CN116579214A - 一种基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统及方法，涉及桥墩监测技术领域。该系统包括：感知子系统、孪生子系统、可视化子系统和预警反馈子系统；感知子系统包括静态信息模块和动态信息模块，感知子系统将感知到的静态信息和动态信息传递给孪生子系统；孪生子系统用于根据感知子系统发送的实时感知信息和预警反馈子系统生成的解决方案建立有限元仿真模型；可视化子系统用于进行可视化展示操作；预警反馈子系统用于生成解决方案，并进行桥墩安全警示。本发明基于数字孪生技术建立桥墩的三维可视化模型，结合实时数据和解决方案进行有限元仿真并将仿真结果进行预警反馈，实现桥梁桥墩的多目标全方位的可视化实时桥墩监测。

Description

一种基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统及方法

技术领域

本发明涉及桥墩监测技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着基础设施建设的飞速发展，中国的桥梁建设取得了卓越的成就。桥梁处于涉水环境中，水流对桥梁基础周围的河床产生局部冲刷作用，使得桥梁基础的安全性与稳定性降低。在众多的桥梁灾害原因之中，基础冲刷是造成桥梁失效的主要原因。因此，桥墩对于桥梁的安全稳定性的影响很大，对桥墩的多方面进行实时监测就变得尤为重要。

关于桥墩的冲刷目前没有纯理论性的公式，公式大多基于现场观测和实验室试验数据，存在适用性受限的问题。桥墩位置特殊且不易观察，一般的建模方式无法对桥墩进行完整描述，因此现有技术缺乏对于桥墩各方面指标的有效监测。

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三维可视化桥墩监测系统及方法，基于数字孪生技术建立桥墩的三维可视化模型，利用深度学习生成桥墩监测解决方案，结合实时数据和解决方案进行有限元仿真并将仿真结果进行预警反馈，实现桥梁桥墩的多目标全方位的可视化实时桥墩监测。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明第一方面提供了一种基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统，包括：

感知子系统、孪生子系统、可视化子系统和预警反馈子系统；

所述感知子系统包括静态信息模块和动态信息模块，静态信息模块和动态信息模块分别用于采集静态信息和动态信息；感知子系统将感知到的静态信息和动态信息传递给孪生子系统；孪生子系统用于根据感知子系统发送的实时感知信息和预警反馈子系统生成的解决方案建立有限元仿真模型；可视化子系统用于根据各个子系统的可视化需求进行可视化展示操作；预警反馈子系统用于生成解决方案，并根据有限元仿真模型的仿真模拟结果结合危险等级进行桥墩安全警示。

进一步的，所述静态信息包括应力应变；所述动态信息包括冲刷深度、流速、裂缝和墩顶倾斜角。

进一步的，还包括传存子系统，所述传存子系统通过云端存储建立历史库、实时库和仿真库；所述传存子系统用于其余子系统数据的分类和存储。

更进一步的，孪生子系统还包括可视化模型；由传存子系统云端存储将储存的动态信息传输至孪生子系统，孪生子系统根据动态信息建立三维可视化模型。

更进一步的，可视化模型根据冲刷深度、流速、墩顶倾斜角信息通过可视化系统实时变换三维展示形态。

更进一步的，有限元仿真模型根据实时感知信息施加解决方案进行仿真，将仿真结果传输入可视化模型通过可视化子系统进行展示。

进一步的，预警反馈子系统包括人工智能模块、解决方案库和衔接端口，所述人工智能模块根据AI技术，依据解决方案库，从解决方案库中通过学习分析给出警示情况解决方案并通过衔接端口将解决方案传递给孪生子系统。

进一步的，可视化子系统包括操作界面，通过操作界面实现信息的可视化展示。

更进一步的，所述操作界面可视化展示内容包括虚拟三维桥墩及其数字参数化信息、调取的实际工程图像和反馈的预警信息。

本发明第二方面提供了一种基于第一方面所述的基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统的监测方法，包括以下步骤：

根据监测任务确定监测目标；

获取实时桥墩图像，对桥墩图像进行处理分析得到监测目标对应的感知信息；

利用预警反馈子系统构建解决方案库，通过深度学习历史桥墩参数生成解决方案并存入解决方案库；

根据感知子系统得到的感知信息通过数字孪生子系统利用孪生建模技术建立三维可视化模型，通过有限元仿真对解决方案进行预测并将预测结果传输至预警反馈子系统；同是将预测结果传输到可视化模型中通过可视化子系统进行可视化展示；

预警反馈子系统对预测结果进行分析并根据危险等级通过可视化子系统进行可视化桥墩安全警示。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明公开了一种基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统及方法，结合桥墩监测指标，进行动静态信息结合感知，并通过数字孪生建模技术进行桥墩三维模型构建，利用深度学习生成桥墩监测解决方案，结合实时数据和解决方案进行有限元仿真并将仿真结果进行预警反馈，实现桥梁桥墩的多目标全方位的可视化实时桥墩监测。本发明提出桥墩实时三维模型、指标实时数据、有限元实时计算数据、维护方案三维模型及数据共现化操作界面，使得桥墩监测任务更加直观。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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为本发明实施例一中基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统框架图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，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；

实施例一：

本发明实施例一提供了一种基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统，如图1所示，包括：

感知子系统100、孪生子系统300、可视化子系统400、传存子系统200和预警反馈子系统500；

感知子系统100包括静态信息模块和动态信息模块，静态信息模块和动态信息模块分别用于采集静态信息110和动态信息120；感知子系统100将感知到的静态信息110和动态信息120传递给孪生子系统300。

在一种具体的实施方式中，静态信息110包括应力应变111；所述动态信息120包括冲刷深度121、流速123、裂缝124和墩顶倾斜角125。

具体的，针对不同桥梁，进行理论与实际冲刷分析研究，选取最能影响桥梁安全的桥墩，确定桥墩监测指标，如桥墩裂缝宽度及位置、墩身倾斜度、冲刷深度、流速等参数，各参数采取多方法监测设备组合，同时布设桥墩应力应变实时传感器用于静态信息捕捉，组建桥墩监测系统中感知子系统的动态信息来源。对于获取的图像采用深度学习等方法处理分析得到所需参数信息，例如冲刷深度图像等；减少或去除人工识别，做到智能化数据获取。对多方法监测设备数据进行权重分析处理，得出更为精准的指标监测数据，形成多指标动态信息，对采集的多指标动态信息及桥墩静态信息进行预处理，如数据清洗、滤波、降噪等，最终导入感知子系统。将采集处理的感知数据传输至云端进行存储，建立感知子系统与孪生子系统数据传输通道。

传存子系统200通过云端存储210建立历史库211、实时库212和仿真库213；库中包含数值数据及图像数据，留存大量数据，便于未来计算机科学研究存储足够数据资源。传存子系统200用于其余子系统数据的分类和存储。建立感知子系统100—传存子系统200、孪生子系统300—传存子系统200、可视化子系统400——传存子系统200、预警反馈子系统500——传存子系统200传输通道，通道采用5G实时传输，可以有效实现传存子系统200数据高速高效低延时传输。传存子系统200接收到各个子系统需要存储的数据后，将其根据来源和内容进行分类，历史数据存入历史库211，实时采集的感知数据参入实时库212，仿真数据存入仿真库213。

孪生子系统300用于根据感知子系统100发送的实时感知信息和预警反馈子系统500生成的解决方案建立有限元仿真模型310；孪生子系统300还包括可视化模型320；由传存子系统200云端存储210将储存的动态信息120传输至孪生子系统300，孪生子系统300根据动态信息120建立三维可视化模型320。

本实施例基于数字孪生建立桥墩的三维可视化模型，在虚拟空间中完成映射，通过感知子系统与孪生子系统可视化模型数据传输实现实时数据与模型进行融合，反映相对应的桥墩的全生命周期过程，形成可视化模型，用来预测桥墩冲刷情况、分析结构安全性等。将感知子系统数据(如墩身倾斜度、流速、冲刷深度)传输入多物理场耦合有限元的仿真模型进行计算，最终结果输出传输到可视化模型，实现物理模型孪生数据与计算数据实时对比。

在一种具体的实施方式中，基于数字孪生建立桥墩的三维可视化模型的具体步骤为：

首先，基于桥墩施工图纸建立包括水流流场、土壤场与桥墩结构场及其耦合，计算初始三维有限元模型。

此后将感知子系统数据导入建模过程，建立对应调节模型接口：如感知子系统100测得的流速，会对应于三维可视化模型中的流场的输入初始流速，感知测得冲刷深度会与通过在桥墩周开挖土壤场形成的均匀冲刷深度的冲刷坑对应，感知测得墩身倾斜会通过接口自动调节模型倾角进行对应。

其次，将有限元建模与三维可视化的模型建立连接，将有限元计算结果输出至可视化模型。

在一种具体的实施方式中，可视化模型根据冲刷深度、流速、墩顶倾斜角信息通过可视化系统实时变换三维展示形态。有限元仿真模型根据实时感知信息施加解决方案进行仿真，将仿真结果传输入可视化模型通过可视化子系统进行展示。

可视化子系统400用于根据各个子系统的可视化需求进行可视化展示操作；可视化子系统400包括操作界面410，通过操作界面410实现信息的可视化展示。操作界面410可视化展示内容包括虚拟三维桥墩及其数字参数化信息411、调取的实际工程图像412和反馈的预警信息413。

在一种具体的实施方式中，可视化子系统通过PC、平板、手机、监控等各方面智能终端软件实现。可视化系统展示做到全面化，将模型实时应力应变、倾斜、冲刷坑深度、墩身裂缝等实际物理数据，与有限元计算数据做到对比展现，做到操作界面简便化，便于实际工程人员实时全方位了解桥墩状况。可视化子系统物理实际映射同时，操作界面可以调取对应裂缝倾斜度等实际拍摄图像，做到桥墩监测的虚实结合，全面精准监测。

预警反馈子系统500用于生成解决方案，并根据有限元仿真模型310的仿真模拟结果530结合危险等级进行桥墩安全警示。

在一种具体的实施方式中，预警反馈子系统500包括人工智能模块520、解决方案库521和衔接端口522，预警反馈子系统500从云端存储210获取指标数据，根据阈值进行预警警示，并将信息传输入人工智能模块520。所述人工智能模块520根据AI技术，依据解决方案库521，从解决方案库521中通过学习分析给出警示情况解决方案并通过衔接端口522将解决方案传递给孪生子系统300。在紧急状况下，预警反馈子系统500还可以根据感知子系统100的实时桥墩应力应变信息变做出紧急警示。

在一种具体的实施方式中，通过试验及有限元研究，以桥墩横向、纵向承载力作为评判标准，选取临界破坏及安全设计两个界限，计算出不同冲刷深度下的水流流速对应的两个界限分别作为红色和橙色阈值，根据阈值进行预警警示。

在一种具体的实施方式中，根据设计的临界值和现有解决方法形成解决方案，如动态信息冲刷深度达到流速下临界值进行预警，会给出如抛石及填沙等的维护措施。基于此进行维护后有限元模拟，通过有限元结果预测桥墩横向纵向等的承载力情况，进而对维护措施的有效程度有初步了解。

在一种具体的实施方式中，通过实际模型的临界状态对应力应变信息变做出紧急警示，如桩基础抗弯临界，有限元计算出桩基础各处的一个应力应变情况，导入预警反馈子系统。通过预警反馈子系统对感知子系统的实时桥墩应力应变信息进行比对，假设应力应变大小接近度达到50进行一级警示，达得到70％进行二级警示，达到90％进行三级警示，即紧急警示。紧急警示发出后，工作人员立即做好通知相关部门进行防范救援措施准备。

有限元仿真模型310将感知子系统100得到的现有桥墩情况施加维护方案的仿真结果输出入可视化模型320，通过云端存储210传输仿真模拟效果530至可视化子系统400，与实时数字孪生桥墩可视化模型320共同展示在操作界面410。

具体的，预警反馈子系统根据数字孪生指标信息，根据危险等级进行桥墩安全警示。从解决方案库调取对应解决方案，呈现在可视化子系统的操作界面中，与此同时，通过有限元衔接端口将解决方案通过有限元软件添加进现有实时桥墩有限元模型中计算。最终仿真模拟效果导出至可视化系统，做到实时物理数据、实时仿真数据、预警措施仿真效果同时展示，可以使用户简便直观使用操作系统，对解决方法未来效果有初步了解。其中，对于解决方案仿真模型建立，应运用最新人工智能技术(如chatgpt)，先对预警信息及对应解决方案进行学习，做到人工智能给出实际桥墩的文字解决方案。建立文字解决方案及建模端口，做到自动化建模。最终，通过有限元模型计算给出仿真模拟效果，导入可视化子系统操作界面。

更为具体的操作过程为：首先，将鼠标移动至桥墩，自动在鼠标右侧浮现桥墩的检测指标及预警反馈等信息。

其次，当选取维护措施建立的有限元模型结果导入可视化子系统400中，鼠标右侧信息显示会额外多出桥墩安全信息，并分为维护前及维护后两列对应展示。

需要特别说明的是，当观看维护前后应力应变等有限元详细图像时，可在可视化子系统400中设置分别查看按钮。

实施例二：

本发明实施例二提供了一种基于实施例一所述的基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统的监测方法，包括以下步骤：

根据监测任务确定监测目标；

获取实时桥墩图像，对桥墩图像进行处理分析得到监测目标对应的感知信息；

利用预警反馈子系统构建解决方案库，通过深度学习历史桥墩参数生成解决方案并存入解决方案库；

根据感知子系统得到的感知信息通过数字孪生子系统利用孪生建模技术建立三维可视化模型，通过有限元仿真对解决方案进行预测并将预测结果传输至预警反馈子系统；同是将预测结果传输到可视化模型中通过可视化子系统进行可视化展示；

预警反馈子系统对预测结果进行分析并根据危险等级通过可视化子系统进行可视化桥墩安全警示。

以上实施例二中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统，其特征在于，包括：感知子系统、孪生子系统、可视化子系统和预警反馈子系统；

所述感知子系统包括静态信息模块和动态信息模块，静态信息模块和动态信息模块分别用于采集静态信息和动态信息；感知子系统将感知到的静态信息和动态信息传递给孪生子系统；孪生子系统用于根据感知子系统发送的实时感知信息和预警反馈子系统生成的解决方案建立有限元仿真模型；可视化子系统用于根据各个子系统的可视化需求进行可视化展示操作；预警反馈子系统用于生成解决方案，并根据有限元仿真模型的仿真模拟结果结合危险等级进行桥墩安全警示。

2.如权利要求1所述的基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统，其特征在于，所述静态信息包括应力应变；所述动态信息包括冲刷深度、流速、裂缝和墩顶倾斜角。

3.如权利要求1所述的基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统，其特征在于，还包括传存子系统，所述传存子系统通过云端存储建立历史库、实时库和仿真库；所述传存子系统用于其余子系统数据的分类和存储。

4.如权利要求3所述的基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统，其特征在于，孪生子系统还包括可视化模型；由传存子系统云端存储将储存的动态信息传输至孪生子系统，孪生子系统根据动态信息建立三维可视化模型。

5.如权利要求4所述的基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统，其特征在于，可视化模型根据冲刷深度、流速、墩顶倾斜角信息通过可视化系统实时变换三维展示形态。

6.如权利要求5所述的基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统，其特征在于，有限元仿真模型根据实时感知信息施加解决方案进行仿真，将仿真结果传输入可视化模型通过可视化子系统进行展示。

7.如权利要求1所述的基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统，其特征在于，预警反馈子系统包括人工智能模块、解决方案库和衔接端口，所述人工智能模块根据AI技术，依据解决方案库，从解决方案库中通过学习分析给出警示情况解决方案并通过衔接端口将解决方案传递给孪生子系统。

8.如权利要求1所述的基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统，其特征在于，可视化子系统包括操作界面，通过操作界面实现信息的可视化展示。

9.如权利要求8所述的基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统，其特征在于，所述操作界面可视化展示内容包括虚拟三维桥墩及其数字参数化信息、调取的实际工程图像和反馈的预警信息。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的基于数字孪生的三维可视化桥墩监测系统的监测方法，包括以下步骤：

根据监测任务确定监测目标；

获取实时桥墩图像，对桥墩图像进行处理分析得到监测目标对应的感知信息；

利用预警反馈子系统构建解决方案库，通过深度学习历史桥墩参数生成解决方案并存入解决方案库；

根据感知子系统得到的感知信息通过数字孪生子系统利用孪生建模技术建立三维可视化模型，通过有限元仿真对解决方案进行预测并将预测结果传输至预警反馈子系统；同是将预测结果传输到可视化模型中通过可视化子系统进行可视化展示；

预警反馈子系统对预测结果进行分析并根据危险等级通过可视化子系统进行可视化桥墩安全警示。