CN116305497B - 一种多层次隧道设施建模方法、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
一种多层次隧道设施建模方法、电子设备及存储介质，属于交通信息化技术领域。为便于数字孪生技术在隧道运营中的应用。本发明根据数字孪生的建模要求以及隧道运营业务对隧道设施建模的需求，将隧道以及设施定义为动态建模设施和静态建模设施；得到的动态建模设施和静态建模设施进行项目的功能需求分解，每个项目的功能需求分解为对象设施、支撑设施、要求等级，根据分解的项目的功能需求绘制隧道设施建模网络图；得到的隧道设施建模网络图提取隧道设施建模拓扑结构图，进行多层次隧道设施建模方案的参数量化。本发明为加强数字孪生在隧道运营当中的应用，加深对数字孪生技术的理解，加速数字孪生技术在更多基础设施和其他领域的落地提供参考。
Description
技术领域
本发明属于交通信息化技术领域，具体涉及一种多层次隧道设施建模方法、电子设备及存储介质。
背景技术
隧道作为城市关键交通设施，作为连接不同区域的关键节点，承担着跨区域交通运输的重要功能。隧道当中运行过程中存在多种类型的危化品车辆、大型货运车辆以及其他危及隧道安全运行的交通车辆。世界各地由于隧道发生交通事故、火灾等引起的重大安全事故给人民经济财产和生命安全带来巨大的损失。隧道由于地理环境复杂，空间密闭使得通信信号衰减、视线局限，导致事故发生后很难立即察觉并实施有效的处置策略，并且在狭窄空间下极易发生二次事故。因此，隧道安全运营面临巨大的挑战。
近年来，隧道管理方通过引入先进的传感器技术、先进通信技术、先进软件实现对隧道运行的实时监测，通过感知隧道内的各项运行参数，结合业务的分析流程和手段，对隧道中的风险因素进行预警和管控。其中，隧道数字孪生是近些年来比较前沿的技术之一。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。数字孪生通过高精度的模型对真实对象进行建模，借助传感器以及其他手段获取的数据，完成真实对象行为的复刻和还原。目前市面上存在的三维模型建模软件、三维场景渲染引擎种类很多，能够支持不同精度、不同要求和不同对象的建模需求。比如场景的3DMAX、UNITY 3D、UNREAL ENGINE 4 & 5、BLENDER等。不同的项目需求以及对象功能具有差异性，不同对象的建模需求有很大的差异性，不同场景下的同一个对象的建模需求也有可能不同，需要考虑不同的建模精度对系统硬件的要求、以及建模人员的投入及项目的预算。因此，需要对数字孪生项目中的不同对象的建模需求进行明确研究。
发明内容
本发明要解决的问题是便于数字孪生技术在隧道运营中的应用，提出一种多层次隧道设施建模方法、电子设备及存储介质。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种多层次隧道设施建模方法，包括如下步骤：
S1、根据数字孪生的建模要求以及隧道运营业务对隧道设施建模的需求，将隧道以及设施定义为动态建模设施和静态建模设施；
S2、将步骤S1得到的动态建模设施和静态建模设施进行项目的功能需求分解，每个项目的功能需求分解为对象设施、支撑设施、要求等级，根据分解的项目的功能需求绘制隧道设施建模网络图；
S3、根据步骤S2得到的隧道设施建模网络图提取隧道设施建模拓扑结构图，进行多层次隧道设施建模方案的参数量化。
进一步的，步骤S1的具体实现方法包括如下步骤：
S1.1、定义动态建模设施为满足项目功能性需求的设施，定义静态建模设施为满足项目非功能性需求的设施；
S1.2、将动态建模设施分为核心建模需求设施、功能性建模需求设施，静态建模设施分为非功能性需求建模设施、其他类建模设施；
S1.3、根据隧道运营业务特征，确定基于隧道数字孪生建模的动态建模设施、基于隧道数字孪生建模的静态建模设施，具体实现方法包括如下步骤：
S1.3.1、采集基于隧道数字孪生建模的数据，包括隧道交通车辆的运行数据、隧道主体结构的监测数据、隧道机电设备的运行数据；
S1.3.2、确定基于隧道数字孪生建模的动态建模设施，包括隧道主体结构、隧道风机、隧道摄像头、隧道车辆、隧道内的照明灯具；
S1.3.3、依据满足安全性、可靠性、互操作性、健壮性的非功能性需求的设施，基于隧道三维场景的搭建效果确定隧道的静态建模设施，包括山体、车行道、其他交通设施、周边建筑物、树木、远处建筑物、一般地面、隧道设施故障、正常、关闭的状态中的一种或多种。
进一步的，步骤S2的具体实现方法包括如下步骤：
S2.1、从隧道数字孪生项目的设计文本中收集项目的功能需求，同时跟进功能需求的变更过程，得到项目的功能需求，隧道功能需求包括隧道结构监测、隧道结构风险预警、隧道结构事件处置、隧道机电监测、隧道机电预警、隧道机电事件处置、隧道交通流监测、隧道交通流评估与预警、隧道交通流事件处置；
S2.2、将步骤S2.1得到的项目的功能需求进行重要度排名，对收集的所有项目的功能需求进行重要度排名打分，然后对得到的分值进行取平均值计算，得到项目的功能需求的重要度参数值、项目的功能需求的重要度排名；
S2.3、根据步骤S2.2得到的项目的功能需求的重要度排名，按照排名先后次序对所有项目的功能需求进行分解，每个项目的功能需求分解为对象设施、支撑设施、要求等级，并关联相关设施；
S2.4、根据步骤S2.3分解的项目的功能需求绘制隧道设施建模网络图，所述隧道设施建模网络图以动态建模设施为中心，静态建模设施为辅助，具有动态建模设施之间关联性的设施建模网络图。
进一步的，步骤S3的具体实现方法包括如下步骤：
S3.1、根据步骤S2得到的隧道设施建模网络图，提取对象设施、支撑设施的连接关系，得到隧道设施建模拓扑结构图；
S3.2、采集每个对象设施、支撑设施的连接关系对应的功能需求的重要度参数值；
S3.3、将步骤S3.1中提取的对象设施、支撑设施设置为网络分析模型中的节点，对象设施、支撑设施的连接关系设置为网络分析模型中的连边，对象设施、支撑设施的连接关系对应的功能需求的重要度参数值设置为连边的权重值；
S3.4、计算隧道设施建模拓扑结构图的度分布：度的定义为每个节点连出的所有连边的数量，度分布是对于隧道设施建模拓扑结构图中节点度的数量的概率分布，然后计算度中心性，计算公式为：
其中，表示节点i的度中心性，/>表示现有的节点k与节点i相连的连边的数量，N-1表示节点i与其他节点相连的连边的数量；
S3.5、计算隧道设施建模拓扑结构图的节点介数分布，节点介数定义为网络中所有最短路径中经过该节点的路径的数目占最短路径总数的比例，然后计算节点介数中心性，计算公式为：
其中，M表示隧道设施建模拓扑结构图中的节点数目，表示节点i的节点介数中心性，/>表示经过节点s和i且为最短路径的路径数量，/>表示连接节点s和节点t的最短路径的数量；
S3.6、根据步骤S3.4得到的节点度中心性和步骤S3.5得到的节点介数中心性，构建隧道设施建模的三维建模网络量化参数MNQP，计算公式为：
其中，表示节点i的三维建模网络量化参数，/>表示所有与节点i相连的节点集合，/>表示节点i和节点e之间的连边权重值；MNQP对应的是可视面积的平均建模面数量指标；
S3.7、根据步骤S3.1-S3.6，计算得到所有节点的三维建模网络量化参数，构成整个量化的设施建模方案，用以设施模型的可视面积的平均建模面数量。
电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种多层次隧道设施建模方法的步骤。
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种多层次隧道设施建模方法。
本发明的有益效果：
本发明所述的一种多层次隧道设施建模方法，从隧道设施的功能性分类角度：首先，提出动态建模设施和静态建模设施两种分类方式。具体的，动态建模设施分为核心建模需求和功能性建模需求，主要是指完成项目核心功能以及满足功能性需求项的设施建模要求。例如对于隧道而言，隧道的主体结构以及隧道当中的机电设备属于动态建模设施，一方面隧道主体结构属于隧道数字孪生的核心建模设施，另一方面机电设备属于隧道监测业务当中的核心监测对象。静态建模设施又分为非功能性需求建模设施和其他类建模设施。其中，非功能性需求指的是为满足用户业务需求而必须具有且除功能需求以外的特性，包括安全性、可靠性、互操作性、健壮性。例如在隧道数字孪生项目中隧道周边场景的搭建、隧道内车辆多种类型的要求。因此，基于以上的分类，可以根据实际的业务需求对设施建模设置具有不同层次的方案。
本发明所述的一种多层次隧道设施建模方法，从隧道设施建模方案的确定角度：对于隧道而言，隧道的主体结构、机电设备和交通车辆属于动态建模设施。而余下的设施属于静态建模设施。本发明通过功能分解的方式，构建功能需求对应的具体建模设施，从而完成隧道设施建模方案的确定。具体的，根据隧道数字孪生项目的业务功能需求出发，制定不同等级的需求。同时，需求的描述语言需要包括三个主要部分：对象设施、支撑设施、（相关设施）和要求等级。例如隧道数字孪生项目的核心功能之一是要求还原隧道内实时的车辆车道级的轨迹，这个功能应该描述为：车辆（对象设施）在隧道车行道（支撑设施）上车道级的实时还原（要求等级）。然后从这个功能出发，隧道车辆和隧道车行道属于动态建模设施，通过要求等级可以确定对车辆类型、颜色多样性的要求，而对隧道车行道则没有明显要求。同时推测出相关设施为隧道的车道指示灯。通过这样的方式，对所有不同等级的业务功能需求进行分解，得到所有的动态和静态建模设施以及具体的设施建模要求。
本发明所述的一种多层次隧道设施建模方法，从隧道设施建模方案的量化角度：枚举出所有三部分设施相关的核心功能需求同时进行打分，得出所有功能需求的重要度排名和重要度得分，得分越高排名越靠前。因此，在实施并获取到整体的隧道设施建模方案之后，根据实际建模方案中各个设施在不同功能需求当中的完成度和覆盖率进行量化。其中，当通过对功能拆分实现了功能需求层面不同核心动态建模设施之间的关联性网络，然后对网络进一步进行分析。此外，等级越高的功能需求对应精度越高的设施。针对同一个设施在不同功能需求中的不同建模要求进行融合，采用频率相加，也就是出现在核心功能需求中次数越多的设施，优先性排名越靠前，确定设施的建模精度（确定可视面积的平均建模面数量）。采用要求取并集，即采用并集的方式保证不同的要求需要同时满足，确定设施的状态建模。
本发明所述的一种多层次隧道设施建模方法，1.本发明提出设施建模的动态和静态的分类方法，将数字孪生技术与实际隧道运营的业务结合提供了实施的路径，针对项目开发的功能需求以及成本预算的限制取得了平衡；2.本发明从功能需求出发，拆分并对应具体的实施对象，获取不同设施的建模需求以及与其他设施之间的相关性。通过对核心动态建模设施和静态建模设施之间在同一功能场景下的关联性的分析，构建多层次的设施建模实施方案；3.本发明在设施建模方案的基础上，通过量化不同设施建模的状态以及建模精度，从而在项目功能需求的基础上挖掘设施建模应用，同时采用量化的方式实现设施建模的评价和修正，最终帮助设施建模方案的准确落地；4.本发明通过提出一种功能需求的拆分方法，实现功能需求到设施建模之间的转化，最终获取设施建模网络图和设施建模拓扑结构图，实现了从单点到网络，从定性分析到定量计算的转变和升级。综合以上，本发明通过引入动态和静态设施建模的分类方法，从项目功能需求入手，分析动态建模设施和静态建模设施之间的关联性，构建多层次的隧道设施建模方案。本发明为加强数字孪生在隧道运营当中的应用，加深对数字孪生技术的理解，加速数字孪生技术在更多基础设施和其他领域的落地提供参考。
附图说明
图1为本发明所述的一种多层次隧道设施建模方法的流程图；
图2为本发明所述的一种多层次隧道设施建模方法的功能需求分解示意图；
图3为本发明所述的一种多层次隧道设施建模方法的隧道设施建模网络图；
图4为本发明所述的一种多层次隧道设施建模方法的隧道设施建模拓扑结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的具体实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的具体实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明具体实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，本发明还可以具有其他实施方式。
因此，以下对在附图中提供的本发明的具体实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定具体实施方式。基于本发明的具体实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下具体实施方式，并配合附图1-附图4详细说明如下 ：
具体实施方式一：
一种多层次隧道设施建模方法，包括如下步骤：
S1、根据数字孪生的建模要求以及隧道运营业务对隧道设施建模的需求，将隧道以及设施定义为动态建模设施和静态建模设施；
进一步的，步骤S1的具体实现方法包括如下步骤：
S1.1、定义动态建模设施为满足项目功能性需求的设施，定义静态建模设施为满足项目非功能性需求的设施；
首先，设施建模分为动态设施建模和静态设施建模两大类。动态设施建模指的是满足项目功能性需求的设施建模，一般需要建立高精度模型，同时满足不同场景下对设施呈现多种状态的要求。一般包括对应项目核心功能的设施、主要的数据载体对象、重要的功能实现辅助对象。静态设施建模指的是满足项目非功能性需求的对象，一般不需要太高的建模精度，呈现状态也比较单一。其中非功能性需求一般包括安全性、可靠性、互操作性、健壮性；
S1.2、将动态建模设施分为核心建模需求设施、功能性建模需求设施，静态建模设施分为非功能性需求建模设施、其他类建模设施；
其次，动态建模设施当中又分为核心建模需求和功能性建模需求，主要是指完成项目核心功能以及满足功能性需求的设施建模要求。比如对于隧道而言，隧道的主体结构以及隧道当中的机电设备属于动态建模设施，一方面隧道主体结构属于隧道数字孪生的核心建模设施，另一方面机电设备属于隧道监测业务当中的核心监测对象。此外，静态建模设施又分为非功能性需求建模设施和其他类建模设施。其中，非功能性需求指的是为满足用户业务需求而必须具有且除功能性需求以外的特性，包括安全性、可靠性、互操作性、健壮性，例如在隧道数字孪生项目中隧道周边场景的搭建、隧道内车辆多种类型的要求；
S1.3、根据隧道运营业务特征，确定基于隧道数字孪生建模的动态建模设施、基于隧道数字孪生建模的静态建模设施，具体实现方法包括如下步骤：
S1.3.1、采集基于隧道数字孪生建模的数据，包括隧道交通车辆的运行数据、隧道主体结构的监测数据、隧道机电设备的运行数据；
S1.3.2、确定基于隧道数字孪生建模的动态建模设施，包括隧道主体结构、隧道风机、隧道摄像头、隧道车辆、隧道内的照明灯具；
S1.3.3、依据满足安全性、可靠性、互操作性、健壮性的非功能性需求的设施，基于隧道三维场景的搭建效果确定隧道的静态建模设施，包括山体、车行道、其他交通设施、周边建筑物、树木、远处建筑物、一般地面、隧道设施故障、正常、关闭的状态中的一种或多种；
根据隧道运营的一般特点，选出基于隧道数字孪生建模的动态建模设施、基于隧道数字孪生建模的静态建模设施。
首先是重要的数据载体，具体的指的是项目核心数据展示的对象模型。隧道数字孪生平台的核心数据包括隧道交通车辆的运行数据、隧道主体结构的监测数据以及隧道机电设备的运行数据。具体的分析，隧道主题结构的监测数据和隧道机电设备的运行数据可以通过信息列表或者信息弹框的形式展示，但是对应的隧道主体结构作为整个隧道项目场景的核心，无论是交通车辆的展示、隧道漫游等功能都与其相关，因此隧道主体结构属于动态建模设施中的核心建模需求。机电设备中关键的风机、摄像头等同样属于动态建模设施。然后，隧道车辆数据的展示属于整个隧道数字孪生项目的核心功能，车辆实时数据的真实还原关系整个项目的成败。与此同时，因为不对车辆的内部构造有相关要求，因此车辆的外观建模属于动态建模设施中的功能性建模需求。
其次是重要的功能实现辅助对象，主要是指隧道内的照明灯具。隧道是特殊的封闭空间，隧道内的光照条件往往受到经济因素的要求，目前大多采用智慧照明的方案。因此，如何真实的还原隧道内的光照环境，对于整体隧道内的场景建模至关重要。参照真实隧道内的情况，对常亮灯具、非常亮灯具进行建模，保证光照条件真实还原的情况下，还可以实现灯具的开/关控制以及亮度的控制。
最后是静态建模设施，静态建模设施是满足安全性、可靠性、互操作性、健壮性非功能性需求的设施对象。具体对应隧道数字孪生的项目，主要考虑性能、可用性、易用性（交互便捷）。性能指的是整个隧道数字孪生项目中的三维场景搭建的效果，考虑对隧道周边的地形进行建模，主要包括山体、交通道路及其他交通设施、周边建筑物。可用性指的是正常使用时间占总体时间的比例，对应项目里指的是对硬件设施的依赖度以及后期整体渲染的优化，主要包括树木、远处建筑物、一般地面。易用性指的是设计便捷的交互，对应项目里指的是设施本身建模的多种状态，比如设施故障、正常和关闭时的不同状态表示。因此，基于以上的分类，可以根据实际的业务需求对设施建模设置具有不同层次的方案。
S2、将步骤S1得到的动态建模设施和静态建模设施进行项目的功能需求分解，每个项目的功能需求分解为对象设施、支撑设施、要求等级，根据分解的项目的功能需求绘制隧道设施建模网络图；
进一步的，步骤S2的具体实现方法包括如下步骤：
S2.1、从隧道数字孪生项目的设计文本中收集项目的功能需求，同时跟进功能需求的变更过程，得到项目的功能需求，隧道功能需求包括隧道结构监测、隧道结构风险预警、隧道结构事件处置、隧道机电监测、隧道机电预警、隧道机电事件处置、隧道交通流监测、隧道交通流评估与预警、隧道交通流事件处置；
S2.2、将步骤S2.1得到的项目的功能需求进行重要度排名，对收集的所有项目的功能需求进行重要度排名打分，然后对得到的分值进行取平均值计算，得到项目的功能需求的重要度参数值、项目的功能需求的重要度排名；
S2.3、根据步骤S2.2得到的项目的功能需求的重要度排名，按照排名先后次序对所有项目的功能需求进行分解，每个项目的功能需求分解为对象设施、支撑设施、要求等级，并关联相关设施；
例如：隧道数字孪生项目的核心功能之一是要求还原隧道内实时的车辆车道级的轨迹，这个功能应该描述为：车辆（对象设施）在隧道车行道（支撑设施）上车道级的实时还原（要求等级）。然后从这个功能出发，隧道车辆和隧道车行道属于动态建模设施，通过要求等级可以确定对车辆类型、颜色多样性的要求，而对隧道车行道则没有明显要求。同时也可推测出相关设施为隧道的车道指示灯；
S2.4、根据步骤S2.3分解的项目的功能需求绘制隧道设施建模网络图，所述隧道设施建模网络图以动态建模设施为中心，静态建模设施为辅助，具有动态建模设施之间关联性的设施建模网络图；
建模隧道设施建模网络图中总的来说是多对多的关系，比如处于核心的隧道车辆与多个其他设施通过功能需求存在关联性。此外，矩形圆角框的相关设施（一般是静态建模设施）也是多对多的关联性。设施建模网络图中与圆形对应的矩形无边框部分是对应设施的数据来源，比如通过AI算法分析获取交通车辆数据的隧道车辆设施，通过传感器实时监测获取数据的结构传感器设施，通过地质图获取数据的隧道衬砌结构。最终，通过功能需求的描述方法，构建以动态建模设施为中心，静态建模设施为辅助的，呈现动态建模设施之间关联性的设施建模网络图，最终制定设施建模的全局方案；
S3、根据步骤S2得到的隧道设施建模网络图提取隧道设施建模拓扑结构图，进行多层次隧道设施建模方案的参数量化。
隧道设施建模方案的量化。通过以上获取的设施建模网络图，进一步抽取出设施建模拓扑结构图，从而实现建模方案的量化。具体的是通过功能需求的重要度参数和排名结果，转化为设施建模的状态要求和建模精度。最终，通过可确定的可视面积的平均建模面数量指标进行量化。
进一步的，步骤S3的具体实现方法包括如下步骤：
S3.1、根据步骤S2得到的隧道设施建模网络图，提取对象设施、支撑设施的连接关系，得到隧道设施建模拓扑结构图；
S3.2、采集每个对象设施、支撑设施的连接关系对应的功能需求的重要度参数值；
S3.3、将步骤S3.1中提取的对象设施、支撑设施设置为网络分析模型中的节点，对象设施、支撑设施的连接关系设置为网络分析模型中的连边，对象设施、支撑设施的连接关系对应的功能需求的重要度参数值设置为连边的权重值；
S3.4、计算隧道设施建模拓扑结构图的度分布：度的定义为每个节点连出的所有连边的数量，度分布是对于隧道设施建模拓扑结构图中节点度的数量的概率分布，然后计算度中心性，计算公式为：
其中，表示节点i的度中心性，/>表示现有的节点k与节点i相连的连边的数量，N-1表示节点i与其他节点相连的连边的数量；
计算设施建模拓扑结构图的度分布，度分布是图论和网络理论中的概念。一个图（或网络）由一些节点和连接它们的边构成。每个节点连出的所有边的数量就是这个节点的度。度分布是对一个网络中节点度数的总体描述。对于随机图，度分布指的是图中顶点度数的概率分布。计算度分布一方面是为了找出在设施建模拓扑结构图当中的核心节点，另一方面是为了分析设施建模拓扑结构图的度分布情况，假如度大的建模设施比例较多，说明系统的功能需求当中建模设施关联性较强，系统耦合性较高；假如度小的建模设施较多，则说明系统的功能需求当中建模设施关联性较弱，系统内聚性较高；
S3.5、计算隧道设施建模拓扑结构图的节点介数分布，节点介数定义为网络中所有最短路径中经过该节点的路径的数目占最短路径总数的比例，然后计算节点介数中心性，计算公式为：
其中，M表示隧道设施建模拓扑结构图中的节点数目，表示节点i的节点介数中心性，/>表示经过节点s和i且为最短路径的路径数量，/>表示连接节点s和节点t的最短路径的数量；
计算设施建模拓扑结构图的边介数分布。节点介数定义为网络中所有最短路径中经过该节点的路径的数目占最短路径总数的比例。介数反映了相应的节点或者边在整个网络中的作用和影响力，是一个重要的全局几何量，具有很强的现实意义。具体的，设施建模拓扑结构图中的节点介数用以衡量建模设施在整个隧道数字孪生项目当中的地位，也对于实际项目实施过程中的需求分析、资源配给、项目管理等活动具有重要意义；
S3.6、根据步骤S3.4得到的节点度中心性和步骤S3.5得到的节点介数中心性，构建隧道设施建模的三维建模网络量化参数MNQP，计算公式为：
其中，表示节点i的三维建模网络量化参数，/>表示所有与节点i相连的节点集合，/>表示节点i和节点e之间的连边权重值；MNQP对应的是可视面积的平均建模面数量指标；
S3.7、根据步骤S3.1-S3.6，计算得到所有节点的三维建模网络量化参数，构成整个量化的设施建模方案，用以设施模型的可视面积的平均建模面数量。
进一步的，首先前面通过分解出多个功能需求，然后解析不同的功能需求之间的关系结构，对不同的功能需求重要度进行量化和排序量化，最后提出一个统一的建模参数，这个参数是基于前面的每个节点的重要度量化结果进行计算。也就是基于以上，可以得出每个功能需求的建模指标，构成了整个量化的设施建模方案整个面也就是整个方案。举例说明：建楼房，首先分析出需要建哪几层楼，然后楼房的结构得出来，然后是每层楼需要的材料以及数量量化了，确定楼房的建造方案就。
1.本实施方式提出设施建模的动态和静态的分类方法，将数字孪生技术与实际隧道运营的业务结合提供了实施的路径，针对项目开发的功能需求以及成本预算的限制取得了平衡； 2.本实施方式从功能需求出发，拆分并对应具体的实施对象，获取不同设施的建模需求以及与其他设施之间的相关性。通过对核心动态建模设施和静态建模设施之间在同一功能场景下的关联性的分析，构建多层次的设施建模实施方案； 3.本实施方式在设施建模方案的基础上，通过量化不同设施建模的状态以及建模精度，从而在项目功能需求的基础上挖掘设施建模应用，同时采用量化的方式实现设施建模的评价和修正，最终帮助设施建模方案的准确落地；4.本实施方式通过提出一种功能需求的拆分方法，实现功能需求到设施建模之间的转化，最终获取设施建模网络图和设施建模拓扑结构图，实现了从单点到网络，从定性分析到定量计算的转变和升级。综合以上，本发明通过引入动态和静态设施建模的分类方法，从项目功能需求入手，分析动态建模设施和静态建模设施之间的关联性，构建多层次的隧道设施建模方案。本发明为加强数字孪生在隧道运营当中的应用，加深对数字孪生技术的理解，加速数字孪生技术在更多基础设施和其他领域的落地提供参考。
具体实施方式二：
电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种多层次隧道设施建模方法的步骤。
本发明的计算机装置可以是包括有处理器以及存储器等装置，例如包含中央处理器的单片机等。并且，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述的一种多层次隧道设施建模方法的步骤。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如声音播放功能、图像播放功能等）等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据（比如音频数据、电话本等）等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
具体实施方式三：
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种多层次隧道设施建模方法。
本发明的计算机可读存储介质可以是被计算机装置的处理器所读取的任何形式的存储介质，包括但不限于非易失性存储器、易失性存储器、铁电存储器等，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当计算机装置的处理器读取并执行存储器中所存储的计算机程序时，可以实现上述的一种多层次隧道设施建模方法的步骤。
所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
本发明的技术关键点和欲保护点：
首先，提出动态设施建模和静态设施建模的区别，在传统的三维建模方法的基础上融入隧道业务需求，构建三维建模方法实施过程的分析框架，实现项目需求与实际投入之间的平衡，提高项目的可实施性、可复制性和可拓展性。
以项目功能需求入手，通过拆解功能需求，将功能需求的关联性转化为设施建模的关联性，发掘动态设施建模和静态设施建模，获取三维建模的实施方案；将功能需求的重要度排序转化为设施建模的重要度排序，从而发掘核心建模设施，建立层次性三维建模的实施方案；
通过提出一种功能需求拆分的新方法，实现以动态设施建模为中心，静态设施建模为辅助，获取设施建模网络图；
从设施建模网络图出发，抽取出设施建模拓扑结构图，引入网络分析的方法，计算不同节点设施的度中心性和介数中心性，实现实施方案的量化，帮助实施方案的实际落地。
最后，提出三维建模的网络量化参数，该参数可以直接确定可视面积的平均建模面数量。不同设施通过各自的三维建模的网络量化参数，最终实现包括不同建模精度等级的隧道数字孪生的三维建模实施方案。
缩略语和关键术语定义：
Degree Centrality，DC， 度中心性；Betweenness Centrality， BC，介数中心性；Modelling Networking Quantitative Parameter，MNQP，三维建模网络量化参数。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然在上文中已经参考具体实施方式对本申请进行了描述，然而在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本申请所披露的具体实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本申请并不局限于文中公开的特定具体实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (5)
1.一种多层次隧道设施建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据数字孪生的建模要求以及隧道运营业务对隧道设施建模的需求，将隧道以及设施定义为动态建模设施和静态建模设施；
S2、将步骤S1得到的动态建模设施和静态建模设施进行项目的功能需求分解，每个项目的功能需求分解为对象设施、支撑设施、要求等级，根据分解的项目的功能需求绘制隧道设施建模网络图；
S3、根据步骤S2得到的隧道设施建模网络图提取隧道设施建模拓扑结构图，进行多层次隧道设施建模方案的参数量化；
步骤S3的具体实现方法包括如下步骤：
S3.1、根据步骤S2得到的隧道设施建模网络图，提取对象设施、支撑设施的连接关系，得到隧道设施建模拓扑结构图；
S3.2、采集每个对象设施、支撑设施的连接关系对应的功能需求的重要度参数值；
S3.3、将步骤S3.1中提取的对象设施、支撑设施设置为网络分析模型中的节点，对象设施、支撑设施的连接关系设置为网络分析模型中的连边，对象设施、支撑设施的连接关系对应的功能需求的重要度参数值设置为连边的权重值；
S3.4、计算隧道设施建模拓扑结构图的度分布：度的定义为每个节点连出的所有连边的数量，度分布是对于隧道设施建模拓扑结构图中节点度的数量的概率分布，然后计算度中心性，计算公式为：
其中，DCi表示节点i的度中心性，ki表示现有的节点k与节点i相连的连边的数量，N-1表示节点i与其他节点相连的连边的数量；
S3.5、计算隧道设施建模拓扑结构图的节点介数分布，节点介数定义为网络中所有最短路径中经过该节点的路径的数目占最短路径总数的比例，然后计算节点介数中心性，计算公式为：
其中，M表示隧道设施建模拓扑结构图中的节点数目，BCi表示节点i的节点介数中心性，表示经过节点s和i且为最短路径的路径数量，gst表示连接节点s和节点t的最短路径的数量；
S3.6、根据步骤S3.4得到的节点度中心性和步骤S3.5得到的节点介数中心性，构建隧道设施建模的三维建模网络量化参数MNQP，计算公式为：
其中，MNQPi表示节点i的三维建模网络量化参数，Li表示所有与节点i相连的节点集合，wie表示节点i和节点e之间的连边权重值；MNQP对应的是可视面积的平均建模面数量指标；
S3.7、根据步骤S3.1-S3.6，计算得到所有节点的三维建模网络量化参数，构成整个量化的设施建模方案，用以设施模型的可视面积的平均建模面数量。
2.根据权利要求1所述的一种多层次隧道设施建模方法，其特征在于，步骤S1的具体实现方法包括如下步骤：
S1.1、定义动态建模设施为满足项目功能性需求的设施，定义静态建模设施为满足项目非功能性需求的设施；
S1.2、将动态建模设施分为核心建模需求设施、功能性建模需求设施，静态建模设施分为非功能性需求建模设施、其他类建模设施；
S1.3、根据隧道运营业务特征，确定基于隧道数字孪生建模的动态建模设施、基于隧道数字孪生建模的静态建模设施，具体实现方法包括如下步骤：
S1.3.1、采集基于隧道数字孪生建模的数据，包括隧道交通车辆的运行数据、隧道主体结构的监测数据、隧道机电设备的运行数据；
S1.3.2、确定基于隧道数字孪生建模的动态建模设施，包括隧道主体结构、隧道风机、隧道摄像头、隧道车辆、隧道内的照明灯具；
S1.3.3、依据满足安全性、可靠性、互操作性、健壮性的非功能性需求的设施，基于隧道三维场景的搭建效果确定隧道的静态建模设施，包括山体、车行道、其他交通设施、周边建筑物、树木、远处建筑物、地面中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的一种多层次隧道设施建模方法，其特征在于，步骤S2的具体实现方法包括如下步骤：
S2.1、从隧道数字孪生项目的设计文本中收集项目的功能需求，同时跟进功能需求的变更过程，得到项目的功能需求，隧道功能需求包括隧道结构监测、隧道结构风险预警、隧道结构事件处置、隧道机电监测、隧道机电预警、隧道机电事件处置、隧道交通流监测、隧道交通流评估与预警、隧道交通流事件处置；
S2.2、将步骤S2.1得到的项目的功能需求进行重要度排名，对收集的所有项目的功能需求进行重要度排名打分，然后对得到的分值进行取平均值计算，得到项目的功能需求的重要度参数值、项目的功能需求的重要度排名；
S2.3、根据步骤S2.2得到的项目的功能需求的重要度排名，按照排名先后次序对所有项目的功能需求进行分解，每个项目的功能需求分解为对象设施、支撑设施、要求等级，并关联相关设施；
S2.4、根据步骤S2.3分解的项目的功能需求绘制隧道设施建模网络图，所述隧道设施建模网络图以动态建模设施为中心，静态建模设施为辅助，具有动态建模设施之间关联性的设施建模网络图。
4.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-3任一项所述的一种多层次隧道设施建模方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-3任一项所述的一种多层次隧道设施建模方法。
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