一种数字孪生隧道与智能建造方法及系统

本发明涉及建筑工程智能建造、智慧建造与智能运营维护，特别是涉及隧道工程的建造与运营监控领域，尤其涉及隧道智能化建造运营监控的应用工具和实现方法，具体为一种数字孪生隧道与智能建造方法及系统。

背景技术：

1、目前隧道工程建设和运维的信息化智能化水平仍然较低，隧道工程建设向机械化自动化智能化转型的进程依然缓慢，同时对隧道在运营管理阶段会出现裂缝、鼓包和渗漏水等病害仍主要是采取被动处治措施，无法预先发现隧道运营维护中的健康问题。当需要对隧道的健康状况进行监测时，往往需要采取封路措施，选择少量衬砌断面打孔安装量测仪器并连接线缆，该工作具有一定的人身危险性且监测数据可靠性差，难以真实有效了解隧道健康状况。虽然一些隧道的健康监测也有采用基于传感器的远程监测方法，在一定程度上减少了人力损耗和实现了自动化实时性，但在数据可视化与交互性、管理单位参与度方面的功能还很欠缺(同济大学.一种基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测系统：202011276245.9[p].2021-02-19)。

2、基于智能建造方法体系的数字孪生技术为实现隧道的数字化交付、智能化建造运维和全生命周期管理提供了实现路径。数字孪生技术结合物联网的数据采集，充分利用模型与传感器更新、运营历史数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成对隧道的映射，实现对隧道历史状况的了解、对当前运行状态的评估并对隧道的状态和行为进行模拟和诊断，预测健康状况演变趋势和可能发生的病害与风险(同济大学.一种基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测系统：202011276245.9[p].2021-02-19)。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题：现阶段国内外隧道工程缺乏实现数字化交付、智能化建造运维和全生命周期管理的有效方法或系统，隧道工程建设与运维存在智能化信息化水平低、缺乏隧道智能建造方法流程体系的问题，同时在设计施工和运营维护等隧道的各个生命周期阶段无法及时预测和发现围岩与结构的状态演变趋势。

2、本发明至少通过如下技术方案之一实现。

3、一种数字孪生隧道与智能建造方法，包括以下步骤：

4、s01、建立三维可视化的地质信息模型；

5、s02、建立地质信息与隧道结构对应的数据库；基于地质信息模型设计隧道线形，根据设计线形穿越的地质条件自动匹配生成参数化隧道模型；将结构信息模型与地质信息模型融合生成隧道信息模型；

6、s03、建立与隧道信息模型对应的分析计算模型，对设计方案进行结构力学分析计算和优化调整；

7、s04、基于隧道施工超前地质预报技术建立掘进面前方围岩智能分级神经网络模型，为验证和修改设计及调整施工方案提供依据；

8、s05、基于智能施工装备，进行自动化智能化施工建造，同步嵌入感知传输控制设备；

9、s06、持续采集隧道监测数据，构建隧道的行为预测模型，对比行为预测模型的计算值与实测值的误差，不断修正行为预测模型；

10、s07、实现项目全数字化交付，将隧道数字孪生系统由建造转向运维。

11、实现所述的一种数字孪生隧道与智能建造方法的系统，包括物理实体模块、数字孪生体模块、感知传输控制模块、孪生数据管理模块、服务应用模块；

12、所述物理实体模块用于表现隧道结构、隧道内部设施与围岩、隧道地质岩体及水文环境，包括隧道结构、围岩、地质体、初期支护、路基与路面铺装、排水管沟、电缆管线、通风照明设备、消防监控与喷淋设备；

13、所述数字孪生体模块用于对物理实体模块的几何、物理、时间、行为、规则方面的特征进行刻画，包括数值模拟分析的几何信息、物理、时间、行为、加卸载历史信息、降维计算方案和结果输出定义，通过有限元软件二次开发接口实现与有限元模拟分析软件数据格式的转换和干预，从而实现对隧道围岩与结构的行为状态进行预测；

14、所述感知传输控制模块用于获取隧道场地的地质信息、实时监控隧道物理实体的建造与运行状态并采集监控数据，将采集的数据传输至孪生数据管理模块，所述感知传输控制模块还用于传输用户通过服务应用模块发出的指令并调控建造与运维过程中工人、设备、物料、方法、环境的行为与运行状态；

15、所述孪生数据管理模块用于存储和管理数据、以及为用户通过服务应用模块调用数据和转发指令、模型数据的存储和调用提供数据接口；

16、所述服务应用模块为面向用户的功能模块，用于实现对隧道建造与运行状态的实时监控、管理项目档案、呈现除物理实体模块之外其他模块的数据或结果、指导设计、施工、养护维修和应急抢险。

17、进一步地，所述数字孪生体模块融合地质信息模型、结构信息模型、隧道信息模型、分析计算模型、围岩智能分级神经网络模型、行为预测模型；

18、其中，所述地质信息模型用于以三维可视化方式表达综合地质勘察信息，为隧道智能化设计提供依据；

19、所述结构信息模型用于形成和修改隧道的线形设计、结构设计；

20、所述隧道信息模型用于隧道设计方案的评估与优化，并用于生成分析计算模型；

21、所述分析计算模型用于对隧道的围岩和结构进行力学和稳定性方面的验算和评估；

22、所述围岩智能分级神经网络模型用于在施工中根据掘进参数、施工超前地质预报信息快速确定围岩级别和分布范围，为设计和施工组织变更提供依据；

23、所述行为预测模型用于预测隧道的围岩与结构在未来某一时点的应力、变形、安全状况等的值，预警可能的危险状况。

24、进一步地，所述结构信息模型基于隧道设计数据库、根据地质信息模型的地质信息进行自动化匹配设计；所述隧道设计数据库采用关系型数据库，通过收集相似工程项目的设计成果以及根据当前项目的需要做出的设计成果来组成数据库样本，实现根据隧道埋深、围岩分级、裂隙水发育状况、地震烈度参数的匹配，满足结构安全、稳定性要求的隧道设计，对自动匹配的设计结果进行修正，形成结构信息模型。

25、进一步地，通过输入掘进参数信息、施工超前地质预报信息至所述围岩智能分级神经网络模型；掘进参数包括凿岩台车的钻机钻进速度、钻进压力；施工过程中收集的围岩分级数据作为掘进围岩分级的样本数据。

26、进一步地，所述感知传输控制模块用于实时采集物理实体的监测数据、施工质量数据、掘进面前方地质数据，并将采集到的数据上传至孪生数据管理模块，所述感知传输控制模块根据监测数据自动化调整设备的运行状态或传输用户在服务应用模块触发的控制指令；

27、感知传输控制设备包括在勘察设计中获取地质信息的地质信息采集设备，所述地质信息采集设备包括在施工中嵌入结构的应力应变传感器、渗压计、多点位移计、基岩变位计、断面变形监控量测装置以及智能施工装备，还包括用于调控感知设备与物理实体机电设备运行状态的控制设备，以及用于传输感知数据和控制指令的有线或无线网络传输设备。

28、进一步地，所述感知传输控制模块对初期支护、衬砌变形、受力、裂缝与渗漏水的监测采用各种变形和受力传感装置测量监测，将监测装置采用固定埋设/无人机挂载/爬壁式搭载，或者轨道式架设在隧道衬砌顶部，或者将监测装置搭载在移动式检测车上，按监测频率定期或者不定期对隧道全线进行安全巡检；监测数据通过感知传输控制模块中的传输设备实时上传至孪生数据管理模块。

29、进一步地，所述感知传输控制模块对隧道结构病害的监测采用检测车定期全线巡检的方式，监测数据通过感知传输控制模块中的网络传输设备实时上传至孪生数据管理模块。

30、进一步地，所述孪生数据管理模块采用关系数据库模型搭建，用于接收和存储隧道的运行监控数据、数字孪生体模块的计算分析与模拟预测数据，并为数字孪生体模块调用和处理这些数据提供数据接口、为服务应用模块调用数据和向系统的其他模块发送指令提供接口。

31、进一步地，所述服务应用模块采用b/s架构；所述服务应用模块通过孪生数据管理模块调用数字孪生体模块的模型数据及其计算分析结果、感知传输控制模块的运行监控数据，并将运行监控数据在可视化界面中呈现，同时针对不同监控指标设置报警阈值。

32、基于智能建造方法同步建立与隧道物理实体历史状态完全等效的数字孪生体；系统通过感知传输控制模块采集物理实体的建造和运维数据，通过数字孪生体的行为预测分析对隧道建造和运维状态的变形和受力特性进行评估和预测并生成控制指令(包括自动执行的指令和提示执行的指令)，控制指令通过感知传输控制模块的传输设备传输到智能机电设备或控制设备从而调控隧道的运营状态；服务应用模块的警示信息有助于及时或预先发现隧道建造及运行中的安全问题，供决策部门决策采取风险管控、处治和预防性养护决策方案，同时将决策结果和处治结果至孪生数据管理模块数据库作为样本知识库。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

34、本发明的一种隧道智能建造的方法和基于此智能建造方法构建的隧道数字孪生系统，实现隧道的数字化交付、智能化建造运维和全生命周期管理，提高隧道健康监测的准确度和可靠性。