从数字到智慧地下空间与工程

从数字到智慧的地下空间与工程FromDigitaltoSmartUndergroundSpaceandEngineering朱合华李晓军同济大学土木信息技术教育部工程研究中心2015.12.4-5汇报内容数字化历程从数字化到智慧化iS3提出与发展智慧化案例结语汇报内容数字化历程从数字化到智慧化iS3提出与发展智慧化案例结语1.数字化历程数字化(Digitalized)

数字化生存（BeingDigital）[Negroponte,1996]数字用0或1表示，采用数字化方式可清晰表达真实世界的信息（e-mail,ebook,etunnel）数字地球[GORE,1998]、数字城市、数字基础设施数字地层[朱合华，1998]、数字地下空间与工程[2002]、数字化工程[

2005]※数字化技术的应用：城市地下空间规划与资源评估、地下结构设计、地下工程信息化施工、地下基础设施维护、地下空间防灾韩国19个城市（1995-2000）对地下设施（各种地下管线）进行数字化地图的绘制工作美国劳动部矿山安全与健康局（2003）耗资390万美元，建立全国13个州废弃煤矿的数字化地图美国VirginiaTech(2003)提出AMADEUS计划：利用信息技术，为岩体地下工程的地质描述与分析、设计与施工建立自适应实时更新系统奥地利GEODATA公司(2004)启动基于数字城市模型的CITYGRID计划英国剑桥大学(2005)利用智能无线传输网络开始Smartinfrastructure,以监控隧道、桥梁和供水系统等基础设施韩国(2006)基于地理信息系统软件开发了隧道风险管理系统英国剑桥大学(2011-2020)开展智慧基础设施应用研究1.数字化历程—国际数字化研究动态欧盟(2005)开展TUNCONSTRUCT研究计划，其核心部分是开发集规划、勘察、设计、施工和运营一体的地下工程信息系统UCIS(UndergroundConstructionInformationSystem)UndergroundConstructionIntegratedPlatform(UCIP)ofTUNCONSTRUCTModulesandimplementationdesignofUCISGraphicsuserinterfaceofUCIS1.数字化历程—国际数字化研究动态1.数字化历程—国际数字化研究动态高等学校骨干教师资助计划，三维数字地层动态信息管理系统研究，2000上海市教委曙光计划，城市三维地层信息管理系统的开发与应用，2001高等学校博士学科点专项科研基金，高速公路隧道围岩地层三维可视化系统与施工监控研究，2001国家自然科学基金，隧道围岩可视化数字地层信息系统与施工监控研究，2002教育部高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划，城市三维数字地层及其在地下工程中的应用，2003国家科技部、上海市科委部市合作世博科技专项，世博园区数字地下空间基础平台与应用研究，2005淮南矿业集团，望峰岗煤矿基于三维数字地层的采掘工程动态信息系统研制及应用，2005厦门路桥集团，厦门翔安海底隧道数字化工程应用研究，2005广州珠江黄埔大桥有限公司，广州龙头山四车道特大断面隧道数字化技术研究，2005上海长江隧桥建设指挥部，上海长江隧道数字化工程应用研究，20051.数字化历程—同济大学的研究工作上海市科委，世博500kV地下变电站三维数字化地下工程研究，2006上海市科委，上海长江隧桥运营养护与数字化技术研究，2007国家科技部863计划，超大特长越江盾构隧道关键技术研究子题：基于三维地层可视化施工与质量控制技术研究，2007上海市电力公司，电力隧道电力隧道施工控制及运营维护管理与数字化技术研究，2008上海地铁运营有限公司,上海地铁一号线结构与病害数字化系统研究与开发,2008常州市规划局，常州市工程地质数据库智能系统，2008国防科工局，高放废物地质处置的数字化工程和地学信息库系统研究，2008上海市科委，特大型盾构隧道数字控制关键技术研究与应用，2009内蒙古自治区交通厅，基于数字化的隧道施工安全控制技术研究，2009国家973计划，地下结构健康服役的数字化保障与控制体系（课题），2011国家科技支撑计划，地下工程数字化安全监控技术（子课题），2012地下空间基础信息平台—世博园三维数字地层（2005）钻孔全局分布视图钻孔局部放大视图原始钻孔数字地层空间插值数字地层及空间综合数字模型地下空间规划与资源评价（2008）常州市抗震适宜性分区示意图专项规划抗震减灾规划同济曙光三维地质建模操作简单，只需导入钻孔信息，一键完成建模。地质模型可随意剖切，方便查看各种地质剖面。适用性广，能处理钻孔地层层序不一致及钻孔多次穿越同一地层等复杂情况。采用约束剖分，在细化表面网格的同时保证了原始钻孔的确定性。深圳车公庙交通枢纽工程数字化设计同济曙光三维地质建模地质模型中的基坑开挖隧道地质切剖面三维结构模型数字化新奥法隧道（2005）数字地层及地层剖切数字隧道及空间查询与分析数字化工程之一16展示至2006-04-11厦门海底隧道开挖

倒退3周前的隧道开挖

前进7周后的隧道开挖

数字化新奥法隧道（2005）TGIS技术应用—施工进度模拟数字化工程之二数字化盾构隧道(2005)隧道入口隧道结构数字化工程之三数字化盾构隧道(2005)隧道内部钻孔、地层及可视化查询数字化工程之四数字化基坑（2006）世博地下变电站基坑数字化工程之五数字矿山—淮南煤矿安全指挥系统(2004-)数字矿山—动态采掘信息系统（2005-）数字化施工控制—地下工程信息化施工控制（2008）(3a)3Dvisualizationoftheproject穿越1号线施工分析过程动画展示1、电力隧道施工控制技术桩顶水平位移数字化施工监控（2011）周边地表沉降与预警围护桩土压力监测图地表沉降等值线云图数据采集技术手持式地铁病害调查仪地铁隧道变形快速检测车（1mm精度）人工监测数据采集录入GRP5000数字化维养—轨道交通区间隧道建养一体化(2012)双击病害管片，显示病历卡信息三维建模效果数字化维养—轨道交通区间隧道建养一体化(2012)基础设施建养一体数字化技术引入数字化技术建养一体化在养护中延续建设历史（将建造状态作为养护的初始状态）在建设中融入养护需求（从全寿命期角度考虑设计方案）工程从使用阶段的安全设计发展到全寿命期的综合与决策数字化技术向工程全方位渗入建养一体数字化技术：实现建养一体化管理与分析的IT信息技术，包括数据采集、标准、建模与可视化、空间分析与应用等，最终为改善工程服役性能、提高工程使用寿命服务崇明苏江浙国际空港深水港上海江

五号沟至江苏海门约106km,至江苏启东约90km工程线位工程介绍线路走向南隧北桥通过三维模型对工程全寿命期信息进行集成(1)建设阶段信息集成数字化平台登陆界面隧道桥梁(1)建设阶段信息集成工程地质数据管理设计数据管理施工数据管理三维可视化与虚拟浏览成果应用(2)运营维护阶段

上海长江隧桥健康检测系统上海长江隧桥数字化养护系统上海长江隧桥养护管理时间健康状况在线评估结果(百分制)备注隧道大桥道路2009年11月93.6791.80优(>85)投入运营2010年10月89.6199.46优(>85)运营1年2011年06月87.4099.09优(>85)运营2年2014年10月85.87优(>85)运营5年数字化防灾_火灾动态预警疏散救援智慧服务系统(2014)灰箱/黑箱白箱现场火灾试验验证2014年10月21日凌晨大连路隧道数字化防灾_火灾动态预警疏散救援智慧服务系统(2014)特大型越江交通设施建养一体数字化关键技术，上海市科技进步一等奖，2011城市越江隧道结构的性能与安全控制技术，教育部科学技术进步奖一等奖，2010世博园区地下空间的综合利用和开发技术，上海市科技进步奖二等奖，2010城市三维地层动态信息管理系统的开发与应用，上海市科技进步三等奖，2006基于虚拟现实技术的煤矿安全生产指挥系统关键技术研究与开发，安徽省科技进步三等奖，2006获奖情况1.数字化历程—主要成果数字地层及井巷系统数字隧道数字地下工程汇报内容数字化历程从数字化到智慧化iS3提出与发展智慧化案例结语2.从数字化到智慧化智慧化(Smart)“智慧”

表示从感觉到记忆到思维的过程，是一种高级的综合理解和处理能力；“智慧”是思想的体现，而“智能”是能力的体现，更多的反映技术智慧地球[IBM,2008]、智慧城市(数字城市+物联网/云计算)[李德仁，2010]；智慧基础设施[UK_Cambridge,2005]智慧基础设施建设，包括大数据、云计算中心的建设等；只有先实现数字化，然后才能谈智慧化智慧化=

数字化+[感知+储存+思维]

[2011]汇报内容数字化历程从数字化到智慧化iS3提出与发展智慧化案例结语3.iS3提出与发展为何总是跟随国外的概念？GIS(GeographicInformationSystem,1963)是各种类型地理信息数据的捕捉、储存、处理、分析、管理和表达的系统平台BIM(BuildingInformationModeling,1972)是设施的物理和功能的数字化表达，但不包括数据采集、分析和决策功能iS3(infrastructureSmartServiceSystem,2013)基础设施全寿命数据采集、处理、表达、分析的一体化智慧决策服务系统基础设施全寿命数据采集、处理、表达、分析的一体化智慧决策服务系统（iS3

，2013）3.iS3提出与发展数据服务

(协同集成平台,webGIS)数据获取（物联网-RFID,无线感知，GPS,激光与摄影扫描，智能机器人等）数据表达1

(大数据处理/标准化)数据表达2(3D/4D模型重构,

BIM模型,仿真可视化)数据分析(智能分析，数据挖掘，云计算)同济曙光(TJGEO)软件平台(iS3-GeoSmart)数据服务

(协同集成平台,webGIS)数据获取（物联网-RFID,无线感知，GPS,激光与摄影扫描，智能机器人等）数据表达1

(大数据处理/标准化)数据表达2(3D/4D模型重构,

BIM模型,仿真可视化)数据分析(智能分析，数据挖掘，云计算)同济曙光(TJGEO)软件平台(iS3-GeoSmart)基础设施全寿命数据采集、处理、表达、分析的一体化智慧决策服务系统（iS3

，2013）3.iS3提出与发展3.1背景同济曙光GeoFBA数字地下空间与工程DUSE智慧基础设施iS3同济曙光设计、分析系列软件同济曙光图形平台(SGPlatform)有限元正反分析软件(GeoFBA)同岩公司-数字化系列产品网页+3D可视化(Vega)的数字化工程基于AutoCAD的数字化工程(GeoDigital)下一代智慧基础设施系列产品智慧基础设施iS3平台基于WebGIS的数字化平台(DigitalGeotec)你能向后看得越久，就能向前看得越远。(WinstonChurchill)3.iS3提出与发展3.2iS3蓝图iS3DesktopiS3ServeriS3MobileiS3CloudiS3CoreiS3系列软件&硬件…各类工程……3.3iS3平台iS3Core工程数据库iS3DesktopiS3ServeriS3MobileiS3Cloud2D/3D图形GIS地图工程对象iS3Core图形功能GIS地图功能数据库功能工程对象管理功能工程全寿命数据管理功能……3.3iS3平台iS3Core基于.NET开发，封装ArcGISRuntimeSDKfor.NET提供从数字化对象到数字化工程完整解决方案单个数字化对象DGObject数字化对象组DGObjects专业领域Domain数字化工程Project3.3iS3平台iS3Desktop数据管理工程全寿命数据管理用XML定义数字化工程，关联数据库和图形同时管理多个工程制订工程数据格式标准和数据准备指南可视化2D平面图/GIS地图/剖面图/数据视图/3D视图一体化联动用户操作无菜单，全图形操作二次开发内嵌Python语言开发工具和开发范例提供C#二次开发接口和范例分析功能内置地质剖面分析、隧道剖面分析，用户可扩展五大功能特点3.4iS3阶段性成果3.4iS3阶段性成果汇报内容数字化历程从数字化到智慧化iS3提出与发展智慧化案例结语4.1城市轨道交通地下结构性能演化与感控基础理论（2011.11-2015.12，973计划）4.智慧化案例总体思路自修复与自适应控制性能演化状态方程：分析理论：

连续/非连续计算方法、地层与结构共同作用理论控制标准：修复/控制方法与效果评价：

地下结构损伤自修复、自适应加固及健康服役数字化保障为智慧的感知和预知评估提供理论依据反馈验证地层和结构的本构模型及物理力学参数城市轨道交通地下结构服役状态的可知、可控动态性能演化智慧的感知评估感知参数：量测方程：

评估方程：

实现地下结构损伤的智慧的感知理论与方法地下无线传感网络的集成方法关键科学问题：超长线状地下结构状态智慧的感知与评估理论城市轨道交通地下结构最佳的感知方案和预知方法目的有缺陷地下结构服役性能的预知模型与评价标准感知参数传输/存储/处理预知模型与评价标准体内微损伤感知（压电传感）表面宏观状态感知感知储存思维++=智慧传输节点拓扑结构数据传输的鲁棒性数据的有效性与可靠性敏感性分析感知方位的优化布设信号识别（波谱有限元）状态时间损伤分布观察到的损伤P5P95P50残余寿命总体科学目标建立不同时空环境条件下城市轨道交通地下结构全寿命最优维护理论，实现地下结构服役状态的可知、可控。网关倾斜仪倾斜仪倾斜仪裂缝计中继站c.病害及修复62解析推导：六边形变形推算模型数值模拟：三维有限元模型基于倾斜转动的隧道变形换算原理ZhangWei&HuangHognwei(2012).Calculationofconvergencedeformationinshieldtunnelbyinclinationofsegments，ProceedingsofICCES14iS3智慧感知—隧道变形的倾角感知及MEMS传感器温度补偿、非线性校正、高灵敏度芯片选型、XY双轴解耦校正

自主集成传感器

TJ_UWIS1.1具有温度自补偿抗振动干扰的高精度MEMS无线倾角传感器（发明201220660382.7）iS3智慧感知—隧道变形的倾角感知及MEMS传感器64渗漏水的温度梯度感知方法渗漏水感知及传感器研制

一种基于温度梯度的隧道渗漏水检测方法及装置（发明201310231689.4）iS3智慧感知—隧道变形的倾角感知及MEMS传感器渗漏水的红外感知方法

采用均值滤波方法对图像平滑处理，去除图像中的噪声，然后采用Otsu方法做阈值分割将图像转化成二值图像，最后计算渗漏水区域的面积。豆海涛,黄宏伟,薛亚东.隧道渗漏水红外辐射特征影响因素室内试验.岩石力学与工程学报,2011,30(12):2426-2434.EI(a)可见光照片(b)红外图像(c)处理后图像盾构隧道现场试验车站渗漏水图像及图像处理结果车站（mm2)区间隧道（mm2)图像处理面积34750.6173934.8实际渗漏水面积33000160000误差5.3%8.7%盾构隧道红外检测渗漏水面积误差iS3智慧感知—隧道变形的倾角感知及MEMS传感器倾角传感器倾角传感器接缝传感器接缝传感器倾角传感器倾角传感器电测法渗水传感器铂电阻渗水传感器

2013年1月22日现场埋设(上海轨道交通12号线）感知变量类型：变形、渗漏水、裂缝及接缝、结构动力响应iS3智慧感知—隧道变形的倾角感知及MEMS传感器数字化基础平台建模方法可视化方法空间分析方法数字数值一体化方法一体化决策服务（iS3)在此基础上，进一步提出基础设施智慧服务系统，即基础设施全寿命数据采集、处理、表达和分析的一体化决策服务系统为轨道交通地下结构健康服役的数字化保障提供了理论基础数据组织与管理方法采集与处理表达分析iS3平台—地下结构全寿命数字化理论与方法首次建立了盾构隧道结构健康服役数据标准，规范化盾构隧道健康服役过程的数据采集、存储、交换与共享，全面推进盾构隧道全寿命周期数据数字化与信息化数据标准包括的内容：工程地质与水文地质数据周边地上地下建（构）筑物数据设计数据施工数据检查数据监测数据维护养护数据EstimationoffracturetracelengthdistributionsusingprobabilityweightedmomentsandL-moments.EngineeringGeology,accepted,2013iS3数据表达—地下结构全寿命期数字数据标准针对地下空间海量、多源异构和空间族聚性数据的特点，提出三维空间混合非平衡索引方法，有效地提高了数据的检索效率（8.8%以上）Spatialindexresearchfordigitalundergroundspaceandengineering.TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,underreview2013iS3数据表达—地下结构全寿命期数据检索首次提出了盾构隧道结构服役性能控制方法，由维养构件的确定、结构性能要求的确定、结构状态评估、结构性能预测、优化决策和维护养护操作六个部分组成该方法为盾构隧道结构性能控制提供了理论依据，并且有机地将本课题与973其它五个课题成果融合在一起iS3数据分析—盾构隧道结构服役性能保障与控制创造性地将盾构隧道划分4个不同时期：少年期（0-6年），壮年期（7-30年），中年期（31-70年），老年期（71-100年）；由于不同时期TSI影响因素不同，因此采用不同的材料性能、结构变形与隧道病害评价指标，得到不同的性能退化曲线，并采用不同的修复方案建立地铁隧道服役性能控制的多目标函数：即成本最小、风险最小、性能最佳，采用支配性遗传算法（NSGAII）得到一系列Pareto最优解，据此确定维护养护最优决策方案正结合上海地铁开展获取TSI及性能退化曲线的工作iS3数据分析—盾构隧道结构服役性能保障与控制以上海轨道交通13号线为主要对象，建立了涵盖勘察、设计、施工、监测数据的数据库采用WebGIS技术，建立基于WebGIS的轨道交通地下结构数字化基础平台，目前已经实现的功能包括：基于地理底图的可视化、横剖面和纵剖面的动态可视化空间分析功能隧道分析功能iS3平台应用—上海轨道交通智慧服务平台iS3平台应用—上海轨道交通智慧服务平台空间分析功能包括：隧道最深和最浅深度分析，最大和最小上覆土层分析隧道与地层的最近和最远距离分析隧道纵、横剖面地质图分析隧道开挖范围内土层体积及其比例分析iS3平台应用—上海轨道交通智慧服务平台隧道分析功能包括：开挖面稳定性分析隧道正面土压力分析隧道荷载分析iS3平台应用—上海轨道交通智慧服务平台4.2延安新区智慧城市的基础设施建设（2012-）延安城区风貌格局延安城区线性空间发展局限性延安城区风貌项目背景介绍项目背景介绍延安新区北区鸟瞰效果图延安新区规划建设项目城市化步伐加快延安旧城区城市人口急剧增加线性格局难满足发展需要对红色革命遗址的保护旅游载体服务功能的发展启动出现新区三大片区(78.5km2)：北区、南区、凤凰山产业园区北区（在建）：38km2，其中一期13.8km2规划人口：40万左右问题项目运营期养护的数据对象辅助决策城市应急指挥建设期施工管理风险规避资料存档国土信息管理多单位信息共享养护辅助决策基础数据管理平台必要性和意义平台必要性和意义对新区的工程地质数据进行整理，并建立基于GIS框架下的数据库管理和辅助决策系统工程地质数据管理工程总览地基土压实度查看为新区城市规划、建设和决策提供工程地质及环境地质依据为大型项目的选址、城市地下空间开发利用提供资料基础对城市岩土不良地质现象及区域稳定性做出评价作用123

平台必要性和意义基础设施的工程建设中，将随着工程进展产生源源不断的数据基础建设数据管理道路基础工程数据平台将基础设施建设数据进行规范管理实现工程建设到设施管养全寿命的数据衔接沉降控制地质回溯不良地质跟踪试验管理实时监测自动预警原地质条件查询沉降因素分析地基夯实控制监测实时反馈沉降及时处理平台综合管理工程地质信息和岩土工程试验数据，并通过对沉降变形、应力应变的实时监测和自动预警，实现对多种诱因下工程地基沉降的强化管理沉降监测预警平台必要性和意义平台通过数据库服务技术，实现建设期数据入库与运营期养护数据需要的完美对接数字化建养一体化管理建设期基础数据录入及管理功能，为全寿命建养一体化管理平台提供数据支撑质量、进度、安全等多方面的施工控制管理功能，分类归档、在线审批，逐步实现”数字化办公“的新理念养护期基础数据的调用，在此基础上实现数字化养护管理工作多单位信息共享，正确指导养护工作的开展配合手持病害调查仪等智能设备，对运营期沉降监测、病害调查与处置的过程数据进行统筹管理对接平台必要性和意义

平台功能架构内容已完成延安新区智慧城市基础设施管理平台一期系统及其扩展系统城市国土信息管理系统城市道路管理系统城市地下管网管理系统城市公共设施信息管理系统城市应急管理系统一期系统管理目标已完成GIS技术三维建模技术施工进度质量检测安全原地貌工程地质土石方填挖场地平整

一期系统延安新区智慧基础设施建设一期系统动画

一期系统扩展功能在一期系统的基