建养一体化调研

隧道结构“建养一体化”智慧平台系统结构研究1 研究背景和目的我国隧道及地下工程事业自20世纪80年代以来，特别是进入21世纪以来得到了快速发展。据有关部门统计，我国大陆2013年底运营的铁路隧道有11074座，总长8938.78km；2014年在建的铁路隧道有4206座，长度7795.15km；已规划4600余座铁路隧道。截至2013年底，我国大陆有隧道11359座，总长9605.6km，与2012年相比净增1337座，长度增加1552.9km。进入21世纪以来我国隧道隧道增长迅速，2001-2013年，隧道的增长率为29.0%，而其隧道总里程与座数的增长率分别为46.7%和35.0%，远高于隧道本身的增长率，另外地铁隧道工程、市政隧道与地下工程也在迅速发展中，我国隧道发展到今天，已经越来越向“多、长、大、深”即数量多、长度长、大断面、大埋深的趋势发展。隧道工程的建设期投资大，动辄上百亿的投资；运营期影响范围大，某一段隧道的停运都可能给数十万人的出行造成影响，因此必须高度重视隧道的建设和运营期间的养护，对出现的病害进行科学治理，有效控制病害的发展，保证隧道结构在全寿命周期内处于正常状态。目前的隧道工程在其建设期的施工管理与运营期的结构养护之间存在一定的脱节，例如隧道在施工期间的设计变更、施工参数、地层沉降、质量缺陷、应急处理、结构修复和加锚措施等的变化会在未来不同程度地影响着其运营期的养护，且建设与养护期间的重要信息无法集中管理和有效利用。另外，由于隧道的施工和建设是在地下土体介质中进行的，肉眼无法直接观察隧道围岩的情况，对结构病害状态、病害产生的原因等认识存在盲区，这样不仅给施工期的安全控制和环境保护带来一定的困难，更重要的是在工程竣工后，一旦这些重要信息遗失，隧道结构出现病害时就很难准确分析病害产生的根本原因，从而无法采取针对性较强的处理措施和工艺参数，致使隧道在运营期间的维护工作处于一定的盲目和浪费状态，这给隧道的运营和管理造成极大的困难。究其原因，主要是由于（1）建养分离，“重建轻养”思想严重；（2）养护管理体制不完善、运行机制落后；（3）养护定额与规范缺乏；（4）养护机械配套率不足，养护科技含量低；（5）养护管理人员总体素质偏低。因此，必须统一考虑隧道工程在其建设和运营期间的各种资料，运用现代信息化和数字化的技术进行一体化的管理，对其工作状态作出科学准确地评估，从而制定一系列针对性强的养护措施和方案。2.国内外研究现状2.1产品数据管理PDM（Product Data Management）起源于信息化、数字化的先进领域制造业，主要完成产品的数据组织和管理。PDM是一种能够帮助工程师和其他人员管理产品数据和产品研发过程的工具。PDM系统确保跟踪设计、制造所需的大量数据和信息，并由此支持和维护产品。是以软件技术为基础，以产品为核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化的集成管理，以静态的产品结构和动态的产品设计流程为信息管理的两条主线，将所有的信息组织和资源管理都围绕产品的设计展开，这也是PDM系统有别于其他的信息管理系统的关键所在的。PDM系统可协调组织整个产品生命周期内诸如设计审查、批准、变更、工作流优化以及产品发布等过程事件。在逻辑上将各个信息化孤岛集成起来，利用计算机系统控制整个产品的开发设计过程，通过逐步建立虚拟的产品模型，最终形成完整的产品描述、生产过程描述以及生产过程控制数据。通过建立虚拟的产品模型，PDM系统可以有效、实时、完整的控制从产品规划到产品报废的整个产品生命周期中的各种复杂的数字化信息。产品数据管理PDM系统功能在不同的文献中有很多方面，但综合来看，它在用户化功能方面被一致认为有以下几种：（1）电子仓库和文档管理；（2）产品结构与配置管理；（3）工作流与过程管理；（4）零件管理；（5）项目管理。PDM提供了一种组织、管理和利用产品数据的模式、机制与能力，但它必须着眼于企业当前的实际应用。如果不结合企业的事情，脱离企业的实际，PDM将变得一文不值。因此，PDM并不是即插即用的工具，要使PDM系统真正在企业发挥作用，就必须经过一个与企业的具体情况、应用背景和企业文化密切关联的开发实施过程，使PDM的管理能力与企业的具体情况融合起来，成为企业自己的PDM系统。所有这些导致了企业对PDM解决方案需求的个性化、差异化和多样性。目前，解决这些差异的最好办法是“量身定做”，即软件开发的系统分析员进行系统设计时，深入企业进行调研，与用户及该领域专家充分交流，力求尽可能多的理解用户需求和该领域中的关键性的背景知识，用某种方式将这种理解表达成软件需求规格说明主要由对象模型等组成。这个过程较为复杂，通常不能一次就达到理想的效果，因此需要系统分析员与用户及该领域专家反复探讨并多次修正，然后逐渐扩充模型并确定系统的实现方案，最后编码实现。因此，PDM最关键得问题就是需要一个较长时间的开发过程，并且由于其“量身定做”的特点，开发费用较高。PDM来源于制造业，其全生命周期各阶段分类与隧道工程不一致，如隧道工程往往不考虑市场与销售等数据。同时，隧道工程中需要使用到的空间分析等功能未在PDM系统中集成。2.2工程项目管理国内外的常见工程项目管理软件主要有Microsoft Project, Primavera Project、Planner (P3)和Autodesk Buzzsaw等，其主要目标是针对工程资源、计划、进度、合同等进行信息化管理。纵观国内外的工程项目管理软件，不涉及具体的技术内容，更谈不上对隧道建设的相关特点予以考虑；此外，如何从大量的图纸、数据与文档中及时、准确地分析出对工程决策有价值的信息，一直是目前隧道工程建设中函需解决的问题。2.3建筑信息模型建筑信息模型(Building Information Modeling BIM)这个词是2002年由Autodesk公司提出来的，是对建筑设计的创新。国际标准组织设施信息委员会(Facilities Information Council)给出的建筑信息模型的定义为：在开放的工业标准下对设施的物理和功能特性及其相关的项目生命周期信息的可计算或可运算的形式表现，从而为决策提供支持，以便更好地实现项目的价值。建筑信息模型的目的是推行建设工程设计，施工和管理工作中的工程信息的模型化和数字化，以避免信息流失和减少交流障碍，它的特点是为设计和施工中建设项目建立和使用互相协调的、内部一致的及可运算的信息。建筑信息模型将会成为未来建筑设计信息化发展的核心。建筑信息模型几乎不用CAD为基础的技术，它的核心技术是参数建模，建筑信息模型所有的内容都是参数化和相关联的。基于参数建模技术的软件叫建筑信息模型软件，目前的建筑信息模型软件主要有Autodesk公司的建筑设计软件Revit、土木工程设计软件Civi13D，GraphiSoft公司的ArchiCAD，Bentley公司的Architecture等，它们将设计模型和行为模型结合起来动态地捕获、表达和协调建筑信息。虽然他们在具体数据处理技术细节方面有不同之处，但这些模型软件都在工业基础分类标准的基础上开发的，他们都遵循相同的标准，所以他们的模型构成大致是相同的。建筑信息模型的核心技术是参数建模，建筑信息模型所有的内容都是参数化和相关联的。在项目实施的过程中，自始至终应该有一个惟一的建筑信息模型，包含完整的建筑物和工程数据。由于地质环境的隐蔽性与复杂多变性、盾构隧道工程的难度就必然有别于地面工程，盾构隧道工程的数据必然更加复杂，更加难以抽象并通过一定的参数化模型表达，如水文地质等数据;有的数据以参数建模的形式表达反而效果不佳，如施工监测等数据，需要用图表等形式来表达。同时工程信息管理的核心应该是数据而不是模型。模型是数据管理的中间产品，模型的建立是为工程数据管理和分析服务的。2.4 GIS应用地理信息系统(Geographic Information System，GIS)，是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。目前世界上常用的GIS软件已达400多种。它们大小不一，风格各异，国外较著名的有ARC/INFO，GENAMAP，MGE等；国内较著名的有MAP/GIS，SuperMap，GeoStar和CityStar等。 地理信息系统对空间数据具有强大的管理分析能力，Bak P等(1989)，Christopher B等(1989)，Daniel F H等(1999)，LeeDT等(1980)，ShinjiMasumoto等(2002 )，Tatsuya Nemoto等(2002)先后对Delaunay算法，3维GIS建模等方面进行了大量的研究。结合GIS对地下工程问题进行研究成为了近年来的研究热点。C.Yoo等（2006）基于地理信息系统软件ArcGIS开发了一个隧道风险管理系统(IT based tunneling risk management system，IT TURISK)，用于隧道施工过程对周围环境的影响进行风险评估，并予以指导设计。G Zhou等（2003）用基于GIS的方法对边坡稳定性进行了分析。徐晓核等（2007）基于地理信息系统软件ArcView开发了基于GIS的隧道隧道监控管理信息系统，用于科学的指导科学施工，确定支护时间、支护方式和支护参数的作用。黄章树（2002）、周健（2004）对GPS/GIS/GSM等新技术在隧道隧道运营管理中运用也做了研究，论证了基于GPS/GIS/GSM的隧道隧道运营管理模式的可行性和科学性。因此对上述研究成果分析可知，上述研究都是针对工程全生命周期的一部分运用GIS技术的。由于GIS本身不是面向工程的信息系统，其对工程数据的组织有先天性的不足，无法实现对工程数据全生命周期的管理。但是在对工程数据的管理过程中，GIS强大的空间分析能力可以成为工程数字化的强力武器。2.5地下工程数字化在地下空间的开发和利用过程中，由于地质环境的隐蔽性与复杂多变性、施工过程中灾害事故的突发性以及对环境影响的控制难度，地下工程施工与管理的难度就必然有别于地面工程。地下工程活动是一项不断获取数据、分析数据和处理数据的过程，需要在工程的勘察、设计和施工过程中不断获取各种各样的信息和数据，并对这些大量、复杂的信息和数据进行快速处理、及时反馈，以优化设计并指导施工。因此地下工程的建设，特别是重大的地下工程建设，其数字化问题显得更为重要和迫切。近年采，国外在地下工程数字化领域开展了一系列的研究工作，许多研究被列为政府资助计划项目。弗吉尼亚理工大学自2003年开展AMADEUS(adaptive real-time geologic mapping，analysis and design of underground space)研究计划，其基本思想是研究利用数字照相方法记录隧道掌子面的地质情况，通过图像解释技术研究获取隧道的地质特征与属性并建立相关数据库，再利用虚拟现实技术建立隧道开挖的虚拟环境。然后基于有限元、离散元、关键块理论等数值分析方法建立岩体的地质力学模型，结合隧道的三维数字变形测量技术的研究，对隧道开挖和支护的力学行为进行模拟与反分析。最终目标是：利用信息技术，为岩体地下工程的地质描述、分析、设计与施工建立自适应实时更新系统。奥地利2004年开展CITYGRID目的研究，该项目被列入欧盟EUREKA计划，其目标是建立地上、地下统一的整个城市数字化模型，用于城市规划、城市噪音控制、交通规划、地下管线规划、城市防灾及工程项目管理等。欧盟开展了一项研究计划，即TUNCONSTRUCT(technology innovation in undergroundconstruction)，由来自11个国家的成员组成，其目标是推动地下基础设施建设技术的革新，以减少地下工程建设时间和降低地下工程建设造价。该项目一个重要组成部分就是开发集规划、勘察、设计、施工和运营维护于一体的地下工程信息系统(underground construction information system,UCIS)，该系统对地下工程(特别是隧道工程)全生命周期数据进行管理，并将数据提供给工程建设和管理的各个参与方。英国剑桥大学和帝国理工大学2005年联合开展了一项智能基础设施(smart infrastructure)研究计划，其目标是为各种城市基础设施(主要针对地下的隧道与供水系统等)开发出无线传感网络，以实现对这些基础设施的长期监测。此外，韩国学者M. Sagong等(2006)采用PDA(personal digital assistant )和无线网络传输技术建立隧道掌子面的数字化描述系统(digitalized tunnel face mapping system, DiTFAMS )，用于将隧道掌子面的围岩图像、围岩类别等地质信息快速传递到决策人员，以利于施工过程中的迅速决策。以数字地球概念为启发，国内在地下工程领域而开展的数字化研究也是方兴未艾。朱合华(1998)最早提出了数字地层的概念，指出数字地层即是利用现代的计算机技术，将原始地层信息(同地壳运动和周围环境引起的)和施工扰动地层信息(由人类工程活动引起的)，用数字化的方法直观地展现出来。尔后，朱合华 (2000)及白世伟等 (2004)分别提出了三维地层信息系统的概念，指出建立城市三维地层信息管理系统，对庞杂的工程资料进行综合动态管理，提高数据可视化程度，可极大地提高工程效率，实现工程智能决策，从而充分体现出工程信息的价值。吴立新等(2000)提出了建立数字矿山的构想。周翠英等(2004)结合重大工程，提出建立地下空间信息系统，论述了地下空间信息系统的开发方法和关键技术。朱合华等(2004)针对大规模城市基础设施建设中出现的“城市病”，提出了应当将地层、地下构筑物、地下管线和地下水信息统一考虑，建立城市地下空间信息系统。李晓军等(2006)在总结三维GIS、数字地层、三维地层可视化、地下工程虚拟现实系统等相关概念及研究的基础上，给出了一个地下工程数字化的定义，即地下工程数字化就是以数字地层为依托，以信息化手段对地下工程建设过程中的勘察、设计、施工及监测等数据进行集中高效地管理，为地下工程的建设、管理、运营、维护与防灾提供信息共享和分析平台，最终实现一个地下工程全生命周期的数字化博物馆。数字地下空间与工程(Digital Underground Space and Engineering)对所研究的目标进行认知和抽象，充分理解目标所包含的各种信息(全生命周期数据)，建立合适的逻辑数据模型，以便于信息的管理和组织以及客观世界的系统重现(朱合华，李晓军，2007)。数字地下空间与工程面向地下工程，具有工程专业知识背景，集成了PDM全生命周期数据管理，BIM可视化数据管理等优势及GIS空间分析等专业应用，解决了项目管理软件与PIP等无法有效管理工程技术数据的不足。3 隧道结构“建养一体化”理念的提出与实现隧道结构“建养一体化”是指在隧道结构的生命周期内，针对隧道的安全和适用性目标，对建设和养护业务数据进行历史地、空间地综合分析，为隧道工程的建设、养护过程提供信息共享和决策支持，提高隧道的建设和养护水平。赵仲华（2006）以一个四元组方程提出的隧道结构建养一体化理论模型：DM=(Dc，Dm，Gs，Ms) (1-1)其中Dc为建设数据集，Dm为养护数据集，Gs为建养一体化分析目标集，Ms为决策支持模型集。针对建养一体化的目标，综合目前建设和养护工作中现有的管理系统，利用数据库和中间件技术，建立的基于现有管理系统基础上规范的数据仓库、决策支持模型和综合查询管理系统的总称。以一个五元组方程构建隧道建养一体化系统模型：CMS=(Cs, Ms, DW , DM, Qs) (1-2)其中，Cs为建设管理系统集，Mc为养护管理系统集，DM为隧道建养一体化理论模型，DW为数据仓库，Qs为综合查询和管理系统。由定义可知，建养一体化系统不是一个简单的软件，它包含了建设和养护管理过程的方方面面，涉及到了管理模式、管理思想和手段的改变，其中心工作内容是利用数据仓库DW实现对现有系统Cs和Ms的整合和规范，其核心是实现DM，最终通过Qs实现用户和系统的交互。正是由于其在时间(系统的生命周期不同)、空间(管理组织结构层次)、参与主体(现有软件厂家众多、建设和管理过程主体多)等方面的复杂性，因此需要对其进行总体规划，认真研究，避免重复建设，确实解决信息孤岛，实现最终目标Gs。目前制约交通行业信息化的关键是系统之间的数据不能共享。在这种情况下，系统建设的越多，信息孤岛的问题越严重，交通部关于信息化工作的几项举措都是为了解决数据共享的问题。建设和养护管理系统中己经有许多子系统投入使用，但是系统之间的数据共享和交换同样没有解决，造成目前竣工资料不完整、利用率不高、系统重复建设、建设数据无法为养护系统决策提供支持、进一步影响了建设水平的提高等一系列的问题。3.1指导原则（1）统一标准规范即坚持四个统一：统一规划、统一管理、统一技术标准、统一设备规范。参照国际、国家和行业有关标准，形成建养一体化相应的规范和标准；结合信息行业和交通行业的管理经验，建立专门的组织结构，理顺各种关系，形成管理规范和技术标准规范，便于统一领导与协调。按照这些规范和标准，各子系统在总体规划下，有序、协调发展。（2）兼顾体制改革建养一体化不仅是技术问题，而且涉及到了业务、管理、人事等方方面面的问题，既要考虑现行的管理体制，又要针对业务需要对现有的规章制度和管理办法作相应的改革。此外，隧道行业的体制改革正在逐步深入，信息化的建设必须满足体制改革、现代化企业制度等的需要，市规划与建设有较大的弹性，以适应未来的发展，保护投资。（3）保护现有投资现有软件、硬件系统地建设都投入了很大的资金和人力，一体化系统的建设应以此为基础，综合考虑时间、成本、使用习惯等因素，不能对现有的一些技术上较为落后的系统全盘否定，充分发挥中间件的作用。（4）坚持信息共享建养一体化的目标就是实现建设和养护数据之间的共享、消除信息孤岛，如果新建的系统站在局部利益上闭关自守，便失去了建设的意义。只有数据积累多了，才有可能发现规律，实现设定的目标，提高我国隧道工程的建设水平。（5）先进性原则信息化进程中所采用的技术、规范、标准要适应当今社会和行业信息化的发展趋势和潮流，代表当前及今后10年左右的国内先进水平，能与国际上先进行业管理信息化技术标准、结构件融合衔接，同时，由于信息技术及其软硬件产品发展变化很快，系统设计必须从总体上具有可扩充、升级、可持续与协调发展的能力，为今后的建设留足空间。（6）系统性原则信息化体系的规划应与省级隧道信息资源整合工程中的原则相一致，虽然建设和养护在隧道信息资源中较为独立，也应充分考虑与其他规划、系统的兼容性和接口。这样才能保证投资，避免重复建设。（7）方便实用性原则信息化在很多行业中存在阻力的重要原因就是信息化的过程反而使工作复杂了，因此，本系统的设计以方便应用为前提，原则上不能增加现有工作的复杂度。3.2主要内容由建养一体化的定义和总体目标可以进一步明确，隧道结构建养一体化系统应包括以下几个方面的研究内容：（1）数据仓库的建立进行建设和养护基础数据元格式标准的建立、数据存储格式标准研究、数据抽取规则的建立、数据抽取方法研究。（2）建设管理系统对现有建设管理系统包括：招投标系统、质量评定系统、交竣工验收系统、计量支付系统、监理辅助管理系统、项目管理系统等，进行数据字典建立、数据格式到标准数据格式的映射、各系统接口标准的研究。（3）养护管理系统对现有养护管理系统包括：养护质量评定系统、工程结构、机电与附属设施的定期检查、检测评估、维修加固及档案资料建立、日常养护管理系统等，进行数据字典建立、数据格式到标准数据格式的映射、各系统接口标准的研究。（4）建养一体化理论研究研究利用建设和养护系统数据，进行隧道在施工和运营状况评价模型研究、安全和适用性能预测模型研究、养护资金决策支持研究、隧道工程寿命周期费用决策、全寿命周期环境决策、全寿命路面结构安全性决策以及技术数据关联模型研究。（5）综合查询和管理系统进行数据查询、数据挖掘、联机分析(OLTP)、实施数据获取、日常业务办公平台的研究。3.3综合评价方法建养一体化系统涉及到隧道工程的建设和养护管理的各个方面，多种子系统和独立系统并存，系统之间关系复杂联系紧密，各系统是否能够满足建养一体化目标的需要、是否达到了预期的要求，需要有一套较为客观的评价系统，定量、定性地对系统进行评价，从而充分发挥各系统的作用、达到预期的投资效益、实现隧道结构建养一体化的目标。评价方法的建立，在一定程度上也为系统的建设提供指导。由于各子系统具有相对的独立性，因此，建养一体化系统的评价不仅仅是对总系统的评价，也应包含对建设和养护各子系统的评价。隧道管理信息系统一方面是一个软件管理系统，因此该系统应该满足软件项目的质量要求，达到软件项目的各项技术指标要求;另一方面，企业或公司投入巨资开发管理信息系统，要求投入的资金能够带来应有的效益。因此，对一个隧道管理信息系统的评价应该从技术和经济两方面进行，经济评价主要是评价投资的经济效益，技术评价主要是控制管理信息系统的质量，技术评价可分为:项目开发过程评价、项目使用性能评价。因此，隧道管理信息系统的评价是一个多方位多指标的评价系统，各种指标共同相互作用，关系复杂，只有综合考虑，才能够得到客观公正的评价结果，从而对隧道养护管理信息化系统的可行性投资研究和对现有的系统的管理改进起到指导作用。这属于典型的多指标决策问题，需要将各种指标数学化、系统化，以反映指标间的相互关系，层次分析法是一个适用的方法。应用层次分析法的步骤为：对构成评价系统的各种要素建立多级递阶结构模型；对同一层次的要素以上一层次的要素为准则进行两两比较，并根据评价尺度确定相对重要程度，建立判断矩阵;通过一定计算确定各要素的相对重要度;多综合重要度的计算，为评价提供科学的依据。对于隧道养护管理信息化系统的评价可根据经济指标、技术指标、性能指标，进行层次模型的建立，建立的评价模型。由于各指标相互作用，在实际评价过程中，需要确定各三级指标对多个二级指标的影响权重，从而建立层次分析法的判断矩阵，利用层次分析法进行判断。3.4最终的目标隧道建养一体化将对我国隧道的建设和养护起到重大的推进作用，使隧道信息资源、设备资源得到有效的利用，促进隧道能够持续、稳定、飞速发展，保证隧道的高可用性，节约投资。(1隧道建设决策支持将有根据隧道施工大量的质量控制指标都是采用试验的方法确定，试验的方法存在方案设计不能穷尽、试验环境不能完全模拟行车状况、试验材料与实际施工所用材料以及试验室制作试件与现场环境不同等等问题。实施建养一体化将可以收集大量的实际数据，对建设过程中的质量控制指标进行科学地调整，从而提高施工水平。(2)隧道养护决策将更加科学由于计算机技术发展滞后、资料不全等原因，目前的养护决策大都根据当前的路面状况进行决策，缺乏历史的、空间的分析，造成决策失误或者资金浪费。建养一体化从建设资料出发，将隧道历年检测和养护资料有机地结合在一起，从而能够做出更加个性的养护方案。(3)管理更加实时、便捷建养一体化表现在建设和养护过程的实时化，通过地理信息系统、远程视频、消息平台等现代化的手段，从应用层面上决策者能够实时获得建设和养护的现状，进行总体考虑，避免盲目决策、决策滞后等现象。(4)完善管理体制，保证改革顺利进行建养一体化系统不仅仅是技术层面地问题，同样涉及到管理机构改革，通过系统的实施，将加强建设和养护单位的责任感，避免扯皮、推谱现象，最大限度地保证隧道产品的可用性。(5)规范管理过程管理信息系统能够在一定程度上保证制度的正确执行，将隧道建设和养护决策中资金、技术等方面由“人治”改为“法治”，提高管理的透明度。4 基于DUSE构建隧道结构“建养一体化”平台“数字地下空间与工程”( Digital Underground Space and Engineering，简称DUSE )（朱合华2007)是21世纪城市发展与岩土工程发展相结合的产物。DUSE是以数字地层为依托，利用信息化手段对地下工程的勘察、设计、施工、监测等数据进行集中高效的管理，实现城市地下空间的静态显示、虚拟浏览、数据查询、空间分析和专业应用等，为地下工程的建设、管理、运营、维护等提供信息共享和分析的管理平台，最终实现一个地下工程全生命周期的数字地下空间博物馆。数字地下空间与工程信息系统作为工程应用软件之一，明确体现了地下工程的信息化与数字化。在岩土工程等多个领域，数值分析方法已经成为了一种重要的模拟分析手段。为了能够更好的服务于地下工程的建设与发展，以提供强有力的数字可视化模拟功能与数值模拟分析功能，将数值分析技术集成到数字地下空间与工程信息系统中就成了大势所趋。4.1数字地下空间与工程（DUSE）研究现状数字地下空间与工程（DUSE）是以数字地层为依托，利用信息化手段对地下工程的勘察、设计、施工、监测等数据进行集中高效的管理，实现城市地下空间的静态显示、虚拟浏览、数据查询、空间分析和专业应用等，为地下工程的建设、管理、运营、维护等提供信息共享和分析的管理平台，最终实现一个地下工程全生命周期的数字地下空间博物馆。从数字化的角度出发，自数字地球的概念诞生以来，“数字地下空间与工程”的产生、研究与应用大致经历了三个阶段(朱合华，2007)。第一阶段是以提出概念为主，如数字城市、数字地层、数字矿山、三维地层信息系统、城市地下空间信息系统等概念，相关的研究刚刚开始起步。第二阶段是研究的深入阶段，在此阶段研究人员从各自的专业应用角度出发来对数字化进行理解和解释，并在此基础上进行研究，其成果较多但系统性不强，由于缺乏完整的数字化理论框架体系的指导而难以在实际工程中得到采用。美国弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech.)的Marte等人自2003年起开展AMADEUS(Adaptive Real-Time Geologic Mapping, Analysis and Design of Underground Space)的研究计划，其基本思想是利用数字照相技术获得隧道掌子面的相关地质情况，建立相应的属性数据库，从而构建出地质力学模型，并与数值分析方法相结合，借助三维数字变形量测技术对隧道开挖和支护的力学行为进行模拟，最终为岩体地下工程的地质描述、分析、设计与施工建立自适应实时更新系统。奥地利2004年开展了CITYGRID项目的研究，该项目被列入欧盟EUREKA计划，其目标是建立地上、地下统一的整个城市数字化模型，用于城市规划、城市噪音控制、交通规划、地下管线规划、城市防灾、工程项目管理等。欧盟2005年开展了的一项研究计划TUNCONSTRUCT(Technology Innovation in Underground Construction)，由来自11个国家的成员组成，其目标是推动地下基础设施建设技术的革新，以减少地下工程建设时间和降低地下工程建设造价。该项目的一个重要组成部分就是开发集规划、勘察、设计、施工和运营维护于一体的地下工程信息系统(Underground Construction Information System, UCIS )，该系统对地下工程(特别是隧道工程)全命周期数据进行管理，并将数据提供给工程建设和管理的各个参与方。英国剑桥大学和帝国理工大学2005年联合开展了一项智能基础设施(Smart infrastructure)研究计划，其目标为是为各种城市基础设施(主要针对地下的隧道与供水系统等等)开发出无线传感网络，以实现对这些基础设施的长期监测。此外，韩国学者Myung Sagong等人(2006)采用PDA (Personal Digital Assistant)和无线网络传输技术建立隧道掌子面的数字化描述系统(DiTFAMS, DigitalizedTunnel Face Mapping System)，用于将隧道掌子面的围岩图像、围岩类别等地质信息快速传递到决策人员，以利于施工过程中的迅速决策。Chungsik Yo等人(2006)基于地理信息系统软件ArcGIS开发了一个隧道风险管理系统(IT based tunneling risk management system, IT TURISK)，用于隧道施工过程对周围环境的影响进行风险评估，并予以指导设计。第三阶段是“数字地下空间与工程”理论和框架体系逐渐发展阶段，这一阶段由于工程界对数字化理论和概念日益重视以及实际工程的应用需求，就推动了该学科理论和框架体系的深入发展。目前对DUSES的研究正处于由第二阶段向第三阶段转变的过程中。作为21世纪城市发展和岩土工程发展相结合的产物，已有的岩土工程领域数字化的研究成果为“数字地下空间与工程”学科打下了良好的基础，同时也为其发展方向指明了道路。“数字地下空间与工程”的研究内容目前主要有以下的几个方面：（1）数字地下空间与工程信息系统(DUSES )框架的研究；（2）数据及其管理功能的研究，包括数据的来源、种类、特点、采集与加工，数据的分类体系，数据标准与元数据，数据库的建设与数据管理等；（3）地下空间的各类对象模型的建模方法研究，包括地层模型、地下管线和地下构筑物模型、隧道及地铁模型、基坑模型等；（4）可视化与虚拟浏览功能的研究，包括三维可视化与平台的研究和虚拟浏览方法的研究；（5）空间查询与空间分析功能的研究，包括空间查询与统计，剖切、切割、碰撞检测、最小距离、属性分析等空间分析功能；（6）工程应用技术的研究，包括数据共享技术，网络化技术，数字与数值一体化技术，数字化设计、施工、管理、维护、防灾等技术，这部分内容是数字地下空间与工程信息系统的核心。4.2支撑DUSE平台的数字化技术4.2.1数据采集技术包括图纸、文字、图像等基础数据的整理、录入工作；监控数据的人工和自动采集工作以及为实现隧道表面、形状特征信息采集的激光扫描和数字相机技术等。数字图像技术是利用计算机对数码相机所获得的图像进行加工处理，如图像的增强、重构、分割、识别和理解等，并提取隧道工程所需要的信息，数字照相的本质是一个信息获取记录的过程，其核心在于能够记录光线信息的数字传感器CCD(charge-coupled device)或CMOS（complementary metal-oxide semiconductor）。采用传统经验标定方法是跳过相机内参获取的过程，即直接通过室内实验得到相机在一个特定焦距下的标定比例(mm/pixel或mm2/pixel2)与拍摄距离Distance(m)之间的函数关系。这种方法技术粗糙，精确度不高，其费时费力。而采用输在图像技术实现了数字照相从世界坐标系到图像坐标系的转化记录过程，通过标定技术，实现了图像处理从图像坐标系到世界坐标系还原和提取。4.2.2数据分类、模型与平台基础系统信息的分与编码综合信息数据模型综合信息数据库空间索引技术元数据管理基础平台系统架构4.2.3空间建模与可视化数字地层空间建模钻孔建模地层建模差值地层部面建模空间分析数字与数值一体化4.3隧道结构建养一体化框架体系“数字地下空间与工程”是在自行开发的同济曙光DUSES系统上得以体现，该系统是以Windows作为软件开发平台，以ACCESS为数据库支撑，利用VC+和OpenGL从底层开发的具有完全知识产权的数字地下空间与工程信息系统。该系统的主要功能模块在第二章中已经进行了详细研究，主要由数据管理、三维建模、可视化、空间分析和专业应用五大模块组成，其中的专业应用模块尚处于研究开发阶段。基于DUSE的数字一数值一体化系统是以DUSES为基础平台，数值分析系统作为辅助的数值计算平台，并将其中的建模工作全部嵌入到DUSES中，开发并采用新的建模方式来完成整个数值建模工作。为此在DUSES系统中将属于专业应用模块的有限元数值分析功能单独作为一个模块来重点突出一体化系统的主要成果。4.3.1数据一体化数据一体化是实现系统集成的基石，它不是简单地把不同的数据合并到一起，是在数据表达或模型中空间数据和属性数据的内部关联。对于DUSES系统和数值分析系统间的数据一体化，是将共同的所需数据按照特定的数据组织模式来进行综合整理，达到资源共享、避免重新获取数据等目的，使一体化系统具有连接紧密、数据管理紧凑、易于维护及自动化程度高的优点。该一体化系统的数据集成主要分空间数据、属性数据和结果数据的一体化，本节以下分别对这三类数据的一体化进行说明。（1）空间数据在DUSES系统中进行地质建模所用的主要空间数据有钻孔点的编号、坐标、孔口标高、土层厚度、地层编号、层底深度等。整个建模过程可通过数据库来自动提取数据完成。而在数值分析系统中，要建立数值计算模型，首先要根据工程地质资料确定模型边界或重要分界面的控制点，来构建整体模型的几何尺寸，然后通过人机交互方式进行数据点的输入，整个过程执行效率低且易出错。在将DUSES系统和数值分析系统进行集成后，是通过新的建模方法来自动完成数值建模，CRM地质模型转化法是基于数据库的建模方式，先通过自动提取钻孔数据建立工程地质模型，后将其转化为数值计算模型。此建模方式避免了几何数据的手动输入，直接通过共享空间数据来完成，达到自动化程度高，数据管理方便的目的。在此层面上，空间数据库既为地质建模提供服务，也间接为数值建模提供方便，因此可谓一体化系统的空间数据发挥了一体化的作用与目的。（2）属性数据DUSES系统中提供了很多详细的地质资料及数据，其中包括了较多试验数据和土层的材料属性数据等，记录了土层信息，有地层编号、工程土名、类别、等级、密实度、湿度和风化程度等，同时对土层进行试验的取样信息，包含钻孔编号、取样编号、深度、厚度、类型、质量密度、含水量、液限和塑限等指标等进行了记录。涉及到固结试验所的参数，主要有压缩系数、压缩模量、孔隙比、变形模量、弹性模量和泊松比等指标，土的直剪试验的所得信息，主要有试验方法及其对应的粘聚力和内摩擦角等。这些属性数据是通过内部关联字段进行连接，如工程索引号、钻孔编号和取样编号等，以保证所有指标对应同一地层在地下工程数值分析计算中，一般都要按照研究内容和分析模式输入所需的材料计算力学参数。进行弹性分析一般需要的参数有弹性模量、泊松比、质量密度；对于弹塑性分析，还需粘聚力