孪生的对象是什么？环境与工程。当前复杂环境铁路工程数字孪生面临着不完备数据条件下高精度数字孪生建模的难题，对此需要实现知识引导的区域地质环境几何-属性集成建模与局部更新、多源数据融合的多场耦合工程地质环境精细建模与关联更新以及实时数据驱动的施工面地质环境高精度建模与动态更新。

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铁路孪生建模的关键是铁路本体与地理地质环境耦合。

团队创建了“数据-模型-知识”集成表达的数字孪生铁路模型。

显式刻画铁路本体及其环境对象之间的互馈作用关系，精细描述铁路实体的三维立体结构-功能状态-行为过程，支撑诊断型、预测型等智能服务，实现地上重大铁路环境要素实体化概念图-地表-地下多场耦合作用下的复杂时空过程精准模拟分析。

构建了基于线性分割的动态多层级体素表达模型。

密集体素可以表示内部错综复杂的异构属性信息，稀疏体素可以有效地表示复杂的结构信息；采用多叉平衡树数据结构，构建了基于线性分割的高效多层级体素表达模型，灵活、高效地表示全局和局部信息；高精度长大深埋隧道地质环境模型线性分割，层级节点更少，内存占用更少。

建立了数字孪生铁路数据模型知识高效分布式关联管理方法。

长大铁路工程的数据模型知识具有多源、异质、海量的突出特点，现有分散独立管理往往忽略了它们之间的动态耦合关系，存在大量跨各种应用程序的多径连接和转换聚合等操作，导致全局关联检索效率低、难以动态耦合数据模型知识支撑实时分析和智能处理等应用。

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数字孪生铁路到了地下会发现层出不穷的问题，如高温、有害气体、地震、操作不当、装备故障等都有可能造成灾难，GIS需要将风险透明化，让人感知到，让机械识别到，从而采取有效的行动。因此GIS创新的潜力更多体现于业务融合层面，在动态持续的过程中迭代孪生。

面向隧道施工动态设计与综合风险防控需求，基于高精度隧道围岩环境数字孪生模型（融合动态超前地质预报数据），提升长-中-短距离高地应力、富水带、破碎带等不良地质风险预测的精准性与可靠性，支撑动态设计。

面向隧道工程多专业多部门协同作业需求：长大深埋隧道沿线地质环境情况复杂多变且灾害频发，现有信息独立分散、多以二维图表及文字描述为主，难以完整准确集成表达及与BIM设计模型精准耦合分析。针对国铁集团宏观管控，科研设计院所综合研判、变更设计，现场施工单位快速响应、动态调整、精准防控等多层级应用痛点，与信息化牵头单位一起驻场研发工程整体概况、孪生地质环境、不良地质研判、风险预警防控、耦合对比分析、变更优化设计等多功能模块的数字孪生与智能应用平台。

桥梁建造过程力学行为复杂、施工质量与安全精准管控难，亟需桥梁施工全过程数字孪生，精细化、实时化刻画桥梁及周围环境要素的结构-状态-行为，保障桥梁结构安全与建造品质。团队通过数字孪生平台支撑施工建设管理，包括力学仿真、材料追踪溯源、环境影响分析、场地规划、桥梁建造过程模拟预测与优化决策等方面，实现复杂环境桥梁建造全过程智能化精准管理。

施工安全质量进度智能管控。

监测数据与施工机械数据自动接入，数字孪生模型动态构建与更新（安全风险与质量风险在线评估；工序工艺工期实时跟踪、诊断、预测；进度推演与计划动态优化调整）。

桥梁施工进度实景三维监测。

利用相对不变的钢体结构单元反演桥梁施工进度，从语义特征点拓展到语义结构体，显著提高特征判别度。

工程与环境耦合的高陡边坡地质灾害综合风险分析。

针对不确定性突发地震灾害事件，基于桥梁工程与高陡边坡环境高精度数字孪生模型（含实时监测数据），提升滚石、崩塌等风险评估的精准性与可靠性，以及防控预案的适用性。

重大铁路数字孪生应用体系

从一般GIS平台到数字孪生平台的转型升级，即从时态更新到实时动态关联更新、从数据服务到数据-模型-知识“三融”服务、从分散独立应用到“五跨”协同应用。重大铁路数字孪生应用体系从四个维度的总结如图所示，我们团队目标是实现与实际一致的高精度孪生。

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编辑：于瑞凯 审核：孙凡淅

指导：万剑华教授