多维信息应用管理模块用于动态建造运维的信息分组、自定义属性集、参数添加，所述多维信息应用管理模块包括数值模拟信息、多智能体反馈信息及现场多维信息模块，其中，现场多维信息的采集方式包括人工检测、IoT采集、原位试验，主要采集现场实际施工过程中的几何材料、边界荷载、结构及构件性能等信息；

所述现场多维信息模块包括用于更新结构地质几何参数与材料特性的现场检测及试验信息、用于确定边界与荷载模拟条件的人工检测及IoT采集信息，采用拓展式无线通信实现信息的实时传输；

所述数据模拟信息模块包括用于优化不同构件的单元类型、荷载及边界模拟、网格类型及划分细度信息；所述多智能体反馈信息包括数字孪生应用模块中涉及的各类预测、评估及规划信息。

进一步地，所述数据传输储存与处理模块包括基于轻量级代理的信息队列遥测传输协议、用于实现多维模型信息预处理的信息轻量化及标准化单元；

所述隧道BIM正向设计模块包括隧道初期设计的地质勘探数据、信息模型融合管理与应用、模拟初期施工方案、工程量及成本控制、结构设计及初期验算、碰撞检查及图纸生成；

所述数字孪生体优化模块包括超前地质预报及现场施工实况、用于有限元模型设计修正的数字孪生体优化单元；所述数字孪生体优化单元包括单元类型、网格划分、边界模拟、结构修正、材料变化及荷载变更等有限元分析相关信息。

进一步地，所述数字孪生智能分析模块包括基于数字孪生数据库的隧道动态反馈分析、基于多智能体系统的全生命周期信息管理平台；

所述数字孪生应用模块包括预测下一开挖段水文地质、预测施工突涌水量、隧道结构安全评估及防护、自动规划隧道开挖、多维信息查询及展示。

进一步地，所述动态信息更新模块及多维信息交互模块采用IFC格式实现信息交流互动；

所述数值模拟信息通过多维信息交互模块接收来自数字孪生体优化的有限元数值优化信息；所述多智能体反馈信息通过多维信息交互模块接收来自数字孪生智能运维模块的动态反馈信息；所述的现场多维信息通过人工录入的方式进行定期更新；

所述多维信息交互模块对动态建造运维信息进行有效提取，实现目标信息轻量化的要求，可供数字孪生智能运维模块识别及应用，同时为信息队列遥测传输MQTT提供有效信息，以便于信息的IFC标准化；

所述动态信息更新模块为多维信息应用管理模块提供IFC格式信息来源，以确保信息分组、自定义属性集、参数添加等功能的实现；

所述数字孪生智能分析模块与数字孪生应用模块接收来自多维信息交互模块的有效运维信息，为搭建全生命周期信息管理平台提供信息来源。

进一步地，所述动态信息更新模块是通过接收数据传输储存与处理模块的轻量化及标准化信息，导出统一标准的IFC格式文件，并实现多维信息应用管理模块的自定义属性集添加功能，进而更新隧道动态建造运维集成信息模型；

进一步地，动态信息更新模块中的动态信息包括现场传感器监测信息、地质围岩信息、隧道结构信息、施工信息、成本信息、数值模拟信息、人工录入运维信息及智能应用信息，各类信息依次附属于地质围岩实体、隧道结构、细部构件模型的拼合过程，形成包含各构件多维度信息及全生命周期信息的隧道动态建造运维集成信息模型。

进一步地，所述数字孪生体优化模块依据地质勘探数据建立初期地质模型，通过超前地质预报的情况对开挖段的地质模型进行二次修改并生成施工方案，以指导开挖段的安全施工；再根据现场开挖施工遇到的地质监控量测数据、水文节理及掌子面的综合实况，对地质模型进行细部优化及信息补充，以形成与现实相符的GIM数字孪生体，为隧道BIM正向设计的动态更新及优化提供实时准确的地质信息。

进一步地，隧道BIM正向设计模块是依据动态更新的地质信息模型GIM进行的，根据现场超前地质预报及施工实况对隧道结构模型的初期设计方案进行修正，可结合3D信息模型融合管理与应用，实现4D初期施工方法模拟的实用性分析、5D工程量及成本控制的经济性分析与6D结构设计及初步验算的可靠性分析，形成动态更新的隧道结构BIM数字孪生体。

实现所述的基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统的方法，包括以下步骤：

S1、依据地质勘探数据确定隧道结构，利用隧道结构模拟前期设计过程，前期设计过程包括初期施工方案、控制工程量及成本、结构设计验算，进而生成设计图纸和施工方案，并建立初期隧道结构BIM模型及围岩地质GIM模型；

S2、选择通用性的BIM3D软件融合隧道结构与地质信息模型(BIM+GIM)，结合IFC标准补充和完善自定义属性集的多维信息，组建包括各个模块、各阶段、多维度信息的隧道动态建造运维集成信息模型，以便于实现IFC通用格式下的多维信息交互；

S3、根据超前地质预报及现场施工实况，结合人工检测及IoT采集的现场数据，对围岩地质GIS模型进行二次修正，并通过有限元数值模拟信息的优化过程实现隧道结构BIM模型二次修正；当每个自定义的现场施工节段完成时，通过触发步骤S1及步骤S2的循环机制，更新隧道动态建造运维集成信息模型，并利用动态建造运维集成信息模型与集群智能分析的粒子群算法，对隧道结构动态正向设计进行多主体目标优化，生成不断更新的动态施工方案；S4、结合信息队列遥测传输及多智能体系统实现开挖过程中的地质岩层及施工突涌水预测、隧道安全评估及其防护措施、自动规划隧道开挖等功能，并指导每个开挖段的安全施工；搭建基于Web端的全生命周期信息管理平台，融合隧道动态建造运维集成信息模型的轻量化信息查询与多平台交互功能，同步展示隧道开挖的安全评估及地质结构状态的在线预测结果，实现隧道数字孪生系统的多维信息可视化及相关应用拓展。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明解决了BIM信息通用性差、易缺失和综合管理难度大的问题，为实现隧道结构及三维地质实体的信息交互和融合管理提供新的思路方法，提出一种基于IFC标准通用框架机制，实现包含隧道结构与地质多维信息的自定义属性集综合管理，同时便于实现不同模块之间的多维信息交互及应用。

2.本发明提出一种针对地质实体与隧道结构两个数字孪生体的“三重优化法”，构建更精确的数字孪生综合体。在借助初期地质勘探数据建立初步设计的基础上，依据超前地质预报相关信息对地质模型进行初次修正；根据现场施工实况对地质模型与结构模型进行二次修正；通过考虑有限元数值模拟信息对隧道结构模型进行再次的迭代优化过程。

3.本发明充分利用数字孪生体的优化反馈机制，有效结合BIM正向设计的实际需要，寻求更大的BIM应用价值。通过发挥动态建造运维集成信息模型的信息融合优势，实现了隧道结构的动态正向设计及优化、自动规划隧道施工方案、多维度评估等功能。

4.本发明以全生命周期信息管理平台为基础，为实现数字孪生关于反映过去、感知现在、预测未来的基本要求提供思路方法。借助信息队列遥测传输(MQTT)及多智能体系统(MAS)等技术，实现并开拓了数字孪生系统的智能应用。

附图说明

图1为本发明的模块层级示意图；

图2为本发明的系统结构流程示意图；

图3为本发明数字孪生系统的信息架构示意图；

图4为本发明所述BIM集成信息模型动态正向设计流程图；

图5为本发明所述基于MQTT的多智能体系统(MAS)模拟流程图；

图6为本发明所述实例的隧道结构BIM+地质实体GIM效果图；

图7为本发明所述实例的隧道分部开挖施工效果图；

图8为本发明所述实例的数字孪生模型Web端显示效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及相关附图及对本发明进行进一步详细说明。需要说明的是，下述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在不脱离本发明系统结构的基本构思前提下，进行的简单变形和相关改进，都属于本发明的保护范围。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在下述关于本发明的具体实施方式中，请参阅图2～图5，图2是本发明具体的系统结构流程示意图，图3是本发明数字孪生系统的信息架构示意图，图4为本发明所述BIM集成信息模型优化及算法流程图，图5为本发明所述基于BIM的多智能体系统(MAS)模拟流程图。下面以图2作为本实施例的陈述基础，过程中将借助图3～图5作为具体功能的辅助图解。

如图1所示，一种基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统，包括BIM建模子系统、数字孪生体子系统、全生命周期运维管理子系统、数值模拟信息转换模块、多维信息交互模块，以上各模块的信息连接、交互及实现过程如图2及图3所示。图3是针对图2的信息架构示意图，便于体现数字孪生系统的信息化目标；图2是针对图3的系统结构具体实现流程图，便于陈述各模块具体功能的实现细节。

本发明在建模方面充分采用地质水文及隧道结构的综合信息及通用格式，在数字孪生体修正阶段能够充分展示根据现场施工实况的多重优化过程，在隧道BIM正向设计阶段体现了动态正向设计及修正的特点，在全生命周期信息管理阶段能够凸显智能化技术在功能实现上的优势，包括自动规划隧道施工开挖方案及预测评估等应用。

以下结合图2～图5，以某特长公路隧道为实例，说明一种基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统的方法，包括以下步骤：

步骤一、实现多维信息的通用格式交互应用，包括：

a.确定统一命名和注解标准：为了便于隧道结构BIM模型及围岩地质GIM模型的统一化管理及应用，建立一种包含多维度模型信息在内的隧道构件命名规则。该规则可以定义位置信息、构件信息、地质围岩信息及数值模拟信息，形成独具适用性的“位置节段号-隧道构件类别-围岩等级及衬砌类型-数值模拟”多维度信息构件命名标准，便于构件信息的注解和修改。其中的数值模拟信息包含不同构件在有限元数值分析时采用的单元信息及边界荷载信息，地质围岩信息依据常用的BQ指标进行划分。以仰拱为例，参照设定的命名标准形成类似于“ZK3-YG-SVc-Beam188-GJ-JB250”的命名规则，其中ZK3代表左线的第3节段；YG代表仰拱结构类型；SVc代表围岩类型为五类且采用c强度等级的支护参数；Beam188-GJ-JB250代表仰拱有限元模拟分析采用的单元类型为Beam188、构件接触采用的边界条件为固结形式、承受的均布荷载为250kN/M。

b.扩展基于IFC标准的模型信息维度：为了解决不同建模软件之间模型高、低阶转换容易出现信息遗漏和缺失的问题，需要根据IFC标准通用框架对各类构件的自定义属性集进行参数添加与分组描述。为保证不同维度信息的兼容性、适用性和一致性，需要利用EXPRESS语言实现隧道三维空间信息及物理属性(隧道结构信息)的标准化定义，随后对构件的属性集合进行其余维度信息的补充，并添加至IFC标准模式通用文件中。为了更好地体现隧道结构地质模型的动态反馈效果，需要对相关属性信息分组描述和管理，可将隧道建造运维过程中的现场动态信息、数值模拟信息、多智能体反馈信息进行分类描述，重点关注传感器监测信息、地质围岩信息、有限单元法数值模拟信息、多智能体反馈信息、以及各类构件信息等，具体如下表1所示。

表1动态建造运维集成信息分组描述表

c.组建隧道动态建造运维集成信息模型：由于常用的BIM建模软件(BIM3D)并没有关于动态反馈分析信息的相关属性集分组，为了实现隧道BIM的动态正向设计及智能化应用，需要依据IFC模型标准重新组建隧道动态建造运维集成信息模型。其中涉及将包含动态施工专业自定义属性参数的参数化构件族导入到IFC模型中，通过已有的三维空间信息进行构件位置的调整，依次实现型钢支撑、钢拱架、锚杆、喷射混凝土、超前小导管、防水板、二衬、仰拱、回填混凝土、排水沟、电缆槽以及联络通道、竖井、通风管道等族文件的拼装，最终形成包含动态施工信息属性的IFC集成信息模型。

步骤二、实现数字孪生体优化及隧道动态正向设计，包括：

动态建造运维集成信息模型的不断完善及优化是实现地质结构数字孪生融合体的过程，当中涉及地质数字孪生体的优化，进而依照隧道正向设计的要求确定结构数字孪生体，本案例介绍所述数字孪生体的三重优化过程。在此基础上，进行隧道BIM在动态正向设计中的多维信息应用，包括动态建造运维集成信息模型(3D)、动态施工方案模拟信息(4D)、工程量及成本控制信息(5D)以及结构设计及初步验算信息(6D)等。

d.地质结构数字孪生融合体的三重优化：隧道建造开始前的结构模型是根据初期地质勘探数据资料进行初步设计的，此时的地质结构融合模型(GIM+BIM)相对粗略简陋，缺乏细部的水文节理等关键信息。当隧道的初始节段施工完毕时，需要进行下一施工节段的超前地质预报以及当前节段的隧道结构回弹检测等工作，进而指导地质结构融合模型的初次修正；再依据现场施工过程中实际揭露的邻近围岩及水文发育情况，对比地质变化情况并指导地质实体模型(GIM)二次修正；再根据现场实时监测数据与有限元结构验算信息的对比，考虑单元信息、几何材料、边界荷载等有限元数值模拟信息的多重因素，实现隧道结构模型(BIM)的再次迭代优化，最终形成不定期更新的动态建造运维集成数字孪生体。图6为实施例中的隧道结构BIM+地质实体GIM效果图，这是实现地质结构数字孪生融合体的基础。

进一步地，为了解决BIM3D软件缺少结构数值模拟分析模块的问题，需要对IFC集成信息模型进行信息提取及转换，实现与常用有限元软件NERAP之间的一键式信息转换及有限元模型重建。选用C#语言基于BIM3D API技术进行信息转换插件的二次开发，导出的BIM数值模拟信息主要包括BIM3D三维模型的几何信息(构件尺寸及定位信息)、材料信息(弹性模量、泊松比、材料强度)、边界荷载信息(构件接触及连接信息、荷载简化模拟信息)以及单元信息(单元种类及大小、网格类型及细度)。通过采用三维建模软件BIM3D与有限元软件NERAP之间的一键式插件开发，可快速生成满足NERAP内置要求的标准命令流，导出适合便捷信息储存的txt格式文档，便于动态正向设计中的结构设计及有限元验算。

e.隧道结构动态正向设计：正向设计首先需要满足工程项目的基本使用功能，在此基础上考虑施工方案的实用性、工程量及成本的经济性、结构设计及初步验算的可靠性，然后进行结构的组合及各种数值模拟分析来修正结构(构件)的形状或者尺寸等参数，以满足理想的设计要求及经济功能。而公路隧道在正向设计过程中，不仅要考虑构件的结构形式、优化布置及材料性能，还要结合水文地质条件进行隧道的选线和设计，必须充分利用地质结构数字孪生融合体(IFC集成信息模型)的信息优势，实现隧道结构的动态正向设计。

如图4所示，关于IFC集成信息模型的数据读取模块，数据解析可以采用免费的IFCEngine DLL数据解析软件，得到IFC文件中几何信息和属性信息，然后利用OpenScenegraph作为渲染引擎把几何信息渲染出来，以便于在Web端的全生命周期信息管理平台进行效果展示。具体功能的实现主要涉及到C++、C#编程语言，SQL Server数据库作为IFC标准数据的映射储存管理基础，适用于多种常用服务器系统的运行及操作环境。根据解析并提取的地质围岩动态信息，结合现场的实时监测数据，作为满足结构动态正向设计基本功能要求的信息基础。此外，考虑到正向设计过程中涉及的施工及工法S(x)、工程量及成本Z(x)、构件数值模拟G(x)等模块信息，采用集群智能分析的粒子群算法对多主体目标进行优化方案搜索。

关于粒子群算法的实现过程，所有粒子都有一个由函数优化决定的适应值，本案例采用粒子集优化及函数集优化的双重过程。首先通过寻找包含多个粒子的函数优化适应值，例如：锚固施工及工法函数S(x)包含的主要粒子有锚杆材质、锚杆长度、锚杆间距、锚杆直径、喷砼的厚度、喷砼弹性模量及喷砼抗渗等级，通过建立与现场围岩位移的关系，寻找一个满足设计功能基本要求的粒子适应值范围。在此基础上，结合工程量及成本函数Z(x)，优化不同支护条件及施工方案下隧道开挖断面或结构施工的工期及造价。此外，还可以依据初步设计方案建立结构(构件)数值模拟函数G(x)，结合现场实时监测数据及施工响应建立回归函数，优化各类构件的形状、尺寸及结构布置要素，该函数包含的主要粒子是有限元数值模拟信息(单元信息、几何材料信息、边界荷载信息)。综合地质围岩信息、施工信息、成本信息以及数值模拟信息，通过多维度函数集合的整体控制方法F(x)＝{S(x)、Z(x)、G(x)}，搜寻满足设计功能基本要求的隧道结构动态正向设计优化方案。

f.MQTT消息服务器搭建：MQTT是一个基于发布/订阅模式的消息传输协议，它不仅具有开源免费、简单适用、轻量级、通信带宽要求低等特点，还可以将多维信息发布到手机APP和Web应用中，这些特点使得它在机器与机器的通信(M2M)以及物联网(IoT)的相关应用显得更加便捷。MQTT解耦了客户端只能接收信息的传统局限，MQTT协议的客户端可以是信息的发布者(Publisher)或订阅者(Subscriber)，符合正向设计过程中各分项协同设计及信息交流的功能需求。

关于MQTT发布/订阅模式的实现，得益于第三方代理的MQTT服务器(MQTTserver)，该服务器采用MQTT标准规定的基于主题的消息过滤派发方式。MQTT服务器在收到发布者发送的消息时，无需访问消息负载，只需访问消息的主题信息，然后根据特定的主题派发给订阅者，达到信息传输的轻量化目的。通过安装Mosquitto软件依赖、构建qmqtt库、测试并连接服务器等步骤，采用Visual studio 2015进行编译修改，搭建MQTT服务器及qt客户端。经由信息队列遥测传输(MQTT)的多维信息，具有轻量化及标准化的特点，有利于实现全生命周期信息管理及智能化应用，并将各项参数优化结果反馈至IFC集成信息模型。

步骤三、基于MQTT的多智能体系统应用，包括：

g.多智能体系统(multi-agent systems)，是有序配置的自治或半自治子系统(智能体)通过网络互连所构成的复杂大规模系统，也可称为系统的系统(system of system)，而智能体(Agent)是指具有自治性、社会性、反应性和预动性的基本特性的实体。多智能体系统(MAS)具有自主性、容错性、灵活性和可拓展性的特点，通过发挥多智能体分布式系统的协作能力，可以达到若干个具备简单智能的子系统共同实现复杂智能的目标。目前，多智能体系统(MAS)相关技术已经应用于广泛领域，包括数据融合、传感器网络、并行计算、多机械臂协同装备、多机器人合作控制、飞行器智能编队、交通车辆控制等。

所有的智能体都包括通信模块、计算分析模块和执行模块，图5为多智能体系统中各模块的组成及其作用原理。通信模块主要负责智能体的信息采集及多智能体之间的通信，采用M2M、IoT、智能识别等技术完善MySQL数据库，可实现与其它智能体管理系统的交互，达到功能拓展及开发目的。计算模块将本地及其它智能体的信息进行实时加工、计算和优化等，生成相应的分析结果或控制策略。具体的，通过多维信息交互模块调取MySQL数据库中的有效信息，进行信息的标准化处理以适用于信息队列遥测传输(MQTT)准入规则，实现多智能体、多平台、多用户控制及管理的信息计算优化综合体。经过加工的信息可以在计算分析模块的不同智能体管理系统之间相互传输和综合应用，实现不同功能需求和目标优化效果。执行模块是通过接收客户终端的指令并加以判断，进而通过预设的信息准入规则调取特定分析结果或控制策略并传输至客户终端。具体的，通过信息代理服务器集群(EMQTT)，搭建实现高可用和负载均衡的MQTT集群服务，实现不同客户终端(如Web轻量端、计算机软件、手机APP)做为信息发布者及信息调用者的基本功能。

具体的，智能体后台管理系统是采用完全分布式结构进行信息交流的，每个智能体管理系统都可以实时储存或接收来自MySQL集群数据库的信息，实现多智能体之间的信息交互。MySQL数据库具有代码开源、性能卓越、服务稳定、体积小、安装方便、易于维护等优势，提供多种API接口，支持多种操作系统及多种开发语言，尤其适用于PHP语言开发。基于MySQL数据库的显著特点，为后续多智能体系统其它功能的拓展提供信息接口，结合各种信息传感器、射频识别技术、北斗定位系统、激光扫描器等各种装置与技术，逐步实现机器与机器(M2M)及万物间的泛在网络连接。

进一步地，本案例采用MQTT作为信息准入的规则，此时的客户终端可以是信息的订阅者或发布者，借助EMQTT信息代理服务器集群实现大规模连接的多平台信息交流功能。信息负载均衡调配的作用是根据实际情况来调节软件及硬件的负载均衡，进而提高信息吞吐量、增强网络数据处理能力、体现MQTT通信规则的灵活性和可用性。智能体后台管理系统是业务操作的核心系统，它包含的功能模块包括用户注册管理、终端授权及控制管理、终端主题发布及订阅管理、多维信息计算分析、查询统计等功能模块。本案例主要介绍隧道施工过程中关于下一开挖段地质岩层预测、施工突涌水预测及防排水、隧道结构安全评估及防护、自动规划隧道开挖及施工步骤等智能模块的实现过程，充分发挥数字孪生关于预测未来的优势。

以开挖段地质岩层和突涌水的智能体系统预测为例，收集现场勘查所得的地质钻探数据、雷达超前地质预报信息、各土层类别的试验参数、各开挖段的涌水量等，存储到MySQL数据库中备用。通过信息加工整合及智能优化(如深度学习CNN)，设定关于突涌水量的影响要素，预设信息准入规则及各指标的影响因子或影响系数，主要包括岩层的弹模、水文节理的发育情况、地下水的补给条件、土体参数及水压力等指标，利用智能体管理系统2的预测分析功能进行相关性分析及主控指标识别。通过明确3-5个主控指标，建立关于突涌水预测分析的信息准入标准，适当排除不必要的因素或指标，进而为不同水文地质条件下的开挖区段提供控制策略，调取特定突涌水控制条件下的分析策略及方法，快速生成综合整治方案。每一种特定功能的优化和实现，都由不同的智能体管理系统n做为计算分析模块的核心，同时也可以结合其他智能体管理系统的分析方法，调取不同的MySQL数据库实现个性化功能的开拓与应用。

h.开挖段地质岩层及施工突涌水预测：隧道施工区域的地貌特征、地质构造、岩层节理、地下水系等条件是影响隧道施工涌水量的综合因素，其中关于地下水补给、径流及发育条件是施工突涌水预测的考察重点。地下水系统的空间分布、汇水范围、水系通道及其与隧道的空间关系，是评价地质水文条件与隧道突涌水条件之间的定量关系的标准。采用地下水示踪试验、水化学分析以及不同降雨条件下的水系统响应观测等技术手段对地下水系统的特征进行识别。通过收集地表水库及径流情况，结合水源的位置及水量进行初步的水压力分析，完善地下水补给的水动力特征；通过监测不同降雨条件下降雨量与地下径流量，建立两者之间的关系曲线，根据曲线之间的流量峰值指标判断地下水规模大小，根据各子流域的滞后时间等敏感性指标判断地下水补给条件，根据流量曲线斜率及突涌水泥质变化情况判断径流域的发育程度。

突涌水量预测的主要方法包括水文地质比拟法、水均衡法、数值解析法、地下水径流模数法、降水入渗法等，根据案例中地质岩层分布相对均匀，水系发达且地下水源补给较快等特点，选用降水入渗法对隧道工程涌水量进行预测。智能体管理系统通过调取MySQL数据库包含的地下水补给、径流及发育条件信息，通过信息加工及计算分析确定降雨入渗系数η及水文地质参数等参考值，输入到当前的开挖区段的隧道模型(TOPMODEL)中实现涌水量变化预测。开挖段地质岩层的探测信息及涌水量预测信息可以存储到MySQL数据库中，通过设置特定的主题发布，以便于客户端通过订阅的方式随时请求EMQTT信息代理服务器推送相关指令。

i.隧道结构安全评估及防护措施：采用新奥法进行隧道现代施工：把围岩和支护结构作为一个整体受力体系进行分析的，围岩既是外部荷载的施加来源，也是结构支护体系的一部分。新奥法施工充分利用了围岩和支护结构的互相作用，采用锚杆和喷射混凝土等方式作为主要支护手段，及时对开挖断面的围岩进行加固并形成围岩结构的整体受力体系。因此，隧道结构安全评估也是以围岩稳定性监测为主的评估方法，可以通过隧道围岩的地质钻孔勘探信息、现场监测的传感器信息、隧道设计方案相关信息的综合处理分析，确定支护措施及施工决策。

j.自动规划隧道施工方案：根据步骤二中分步(e)所述的关于隧道结构动态正向设计，可以确定多维度优化后的隧道施工技术方案，但是在具体施工的过程中，必须根据实际需要对施工开挖进尺、施工进度安排、施工技术及防护措施等参数进行优化，自动生成每开挖段实时的隧道施工方案。首先根据施工要求、围岩参数和地下水条件，结合每延米长度隧道围岩结构施工时间、施工成本及结构数值模拟(FEA)的自适应函数，形成初步的隧道施工技术方案。然后，针对动态建造运维集成信息模型的各类信息，主要包括地质体信息模型(GIM)所包含的围岩参数、水文节理信息；支护结构体(BIM)所包含的钢拱架、锚杆、喷射混凝土、衬砌轮廓及样式等参数；初步开挖技术方案中所包含的台阶步数、台阶分层及台阶分块尺寸，采用步骤二中分步(e)所述的粒子群算法进行优化分析。台阶法施工方案的隧道分部开挖施工效果图，如图7所示。

具体的，通过初始化粒子群参数及施工方案具体优化变量(如隧道开挖进尺、衬砌强度及厚度、锚杆直径及长度、锚杆间距等)，随机生成粒子种群与优化变量之间的联系，让每个粒子都能调用BIM实时转换的结构数值模型(FEM)进行计算，得到该粒子对围岩关键控制点的影响因子或安全系数指标，对超出预设警戒值范围的粒子进行淘汰及优化处理。此处的各种粒子警戒值是实现自动化的基础，智能体系统将综合粒子群的警戒值超限情况，挑选出让更多粒子适应于警戒值边界的优化方案，并对现场施工步骤进行自动规划和指导。最后，经过多次迭代优化后的隧道施工方案信息将存储至MySQL数据库以供各种客户端调取使用，同时更新修正动态建造运维集成信息模型，以便于BIM集成模型的Web端实时可视化展示。

k.Web平台端的数字孪生应用及展示：关于数字孪生可视化平台搭建，Web端是最便利的展示及访问途径之一，支持众多平台的轻量化在线实时预览和查询。本发明涉及一种面向物联网的3D可视化平台，采用Thing.js相关技术及JavaScript编程语言进行开发。Thing.js平台基于HTML5和WebGL技术，可以在主流浏览器上浏览和调试，支持PC和移动设备。Thing.js平台的应用是指带交互的场景，通过点击模型所包含的可复用3D资源单元，可以连接到数据库里的相关信息并以信息窗口或图表的形式进行直观展示，将真实物理世界中采集的数据实时显示到虚拟3D场景上。

具体的，BIM模型可以导入3D Max中转换成obj模型文件，并将其载入到Thing.js平台中进行各组件的场景搭建，进而生成Thing.js平台应用开发的专有格式文件。通过JavaScript脚本语言为隧道结构场景增加UI界面、交互控制逻辑、对接数据、实时监控等功能，实现包括隧道正向动态设计、隧道开挖段地质及施工涌水量预测、隧道结构安全评估等功能信息的可视化应用程序。如图8所示，可以通过点击不同的模块，对隧道结构的某一节段各个模块的基本信息进行查询，模型信息的展示及查询方式包括文本框信息、自动化生成图形表格、施工规划及流程场景模拟等，显示的功能界面具有较好的模型渲染效果。此外，还能结合实际项目需求，进一步开发诸如结果推演、模拟仿真、信息预测等方面的功能，体现数字孪生系统的基本要求及价值所在。

本领域技术人员容易理解，以上所述的某特长公路隧道案例仅为本发明的某个较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内所作的相关修改、等同替换或改进等，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统，其特征是：包括BIM+GIS子系统、数字孪生子系统、全生命周期运维管理子系统、动态信息更新模块(10)、多维信息交互模块(20)：

所述BIM+GIS子系统包括隧道结构及地质实体建模模块(1)、多维信息应用管理模块(2)、隧道动态建造运维集成信息模型(3)；

所述数字孪生子系统包括现场信息采集模块(4)、数据传输存储及处理模块(5)、隧道BIM正向设计模块(6)、数字孪生体优化模块(7)；

所述全生命周期运维管理子系统包括数字孪生智能运维模块(8)、数字孪生应用模块(9)；所述动态信息更新模块(10)用于连接BIM+GIS子系统与数字孪生子系统，可实现现场信息采集模块(4)、数字孪生体优化模块(7)以及数字孪生智能运维模块(8)与隧道动态建造运维集成信息模型(3)之间的动态信息转换，并将符合IFC标准及统一命名标准的多维信息添加到集成信息模型中；

所述多维信息交互模块(20)用于连接数字孪生子系统与全生命周期运维管理子系统，通过调用隧道动态建造运维集成信息模型(3)的有效信息，进行多智能体系统模拟(81)，并将智能生成的动态反馈信息更新至集成信息模型，实现多维信息的运维交互过程。

2.根据权利要求1所述的基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统，其特征是：所述隧道结构及地质实体建模模块(1)包括用于定义隧道结构及地质实体信息的IFC标准(11)、隧道结构及围岩地质融合体的统一命名和注解标准(12)、用于实现融合管理与应用的动态建造运维集成信息模型(15)；

所述动态建造运维集成信息模型(3)以BIM+GIS融合信息模型(15)为基础，包含了用于建立结构实体模型的BIM建模单元(13)和用于建立围岩地质模型的GIM建模单元(14)；

所述多维信息应用管理模块(2)用于动态建造运维的信息分组(21)、自定义属性集(22)、参数添加(23)，所述多维信息应用管理模块(2)包括数值模拟信息(41)、多智能体反馈信息(42)及现场多维信息模块(43)，其中，现场多维信息的采集方式包括人工检测、IoT采集、原位试验，主要采集现场实际施工过程中的几何材料、边界荷载、结构及构件性能等信息；

所述现场多维信息模块(43)包括用于更新结构地质几何参数与材料特性的现场检测及试验信息、用于确定边界与荷载模拟条件的人工检测及IoT采集信息，采用拓展式无线通信实现信息的实时传输；

所述数据模拟信息模块(41)包括用于优化不同构件的单元类型、荷载及边界模拟、网格类型及划分细度信息；所述多智能体反馈信息(42)包括数字孪生应用模块(9)中涉及的各类预测、评估及规划信息。

3.根据权利要求1所述的基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统，其特征是：所述数据传输储存与处理模块(5)包括基于轻量级代理的信息队列遥测传输协议(51)、用于实现多维模型信息预处理的信息轻量化及标准化单元(52)；

所述隧道BIM正向设计模块(6)包括隧道初期设计的地质勘探数据(61)、信息模型融合管理与应用(62)、模拟初期施工方案(63)、工程量及成本控制(64)、结构设计及初期验算(65)、碰撞检查及图纸生成(66)；

所述数字孪生体优化模块(7)包括超前地质预报及现场施工实况(71)、用于有限元模型设计修正的数字孪生体优化单元(72)；所述数字孪生体优化单元(72)包括单元类型、网格划分、边界模拟、结构修正、材料变化及荷载变更等有限元分析相关信息。

4.根据权利要求1所述的基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统，其特征是：所述数字孪生智能分析模块(8)包括基于数字孪生数据库的隧道动态反馈分析(81)、基于多智能体系统的全生命周期信息管理平台(82)；

所述数字孪生应用模块(9)包括预测下一开挖段水文地质(91)、预测施工突涌水量(92)、隧道结构安全评估及防护(93)、自动规划隧道开挖(94)、多维信息查询及展示(95)。

5.根据权利要求2所述的基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统，其特征在于：所述动态信息更新模块(10)及多维信息交互模块(20)采用IFC格式实现信息交流互动；

所述数值模拟信息(41)通过多维信息交互模块(20)接收来自数字孪生体优化(72)的有限元数值优化信息；所述多智能体反馈信息(42)通过多维信息交互模块(10)接收来自数字孪生智能运维模块(8)的动态反馈信息；所述的现场多维信息(43)通过人工录入的方式进行定期更新；

所述多维信息交互模块(20)对动态建造运维信息进行有效提取，实现目标信息轻量化的要求，可供数字孪生智能运维模块(8)识别及应用，同时为信息队列遥测传输MQTT(51)提供有效信息，以便于信息的IFC标准化；

所述动态信息更新模块(10)为多维信息应用管理模块(2)提供IFC格式信息来源，以确保信息分组(21)、自定义属性集(22)、参数添加(23)等功能的实现；

所述数字孪生智能分析模块(8)与数字孪生应用模块(9)接收来自多维信息交互模块(20)的有效运维信息，为搭建全生命周期信息管理平台(82)提供信息来源。

6.根据权利要求1所述的基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统，其特征在于：所述动态信息更新模块(10)是通过接收数据传输储存与处理模块(5)的轻量化及标准化信息，导出统一标准的IFC格式文件，并实现多维信息应用管理模块(2)的自定义属性集添加功能，进而更新隧道动态建造运维集成信息模型(3)。

7.根据权利要求1所述的基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统，其特征在于：动态信息更新模块(10)中的动态信息包括现场传感器监测信息、地质围岩信息、隧道结构信息、施工信息、成本信息、数值模拟信息、人工录入运维信息及智能应用信息，各类信息依次附属于地质围岩实体、隧道结构、细部构件模型的拼合过程，形成包含各构件多维度信息及全生命周期信息的隧道动态建造运维集成信息模型。

8.根据权利要求1所述的基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统，其特征在于：所述数字孪生体优化模块(7)依据地质勘探数据(61)建立初期地质模型，通过超前地质预报的情况对开挖段的地质模型进行二次修改并生成施工方案，以指导开挖段的安全施工；再根据现场开挖施工遇到的地质监控量测数据、水文节理及掌子面的综合实况，对地质模型进行细部优化及信息补充，以形成与现实相符的GIM数字孪生体，为隧道BIM正向设计的动态更新及优化提供实时准确的地质信息。

9.根据权利要求1～8任一项所述的基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统，其特征在于：隧道BIM正向设计模块(6)是依据动态更新的地质信息模型GIM进行的，根据现场超前地质预报及施工实况对隧道结构模型的初期设计方案进行修正，可结合3D信息模型融合管理与应用，实现4D初期施工方法模拟的实用性分析、5D工程量及成本控制的经济性分析与6D结构设计及初步验算的可靠性分析，形成动态更新的隧道结构BIM数字孪生体。

10.实现权利要求9所述的基于BIM+GIS技术的长大隧道数字孪生系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、依据地质勘探数据确定隧道结构，利用隧道结构模拟前期设计过程，前期设计过程包括初期施工方案、控制工程量及成本、结构设计验算，进而生成设计图纸和施工方案，并建立初期隧道结构BIM模型及围岩地质GIM模型；

S2、选择通用性的BIM3D软件融合隧道结构与地质信息模型(BIM+GIM)，结合IFC标准补充和完善自定义属性集的多维信息，组建包括各个模块、各阶段、多维度信息的隧道动态建造运维集成信息模型，以便于实现IFC通用格式下的多维信息交互；

S3、根据超前地质预报及现场施工实况，结合人工检测及IoT采集的现场数据，对围岩地质GIS模型进行二次修正，并通过有限元数值模拟信息的优化过程实现隧道结构BIM模型二次修正；当每个自定义的现场施工节段完成时，通过触发步骤S1及步骤S2的循环机制，更新隧道动态建造运维集成信息模型，并利用动态建造运维集成信息模型与集群智能分析的粒子群算法，对隧道结构动态正向设计进行多主体目标优化，生成不断更新的动态施工方案；

S4、结合信息队列遥测传输及多智能体系统实现开挖过程中的地质岩层及施工突涌水预测、隧道安全评估及其防护措施、自动规划隧道开挖等功能，并指导每个开挖段的安全施工；搭建基于Web端的全生命周期信息管理平台，融合隧道动态建造运维集成信息模型的轻量化信息查询与多平台交互功能，同步展示隧道开挖的安全评估及地质结构状态的在线预测结果，实现隧道数字孪生系统的多维信息可视化及相关应用拓展。

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