基于數(shù)字孿生的橋梁養(yǎng)護管理平臺應用研究

符潤澤

（蘇交科集團股份有限公司，南京 210019）

引言

隨著大量橋梁的建成并投入使用，如何對在役橋梁進行有效管理，已成為了行業(yè)重點研究方向。目前，橋梁養(yǎng)護管理的重難點包括：管理不及時、巡查不到位、信息化標準度低和智能化水平不足[1,2]等。BIM 技術是對工程物理特性信息的數(shù)字化承載和可視化表達[3]，它能夠包含項目幾乎所有的物理和多種多樣的功能信息[4]。

數(shù)字孿生這一概念最早源于NASA[5]，后來在2011年，Michael Grieves[6]正式提出了這一概念。其主要用途是對物理實體進行數(shù)字化模擬，在虛擬環(huán)境中實時監(jiān)測、預測和仿真物理實體。數(shù)字孿生技術通過虛擬與現(xiàn)實的互動反饋、融合BIM、GIS、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等技術，通過對數(shù)據(jù)的整合分析以及決策迭代優(yōu)化，為物理實體增添或拓展新能力。

近年來，國內外BIM、數(shù)字孿生與工程養(yǎng)護方面的研究結合得越來越緊密。例如，丹麥大貝爾特橋的管理系統(tǒng)運用無人機等感知工具構建橋梁的數(shù)字孿生模型，利用深度學習技術對非結構化數(shù)據(jù)進行解析，從而提高數(shù)據(jù)資產化水平[7]。Changsu Shim[8]開發(fā)了一種新的基于BIM 的橋梁維護系統(tǒng)布局，這個系統(tǒng)包括維護信息管理模塊和現(xiàn)場檢查操作模塊，它提供了實時數(shù)據(jù)和易于訪問的3D 橋梁模型，以增強協(xié)作和提高生命周期管理效率。馬志華等[9]的研究涵蓋了BIM 技術在橋梁養(yǎng)護中的實際應用，開發(fā)了基于BIM 模型的移動端數(shù)據(jù)采集軟件和三維可視化的橋梁病害信息管理系統(tǒng)。李成濤等[10]闡述了如何運用三維可視化技術提高橋梁養(yǎng)護信息利用效率，通過空間分布可視化呈現(xiàn)橋梁缺陷信息，識別橋梁服務狀況，分析缺陷成因，并制定養(yǎng)護方案。許強強等[11]在基于BIM 技術的橋梁監(jiān)測平臺上開發(fā)了包括傳感器、數(shù)據(jù)采集、傳輸，以及數(shù)據(jù)處理和管理等功能子模塊。崔小芳等[12]探討了BIM 技術在橋梁建設和維護管理中的應用，強調了在項目決策和安全管理中的作用。邵志超等[13]針對高速公路養(yǎng)護功能不足，提出了基于GIS 和3D 建模技術的智慧養(yǎng)護管理系統(tǒng)，開發(fā)了路網(wǎng)管理、安全管理和環(huán)境監(jiān)測等功能模塊。申鵬等[14]介紹了基于BIM 和GIS技術的公路工程建設智慧管理平臺，通過該平臺可以有效提高公路建設的效率、質量和安全性。

盡管橋梁養(yǎng)護階段的BIM 模型構建、數(shù)字孿生技術應用及相關前沿技術取得了成果，但仍面臨模型精度、數(shù)據(jù)準確性、數(shù)模結合緊密程度不足及應用場景匱乏等問題。本文提出了一種基于數(shù)字孿生的橋梁養(yǎng)護管理平臺技術方案，旨在不斷優(yōu)化管理手段，保護維護橋梁功能與結構完整性，延長使用壽命。

1 數(shù)字孿生平臺架構

1.1 平臺總體架構

數(shù)字孿生平臺總體架構如圖1 所示，包括感知采集層、中臺支撐層、服務應用層和交互層。

圖1 數(shù)字孿生平臺總體架構

感知采集層負責接觸式和非接觸式感知，采用傳感器等設備收集數(shù)據(jù)，同時支持多種數(shù)據(jù)錄入方式。該層實時的數(shù)據(jù)采集和傳輸，使得管理人員能夠及時獲取橋梁的狀態(tài)信息，對橋梁養(yǎng)護管理中管理不及時、巡查不到位等問題具有改善作用。

中臺支撐層由孿生中臺和數(shù)據(jù)中臺組成，孿生中臺圍繞BIM+GIS 孿生體實現(xiàn)模型抽取、集成、切片和加載，數(shù)據(jù)中臺則依托大數(shù)據(jù)池，運用AI 算法、知識庫實現(xiàn)實時分析、數(shù)據(jù)清洗和挖掘。該層規(guī)范數(shù)據(jù)交換格式，確保系統(tǒng)可擴展性、穩(wěn)定性和安全性，有助于解決橋梁養(yǎng)護管理中信息化標準度低、智能化水平不足等問題。

服務應用層提供靜態(tài)信息服務、動態(tài)信息服務和科學決策服務，靜態(tài)信息服務包括橋梁檔案、構件庫、病害庫等，動態(tài)信息服務包括視頻監(jiān)控、可視監(jiān)測和巡查管理，科學決策服務則涵蓋病害分析、分類處置和分級管理。

交互層包括客戶端、網(wǎng)頁端和移動端，實現(xiàn)雙向同源數(shù)據(jù)交流。各層之間通過高效通信和連接手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與共享。

而各層間的關系是：感知采集層至中臺支撐層利用4G/5G、光纖、WIFI 等方式傳遞感知數(shù)據(jù)、信號控制和空間定位；中臺支撐層至服務應用層通過訪問協(xié)議、數(shù)據(jù)交換、應用接口和數(shù)據(jù)安全連接；服務應用層至交互層則采用公網(wǎng)和內網(wǎng)訪問方式。

1.2 技術架構設計

技術架構如圖2 所示，主要分為展現(xiàn)層、處理層、數(shù)據(jù)層及移動端。

圖2 數(shù)字孿生平臺技術架構

（1）展現(xiàn)層

展現(xiàn)層為數(shù)字孿生平臺用戶界面，提供友好、直觀的交互體驗。通過前端框架實現(xiàn)響應式布局、組件化開發(fā)、高效渲染等功能，保證平臺在不同設備和瀏覽器上的正常顯示，如React、Vue、Angular。同時，集成基礎地理信息庫及框架和數(shù)字孿生實時渲染引擎，如Cesium 或SuperMap 和Unity3D、Unreal Engine 或CryEngine，進一步豐富可視化效果。

（2）處理層

處理層為數(shù)字孿生平臺核心業(yè)務邏輯層，負責處理用戶請求、實現(xiàn)業(yè)務功能并傳遞結果至展現(xiàn)層。主要作用為對數(shù)據(jù)層提供的數(shù)據(jù)進行轉換、過濾、聚合等操作，滿足用戶需求。協(xié)調展現(xiàn)層與數(shù)據(jù)層關系，確保正確響應用戶操作。目前，微服務架構[15]的應用較為廣泛，如Spring Cloud。在交換格式上處理層應支持多種數(shù)據(jù)交換格式，如JSON、XML[16]或Protocol Buffers。

處理層作為平臺核心業(yè)務邏輯層，負責處理用戶請求和實現(xiàn)業(yè)務功能，利用微服務架構“集成內聚、松散耦合”[17]的特征，以及多種數(shù)據(jù)交換格式，確保系統(tǒng)可擴展性、穩(wěn)定性和安全性。

（3）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層為數(shù)字孿生平臺數(shù)據(jù)存儲和管理層，負責存儲、管理和維護平臺數(shù)據(jù)。為處理層提供所需數(shù)據(jù)，確保業(yè)務信息通暢。為展現(xiàn)層提供可視化所需底層數(shù)據(jù)。

（4）移動端

移動端為數(shù)字孿生平臺移動設備應用，提供便捷的移動訪問方式。該層擴展了平臺應用場景，提供給養(yǎng)護人員方便快捷的錄入、查詢等操作，方便戶外等養(yǎng)護典型環(huán)境下對平臺的操作與使用。該層應與展現(xiàn)層、處理層和數(shù)據(jù)層協(xié)同工作，確保移動端應用正常運行。

2 數(shù)字孿生應用關鍵技術

本節(jié)介紹數(shù)字孿生應用的關鍵技術，對解決橋梁養(yǎng)護管理的重難點問題具有積極意義。

2.1 三維環(huán)境性能優(yōu)化

數(shù)字孿生的展現(xiàn)層三維環(huán)境如圖3 所示，按數(shù)據(jù)來源及展示尺度通常分為：由高清衛(wèi)片組成的宏觀地圖、由傾斜攝影或正射影像組成的中觀實景和由BIM或三維激光掃描組成的微觀模型。

圖3 數(shù)字孿生可視化數(shù)據(jù)處理

對于展現(xiàn)層的數(shù)字孿生實時渲染引擎而言，宏觀尺度的高清衛(wèi)片、中觀尺度的正射影像、微觀尺度的BIM 或三維激光掃描模型而言，其構成的網(wǎng)格面數(shù)仍在當前計算機硬件可處理范圍內，實際使用體驗較為流暢。但對較大范圍或高精度的傾斜攝影數(shù)據(jù)，網(wǎng)格面數(shù)多，處理時間長，加載速度慢，已然成為數(shù)字孿生在三維環(huán)境下需要解決的關鍵技術之一。

與Cesium 等利用瓦片數(shù)據(jù)分級加載方式組織和管理傾斜攝影數(shù)據(jù)不同，實時渲染引擎難以流暢加載數(shù)十平方公里的傾斜攝影數(shù)據(jù)。針對這一問題，本文提出一種處理傾斜攝影數(shù)據(jù)的方法，以滿足大數(shù)據(jù)量傾斜攝影數(shù)據(jù)在實時渲染引擎上的流暢加載需求，處理步驟如圖4 所示。

圖4 傾斜攝影數(shù)據(jù)處理步驟

首先，對完整的傾斜攝影數(shù)據(jù)進行切片處理，將其分割成不同的STL、OBJ 或FBX 格式的子數(shù)據(jù)。處理后的子數(shù)據(jù)應拆分存儲，并對這些子數(shù)據(jù)進行同步緩存，以便于后續(xù)處理；其次，利用相應插件對各子數(shù)據(jù)中的網(wǎng)格面進行抽減，一般對傾斜攝影數(shù)據(jù)進行同步均勻抽取，并采用多線程計算，從而有效降低網(wǎng)格面數(shù)；最后，得到經(jīng)過網(wǎng)格面減少處理的獨立子數(shù)據(jù)，重新在相應的實時渲染引擎中加載，加載效果如圖5所示。

圖5 處理后加載的數(shù)據(jù)

通過優(yōu)化三維環(huán)境性能，平臺可以更快速、更準確地展示橋梁的實時狀態(tài)，該技術對提高巡查的準確性和管理的及時性至關重要。

2.2 設備數(shù)字孿生映射

在以往的橋梁養(yǎng)護管理平臺中，大多數(shù)平臺的感知仍然是數(shù)據(jù)層面的感知，而不是孿生層面的映射。在本平臺的數(shù)字孿生空間構建過程中，如何將健康監(jiān)測設備與橋梁養(yǎng)護管理平臺進行高效集成與管理，實現(xiàn)對設備管理孿生映射，是需要解決的關鍵技術之二。

本文提出構建一個設備管理模塊來實現(xiàn)設備的集成和管理，該平臺能夠處理設備的定位、感知與預警功能，該模塊應達到的設備數(shù)字孿生映射效果如圖6所示。

圖6 傳感器設備的孿生映射

通信協(xié)議上，設備與平臺的通信接入和數(shù)據(jù)傳輸應采用諸如LoRaWAN、NB-IoT 和5G 等通信協(xié)議的，以保證橋梁健康監(jiān)測設備能夠實時或者準實時地將傳輸數(shù)據(jù)至養(yǎng)護管理平臺，并且通信協(xié)議應充分考慮現(xiàn)在及未來養(yǎng)護管理多種設備的接入，包括各類傳感器、控制設備和攝像頭等。

設備數(shù)字孿生映射技術可以實現(xiàn)平臺對設備管理的孿生映射，對于提高橋梁養(yǎng)護管理的信息化標準度和智能化水平具有重要意義。

3 應用實例

本文所研究的平臺架構及關鍵技術已在泰州市引江河大橋養(yǎng)護管理平臺及其他一系列類似橋梁養(yǎng)護管理平臺的開發(fā)中得到了技術驗證，以下介紹各平臺間具有共性的一些重點模塊。

3.1 運營期數(shù)字孿生空間

基于數(shù)字孿生技術，結合BIM 和GIS 技術構建橋梁運營期的數(shù)字孿生空間。通過對橋梁進行模型重構，創(chuàng)建了高精度的三維模型，并將BIM 模型與周圍地理環(huán)境的傾斜攝影模型融合，整合成為橋梁運營期的數(shù)字孿生空間。在此空間內，實現(xiàn)橋梁空間信息的可視化統(tǒng)一管理，將橋梁的靜態(tài)信息、監(jiān)測信息、病害記錄等多源信息同步在數(shù)字孿生空間中進行讀取及展示，橋梁運營期數(shù)字孿生空間如圖7 所示。

圖7 橋梁運營期數(shù)字孿生空間

3.2 信息管理

信息管理模塊包含橋梁靜態(tài)信息管理、管養(yǎng)信息管理和基礎信息管理等功能。以病害信息為例，通過電子化管理橋梁的病害信息檔案資料，將之在展現(xiàn)層與對應的病害構件模型關聯(lián)綁定，實現(xiàn)病害層面的數(shù)字孿生，平臺提供病害的歷史查詢、信息變更、病害錄入等功能，如圖8 所示。

圖8 歷史病害查詢

3.3 檢查檢測

檢查檢測模塊包括經(jīng)常性檢查、定檢評估、特殊檢測和檢測數(shù)據(jù)管理等功能。在開發(fā)過程中，為了讓養(yǎng)護管理人員使用更加便捷，該模塊的展現(xiàn)層主要以網(wǎng)頁端和手機端為對象。檢測任務單界面如圖9 所示。

圖9 檢測任務單界面

3.4 健康監(jiān)測

健康監(jiān)測模塊如圖10 所示，首先針對橋梁已部署的各類型傳感器建立相應模型。以這些展現(xiàn)層的具象模型為載體，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至平臺數(shù)據(jù)層。在數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和分析，然后反饋至展現(xiàn)層的模型上。這樣的設計使得橋梁養(yǎng)護數(shù)字孿生空間中的橋梁狀態(tài)能夠實時更新。

圖10 健康監(jiān)測展現(xiàn)層

通過實時數(shù)據(jù)采集、傳輸和分析的方式，平臺提高了橋梁狀態(tài)感知的直觀性。這種設計讓一線運維管理人員操作更加方便，并顯著提高了橋梁健康狀況的監(jiān)測效率。

4 總結

本文基于數(shù)字孿生的橋梁養(yǎng)護管理平臺介紹了一種平臺的總體架構和技術架構，提出了三維環(huán)境性能優(yōu)化方式和設備數(shù)字孿生映射的技術途徑。以此為基礎，本文在泰州市引江河大橋及類似橋梁上開發(fā)了基于數(shù)字孿生的橋梁養(yǎng)護管理平臺，取得了較好效果，豐富了管理手段，提升了管理效能，一定程度上提高了養(yǎng)護效率，對推動養(yǎng)護管理手段的數(shù)字化轉型提供了有力的支持。