地下空間數字孿生技術與工程實踐 蘇棟 陳湘生 9787302688532 【台灣高等教育出版社】

內容簡介
本書主要介紹構建地下空間數字孿生的基礎和前沿等核心技術，以及相應平臺的開發技術流程，並探討其在地下空間中的具體應用。全書共分5章 （暫定），分別為：第一章 地下空間數字孿生平臺核心技術；第二章 數字孿生平臺開發；第三章 雙洞密貼頂管車站頂進智能控制平臺；第四章 複雜地質隧道施工狀態智能評估平臺；第五章 地下空間災害智慧運維平臺（水、火、大客流）
本書的主要讀者對象為土木工程、地質工程、城市規劃、工程管理等專業的研究生或專業技術人員。
本書相關研究受國家重點研發計劃項目”城市站城融合立體網絡空間智慧運維關鍵技術與應用”（編號：2023YFC3807500）、國家自然科學基金重大項目”超大城市深層地下空間韌性基礎理論”課題一”超大城市深層地下空間地質環境效應多場互饋機制及評估理論”（編號：52090081）、以及深圳大學2035追求卓越研究計劃（編號：2022B007）資助。

作者簡介
蘇棟，男，45歲，岩土與地下工程專業，教授、博導，現任濱海城市韌性基礎設施教育部重點實驗室副主任、深圳大學未來地下城市研究院副院長。2000年畢業於清華大學，獲工學學士學位；2005年1月畢業于香港科技大學，獲博士學位；2005年4月進入深圳大學工作。主要從事地下基礎設施災害作用機理與韌性提升方面的研究。廣東省高等學校”千百十工程”省級培養對象、深圳市地方高層次人才。先後主持1項國家重點研發計劃課題，6項國家自然科學基金項目及20余項地下工程諮詢科研課題。發表論文100餘篇，出版教材1部、專著2部，獲授權國家發明專利16項，美國發明專利2項，軟件著作權21項。先後獲2021年廣東省科技進步一等獎、2021年中國岩石力學與工程學會科技進步特等獎、2022年教育部高等學校科學研究優秀成果獎科學技術進步獎二等獎。

目錄

上篇: 技 術 篇
第1章 虛擬建模與更新 3
1 1 幾何建模方法 3
1 1 1 地質體建模 4
1 1 2 地下結構體建模 8
1 1 3 地下機電設備建模 11
1 1 4 幾何建模輕量化技術 13
1 2 建模工具及模型標準化 15
1 2 1 地質體建模軟件 16
1 2 2 結構體建模軟件 20
1 2 3 機電設備建模軟件 22
1 2 4 模型標準化方法 25
1 3 模型動態更新 27
1 3 1 幾何模型更新 27
1 3 2 物理模型更新 29
1 3 3 行為模型更新 30
1 3 4 規則模型更新 31
1 3 5 模型更新週期 31
1 4 高效動態渲染性能優化 32
1 4 1 幾何優化 33
1 4 2 紋理優化 34
1 4 3 著色器優化 34
1 4 4 GPU優化 35
1 4 5 雲渲染技術 35
1 4 6 雲計算可視化 37
參考文獻 40
第2章 智能感知與互聯 42
2 1 時空數據感知與採集 42
2 1 1 時空數據感知 43
2 1 2 數據高效傳輸 45
2 1 3 海量數據存儲 46
2 2 跨源元數據的清洗與融合 47
2 2 1 數據清洗 48
2 2 2 數據轉換 48
2 2 3 數據映射 49
2 2 4 數據融合 50
2 3 多終端設備互聯同步 50
2 3 1 同步協議 51
2 3 2 數據同步 56
2 3 3 性能優化策略 58
參考文獻 60
第3章 平行推演與應用 62
3 1 數字孿生平行推演模型 62
3 1 1 基於機理的模型 62
3 1 2 基於數據的模型 63
3 1 3 機理與數據的融合模型 69
3 2 數據驅動決策與優化 69
3 2 1 數據驅動的決策流程與方法 69
3 2 2 基於大語言模型的決策優化策略 72
3 3 平行推演應用場景 74
3 3 1 地質環境監測 74
3 3 2 結構體狀態評估 75
3 3 3 設備故障診斷 76
3 3 4 資源分配與調度 77
3 3 5 突發事件應急管理 77
參考文獻 78
第4章 數字孿生平臺設計與開發 81
4 1 平臺開發設計 81
4 1 1 平臺開發架構 81
4 1 2 平臺開發原則 86
4 1 3 平臺可視化引擎 88
4 1 4 平臺功能集成 94
4 1 5 平臺未來擴展 98
4 2 環境配置與開發技術 99
4 2 1 開發環境配置 99
4 2 2 前端佈局界面 110
4 2 3 後端服務系統 119
4 2 4 數據交互機制 121
4 2 5 數據通信協議 123
參考文獻 125
下篇: 實 踐 篇
第5章 複雜地層大直徑盾構掘進平行推演技術及應用 131
5 1 背景與需求分析 131
5 2 軟土格柵加固地層盾構開挖面穩定性評估 133
5 2 1 格柵加固開挖面失穩規律數值模擬研究 133
5 2 2 格柵加固開挖面穩定性理論評估模型 136
5 2 3 理論評估模型應用效果分析 146
5 3 強變異地層盾構滾刀磨損預測 148
5 3 1 滾刀磨損預測方法構建思路 148
5 3 2 滾刀磨損預測公式推導 149
5 3 3 滾刀磨損預測效果分析 151
5 4 軟土地層盾構掘進姿態智能分析 154
5 4 1 基於機器學習的盾構姿態預測方法 154
5 4 2 數據預處理和參數選擇 157
5 4 3 盾構姿態預測效果驗證 159
參考文獻 162
第6章 雙洞密貼頂管車站頂進施工智能控制 164
6 1 項目背景與需求分析 164
6 1 1 項目概述 165
6 1 2 頂管施工難點分析 167
6 1 3 智能控制關鍵挑戰與應對策略 168
6 2 頂管頂進過程平行推算法原理 171
6 2 1 頂管機姿態推演分析 171
6 2 2 地層、箱涵沉降推演分析 180
6 3 頂管頂進智能控制實施流程及平臺 197
6 3 1 頂進姿態控制模塊實施流程 198
6 3 2 地層、箱涵沉降控制模塊實施流程 202
6 3 3 頂管頂進智能控制平臺 204
6 4 實施效果分析 207
6 4 1 總體情況介紹 207
6 4 2 頂管機姿態控制效果分析 210
6 4 3 地層及箱涵沉降控制效果分析 212
參考文獻 215
第7章 地鐵地下空間水災推演與人員應急疏散動態規劃 218
7 1 背景及需求分析 218
7 1 1 地鐵地下空間水災案例 218
7 1 2 推演技術需求分析 220
7 2 基於元胞自動機的平面空間洪水漫延模擬方法 222
7 2 1 元胞自動機的基本原理 222
7 2 2 基於元胞自動機的平面空間洪水漫延模型 222
7 3 基於元胞自動機的立體空間洪水漫延模擬方法 225
7 3 1 立體空間元胞自動機的層連接規則 225
7 3 2 立體空間元胞自動機的層連接模擬流程 228
7 3 3 立體空間元胞自動機水災模擬案例 228
7 4 考慮洪水漫延過程的人員應急疏散分析方法 230
7 4 1 考慮洪水漫延過程的人員應急疏散分析方法 230
7 4 2 考慮洪水漫延過程的疏散路線動態規劃 232
7 5 水災推演及應急疏散數字孿生平臺構建與應用 234
7 5 1 基於數字孿生技術的水災推演及應急疏散平臺構建 234
7 5 2 地鐵隧道水災人員疏散模擬與效率評估 238
7 5 3 地鐵車站水災人員疏散模擬與效率評估 245
參考文獻 250

前言/序言
數字孿生(digital twin)技術是將工業產品、製造系統、城市等複雜物理系統的
結構、狀態、行為、功能和性能映射到數字化的虛擬空間，並在虛擬空間進行各種操
作、模擬與分析，從而對物理系統未來的性能和行為進行預測，提出決策優化，並反
饋到物理世界進行協作調控。
“孿生”概念最早由美國國家航空航天局(NASA)提出。在阿波羅項目中，
NASA製造兩個完全相同的實物空間飛行器，通過對地面上的”孿生”飛行器進行
仿真實驗和數據分析，來反映和預測空間飛行器的飛行狀態。大衛 葛蘭特
(David Gelernter)在1991年的著作《鏡像世界》(Mirror Worlds)中首次提出了數
字孿生的概念:”鏡像世界是一個信息的海洋，由許多數據流提供。一些數據通過
計算機終端手動輸入，它們慢慢地流動。其他的則由自動數據收集和監控設備提
供數據，例如醫院重症監護室的機器、天氣監控設備或安裝在道路上的交通量傳感
器。”邁克爾 格裡夫斯(Michael Grieves)於2003年將數字孿生概念首次應用於
製造業，並正式發佈了數字孿生軟件的概念。2010年，NASA 為了改進航天飛行
器的物理仿真模型，由約翰 維克斯(John Vickers)命名引入了”數字孿生”這個名
詞。隨後，不同領域的學者開始探索數字孿生技術。近年來，隨著5G、物聯網、雲
計算、大數據、人工智能和混合現實等新一代信息技術的發展，數字孿生在理論層
面和應用層面均取得了快速發展。數字孿生與產業技術的深度融合，有力推動了相
關產業數字化、智能化和自動化的發展進程，正成為產業轉型升級的強大推動力。
在城市地下空間領域，國內外學者和企業開始探索將數字孿生技術應用於城
市地下空間規劃、設計、施工、運營、維護甚至拆除各階段。在設計初期，通過數字
孿生技術建立城市地下空間的數字化模型，模擬各種設計方案並進行性能評估，從
而選擇最優的設計方案。在施工過程中，數字孿生技術可以用於施工進度、質量和
安全的實時監控、反饋和優化，並提升施工的智能化水平。在運營階段，數字孿生
可以協助運營團隊進行資產管理和能源管理，預測潛在問題並優化運營策略。在
面對自然災害和其他突發事件時，基於數字孿生技術的態勢感知、仿真推演、動態
決策、應急聯動，可顯著提高城市地下空間的應急響應能力。在維護階段，數字孿
生模型可以協助維護團隊進行故障定位和診斷，提供精確的維修方案。在拆除階
段，基於數字孿生模型的模擬、數據分析以及決策支持等手段，可確保拆除過程的
安全、高效和環保。因此，數字孿生技術的應用在城市地下空間全生命週期的管理
中具有顯著的優勢和廣闊的前景，其不僅有助於提高城市地下空間開發利用的安
全性、經濟性和高效性，還能推動城市建設的數字化和智能化轉型。
目前，城市地下空間領域尚未有通用的數字孿生模型，數字孿生相關技術也在
持續發展中。本書從理論、技術、應用等維度，介紹城市地下空間數字孿生的內涵
和要素，構建數字孿生平臺的關鍵技術和架構，以及深圳大學未來地下城市研究院
科研團隊的相關應用案例。全書分為上下兩篇。上篇聚焦城市地下空間數字孿生
的核心要素和實現技術，包括虛擬模型建立與可視化技術、智能感知與互聯技術、
平行推演技術和平臺開發技術。下篇著重介紹數字孿生技術在城市地下工程中的
應用案例，包括雙洞密貼頂管車站頂進施工智能控制、複雜地層盾構隧道掘進平行
推演技術及應用和地鐵地下空間水災推演與應急疏散。本書旨在為讀者提供一套
較全面和系統的城市地下空間數字孿生技術的相關理論與實踐指南，以期為相關
領域的管理人員、科研人員及工程技術人員提供有價值的參考和借鑒。
本書相關研究受國家重點研發計劃項目”城市站城融合立體網絡空間智慧運
維關鍵技術與應用”(編號:2023YFC3807500)、國家自然科學基金重大項目”超大
城市深層地下空間韌性基礎理論”的課題一”超大城市深層地下空間地質環境效應
多場互饋機制及評估理論”(編號:52090081)、廣東省重點領域研發計劃(編號:
2019B111105001)以及深圳大學2035追求卓越研究計劃(編號:2022B007)的資
助。本書由蘇棟、陳湘生擔任編委會主任，由陳鵬祿、王雪濤、沈翔擔任編委會副主
任，龔浩鋒、陳建航、莫澤新、宋棋龍、譚毅俊、曾仕琪、李榮康、周進威、黃聰等參與
了編寫工作，在此表示衷心的感謝。
由於作者水平有限，書中難免會存在不足和不妥之處，熱忱希望讀者和同行專
家批評指正。
蘇 棟 陳湘生
2025年1月