CN115935465A - 结合数字孪生技术的长大桥梁全寿命周期状态评估方法 - Google Patents

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CN115935465A CN202211417720.9A CN202211417720A CN115935465A CN 115935465 A CN115935465 A CN 115935465A CN 202211417720 A CN202211417720 A CN 202211417720A CN 115935465 A CN115935465 A CN 115935465A
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方圣恩
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Abstract

本发明提供了一种结合数字孪生技术的长大桥梁全寿命周期状态评估方法，包括以下步骤：步骤1:数字孪生建模步骤；数字孪生建模过程包含长大桥梁的设计、建造到运营三个阶段；步骤2:状态评估步骤；包含施工和运营两阶段。应用本技术方案可实现对长大桥梁的高保真模拟，以提供结构系统参数的精细化识别。

Description

结合数字孪生技术的长大桥梁全寿命周期状态评估方法
技术领域
本发明涉及桥梁建筑技术领域，特别是一种结合数字孪生技术的长大桥梁全寿命周期状态评估方法。
背景技术
为全面掌握长大桥梁从设计、施工、服役到拆除的全寿命周期状态情况，准确反馈和评估桥梁在不同阶段的状态变化及其随时间的演化规律，需要与长大桥梁物理实体在各生命阶段相一致的高保真仿真模型，并结合实时感知数据对仿真模型进行更新。这种建模和模型更新方式涵盖大时间尺度，涉及桥梁宏观和细微状态变化，是传统方法(比如有限元建模和模型修正)难以做到的。宏观上需要从无到有生成模型(如设计阶段到施工阶段)或者从局部到整体(如施工阶段到成桥过程)，模型的变化大；而细微状态变化往往在桥梁服役期间，传统的外观检查和技术状况评定虽然在桥梁安全状态评估上发挥着重要作用，但无法深入了解构件性能退化的真实状况，评估结果主观性强，同时桥梁损伤是缓慢累积的过程，结构静动力响应对此不敏感，特别是在周围环境和诸多不确定性因素的影响下，难以侦测桥梁状态的细微变化，传统的系统识别和模型修正方法更是无法做到。
因此，为实时与准确地跟踪长大桥梁各阶段状态变化，亟需探索新的模型构建和状态评估方法，便于全面掌握桥梁全寿命周期内的状态变化。
传统上对长大桥梁的状态监测与评估主要指施工和服役阶段。施工阶段往往指施工监控，通过监控标高、应变、线形和索力等控制量，保障结构成形符合设计要求；服役阶段依托健康监测系统提供的监测数据(如静动力响应、外荷载和环境数据)，通过统计分析、优化反演、模式识别等方式来评估桥梁的当前状态。状态评估流程一般可基于模型、数据驱动或二者相结合的方式：基于模型的方法可以是结构的有限元模型或其他数学模型，通过定义目标函数和求解反问题实现对结构参数的识别，代表性的是有限元模型修正方法；数据驱动方法则通过挖掘结构荷载-响应、参数-响应或响应-响应间的时空相关性，建立数据之间显式或隐式映射，通过求解正问题来识别结构参数，代表性的是基于机器学习的参数识别方法。
然而，实际工程应用时基于模型方法存在优化反演病态矩阵、求解难以收敛、计算量大等问题，对长大桥梁这类复杂结构来说难度很大；数据驱动方法大多建立在一段时间或是降采样的监测数据基础上，使得分析结果难以反映长大桥梁在大时间尺度上的微小状态变化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结合数字孪生技术的长大桥梁全寿命周期状态评估方法，实现对长大桥梁的高保真模拟，以提供结构系统参数的精细化识别。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：结合数字孪生技术的长大桥梁全寿命周期状态评估方法，包括以下步骤：
步骤1：数字孪生建模步骤；数字孪生建模过程包含长大桥梁的设计、建造到运营三个阶段；
步骤2：状态评估步骤；包含施工和运营两阶段。
在一较佳的实施例中，所述步骤1具体包括：
设计阶段：处于设计阶段的长大桥梁尚没有物理实体，仅有设计图纸和相关文件，提供桥梁的几何外形及设计参数，存在于在物理孪生层中；设计阶段对应的数字孪生模型通过相关的计算机辅助设计建立的设计模型体现，存放于数字孪生层中；物理孪生层与数字孪生层之间的信息交互即传递设计信息和参数数据，当出现设计变更时，孪生模型也给出相应更新，数据转换的信息交互媒介可以是桥梁设计师和工程顾问；此阶段孪生模型为后续施工阶段建模提供依托；
建造阶段：建造阶段孪生模型对应于长大桥梁的逐步建造过程，根据物理孪生层桥梁物理实体的施工进度构建和更新孪生模型，最终获得竣工状态下的完整孪生模型，期间施工监控得到的感知数据和仿真数据在施工期物理实体和孪生模型之间不断交互，并可与设计阶段模型参数进行对比和校对，其信息交互媒介主要是现场施工和施工监控人员；建造完成时，成桥状态下的检测数据可作为更新竣工模型的依据；为此，建造阶段需结合相关的计算机辅助工程软件，根据桥梁物理实体上采集到的感知数据，搭建并修正数字孪生模型，直到仿真结果与实测感知数据间的误差小；
运营阶段：该模型的初状态为竣工通车前桥梁的孪生模型，建造阶段和运营阶段的衔接；长大桥梁布设健康监测系统，获得的监测感知数据通过信息交互媒介反馈到数字孪生模型上；达到物理实体和仿真模型的高保真“孪生”状态。
在一较佳的实施例中，所述步骤2具体包括：
施工阶段：首先划分施工节点长度，即确定相关部件的施工节段，如主梁、桥塔、拉索、吊杆的施工节段；按照施工节段逐步施工，采集相关节段的施工监控感知数据，修正数字孪生模型，确保孪生模型能够实时映射桥梁的当前施工状态，用于计算未监控构件的受力和变形，与设计要求对比，判断施工结构所处的状态；
运营阶段：根据健康监测系统提供的感知数据对桥梁数字孪生模型进行实时更新，再利用更新后的孪生模型计算未监测构件的受力和变形，与规范限值进行对比，根据式(1)获取构件评分γ，最后根据各构件对桥梁的重要性程度，分别赋予不同的权重系数，并计算综合评价得分，作为对该桥当前状态的整体评估结果；
Figure BDA0003940250350000041
式中：Pi为第i个构件的特征响应监测值改变量，[Pi]为该构件的特征响应改变量限值，ωi为对应的权重系数且
Figure BDA0003940250350000042
n为构件数目。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提出了一种结合数字孪生技术的长大桥梁全寿命周期状态评估方法，优点在于：(1)提出了长大桥梁从设计、建造到运营过程的全寿命周期数字孪生建模框架，便于在大时间尺度上全面掌握长大桥梁全生命周期的状态改变情况。(2)提出的数字孪生模型可以从宏观和微观角度评价长大桥梁的状态变化，是传统方法(比如有限元建模和模型修正)难以做到的。
附图说明
图1为本发明优选实施例的长大桥梁全寿命周期数字孪生建模示意图。
图2为本发明优选实施例的基于数字孪生的长大桥梁状态监测与评估示意图；
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明提出了一种结合数字孪生技术的长大桥梁全寿命周期状态评估方法，包含了数字孪生建模(图1)和状态评估(图2)两个步骤。
步骤1：数字孪生建模
本发明的数字孪生建模框架由物理孪生层、数字孪生层及他们间的信息交互媒介所组成。物理孪生层主要指桥梁的物理实体，而数字孪生层指对应的虚拟镜像，即数字孪生模型，如图1所示，数字孪生模型会根据物理孪生层传递的信息不断演化，包含长大桥梁的设计、建造到运营三个阶段。
设计阶段：处于设计阶段的长大桥梁尚没有物理实体，仅有设计图纸和相关文件，提供桥梁的几何外形及设计参数等，存在于在物理孪生层中。此阶段对应的数字孪生模型可以通过相关的计算机辅助设计(CAD)建立的设计(概念)模型来体现，存放于数字孪生层中。物理孪生层与数字孪生层之间的信息交互即传递设计信息和参数数据，可辅助概念设计和虚拟验证。数据转换的信息交互媒介可以是桥梁设计师和工程顾问。当出现设计变更时，孪生模型也给出相应更新，以此提高设计效率。同时，数字孪生建模有助于优化设计和施工方案。一些设计数据也可作为未来桥梁构件和系统在施工和运行阶段状态评估时的参考。
建造阶段：不同于设计阶段，建造阶段孪生模型对应于长大桥梁的逐步建造过程，根据物理孪生层桥梁物理实体的施工进度构建和更新孪生模型，最终获得竣工状态下的完整孪生模型，期间施工监控得到的感知数据和仿真数据在施工期物理实体和孪生模型之间不断交互，保障施工孪生模型具备高保真度，并可与设计阶段模型参数进行对比和校对，以指导施工过程安全进行，其信息交互媒介主要是现场施工人员。建造完成时，成桥状态下的检测数据可作为更新竣工模型的依据。为此，该阶段一般需结合相关的计算机辅助工程(CAE)软件，根据桥梁物理实体上采集到的感知数据，搭建并修(校)正数字孪生模型，直到仿真结果与实测感知数据间的误差足够小。要说明的是，建造阶段内，长大桥梁物理实体与数字孪生模型为从无到有、从部分到完整，二者不断同步更新校(修)正至竣工成型的过程，体现了施工各阶段的真实状态。
运营阶段：运营阶段作为长大桥梁生命周期中时间跨度最长的一个阶段，对应的数字孪生模型也是最关键的，该阶段的数字孪生建模从施工阶段结束时的竣工模型开始，为此实现了建造阶段和运营阶段的衔接。为保障长大桥梁运营安全，其上通常会布设健康监测系统，包含不同类型的传感器，如监测环境变化的温湿度传感器、风速仪，监测结构响应的倾角仪、应变计、加速度传感器，以及监测车辆荷载的动态称重系统等。这些监测感知数据通过信息交互媒介反馈到数字孪生模型上。采用的信息交互媒介可以是人工智能算法、数学关系式或者其他形式，目的是为保证实测感知数据和仿真数据间的流畅反馈，达到物理实体和仿真模型的高保真“孪生”状态，便于后续的状态评估。
步骤2：状态评估
利用数字孪生模型，可以对斜拉桥进行施工阶段和运行阶段的状态评价。实现流程图如图2所示。需要说明的是，因设计阶段的物理实体并不存在，故不考虑其评估过程。
施工阶段：长大桥的施工程序一般遵循基础、塔墩、主梁的先后顺序。此外，不同类型的构件有自己的构建顺序，数字孪生模型亦需要采用相同的顺序进行建立。因此需要对施工节点进行划分，即确定相关部(构)件的施工节段，如主梁、桥塔(墩)、拉索、吊杆等的施工节段；按照施工节段逐步施工，采集相关节段的施工监控感知数据，修(校)正数字孪生模型，确保孪生模型能够实时映射桥梁的当前施工状态。数字孪生模型可用于计算未监测构件在当前施工段的响应(如应力和变形)。更重要的是，还可利用数字孪生模型推断出下一施工段的响应，并与设计要求和施工控制要求进行比较，从而对施工安全进行评价，达到保障安全施工的目的。
运营阶段：根据健康监测系统提供的感知数据对桥梁数字孪生模型进行实时更新，再利用更新后的孪生模型计算未监测构件的受力和变形，对桥梁的当前或未来状态进行评估，比如选取长大桥主梁的跨中挠度、桥塔最大偏位及拉索索力等，与规范限值进行对比，根据式(1)获取构件评分γ，最后根据各构件对桥梁的重要性程度，分别赋予不同的权重系数，并计算综合评价得分，作为对该桥当前状态的整体评估结果。
Figure BDA0003940250350000081
式中：Pi为第i个构件的特征响应监测值改变量，[Pi]为该构件的特征响应改变量限值，ωi为对应的权重系数且
Figure BDA0003940250350000082
n为构件数目。
本发明的使用主要包含了长大桥梁全寿命周期(设计、建造及运营)的数字孪生建模以及基于数字孪生模型的状态评估两个模块。
对于数字孪生建模。首先，在设计阶段结合计算机辅助设计(CAD)建立设计(概念)模型，并将该模型作为数字孪生模型，当目标桥梁出现设计变更时，数字孪生模型也会相应更新，不仅提高设计效率，也是后续阶段数字孪生建模的基础；然后，当目标桥梁进入施工阶段时，依据施工期间的监控数据，并结合相关的计算机辅助工程(CAE)软件，在设计阶段孪生模型(设计模型)的基础上，搭建并修(校)正仿真模型作为该阶段数字孪生模型，用以时刻复现目标桥梁的施工状态，从而完成目标桥梁物理实体与数字孪生模型的同步建造过程，竣工状态的数字孪生模型也将作为运营阶段的初始状态；最后，当桥梁通车运营时，结合桥梁上布设的各类传感设备，通过信息交互媒介实时反馈到数字孪生模型上，继续保持目标桥梁与数字孪生模型的“孪生”状态。
对于状态评估，主要是针对桥梁的建造与运营两个阶段。建造阶段需要划分施工节点，根据各施工节点的数字孪生模型，计算未监控构件的受力与变形，对比设计要求来判断施工结构状态，保障桥梁的安全施工；运营阶段则是结合实时更新的数字孪生模型，计算未监测构件的受力与变形，并根据本发明提出的评分公式，实现对桥梁状态的实时评估。

Claims (3)

1.结合数字孪生技术的长大桥梁全寿命周期状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：数字孪生建模步骤；数字孪生建模过程包含长大桥梁的设计、建造到运营三个阶段；
步骤2：状态评估步骤；包含施工和运营两阶段。
2.根据权利要求1所述的结合数字孪生技术的长大桥梁全寿命周期状态评估方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
设计阶段：处于设计阶段的长大桥梁尚没有物理实体，仅有设计图纸和相关文件，提供桥梁的几何外形及设计参数，存在于在物理孪生层中；设计阶段对应的数字孪生模型通过相关的计算机辅助设计建立的设计模型体现，存放于数字孪生层中；物理孪生层与数字孪生层之间的信息交互即传递设计信息和参数数据，其交互媒介可以是桥梁设计师和工程顾问，当出现设计变更时，孪生模型也给出相应更新；此阶段孪生模型为后续施工阶段建模提供依托；
建造阶段：建造阶段孪生模型对应于长大桥梁的逐步建造过程，根据物理孪生层桥梁物理实体的施工进度构建和更新孪生模型，最终获得竣工状态下的完整孪生模型，期间施工监控得到的感知数据和仿真数据在施工期物理实体和孪生模型之间不断交互，并可与设计阶段模型参数进行对比和校对，其信息交互媒介主要是现场施工和施工监控人员；建造完成时，成桥状态下的检测数据可作为更新竣工模型的依据；为此，建造阶段需结合相关的计算机辅助工程软件，根据桥梁物理实体上采集到的感知数据，搭建并修正数字孪生模型，直到仿真结果与实测感知数据间的误差小；
运营阶段：该模型的初状态为竣工通车前桥梁的孪生模型，从而实现建造阶段和运营阶段的衔接；长大桥梁布设健康监测系统，获得的监测感知数据通过信息交互媒介反馈到数字孪生模型上；达到物理实体和仿真模型的高保真“孪生”状态。
3.根据权利要求1所述的结合数字孪生技术的长大桥梁全寿命周期状态评估方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
施工阶段：首先划分施工节点长度，即确定相关部件的施工节段，如主梁、桥塔、拉索、吊杆的施工节段；按照施工节段逐步施工，采集相关节段的施工监控感知数据，修正数字孪生模型，确保孪生模型能够实时映射桥梁的当前施工状态，用于计算未监控构件的受力和变形，与设计要求对比，判断施工结构所处的状态；
运营阶段：根据健康监测系统提供的感知数据对桥梁数字孪生模型进行实时更新，再利用更新后的孪生模型计算未监测构件的受力和变形，与规范限值进行对比，根据式(1)获取构件评分γ，最后根据各构件对桥梁的重要性程度，分别赋予不同的权重系数，并计算综合评价得分，作为对该桥当前状态的整体评估结果；
Figure FDA0003940250340000021
式中：Pi为第i个构件的特征响应监测值改变量，[Pi]为该构件的特征响应改变量限值，ωi为对应的权重系数且
Figure FDA0003940250340000022
n为构件数目。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117387559A (zh) * 2023-12-12 2024-01-12 华东交通大学 基于数字孪生的混凝土桥监测系统及方法

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