基于实时交互式仿真的城市大规模隧道线路优化设计方法

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Interactive real-time large-scale tunnel alignment design

本文提出了一种融合有限元胞法（FC）、本征正交分解（POD）与径向基函数（RBF）代理模型、非支配排序差分进化（NSDE）算法的隧道线路实时优化框架，通过域分解策略实现了大规模隧道掘进过程的高效仿真，将计算时间从10–12小时缩短至1–2秒，为城市隧道工程提供了集仿真、优化与可视化于一体的交互式设计平台。

　　

Highlight

本文引入了一种新颖且具有独特能力的大型隧道线路设计计算框架，解决了现有方法因计算效率低和可扩展性有限而无法克服的挑战。通过将域分解与先进的代理建模相结合，该方法能够在隧道线路尺度上实现机械化隧道掘进的全过程仿真，这一任务以往采用常规方法几乎是不切实际的。灵活数值模拟与高效数据驱动模型的集成，使得在保持高精度的同时实现实时性能成为可能，为实际工程应用提供了可行的解决方案。

大型隧道线路设计的基于仿真概念

在城市地区模拟隧道线路提出了一个固有的大规模挑战，这是由于必须考虑的广阔空间域、复杂地质条件和多物理场相互作用。隧道线路可以延伸数公里，例如在地铁系统和公路隧道中，这需要对具有不同地质构造、地下水条件和现有基础设施的大范围地理空间区域进行仿真。开挖不仅影响紧邻隧道周围的区域，还会引发地表沉降，可能影响到远处的地面结构和地下公用设施。此外，隧道掘进过程涉及复杂的多物理场相互作用，包括土壤力学、地下水流动以及隧道掘进机（TBM）与周围土体之间的相互作用。这些因素共同导致了一个大规模的计算问题，需要高效且可扩展的数值策略。

机械化隧道掘进过程的计算模型

在本文中，有限元胞（FC）仿真模型作为一个强大的工具，用于模拟软土中的机械化隧道掘进过程。该模型旨在捕捉土壤-结构相互作用的复杂性，为使用隧道掘进机（TBM）的隧道施工提供了一个高效且真实的3D综合仿真环境。仿真遵循逐步方法，其中开挖的土壤单元被系统地...

实时预测的代理模型

为了在存在高维输出（例如5000个地表点的沉降）的情况下有效替代FC仿真，本征正交分解（POD）方法与众所周知的径向基函数（RBF）相结合。本节首先介绍POD方法的基本原理。然后介绍POD和RBF的集成以构建用于插值的高效代理模型。关于输入空间定义和...的关键考虑因素也被提出。

使用非支配排序差分进化（NSDE）进行优化

差分进化（DE）是一种进化算法，特别适用于解决复杂的、多峰的和不可微的优化问题。DE通过简单的组合规则演化候选解群体，保留那些具有最佳适应度值的解。让我们考虑一个由一组Q个输入参数表征的隧道线路：[ip₁, ip₂, …, ip_Q]。搜索过程首先随机初始化一个包含P个候选解的群体X，每个...

应用示例

以下部分介绍了所提出的方法在城市环境中隧道线路设计中的应用。本节首先对项目进行概述，然后详细解释潜在线路替代方案的生成过程。接着介绍并说明了用于大规模计算分析的域分解策略。随后，介绍了用于生成代理模型构建数据的数值仿真模型...

交互式设计辅助软件开发

为了支持用户在隧道线路设计中的交互和决策，开发了一个大规模的城市级可视化工具。该交互式工具允许用户通过调整控制点的偏移量来探索各种线路选项，这些控制点定义了隧道路径的几何形状。修改后，所有相关代理模型的预测结果会实时计算并映射到可视化网格上，提供地面...

结论

本文介绍了一种新颖且具有独特能力的大型隧道线路设计计算框架，解决了现有方法因计算效率低和可扩展性有限而无法克服的挑战。通过将域分解与先进的代理建模相结合，该方法能够在隧道线路尺度上实现机械化隧道掘进的全过程仿真，这一任务以往采用常规方法几乎是不切实际的。灵活...