一种隧道空间布局优化及数字孪生参数推演智能体方法与系统、存储介质及计算机程序产品

本发明涉及隧道工程数字化正向设计、参数化建模、工程方案评价与人工智能辅助生成式设计领域，特别涉及一种隧道空间布局优化及数字孪生参数推演智能体方法与系统、存储介质及计算机程序产品。

背景技术：

1、随着城市交通基础设施建设规模的不断扩大，公路隧道、城市地下道路、综合交通隧道以及复合管廊型地下通道等工程形式日益增多。隧道作为交通功能、设备系统、结构边界和运营维护空间共同作用的联动空间，其布局合理性直接影响工程造价、空间利用效率、运营安全以及后期维护便利性。传统隧道设计通常依据规范要求、标准断面图集和既有工程经验进行方案拟定，再通过人工校核约束条件形成可实施的断面方案。

2、随着bim 技术和数字孪生技术的发展，隧道及地下空间设计逐渐从二维图纸设计向三维参数化正向设计和全过程可视化交互转变。通过参数化模型，根据不同的隧道设计参数快速生成不同断面方案，并通过 bim 或数字孪生平台交互与表达，进一步实现构件级模型表达、方案可视化检查与优化、设计结果的可追踪管理。

3、然而，现有隧道断面布局设计方法仍然存在一定局限。既有参数化建模方法多侧重于给定参数后的模型生成，即根据人工预设的断面尺寸快速建模，但对于复杂设计参数组合和边界约束之间的方案推演能力不足，难以自动判断哪些参数组合更具可行性和优越性。在方案阶段即使生成多个断面模型，也往往仍需要依赖设计人员经验判断其空间利用效率、边界安全余量和综合布置合理性。

4、具体而言，现有技术主要存在以下问题：

5、1）空间布局参数推演效率低下：现有方法通常依赖人工经验、标准断面或固定参数化模板进行反复试算，难以根据车道数量、隧道半径、管廊需求、净空要求等设计参数自动拆解设计任务，并生成不同空间布局组合下的候选方案；

6、2）方案试错缺少可溯源反馈：在传统人工试算或普通参数化建模过程中，当某一空间布局方案无法满足边界、净空或构造约束时，通常只能依靠设计人员逐项排查，缺少自动记录失败原因、约束冲突位置和参数调整方向的机制；

7、3）模型生成与设计评价之间缺少闭环联动和优化机制：现有数字化建模流程多用于表达最终方案，尚未充分服务于方案推演过程本身，难以将智能体调度、参数化求解、指标计算、三维建模和数字孪生可视化、方案优化统一到同一工作流中。

8、以上是本技术需要着重改善的地方。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是要提供一种隧道空间布局优化及数字孪生参数推演智能体方法与系统、存储介质及计算机程序产品，提高公路隧道、城市地下道路及综合交通隧道断面及空间布局方案设计的自动化程度、空间利用效率评价能力和全过程可追踪可视化表达能力，满足隧道断面及空间布局方案阶段快速生成、比较、校核和展示的工程设计需求。

2、为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种隧道空间布局优化及数字孪生参数推演智能体系统，所述智能体系统构建了围绕智能体调度核心的参数信息层、物理约束层和交互工具层的三层运行架构；其中：

3、智能体以大语言模型为推理内核，用于对设计目标进行语义解析、任务拆解、工具调度、结果读取、反馈迭代和方案解释；

4、参数信息层用于组织智能体推演过程中接收、处理、记录和输出的各类工程信息；

5、物理约束层用于限定智能体推演过程必须满足的系统流程约束、物理边界约束和用户偏好约束；

6、交互工具层用于提供断面参数分析、评价量化计算、参数建模和成果交付导出可执行能力。

7、所述参数信息层包括设计目标信息、空间参数信息、推演状态信息和最终方案信息；

8、所述设计目标信息包括隧道类型、车道数量、单层或双层断面偏好、断面半径范围、管廊需求、设备布置需求和运营场景需求；

9、所述空间参数信息包括车行净空、车道宽度、结构板厚、管廊宽度、管廊高度、设备安装空间、安全余量、层间高度和断面布置形式；

10、所述推演状态信息包括候选方案参数、工具调用结果、可行性状态、失败原因、指标计算结果、参数调整轨迹和人工审核意见；

11、所述最终方案信息包括推荐断面方案、方案排序结果、评价指标结果、二维断面图、三维模型、数字孪生可视化场景和工程交付文件。

12、所述物理约束层包括系统流程约束、物理边界约束和用户偏好约束；

13、所述系统流程约束即系统提示词与预定义的推演流程约束，用于限定智能体按照预设的任务解析、候选生成、断面分析、评价决策、反馈迭代、推荐方案选取和工程交付流程执行；

14、所述物理边界约束即物理边界与规范硬约束，围绕几何边界与规范制定，用于限定候选断面方案必须满足车行净空约束、衬砌边界约束、管廊空间约束、设备安装空间约束、结构构造厚度约束和安全裕度约束；

15、所述用户偏好约束即用户偏好与指标权重软约束，智能体推演方案在满足硬约束的同时去满足人性化、以人为本的设计需求，包括空间利用优先、交通承载优先、安全裕度优先、竖向均衡优先、工程造价优先、运营维护优先，以及功能空间利用率、无效空腔率、单车道断面面积、最小边界裕度、净高裕度、竖向均衡度和用户自定义指标对应的评价权重；

16、智能体根据所述物理约束层对候选断面方案进行约束识别、冲突判断、参数调整和推荐方案排序，并将约束校核结果、约束冲突原因和软约束权重配置写入推演状态信息。

17、所述交互工具层包括参数分析工具、评价量化计算工具、参数建模工具和成果交付导出工具；

18、所述参数分析工具用于根据候选断面参数计算车行空间、管廊空间、结构板、设备空间、拱顶空间及剩余空间的位置关系，并输出几何可行性状态；

19、所述评价量化计算工具用于计算功能空间利用率、无效空腔率、单车道断面面积、最小边界裕度、净高裕度、竖向均衡度以及用户自定义指标；

20、所述参数建模工具用于根据推荐方案生成二维矢量断面图、三维 bim 模型和数字孪生可视化模型；

21、所述成果交付导出工具用于输出断面布局参数表、评价指标计算表、约束校核结果、不可行方案失败原因记录、智能体推演日志和推荐方案说明文件。

22、所述智能体系统通过上述三层运行架构，在所述参数信息层持续读取和更新推演状态，在所述物理约束层判断候选方案是否满足硬约束和用户偏好约束，在所述工交互具层动态调用工程计算与建模工具，并根据工具返回结果生成参数调整策略，实现从设计目标输入到候选方案生成、断面分析校核、指标评价推荐、反馈迭代和数字孪生交付的可解释、可追踪、可扩展的智能体驱动推演过程。

23、本发明还提供了一种隧道空间布局优化及数字孪生参数推演智能体方法，包括以下步骤：

24、步骤s1：设计目标输入；

25、以文本形式输入隧道断面设计目标及基础约束条件，所述隧道断面设计目标包括隧道类型、车道数量、断面布置形式、隧道内轮廓半径或半径取值范围、车行净空高度、车道宽度、管廊空间需求、设备安装空间需求、衬砌边界要求、安全余量要求以及运营维护空间要求；

26、所述断面布置形式包括单层断面布置和双层断面布置。其中，单层断面布置包括上部车行空间和下部管廊空间；双层断面布置包括上层车行空间、下层车行空间以及下部管廊空间。

27、步骤s2：初步方案组织；

28、智能体根据步骤 s1 输入的隧道断面设计目标，对隧道断面设计任务进行解析和参数语义化处理，将总体设计需求拆解为候选参数生成、断面布局分析、评价指标计算、反馈迭代、推荐方案选取和工程交付子任务，并生成单层断面、双层断面及不同半径、不同车道组合下的候选断面方案；

29、在该步骤中，智能体将隧道断面设计目标转化为结构化参数，并根据预设规则或大语言模型推理结果确定候选参数范围：根据车道数量确定道路宽度，根据净空要求确定车行空间高度，根据管廊需求确定底部管廊尺寸，并生成单层或双层断面布局的候选输入。

30、将第i个候选断面方案表示为设计变量向量，其中连续变量包括隧道内轮廓半径、各车行层道路板标高、车行净空高度、结构板厚、管廊宽度、管廊高度、设备安装空间尺寸及安全余量；离散变量包括车道数量、单层或双层布置形式 以及构件布置类别。其参数化表达为：

31、 （1）；

32、式（1）中，为由输入范围、规范允许区间和构造取值集合共同构成的初始搜索域。智能体根据离散变量进行组合枚举，并对连续变量采用均匀采样或基于历史推演结果的自适应采样，形成候选集合。由此将自然语言设计目标转换为被断面参数分析工具直接求解的统一数据结构。

33、步骤s3：断面及空间布局分析与硬约束校核；

34、针对步骤 s2 得到的各候选断面方案，智能体调用断面参数分析工具进行空间布置计算，并依据几何边界与规范硬约束对计算结果进行可行性校核。所述断面参数分析工具根据隧道内轮廓边界、车行净空、车道宽度、结构板厚、管廊尺寸和安全边距，计算断面中车行空间、结构板、管廊空间、设备安装空间、拱顶空间及剩余空间的位置关系，并记录候选方案的可行性状态和不可行原因。

35、对于单层断面，断面参数分析工具计算上部车行空间、下部管廊空间及其与隧道圆形边界之间的相对位置；对于双层断面，断面参数分析工具计算上层车行空间、下层车行空间、下部管廊空间、中间隔板及其与隧道圆形边界之间的相对位置。

36、以隧道断面圆心为坐标原点建立二维直角坐标系，隧道内轮廓采用半径为的圆形或由参数化曲线描述的等效边界；对于圆形内轮廓，给定竖向坐标处的可用半宽为：

37、 （2）；

38、为统一校核车行净空、管廊空间、设备安装空间和结构板功能区域是否超出隧道内轮廓，将上述功能区域分别采用完全覆盖其外边界的矩形包络进行表示；对于第j个功能区域，其矩形包络中心坐标为，半宽为，半高为，预设安全余量为；采用构件四个角点或离散边界采样点进行内轮廓包含性校核，圆形断面下的边界约束表示为：

39、 （3）；

40、式（3）中，和分别取值为1或-1，用于表示矩形包络的四个角点；当 时，表示该功能区域及其安全余量未超出隧道内轮廓；当 时，表示至少一个角点超出允许边界，将该候选方案标记为存在边界冲突。

41、相邻构件j与l之间的间距约束、车行净高约束和管廊尺寸约束分别表示为：

42、 （4）；

43、在完成空间布置计算后，智能体依据预设的硬约束条件对候选断面方案进行几何可行性校核；所述硬约束条件包括车行净空约束、管廊空间约束、设备安装空间约束、衬砌边界约束、结构构造厚度约束和安全余量约束。

44、候选断面方案满足上述硬约束条件，则智能体将其标记为可行方案，并记录其断面空间参数、构件位置关系和硬约束校核结果；候选断面方案不满足上述硬约束条件，则智能体将其标记为不可行方案，并记录不可行原因；所述不可行原因包括但不限于车行净空不足、管廊空间不足、设备安装空间不足、断面边界裕度不足、结构层间距离不足、布置空间超出隧道内轮廓边界。

45、智能体进一步将可行性状态、不可行原因和硬约束冲突信息写入推演状态信息，用于方案迭代以及多指标评价和推荐方案选取。

46、步骤s4：多指标评价决策；

47、对通过步骤 s3 校核的可行断面方案进行评价指标计算，形成用于方案横向比较的断面布局评价结果。所述评价指标包括功能空间利用率、无效空腔率、单车道断面面积、最小边界裕度、净高裕度和竖向均衡度；其中：

48、所述功能空间利用率用于表征车行空间、管廊空间占隧道内轮廓面积的比例，其计算方式为道路空间面积与管廊面积之和除以隧道内轮廓面积，数值越高表示断面空间利用越充分；

49、所述无效空腔率用于表征断面内未被车行空间和管廊空间利用的剩余空间比例，其计算方式为剩余面积除以隧道内轮廓面积，数值越低表示空间浪费越少；

50、所述单车道断面面积用于表征单位车道数量所对应的隧道断面面积消耗，其计算方式为隧道内轮廓面积除以总车道数，数值越低表示单位交通功能所需断面空间越少；

51、所述最小边界裕度用于表征断面中各功能构件边界至隧道衬砌内轮廓之间的最小安全距离，其计算方式为min(各功能构件边界至隧道衬砌内轮廓的距离)，数值越高表示边界布置越安全、调整余量越大；

52、所述净高裕度用于表征实际车行净空高度相对于设计要求净高的最小富余程度，其计算方式为min(各车行层实际车行净空高度 - 设计要求净高)，数值越高表示车行净空越充足；

53、所述竖向均衡度用于表征断面顶部剩余空间与底部剩余空间分布的均衡程度，其由顶部剩余空间与底部剩余空间的差异归一化得到，数值越接近 1 表示上下剩余空间越均衡。

54、对于可行方案集中第i个方案的第j项指标，采用极差法进行无量纲归一化。正向指标和逆向指标分别按照下式计算：

55、 （5）；

56、 （6）；

57、根据用户偏好设置权重，候选方案的综合评价得分表示为：

58、 （7）；

59、当某指标在当前可行方案集中极差为零时，令该指标的归一化值为1或从本轮区分性排序中暂时移除，并重新归一化其余权重。除加权评分外，还采用帕累托非支配排序保留在空间效率、安全裕度和工程经济性之间具有不同折衷关系的候选方案，再根据用户偏好从帕累托前沿中选取推荐方案。

60、步骤s5：智能体反馈迭代；

61、智能体根据候选断面方案的可行性状态、不可行原因、评价指标结果、用户偏好和人工审核意见，生成下一轮参数调整策略，并再次调用断面参数分析工具、硬约束校核工具和评价量化计算工具，形成候选生成、断面分析、硬约束校核、指标评价和反馈调整的闭环迭代过程；

62、对于不可行候选方案，智能体根据不可行原因确定对应的参数调整方向。当不可行原因为车行净空不足时，智能体则调整隧道内轮廓半径、道路板标高、层间高度或断面布置形式；当不可行原因为管廊空间不足时，智能体则调整管廊宽度、管廊高度、管廊层位或车行空间与管廊之间的相对位置；当不可行原因为设备安装空间不足时，智能体则调整设备布置区域、拱顶空间、侧向安全余量或附属构件尺寸；当不可行原因为衬砌边界裕度不足时，智能体则增大断面半径、调整车道数量、改变单层或双层布置方式，或缩减非关键功能空间；当不可行原因为结构层间距离不足时，智能体则调整结构板厚、层间净距或上下层道路标高关系。

63、对于已经满足硬约束条件的可行候选方案，智能体根据评价指标结果判断其优化方向。当功能空间利用率偏低或无效空腔率偏高时，智能体则调整车行空间、管廊空间和剩余空间的布置比例；当单车道断面面积偏大时，智能体尝试优化车道组合、断面半径或单层/双层布置方式；当最小边界裕度或净高裕度偏低时，智能体提高相应安全余量或调整构件位置；当竖向均衡度偏低时，智能体调整上部拱顶空间、底部管廊空间和车行层标高，使断面剩余空间分布更加均衡。

64、智能体根据上述调整策略生成新的候选断面参数组，并再次调用断面参数分析工具和评价量化计算工具，形成“候选生成-断面分析-硬约束校核-指标评价-反馈调整”的闭环迭代过程。每一轮迭代均记录候选方案参数、工具调用结果、可行性状态、失败原因、指标变化、参数调整轨迹和用户审核意见，形成可追踪的推演记录。

65、智能体不直接替代确定性工程计算，而是根据约束违约度和指标短板选择待调整变量，自动推演并返回新的更新参数。第 t 轮中，对连续设计变量采用有界更新：

66、 （8）；

67、其中，为依据主冲突约束、指标改善方向和历史有效调整记录形成的参数调整向量，为调整步长，表示将更新结果投影至初始搜索域；对于布置形式、车道数量等离散变量，则按照预定义邻域规则进行替换。新候选方案优先选择使约束违约度下降的更新方向；

68、当达到预设迭代轮数、得到满足要求的可行方案数量，或人工审核确认当前方案集满足设计要求时，智能体停止反馈迭代，并将最终可行候选方案集及其评价指标结果输出至步骤 s6；

69、 （9）；

70、上述反馈迭代的停止条件至少包括以下任一项：

71、（1）迭代轮数 t 达到设定上限；

72、（2）连续 l 轮最优综合评价得分改善量小于阈值；

73、（3）得到不少于预设数量的可行方案；

74、（4）接收到用户确认指令；

75、通过设置上述停止条件，避免无效循环并保证推演过程可复现。

76、步骤s6：推荐方案选取；

77、根据步骤 s5 得到的最终可行候选方案集及其评价指标结果，对多个候选断面方案进行排序和筛选，得到推荐断面方案。推荐断面方案的选取根据单一评价指标进行排序，或根据多指标归一化加权评分进行综合排序。排序结果输出后，对推荐方案、指标权重或自定义指标进行审核和修正，智能体根据反馈返回步骤 s5 重新进行参数迭代。

78、在多指标归一化加权评分进行综合排序中，智能体将功能空间利用率、无效空腔率、单车道断面面积、最小边界裕度、净高裕度和竖向均衡度作为评价项，也引入用户自定义的新评价指标。用户根据实际设计目标设置权重。

79、步骤s7：工程交付；

80、将步骤 s6 得到的推荐断面方案输入工程交付模块，生成并输出对应的工程交付成果及扩展应用模型。所述工程交付成果包括二维矢量断面图、三维 bim 模型及数字孪生可视化场景、断面布局参数表、评价指标计算表、约束校核结果、不可行方案失败原因记录、智能体推演日志、参数调整轨迹以及推荐方案说明文件。

81、在该步骤中，智能体根据推荐断面方案的空间参数和构件位置关系，对断面参数进行工程化转化，调用参数建模工具自动生成隧道标准断面模型。所述隧道标准断面模型包括隧道衬砌、车行空间、道路板、管廊空间、隔板、设备构件、照明构件、标识构件和附属设施构件，并将断面布局参数、评价指标、约束校核结果和推演过程记录与模型对象进行关联，从而形成可用于方案汇报、设计复核和工程沟通的标准断面交付成果。

82、智能体系统接收隧道选线数据，并根据隧道中心线、纵坡、曲线半径、里程桩号和分段长度信息，将所述隧道标准断面模型沿选线方向进行阵列拼装，生成隧道沿线模型。所述隧道沿线模型用于表达推荐断面方案在实际线路条件下的空间连续性、构件排布关系和三维路径适应性，用于后续深化设计、bim 协同和数字孪生平台集成。

83、智能体系统接收隧道运营环境设计参数，并基于所述隧道沿线模型或标准断面模型生成隧道运营仿真场景。所述运营环境设计参数包括照明布置、交通标识、设备位置、车辆运行路径、监控设施、通风消防设施、维护通道和环境表现参数。通过构建隧道运营仿真场景，智能体系统对推荐断面方案在运营阶段的空间感知、设备布置、行车视距、维护通行和场景可视化效果进行模拟表达。

84、通过上述隧道空间布局优化及数字孪生参数推演智能体方法，本发明不仅完成常规工程交付，还实现由推荐断面方案到隧道标准断面模型、由隧道选线数据到隧道沿线模型拼装、由运营环境设计到隧道运营仿真场景构建的连续转化，从而形成面向方案设计、工程深化、数字孪生和运营仿真的一体化交付的智能体驱动推演过程。

85、此外，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的隧道空间布局优化及数字孪生参数推演智能体方法的步骤。

86、此外，本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的隧道空间布局优化及数字孪生参数推演智能体方法的步骤。

87、本发明提出的一个或多个技术方案，至少具有以下的有益效果：

88、1） 相比传统依赖人工经验和固定参数化模板的断面设计方法，本发明实现从设计需求输入、智能体空间参数推演、空间布局校核评价到数字孪生交付的全过程闭环，为隧道断面方案设计提供智能化、可追踪和可比较的技术方案；

89、2） 通过引入物理约束，将工程边界条件与确定性校核结果融入智能体参数推演过程，依据约束冲突和失败原因引导参数迭代调整，提高候选方案的几何可行性，减少无效试算，提升公路隧道、城市地下道路及综合交通隧道断面方案设计的自动化程度、评价可解释性和工程交付效率；

90、3） 通过引入人机交互迭代机制，将设计人员的需求补充、偏好调整和审核意见持续融入方案推演，由智能体辅助生成与修正方案，由设计人员作出最终决策，使设计过程充分体现人的意图与判断，满足以人为本的工程设计需求。