數(shù)字孿生(digital twin)技術(shù)是將工業(yè)產(chǎn)品、制造系統(tǒng)、城市等復(fù)雜物理系統(tǒng)的
結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、行為、功能和性能映射到數(shù)字化的虛擬空間,并在虛擬空間進(jìn)行各種操
作、模擬與分析,從而對(duì)物理系統(tǒng)未來的性能和行為進(jìn)行預(yù)測(cè),提出決策優(yōu)化,并反
饋到物理世界進(jìn)行協(xié)作調(diào)控。
孿生概念最早由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)提出。在阿波羅項(xiàng)目中,
NASA制造兩個(gè)完全相同的實(shí)物空間飛行器,通過對(duì)地面上的孿生飛行器進(jìn)行
仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析,來反映和預(yù)測(cè)空間飛行器的飛行狀態(tài)。大衛(wèi)· 葛蘭特
(David Gelernter)在1991年的著作《鏡像世界》(Mirror Worlds)中首次提出了數(shù)
字孿生的概念:鏡像世界是一個(gè)信息的海洋,由許多數(shù)據(jù)流提供。一些數(shù)據(jù)通過
計(jì)算機(jī)終端手動(dòng)輸入,它們慢慢地流動(dòng)。其他的則由自動(dòng)數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控設(shè)備提
供數(shù)據(jù),例如醫(yī)院重癥監(jiān)護(hù)室的機(jī)器、天氣監(jiān)控設(shè)備或安裝在道路上的交通量傳感
器。邁克爾·格里夫斯(Michael Grieves)于2003年將數(shù)字孿生概念首次應(yīng)用于
制造業(yè),并正式發(fā)布了數(shù)字孿生軟件的概念。2010年,NASA 為了改進(jìn)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(shù)字孿生這個(gè)名
詞。隨后,不同領(lǐng)域的學(xué)者開始探索數(shù)字孿生技術(shù)。近年來,隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、云
計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能和混合現(xiàn)實(shí)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字孿生在理論層
面和應(yīng)用層面均取得了快速發(fā)展。數(shù)字孿生與產(chǎn)業(yè)技術(shù)的深度融合,有力推動(dòng)了相
關(guān)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、智能化和自動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)程,正成為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的強(qiáng)大推動(dòng)力。
在城市地下空間領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)開始探索將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于城
市地下空間規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)甚至拆除各階段。在設(shè)計(jì)初期,通過數(shù)字
孿生技術(shù)建立城市地下空間的數(shù)字化模型,模擬各種設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行性能評(píng)估,從
而選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。在施工過程中,數(shù)字孿生技術(shù)可以用于施工進(jìn)度、質(zhì)量和
安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控、反饋和優(yōu)化,并提升施工的智能化水平。在運(yùn)營(yíng)階段,數(shù)字孿生
可以協(xié)助運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行資產(chǎn)管理和能源管理,預(yù)測(cè)潛在問題并優(yōu)化運(yùn)營(yíng)策略。在
面對(duì)自然災(zāi)害和其他突發(fā)事件時(shí),基于數(shù)字孿生技術(shù)的態(tài)勢(shì)感知、仿真推演、動(dòng)態(tài)
決策、應(yīng)急聯(lián)動(dòng),可顯著提高城市地下空間的應(yīng)急響應(yīng)能力。在維護(hù)階段,數(shù)字孿
生模型可以協(xié)助維護(hù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行故障定位和診斷,提供精確的維修方案。在拆除階
段,基于數(shù)字孿生模型的模擬、數(shù)據(jù)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(huán)保。因此,數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用在城市地下空間全生命周期的管理
中具有顯著的優(yōu)勢(shì)和廣闊的前景,其不僅有助于提高城市地下空間開發(fā)利用的安
全性、經(jīng)濟(jì)性和高效性,還能推動(dòng)城市建設(shè)的數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型。
目前,城市地下空間領(lǐng)域尚未有通用的數(shù)字孿生模型,數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)也在
持續(xù)發(fā)展中。本書從理論、技術(shù)、應(yīng)用等維度,介紹城市地下空間數(shù)字孿生的內(nèi)涵
和要素,構(gòu)建數(shù)字孿生平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)和架構(gòu),以及深圳大學(xué)未來地下城市研究院
科研團(tuán)隊(duì)的相關(guān)應(yīng)用案例。全書分為上下兩篇。上篇聚焦城市地下空間數(shù)字孿生
的核心要素和實(shí)現(xiàn)技術(shù),包括虛擬模型建立與可視化技術(shù)、智能感知與互聯(lián)技術(shù)、
平行推演技術(shù)和平臺(tái)開發(fā)技術(shù)。下篇著重介紹數(shù)字孿生技術(shù)在城市地下工程中的
應(yīng)用案例,包括雙洞密貼頂管車站頂進(jìn)施工智能控制、復(fù)雜地層盾構(gòu)隧道掘進(jìn)平行
推演技術(shù)及應(yīng)用和地鐵地下空間水災(zāi)推演與應(yīng)急疏散。本書旨在為讀者提供一套
較全面和系統(tǒng)的城市地下空間數(shù)字孿生技術(shù)的相關(guān)理論與實(shí)踐指南,以期為相關(guān)
領(lǐng)域的管理人員、科研人員及工程技術(shù)人員提供有價(jià)值的參考和借鑒。
本書相關(guān)研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目城市站城融合立體網(wǎng)絡(luò)空間智慧運(yùn)
維關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用(編號(hào):2023YFC3807500)、國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目超大
城市深層地下空間韌性基礎(chǔ)理論的課題一超大城市深層地下空間地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)
多場(chǎng)互饋機(jī)制及評(píng)估理論(編號(hào):52090081)、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃(編號(hào):
2019B111105001)以及深圳大學(xué)2035追求卓越研究計(jì)劃(編號(hào):2022B007)的資
助。本書由蘇棟、陳湘生擔(dān)任編委會(huì)主任,由陳鵬祿、王雪濤、沈翔擔(dān)任編委會(huì)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(jìn)威、黃聰?shù)葏⑴c
了編寫工作,在此表示衷心的感謝。
由于作者水平有限,書中難免會(huì)存在不足和不妥之處,熱忱希望讀者和同行專
家批評(píng)指正。

蘇 棟 陳湘生
2025年1月