隧道数字孪生建模指标判断网络模型构建方法、分析方法与流程

本发明属于交通信息化，具体涉及隧道数字孪生建模指标判断网络模型构建方法、分析方法。

背景技术：

1、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。

2、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指标进行判断和评价。

技术实现思路

1、本发明为了解决隧道数字孪生建模方法中设施之间复杂的关联关系的准确构建的问题，提出隧道数字孪生建模指标判断网络模型构建方法、分析方法。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种隧道数字孪生建模指标判断网络模型构建方法，包括如下步骤：

4、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；

5、s2、将步骤s1得到的动态建模设施、静态建模设施以及数字孪生的建模精度，数字孪生的建模层次，数字孪生的建模引擎，数字孪生的建模预算设置为隧道数字孪生建模的因素，每个因素作为隧道数字孪生建模指标判断网络模型的节点，各个节点间的相关性作为连边，构建隧道数字孪生建模指标判断网络模型；

6、s3、对步骤s2构建的隧道数字孪生建模指标判断网络模型，进一步构建单个节点重要度量化模型；

7、s4、对步骤s2构建的隧道数字孪生建模指标判断网络模型，进一步构建多因素条件下的网络结构变化模型。

8、进一步的，步骤s1的具体实现方法包括如下步骤：

9、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；

10、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；

11、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：

12、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；

13、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、机电设备中的风机、摄像头、隧道车辆、隧道内的照明灯具；

14、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、交通道路、其他交通设施、周边建筑物、树木、远处建筑物、一般地面、设施故障、正常和关闭的状态。

15、进一步的，步骤s2的具体实现方法包括如下步骤：

16、s2.1、设置隧道数字孪生建模的因素组为，其中，r为隧道数字孪生建模的因素，u为隧道数字孪生建模的因素的个数；

17、s2.2、设置隧道数字孪生建模指标判断网络模型为，其中， g为判断网络， n为隧道数字孪生建模指标判断网络模型的节点数量， l为隧道数字孪生建模指标判断网络模型的连边数量；

18、s2.3、隧道数字孪生建模指标判断网络模型的节点数量n=u，隧道数字孪生建模指标判断网络模型的连边数量为隧道数字孪生建模的因素的相关性，由隧道数字孪生项目管理人员以及模型建模人员进行评定；

19、s2.4、计算步骤s2.3得到的隧道数字孪生建模指标判断网络模型的节点权重，采用1-9标度方法进行因素判断，得到的因素判断结果用于计算节点权重，则因素的节点权重值计算公式为：

20、；

21、其中，为因素和的因素判断结果， i为节点中的任意一个；

22、s2.5、按照步骤s2.4对所有的节点进行计算节点权重值，最终得到所有节点的权重值。

23、进一步的，步骤s3的具体实现方法包括如下步骤：

24、s3.1、通过网络化方法判断隧道数字孪生建模指标判断网络模型中单个节点重要度，设置隧道数字孪生建模指标判断网络模型的邻接矩阵为，通过边介数和连通介数中心性进行单个节点重要度计算；

25、s3.2、定义节点 i和节点 j之间的介数边介数为判断网络中所有最短路径中经过该边的路径的数目占最短路径总数的比例，公式为：

26、；

27、其中，表示节点 i和节点 j之间的连边，表示的边介数，表示判断网络的所有节点的集合，表示节点 i和节点 j之间最短路径的数目，表示节点 i和节点 j之间的通过的最短路径的数目；

28、s3.3、定义节点 i和节点 j之间的连通度，公式为：

29、；

30、其中，表示节点 i和节点 j之间的连通度，表示节点 i到节点 j之间的最短路径的数量， s为最短路径的长度，表示从节点 i到节点 j的非最短路径中路径长度为 k的路径的数目；

31、进一步，节点 i和节点 j之间的连通度使用邻接矩阵进行表示，公式为：

32、；

33、其中，f为取多值，为矩阵的 f次方，为常数；

34、s3.4、计算节点 i的连通介数中心性，公式为：

35、；

36、其中，表示节点i的连通介数中心性，c为常数，，为节点j和节点m之间的连通度；

37、s3.5、按照步骤s3.2-s3.4然后分别对隧道数字孪生建模指标判断网络模型的所有节点进行计算，得到隧道数字孪生建模指标判断网络模型所有节点的连通介数中心性参数的值，用于比较单个节点重要度。

38、进一步的，步骤s4多因素条件下的网络结构变化模型基于因素选择过程中非单因素的决策过程中决策因素之间的影响，及对非决策因素的影响，构建多因素条件下的网络结构变化模型，具体实现方法包括如下步骤：

39、s4.1、设置当因素被选中时，则与之直接相连的因素的权重值变化，则有：

40、；

41、其中，表示变化之后的的节点权重值；

42、由于因素被选中产生变化系数，则有：

43、；

44、其中，表示最终的节点权重值，表示以因素为中心的由于因素被选中产生的变化系数，变化系数的数值范围为[0.75,1.25]；

45、s4.2、设置当因素和被选中，是未选中因素，则对于未选中因素，首先有条件概率矩阵，如下：

46、；

47、其中，表示在已经被选中条件下，对产生的作用触发概率；

48、然后，计算已选中的因素对的直接影响作用大小，则有：

49、；

50、其中，为对的直接影响力参数；

51、然后，计算多因素选中条件下对未选中因素的影响力大小，对的等效影响力参数为：

52、；

53、其中，为对的等效影响力参数；

54、然后，去除多因素之间的重叠部分，则有：

55、；

56、其中，为多个因素被选中后导致网络结构的变化中未选中因素的新的节点权重值，表示和已选中因素对的影响力参数，表示去除和影响力重叠部分；

57、进一步得到：

58、。

59、一种隧道数字孪生建模指标判断网络模型的分析方法，依托于所述的一种隧道数字孪生建模指标判断网络模型的构建方法实现，包括如下步骤：

60、步骤一、单个因素被选中条件下的隧道数字孪生建模指标判断网络模型渗流分析：对每一个因素进行选中，然后计算得到发生结构变化后的隧道数字孪生建模指标判断网络模型并进行网络渗流，并且计算不同因素在网络渗流时的分布结果；

61、步骤二、多因素被选中条件下的隧道数字孪生建模指标判断网络模型渗流分析：当多因素为两因素，对隧道数字孪生建模指标判断网络模型中的因素进行两因素组穷举，然后对每一个组合进行选中操作，然后计算得到发生结构变化后的隧道数字孪生建模指标判断网络模型并进行网络渗流，并且计算不同因素在网络渗流时的分布结果；

62、步骤三、基于步骤一、步骤二得到的不同因素在网络渗流时的分布结果，计算不同因素被选中条件下，隧道数字孪生建模实施方案的隧道数字孪生建模指标判断网络模型发生渗流时的因素分布情况，具体的，发生渗流时去除的因素被认为是最重要的核心因素，因此通过计算所有因素作为核心因素的频率值，进行排序，得到因素的评价结果排序。

63、本发明的有益效果为：

64、本发明所述的一种隧道数字孪生建模指标判断网络模型构建方法，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。

65、本发明所述的一种隧道数字孪生建模指标判断网络模型构建方法，首先是构建判定基础网络。引入网络的方法，简单的从网络的点和边开始。对于隧道数字孪生建模的判断网络而言，点就是实施方案中考虑的因素，每个因素单独作为一个节点。而对应解决的问题，即传统的层次分析法默认各个因素之间都是独立的，但是实际上它们之间都存在一定的相关性。因此，网络节点之间的连边为两个因素之间的关联性大小值。在此基础上，构建起隧道数字孪生建模指标的判断网络。

66、本发明所述的一种隧道数字孪生建模指标判断网络模型构建方法，建模判断网络节点重要度量化。在构建的判断网络的基础上，进一步结合隧道数字孪生建模的步骤，对实施方案中的考量因素进行排序。这里主要从几个方面进行操作。首先是一般情况-单个网络节点（因素）的重要度判定，通过引入网络化的指标衡量单个节点的重要度。然后，充分考虑实际情况-多个因素的判定以及互相的耦合关系，分别考虑不同情况下的判断网络相对应的变化情况，包括网络结构以及计算指标的改变。然后，通过引入耦合规则，处理多个因素判断的情况。

67、本发明所述的一种隧道数字孪生建模指标判断网络模型构建方法，引入渗流理论计算因素团的排序情况。通过引入渗流分析，建立隧道数字孪生建模实施方案的排序指标，计算单个甚至多个因素选择条件下的排序判断。通过对渗流条件下的临界状况的分析，计算因素团的分布情况，最终判断因素团的重要度排序。结合多个实施方案中对于节点权重的实际分布，判定最终各个方案条件下因素团的实施情况。

68、本发明所述的一种隧道数字孪生建模指标判断网络模型构建方法，具有以下几个优势：

69、1.本发明通过构建隧道数字孪生建模指标判断网络模型，在传统判断矩阵的基础上，通过深挖各因素团之间的关联性，使用网络化的结构刻画互相关联的多因素团，保留因素团自身独立性（节点）的同时，强调因素团之间的相关性（连边）。克服了传统判断矩阵无法分析因素团之间的关联性的缺点，对于项目实际操作的指导下更加有效，提高实施方案的理论性；

70、2.本发明通过引入网络分析方法，对判断网络的节点进行重要度计算，克服了传统隧道数字孪生建模实施过程的定性化不足，对于重复方案经验以及大规模推广方法的应用，建立定量化评价指标，奠定坚实基础；

71、3.本发明通过分析不同因素的特征，刻画在方案实施过程中的不同资源分配状态，提出因素的不同实施阶段划分，通过被选中和未选中的简单分类，一方面使得方案实施有了具体的实施路径，可以快速进行实施。另一方面，更加贴近项目实际，有助于提高分析结果的有效性。综上所述，针对隧道数字孪生建模过程中的因素分析和排序，本发明通过构建判断网络，引入网络分析方法度量节点重要性，然后刻画因素之间的相互作用性，最后通过渗流分析计算网络节点的重要度排序结果。