CN114510768A - 一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控方法及系统，涉及拱桥施工技术领域，包括：获取拱桥物理形态特征数据和力学性质数据，并进行预处理，剔除异常数据；构建虚拟数字孪生模型，确定拱桥各构件预警阈值；将预处理后的物理形态特征数据和力学性质数据输入虚拟数字孪生模型，建立随施工时间变化的拱桥实体数字孪生模型；将拱桥实体数字孪生模型的数据与预警阈值对比，以监控拱桥施工过程。本发明能够实现对拱桥施工过程的智能监控，保证实际施工时每一节段按设计顺利进行，提高施工效率。
Description
技术领域
本发明涉及拱桥施工技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控方法及系统。
背景技术
桥梁施工监控能够保证桥梁的安全性，目前，通常的桥梁施工监控方法为安装各种传感器，以实时监测数据。由于传感器安装较多，容易出现线缆交叉、影响正常施工过程等问题，而且受施工现场影响，传感器容易出现检测精度不满足要求的现象。
数字孪生技术在产品设计、产品制造、医学分析等领域应用较为普遍，但是由于桥梁工程的施工环境比较复杂，数字孪生技术并未在桥梁领域得到广泛应用。而且，桥梁包括很多钢管混凝土节段，如果各构件的特征数据选择不合适或有遗漏，则建立的数字孪生模型并不准确，达不到对桥梁施工的监控目的。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控方法及系统，能够实现对拱桥施工过程的智能监控，保证实际施工时每一节段按设计顺利进行，提高施工效率。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控方法，包括：
获取拱桥物理形态特征数据和力学性质数据，并进行预处理，剔除异常数据；
构建虚拟数字孪生模型，确定拱桥各构件预警阈值；
将预处理后的物理形态特征数据和力学性质数据输入虚拟数字孪生模型，建立随施工时间变化的拱桥实体数字孪生模型；
将拱桥实体数字孪生模型的数据与预警阈值对比，以监控拱桥施工过程。
作为进一步的实现方式，在虚拟数字孪生模型中建立坐标，确定拱座及每一拱肋节段的位置，导入每一施工步骤结束后的拱肋及拱座的力学性质数据。
作为进一步的实现方式，所述物理形态特征数据包括拱座、拱肋的形状及设置位置。
作为进一步的实现方式，计算每一拱肋节段安装后拱圈及支座的受力情况，根据设计受力情况及对应规范设置每一参数的预警预制。
作为进一步的实现方式，拱桥实体数字孪生模型中的数据超出虚拟数字孪生模型的预警阈值时，系统发出预警。
作为进一步的实现方式，所述物理形态特征数据通过激光雷达和三维扫描装置获取，力学性质数据通过应力应变传感器获取。
作为进一步的实现方式，所述应力应变传感器安装于拱座、拱肋节段及拱肋节段连接处。
第二方面，本发明的实施例还提供了一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控系统，包括：
数据预处理模块，用于获取拱桥物理形态特征数据和力学性质数据，并进行预处理，剔除异常数据；
虚拟数字孪生模型构建模块，用于构建虚拟数字孪生模型，确定拱桥各构件预警阈值；
拱桥实体数字孪生模型建立模块，用于将预处理后的物理形态特征数据和力学性质数据输入虚拟数字孪生模型，建立随施工时间变化的拱桥实体数字孪生模型；
数据对比模块，用于将拱桥实体数字孪生模型的数据与预警阈值对比，以监控拱桥施工过程。
作为进一步的实现方式，所述物理形态特征数据通过激光雷达和三维扫描装置获取，力学性质数据通过应力应变传感器获取。
作为进一步的实现方式，所述应力应变传感器安装于拱座、拱肋节段及拱肋节段连接处。
本发明的有益效果如下：
本发明通过获取拱桥物理形态特征数据和力学性质数据，并进行预处理，将预处理后的物理形态特征数据和力学性质数据输入虚拟数字孪生模型，建立随施工时间变化的拱桥实体数字孪生模型；将拱桥实体数字孪生模型的数据与预警阈值对比，能够对拱桥施工过程进行精准的监控。
本发明的物理形态特征数据包括拱座、拱肋的形状及设置位置，力学性质数据通过安装于拱座、拱肋节段及拱肋节段连接处的应力应变传感器获取，所需传感器类型、数量相对较少，不会影响拱桥正常施工过程。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的流程图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例提供了一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控方法，包括：
获取拱桥物理形态特征数据和力学性质数据，并进行预处理，建立实体模型数据库，以设计资料对应数值为标准值，赋予所有数据相应的定义和合理范围，剔除异常数据；然后对数据进行归纳，将获取的大量数据进行简化，减少数据总量获取更真实反应拱桥形状及受力等性质的结果；
构建虚拟数字孪生模型，确定拱桥各构件预警阈值；
将预处理后的物理形态特征数据和力学性质数据输入虚拟数字孪生模型，建立随施工时间变化的拱桥实体数字孪生模型；
将拱桥实体数字孪生模型的数据与预警阈值对比，以监控拱桥施工过程。
具体的，如图1所示，包括以下步骤：
步骤一：施工前预先在施工场地设置激光雷达、三维扫描装置、监控系统，在构件内设置应力应变传感器，激光雷达及三维扫描装置用于获取拱桥物理形状特征数据，监控系统获取现场图像资料，应力应变传感器获取施工过程中构件的力学性质数据。
其中，应力应变传感器安装于拱座、拱肋节段及拱肋节段连接处。
步骤二：将拱桥结构设计资料及施工组织设计资料导入虚拟空间，建立施工各阶段虚拟数字孪生模型，建立坐标，确立拱座及每一预制拱肋节段的位置，导入每一施工步骤结束后的拱肋及拱座的几何力学性质数据，并根据规范等要求设置预警阈值。
虚拟数字孪生模型构建过程为：利用三维模型构建虚拟数字孪生模型，插入拱座形状及设置位置，将每一预制拱肋节段编号。在几何空间方面，确定拱座及每一节段空间坐标位置，保证拱圈合龙后形状无误；在力学性质方面，计算每一节段安装后拱圈及支座的受力情况，包括自重、位移、应力、支座沉降等，根据设计受力情况及规范等要求设置每一物理性质的预警阈值。
步骤三：将施工过程中激光雷达、三维扫描装置、监控系统及在构件内设置应力应变传感器采集到的实体几何及力学性质等数据进行预处理，剔除异常数据。
步骤四：将预处理后的数据导入虚拟空间，建立随施工推进不断变化的拱桥实体数字孪生模型。施工过程实体数字孪生模型利用来源于现场安装的激光雷达、监控系统、三维扫描装置、安装在拱座、节段及节段连接处的应力应变传感器等数据，能够获取包括从开始施工到每一节段安装后的几何模型、物理力学特征。建立三维立体模型将上述数据导入其中，同时将现场施工人员配置、物料使用等变动情况实时汇入模型中。
步骤五：将实体数字孪生模型与虚拟数字孪生模型的数据进行对接，在施工过程中对比检查实体受力情况、节段对接情况、施工现场调度情况等，保证施工安全顺利进行。
当某一拱肋节段(钢管混凝土节段)安装后，实体数字孪生模型中的数据超出虚拟数字孪生模型的预警阈值，系统内发出预警，施工现场实体需检查节段安装是否正确，必要时重新安装，直至拱圈合龙完成。
在本实施例中，实体数字孪生模型数据来源于激光雷达、监控系统、三维扫描装置、应力应变传感器，能够获取包括从开始施工到每一节段安装后的几何模型、物理力学特征。
实体数字孪生模型还可以包括施工进度设计、施工现场分区设计、器械物料使用、人员支配等施工组织设计资料，由此器械物料使用及人员可根据施工进程对现场进行智能化调配。
本实施例通过建立与设计资料相对应的现场装配式施工实体数字孪生模型，实现对施工过程的智能监控及控制，确保每一构件的安装按照设计顺利进行，保证施工质量，预防事故发生，提高施工效率。
实施例二：
本实施例提供了一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控系统，包括：
数据预处理模块，用于获取拱桥物理形态特征数据和力学性质数据，并进行预处理，剔除异常数据；
虚拟数字孪生模型构建模块，用于构建虚拟数字孪生模型，确定拱桥各构件预警阈值；
拱桥实体数字孪生模型建立模块，用于将预处理后的物理形态特征数据和力学性质数据输入虚拟数字孪生模型，建立随施工时间变化的拱桥实体数字孪生模型；
数据对比模块，用于将拱桥实体数字孪生模型的数据与预警阈值对比，以监控拱桥施工过程。
物理形态特征数据通过激光雷达和三维扫描装置获取，力学性质数据通过应力应变传感器获取。其中，应力应变传感器安装于拱座、拱肋节段及拱肋节段连接处。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控方法，其特征在于，包括：
获取拱桥物理形态特征数据和力学性质数据，并进行预处理，剔除异常数据；
构建虚拟数字孪生模型，确定拱桥各构件预警阈值；
将预处理后的物理形态特征数据和力学性质数据输入虚拟数字孪生模型，建立随施工时间变化的拱桥实体数字孪生模型；
将拱桥实体数字孪生模型的数据与预警阈值对比，以监控拱桥施工过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控方法，其特征在于，在虚拟数字孪生模型中建立坐标，确定拱座及每一拱肋节段的位置，导入每一施工步骤结束后的拱肋及拱座的力学性质数据。
3.根据权利要求1或2任一所述的一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控方法，其特征在于，所述物理形态特征数据包括拱座、拱肋的形状及设置位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控方法，其特征在于，计算每一拱肋节段安装后拱圈及支座的受力情况，根据设计受力情况及对应规范设置每一参数的预警预制。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控方法，其特征在于，拱桥实体数字孪生模型中的数据超出虚拟数字孪生模型的预警阈值时，系统发出预警。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控方法，其特征在于，所述物理形态特征数据通过激光雷达和三维扫描装置获取，力学性质数据通过应力应变传感器获取。
7.根据权利要求6所述的一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控方法，其特征在于，所述应力应变传感器安装于拱座、拱肋节段及拱肋节段连接处。
8.一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控系统，其特征在于，包括：
数据预处理模块，用于获取拱桥物理形态特征数据和力学性质数据，并进行预处理，剔除异常数据；
虚拟数字孪生模型构建模块，用于构建虚拟数字孪生模型，确定拱桥各构件预警阈值；
拱桥实体数字孪生模型建立模块，用于将预处理后的物理形态特征数据和力学性质数据输入虚拟数字孪生模型，建立随施工时间变化的拱桥实体数字孪生模型；
数据对比模块，用于将拱桥实体数字孪生模型的数据与预警阈值对比，以监控拱桥施工过程。
9.根据权利要求8所述的一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控系统，其特征在于，所述物理形态特征数据通过激光雷达和三维扫描装置获取，力学性质数据通过应力应变传感器获取。
10.根据权利要求9所述的一种基于数字孪生的钢管混凝土拱桥施工监控系统，其特征在于，所述应力应变传感器安装于拱座、拱肋节段及拱肋节段连接处。
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