CN114444366A - 基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法及装置，所述方法包括：通过桥面车辆视频监控系统和称重系统获取桥面的车辆荷载分布模型，将车辆荷载分布模型作为实时荷载输入桥梁数字孪生模型，得到桥梁数字孪生模型模拟的频率特征值参数；获取传感器测得的桥梁在实时交通流荷载下的结构振动响应参数，根据结构振动响应参数生成桥梁的实测频率特征值参数；构建基于模拟的频率特征值参数与实测频率特征值参数的差值的目标函数，根据目标函数对桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至目标函数的结果满足预设的迭代终止条件。本发明可保证桥梁数字孪生模型的准确性，以及更新的及时性和自动化。
Description
技术领域
本发明涉及数字孪生技术领域，具体涉及一种基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法及装置。
背景技术
随着桥梁保有量越来越大，交通流量也一直在增大，桥梁的维护监管也变得愈发重要。桥梁设施安全管养平台用于桥梁设施的安全管理与设施养护，通常在桥梁设施安全管养平台上构建桥梁的数字孪生模型，再进行实际的桥梁车载试验，试验得到响应数据后对桥梁的数字孪生模型进行修正。然而，这种方法需要对桥梁进行封路，因而需选择特定时间段中断交通，从而对交通产生不良影响，且无法做到实时修正。
发明内容
本发明解决的问题是现有的模型修正方法需中断交通，对交通产生不良影响，且无法做到实时修正。
本发明提出一种基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法，包括：
通过桥面车辆视频监控系统和称重系统获取桥面的车辆荷载分布模型，将所述车辆荷载分布模型作为实时荷载输入桥梁数字孪生模型，得到所述桥梁数字孪生模型模拟的频率特征值参数；
获取传感器测得的桥梁在实时交通流荷载下的结构振动响应参数，根据所述结构振动响应参数生成桥梁的实测频率特征值参数；
构建基于所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数的差值的目标函数，根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件。
可选地，所述目标函数表示如下：
其中，
表示所述目标函数，
是第j阶的所述模拟的频率特征值参数，
是第j阶的所述实测频率特征值参数，
为模态阶次。
可选地，所述根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件包括：
根据所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数计算得到所述目标函数的结果；
判断所述目标函数的结果是否小于预设容许值；
若是，将最后一次迭代对应的桥梁整体刚度作为所述桥梁数字孪生模型最新的桥梁整体刚度；
若否，则调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，基于调整后的所述桥梁数字孪生模型重新计算模拟的频率特征值参数，重新计算得到所述目标函数的结果，再返回执行所述判断所述目标函数的结果是否小于预设容许值的步骤。
可选地，所述调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度包括：
当本次调整是本轮更新的首次调整时，采取预设调整方式调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，其中，所述预设调整方式为增大所述桥梁整体刚度和减小所述桥梁整体刚度中的一者；
当本次调整并非本轮更新的首次调整时，获取上一次调整前的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果和上一次调整后的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果，将两个结果进行对比，当上一次调整后的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果小于上一次调整前的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果时，继续沿用上一次调整的调整方式调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，当上一次调整后的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果大于上一次调整前的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果时，采用与上一次调整相反的调整方式调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，其中，增大所述桥梁整体刚度和减小所述桥梁整体刚度为相反的调整方式。
可选地，所述通过桥面车辆视频监控系统和称重系统获取桥面的车辆荷载分布模型包括：
通过所述桥面车辆视频监控系统和所述称重系统获取桥面的车辆位置数据、车辆大小数据和车辆车速及车速变化数据；
通过所述车速变化数据计算车辆的加速度，根据所述车辆的加速度，结合牛顿第二定律，获得车辆的纵向作用力；
根据所述车辆位置数据、所述车辆大小数据和所述车辆的纵向作用力，得到所述车辆荷载分布模型。
可选地，所述通过所述桥面车辆视频监控系统和所述称重系统获取桥面的车辆位置数据、车辆大小数据和车辆车速及车速变化数据包括：
通过所述桥面车辆视频监控系统获取目标车辆的第一车速，其中，所述目标车辆为桥面上待确定车速的车辆；
获取所述目标车辆的GPS数据，根据所述GPS数据确定所述目标车辆的第二车速；
当所述第一车速与所述第二车速的差值大于预设差值时，将所述第二车速作为所述目标车辆的车辆车速。
可选地，还包括：
获取风荷载数据；
当风荷载大于预设阈值时，关闭所述桥梁数字孪生模型的自动修正功能，其中，在所述桥梁数字孪生模型的自动修正功能处于开启状态时，执行所述通过桥面车辆视频监控系统和称重系统获取桥面的车辆荷载分布模型，将所述车辆荷载分布模型作为实时荷载输入桥梁数字孪生模型，得到所述桥梁数字孪生模型模拟的频率特征值参数；获取传感器测得的桥梁在实时交通流荷载下的结构振动响应参数，根据所述结构振动响应参数生成桥梁的实测频率特征值参数；构建基于所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数的差值的目标函数，根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件的步骤。
可选地，所述构建基于所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数的差值的目标函数，根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件之后，还包括：
获取每次修正获得的所述桥梁整体刚度及对应的修正时刻，生成所述桥梁整体刚度的时变趋势数据；
根据所述时变趋势数据，预测桥梁状态。
本发明还提出一种基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新装置，包括：
传感数据对接模块及处理模块，其用于通过桥面车辆视频监控系统和称重系统获取桥面的车辆荷载分布模型，将所述车辆荷载分布模型作为实时荷载输入桥梁数字孪生模型，得到所述桥梁数字孪生模型模拟的频率特征值参数；获取传感器测得的桥梁在实时交通流荷载下的结构振动响应参数，根据所述结构振动响应参数生成桥梁的实测频率特征值参数；模型更新模块，其用于构建基于所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数的差值的目标函数，根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件。
本发明还提出一种基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新装置，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上所述的基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法。
本发明通过桥面车辆视频监控系统和称重系统实时获取桥面的车辆荷载分布模型，通过传感器测量桥梁在实时交通流荷载下的结构振动响应参数，桥面车辆视频监控系统、称重系统和传感器的设置以及检测相关数据的操作并不会影响正常交通，因而无需中断交通，避免对交通的正常运行产生不良影响。通过将车辆荷载分布模型作为实时荷载输入桥梁数字孪生模型，得到桥梁数字孪生模型模拟的频率特征值参数，以及根据结构振动响应参数生成桥梁的实测频率特征值参数，构建基于模拟的频率特征值参数与实测频率特征值参数的差值的目标函数，用以对桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，因桥面车辆视频监控系统、称重系统和传感器可实现数据的实时检测与获取，即可实时获取车辆荷载分布模型和结构振动响应参数，进而可实现模拟的频率特征值参数与实测频率特征值参数的实时获取，再结合目标函数的迭代计算，就可实现桥梁数字孪生模型的实时更新，通过目标函数的迭代更新桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，使桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度更为接近实际桥梁状况，保证桥梁数字孪生模型的准确性，以及更新的及时性和自动化。
附图说明
图1为本发明实施例基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法一流程示意图；
图2为本发明实施例基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法另一流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
如图1，在本发明一实施例中，所述基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法包括：
步骤S100，通过桥面车辆视频监控系统和称重系统获取桥面的车辆荷载分布模型，将所述车辆荷载分布模型作为实时荷载输入桥梁数字孪生模型，得到所述桥梁数字孪生模型模拟的频率特征值参数。
其中，桥面车辆视频监控系统可包含一个或多个视频图像采集装置，通过采集桥面的视频图像，基于桥面的视频图像获取桥面的车辆相关数据，如车辆速度、车辆大小和/或车辆类型等。其中车辆速度的计算公式如下：
其中：
表示车速，
表示视频的帧率，
表示车辆在视频监控区内的总帧数，
表示总的分段数量，
表示分段号码，
表示第
段的车距。其中，总的分段数量=总帧数-1，每两帧图像之间为一个分段。
对于桥面车辆视频监控系统的监控盲区内的车速，可通过车辆进入盲区的速度和车辆驶出盲区的速度计算而得，具体可根据如下公式进行计算：
其中，
为车辆在盲区内随时间
变化的车速函数，
是车辆进入盲区的速度，
为车辆驶出盲区的速度，
为车辆在盲区的行驶时间。
称重系统可设置于车道下，用以测量通行车辆的重量，再结合桥面的视频图像，将重量数据与具体车辆匹配起来，明确每一辆车的重量。
通过桥面车辆视频监控系统和称重系统获取桥面上车辆的大小、车辆空间位置和车辆速度等数据，基于车辆大小、车辆空间位置和车辆速度等数据生成车辆荷载分布模型。
桥梁数字孪生模型可通过开源的或带有开放接口的有限元算法软件构建，例如，ANSYS、ABAQUS、SOFISITIK、Midas等软件。
将生成的车辆荷载分布模型作为荷载输入，放到桥梁数字孪生模型中进行模拟，桥面车辆视频监控系统和称重系统实时获取相关车辆数据，并基于实时的车辆数据实时生成车辆荷载分布模型，因而模拟的过程也实时进行的，可得到桥梁数字孪生模型实时模拟的频率特征值参数。
步骤S200，获取传感器测得的桥梁在实时交通流荷载下的结构振动响应参数，根据所述结构振动响应参数生成桥梁的实测频率特征值参数。
可在桥梁上设置动挠度和动应变监测传感器，以获取桥梁在实时交通流荷载下的结构振动响应参数，对其进行数据预处理后（数据预处理包括滤波、时域平均等降噪处理过程），再通过傅里叶变换得到桥梁的实测频率特征值参数。
其中：
表示时间，
表示频率，
表示结构振动函数，
表示虚数单位，
表示自然底数。
为频谱函数，从频谱函数中可提取出桥梁的实测频率特征值参数。
可设置一传感数据对接模块及处理模块，用于对接获取桥面车辆视频监控系统、称重系统以及动挠度和动应变监测传感器等桥梁传感器采集的数据，并基于获取的数据执行步骤S100-S200。
步骤S300，构建基于所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数的差值的目标函数，根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件。
为进行桥梁数字孪生模型的修正/更新，建立目标函数，根据迭代过程中目标函数的结果的递增或递减情况来判断是增加桥梁整体刚度还是减小桥梁整体刚度。通过迭代计算目标函数的结果，当目标函数的结果满足预设的迭代终止条件时，迭代结束，并输出最后一次迭代计算出的桥梁整体刚度。
可选地，预设的迭代终止条件为：目标函数的结果小于预设值，预设值的取值范围为1%-10%，优选值可取5%。
可选地，所述目标函数表示如下：
其中，
表示所述目标函数，
是第j阶的所述模拟的频率特征值参数，
是第j阶的所述实测频率特征值参数，
为模态阶次。
通过构建如上的目标函数，以衡量模拟的频率特征值参数与实测频率特征值参数之间的差距，再以降低目标函数的值为目标对桥梁整体刚度进行迭代更新，使最终获得的桥梁整体刚度符合实际桥梁状况，更新后的桥梁数字孪生模型也更符合实际桥梁状况。
通过桥面车辆视频监控系统和称重系统实时获取桥面的车辆荷载分布模型，通过传感器测量桥梁在实时交通流荷载下的结构振动响应参数，桥面车辆视频监控系统、称重系统和传感器的设置以及检测相关数据的操作并不会影响正常交通，因而无需中断交通，避免对交通的正常运行产生不良影响。通过将车辆荷载分布模型作为实时荷载输入桥梁数字孪生模型，得到桥梁数字孪生模型模拟的频率特征值参数，以及根据结构振动响应参数生成桥梁的实测频率特征值参数，构建基于模拟的频率特征值参数与实测频率特征值参数的差值的目标函数，用以对桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，因桥面车辆视频监控系统、称重系统和传感器可实现数据的实时检测与获取，即可实时获取车辆荷载分布模型和结构振动响应参数，进而可实现模拟的频率特征值参数与实测频率特征值参数的实时获取，再结合目标函数的迭代计算，就可实现桥梁数字孪生模型的实时更新，通过目标函数的迭代更新桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，使桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度更为接近实际桥梁状况，保证桥梁数字孪生模型的准确性，以及更新的及时性和自动化。
可选地，步骤S300中所述根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件包括：
根据所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数计算得到所述目标函数的结果。可将模拟的频率特征值参数与实测频率特征值参数代入目标函数的公式进行计算，得到目标函数的结果。
判断所述目标函数的结果是否小于预设容许值。其中，预设容许值的取值范围为1%-10%，优选值可取5%。
若目标函数的结果小于预设容许值，将最后一次迭代对应的桥梁整体刚度作为所述桥梁数字孪生模型最新的桥梁整体刚度，即迭代终止，取最后一次迭代对应的桥梁整体刚度作为最新的桥梁整体刚度。
若目标函数的结果大于或等于预设容许值，此时需要继续迭代，调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，基于调整后的所述桥梁数字孪生模型重新计算模拟的频率特征值参数，重新计算得到所述目标函数的结果，再返回执行所述判断所述目标函数的结果是否小于预设容许值及其之后的步骤。
通过对比目标函数的结果与预设容许值的大小，确定是否继续迭代，当目标函数的结果大于或等于预设容许值时，继续迭代，直至目标函数的结果小于预设容许值，此时可降低模拟的频率特征值参数与实测频率特征值参数的差距，使桥梁数字孪生模型更为接近桥梁实际情况，进而实现桥梁数字孪生模型的更新。
可选地，所述调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度包括：
当本次调整是本轮更新的首次调整时，采取预设调整方式调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，其中，所述预设调整方式为增大所述桥梁整体刚度和减小所述桥梁整体刚度中的一者。
当本次调整并非本轮更新的首次调整时，获取上一次调整前的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果和上一次调整后的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果，将两个结果进行对比，当上一次调整后的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果小于上一次调整前的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果时，继续沿用上一次调整的调整方式调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，当上一次调整后的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果大于上一次调整前的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果时，采用与上一次调整相反的调整方式调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，其中，增大所述桥梁整体刚度和减小所述桥梁整体刚度为相反的调整方式。
其中的本轮更新，指本轮迭代，或者与一次获取的实测频率特征值参数对应的更新。在一轮更新的首次调整中，采取预设调整方式调整桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，在该轮更新的后续调整中，将上一次调整前后的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果进行对比，判断在上一次调整后，目标函数的结果是增大还是减小，若上一次调整后的目标函数结果大于调整前的目标函数结果，说明上一次调整的调整方式可能不正确，需要采用与上一次调整相反的调整方式进行调整，若上一次调整后的目标函数结果小于调整前的目标函数结果，说明上一次调整的调整方式正确，可继续沿用上一次调整的调整方式，若上一次调整后的目标函数结果等于调整前的目标函数结果，则可根据设定的方式确定本次调整方式，例如，可继续沿用上一次调整的调整方式，也可采用与上一次调整相反的调整方式。例如，上一次调整的调整方式为增大桥梁整体刚度，若上一次调整后的目标函数结果大于调整前的目标函数结果，则本次调整采用与上一次调整相反的调整方式，即减小桥梁整体刚度，若上一次调整后的目标函数结果小于调整前的目标函数结果，则本次调整继续沿用上一次调整的调整方式，即增大桥梁整体刚度。
通过对比上一次调整前后的目标函数结果的大小，确定本次调整采取的调整方式，无需人为设定每次调整的调整方式，即可自动确定能使目标函数结果减小的调整方式，进一步保证模型修正的自动化。
可选地，所述通过桥面车辆视频监控系统和称重系统获取桥面的车辆荷载分布模型包括：
通过所述桥面车辆视频监控系统和所述称重系统获取桥面的车辆位置数据、车辆大小数据和车辆车速及车速变化数据。
通过所述车速变化数据计算车辆的加速度，根据所述车辆的加速度，结合牛顿第二定律，获得车辆的纵向作用力；具体地，通过计算每一帧车辆速度与上一帧车速的变化情况计算出车辆的加速度a，已知车辆质量大小m，通过牛顿第二定律的公式，计算得到车辆的纵向作用力。车辆的纵向作用力，指平行于车道的作用力。牛顿第二定律的公式如下：
其中：
是车辆质量，
是车辆加速度，
是所产生的的作用力。
根据所述车辆位置数据、所述车辆大小数据和所述车辆的纵向作用力，得到所述车辆荷载分布模型。其中，车辆位置数据转化为车辆荷载分布模型中车辆在局部坐标系中的X轴和Y轴。车辆大小数据会以数值的方式保存，以预先规定好的单位，结合车辆位置数据作用在车辆荷载分布模型的对应位置上。车辆的纵向作用力也与车辆大小数据以同样的方式作用在固定车辆局部坐标系对应的模型位置。
通过将车辆位置数据、车辆大小数据和车辆的纵向作用力等多元数据用于生成车辆荷载分布模型，使车辆荷载分布模型更为准确。而且，不仅仅获取车辆的竖向荷载，同时获取车辆的行驶速度及车速变化数据，从而推算出车辆在刹车或加速的情况下可能产生的纵向作用力，使模拟的车辆荷载分布模型更接近真实情况。
可选地，所述通过所述桥面车辆视频监控系统和所述称重系统获取桥面的车辆位置数据、车辆大小数据和车辆车速及车速变化数据包括：
通过所述桥面车辆视频监控系统获取目标车辆的第一车速，其中，所述目标车辆为桥面上待确定车速的车辆；
获取所述目标车辆的GPS数据，根据所述GPS数据确定所述目标车辆的第二车速；
当所述第一车速与所述第二车速的差值大于预设差值时，以所述第二车速为所述目标车辆的车辆车速。
其中，目标车辆的GPS数据通过车载GPS获取，将车载GPS的地球坐标系定位位置与桥梁地球坐标系叠加得到车辆在局部坐标系的车辆位置。随后通过GPS数据确定目标车辆的车速，将其与通过桥面车辆视频监控系统获取的目标车辆的车速进行对比，在差值较大时，使用通过GPS数据确定目标车辆的车速进行车速修正，以保证车辆车速的准确性。
可选地，所述基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法还包括：
获取风荷载数据；
当风荷载大于预设阈值时，关闭所述桥梁数字孪生模型的自动修正功能，其中，在所述桥梁数字孪生模型的自动修正功能处于开启状态时，执行所述步骤S100-S300。
因风荷载也是动态作用，也有可能影响到结构的动态响应参数，所以为了保证获取的实测动态响应数据与模拟响应参数更加接近，这里增加对风荷载数据的判别功能，设定一个风速的限定阈值，当风荷载大于这个阈值的时候就关闭模型修正的功能，即不执行步骤S100-S300，当风荷载小于或等于预设阈值时，开启桥梁数字孪生模型的自动修正功能，执行步骤S100-S300。由此，可以增加桥梁数字孪生模型修正的准确性。
可选地，所述构建基于所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数的差值的目标函数，根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件之后，还包括：
获取每次修正获得的所述桥梁整体刚度及对应的修正时刻，生成所述桥梁整体刚度的时变趋势数据；根据所述时变趋势数据，预测桥梁状态。
其中，每次修正都能得到新的桥梁整体刚度和对应的修正时刻，利用这两个信息就可以绘制出时间为x轴，刚度为y轴的刚度时变趋势图散点图，再利用拟合方程得到这个刚度时变趋势散点图的拟合曲线，拟合曲线超出时间刻度的位置反应的就是刚度的未来变化趋势，基于此，实现预测桥梁状态。
通过将每次修正获得的桥梁整体刚度及对应的修正时刻进行处理，通过分析模型刚度的变化规律来确定桥梁设施的退化趋势，进而实现桥梁状态的预测，进而实现桥梁的预测性保护。
为便于理解，给出如图2所示的一实施例。如图2，首先获取所监测桥梁的图纸和定检资料，所监测桥梁即本文仿真的桥梁；再依据桥梁图纸和定检资料完成桥梁建模，设定桥梁初始状态参数；随后，同时并独立地进行模拟频率特征值参数和实测频率特征值参数的获取操作，一方面，通过桥面车辆视频监控系统获取车辆车速，采用车辆GPS数据校正车辆车速，再结合动态称重系统获取桥面车流的实时车辆荷载分布模型，将所述车辆荷载分布模型作为实时荷载输入桥梁数字孪生模型，得到所述桥梁数字孪生模型模拟的频率特征值参数，另一方面，获取传感器测得的桥梁在实时交通流荷载下的结构振动响应参数，根据所述结构振动响应参数生成桥梁的实测频率特征值参数；随后，判断风荷载是否大于预设阈值，其中的风荷载数据可通过传感器测得；若风荷载大于预设阈值，则返回执行获取模拟频率特征值参数和实测频率特征值参数的操作，不进行模型更新，即关闭模型更新功能，若风荷载小于预设阈值，则启动模型更新模块，自动对桥梁数字孪生模型进行桥梁整体刚度修正，构建基于所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数的差值的目标函数，根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果是否小于容许差值，此时得到最新的桥梁整体刚度。其中，有关模拟频率特征值参数和实测频率特征值参数的获取操作的具体内容，以及根据目标函数迭代的具体内容，参见上文的相关部分，此处不赘述。
本发明一实施例中，基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新装置包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如上所述的基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法。本发明基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新装置相对于现有技术所具有的有益效果与上述基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法一致，此处不赘述。
本发明另一实施例中，基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新装置包括：
传感数据对接模块及处理模块，其用于通过桥面车辆视频监控系统和称重系统获取桥面的车辆荷载分布模型，将所述车辆荷载分布模型作为实时荷载输入桥梁数字孪生模型，得到所述桥梁数字孪生模型模拟的频率特征值参数；获取传感器测得的桥梁在实时交通流荷载下的结构振动响应参数，根据所述结构振动响应参数生成桥梁的实测频率特征值参数；
模型更新模块，其用于构建基于所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数的差值的目标函数，根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件。
本发明基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新装置相对于现有技术所具有的有益效果与上述基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法一致，此处不赘述。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法，其特征在于，包括：
通过桥面车辆视频监控系统和称重系统获取桥面的车辆荷载分布模型，将所述车辆荷载分布模型作为实时荷载输入桥梁数字孪生模型，得到所述桥梁数字孪生模型模拟的频率特征值参数；
获取传感器测得的桥梁在实时交通流荷载下的结构振动响应参数，根据所述结构振动响应参数生成桥梁的实测频率特征值参数；
构建基于所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数的差值的目标函数，根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件。
2.如权利要求1所述的基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法，其特征在于，所述目标函数表示如下：
其中，
表示所述目标函数，
是第j阶的所述模拟的频率特征值参数，
是第j阶的所述实测频率特征值参数，
为模态阶次。
3.如权利要求1所述的基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法，其特征在于，所述根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件包括：
根据所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数计算得到所述目标函数的结果；
判断所述目标函数的结果是否小于预设容许值；
若是，将最后一次迭代对应的桥梁整体刚度作为所述桥梁数字孪生模型最新的桥梁整体刚度；
若否，则调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，基于调整后的所述桥梁数字孪生模型重新计算模拟的频率特征值参数，重新计算得到所述目标函数的结果，再返回执行所述判断所述目标函数的结果是否小于预设容许值的步骤。
4.如权利要求3所述的基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法，其特征在于，所述调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度包括：
当本次调整是本轮更新的首次调整时，采取预设调整方式调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，其中，所述预设调整方式为增大所述桥梁整体刚度和减小所述桥梁整体刚度中的一者；
当本次调整并非本轮更新的首次调整时，获取上一次调整前的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果和上一次调整后的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果，将两个结果进行对比，当上一次调整后的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果小于上一次调整前的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果时，继续沿用上一次调整的调整方式调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，当上一次调整后的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果大于上一次调整前的桥梁整体刚度所对应的目标函数的结果时，采用与上一次调整相反的调整方式调整所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度，其中，增大所述桥梁整体刚度和减小所述桥梁整体刚度为相反的调整方式。
5.如权利要求1所述的基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法，其特征在于，所述通过桥面车辆视频监控系统和称重系统获取桥面的车辆荷载分布模型包括：
通过所述桥面车辆视频监控系统和所述称重系统获取桥面的车辆位置数据、车辆大小数据和车辆车速及车速变化数据；
通过所述车速变化数据计算车辆的加速度，根据所述车辆的加速度，结合牛顿第二定律，获得车辆的纵向作用力；
根据所述车辆位置数据、所述车辆大小数据和所述车辆的纵向作用力，得到所述车辆荷载分布模型。
6.如权利要求5所述的基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法，其特征在于，所述通过所述桥面车辆视频监控系统和所述称重系统获取桥面的车辆位置数据、车辆大小数据和车辆车速及车速变化数据包括：
通过所述桥面车辆视频监控系统获取目标车辆的第一车速，其中，所述目标车辆为桥面上待确定车速的车辆；
获取所述目标车辆的GPS数据，根据所述GPS数据确定所述目标车辆的第二车速；
当所述第一车速与所述第二车速的差值大于预设差值时，将所述第二车速作为所述目标车辆的车辆车速。
7.如权利要求1所述的基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法，其特征在于，还包括：
获取风荷载数据；
当风荷载大于预设阈值时，关闭所述桥梁数字孪生模型的自动修正功能，其中，在所述桥梁数字孪生模型的自动修正功能处于开启状态时，执行所述通过桥面车辆视频监控系统和称重系统获取桥面的车辆荷载分布模型，将所述车辆荷载分布模型作为实时荷载输入桥梁数字孪生模型，得到所述桥梁数字孪生模型模拟的频率特征值参数；获取传感器测得的桥梁在实时交通流荷载下的结构振动响应参数，根据所述结构振动响应参数生成桥梁的实测频率特征值参数；构建基于所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数的差值的目标函数，根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件的步骤。
8.如权利要求1所述的基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法，其特征在于，所述构建基于所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数的差值的目标函数，根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件之后，还包括：
获取每次修正获得的所述桥梁整体刚度及对应的修正时刻，生成所述桥梁整体刚度的时变趋势数据；
根据所述时变趋势数据，预测桥梁状态。
9.一种基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新装置，其特征在于，包括：
传感数据对接模块及处理模块，其用于通过桥面车辆视频监控系统和称重系统获取桥面的车辆荷载分布模型，将所述车辆荷载分布模型作为实时荷载输入桥梁数字孪生模型，得到所述桥梁数字孪生模型模拟的频率特征值参数；获取传感器测得的桥梁在实时交通流荷载下的结构振动响应参数，根据所述结构振动响应参数生成桥梁的实测频率特征值参数；
模型更新模块，其用于构建基于所述模拟的频率特征值参数与所述实测频率特征值参数的差值的目标函数，根据所述目标函数对所述桥梁数字孪生模型的桥梁整体刚度进行迭代修正，直至所述目标函数的结果满足预设的迭代终止条件。
10.一种基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新装置，其特征在于，包括存储有计算机程序的计算机可读存储介质和处理器，所述计算机程序被所述处理器读取并运行时，实现如权利要求1-8任一项所述的基于有限元仿真的桥梁数字孪生模型更新方法。
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