中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術集團企業(yè)。
數(shù)字孿生技術不僅在橋梁設計和施工中發(fā)揮著重要作用，在橋梁結構安全檢測和養(yǎng)護領域也可以提供強有力的輔助功能,并實現(xiàn)基礎設施資產的全生命周期管理。橋梁業(yè)主單位和養(yǎng)護單位可以根據(jù)數(shù)字孿生技術對橋梁安全進行預測，并有針對性地提出養(yǎng)護方案。對于大型、重點橋梁結構,數(shù)字孿生技術的應用更具成本效益。未來隨著技術的日趨成熟和發(fā)展，中小橋梁將成為該項技術應用的重點。
何為數(shù)字孿生
數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實的概念，可被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。
作為普遍適應的理論技術體系，數(shù)字孿生可以在產品設計、產品制造、醫(yī)學分析、工程建設等眾多領域應用。目前該技術在國內應用最為深入的是工程建設領域，而關注度最高、研究最熱的則是智能制造領域。
檢測工具的演變
傳統(tǒng)的橋梁視覺檢測通常需要借助昂貴的檢測設備，而整個檢測過程也存在一定的安全風險，且容易出現(xiàn)錯誤。為了解決這些問題，提高檢測準確性，明尼蘇達州交通廳（MnDOT）和其他州交通部門正在轉向將無人機（UAV）作為檢測工具。該廳的橋梁工程師凱文·韋斯特表示：“我們對位于明尼蘇達州明尼阿波利斯市的一座石拱橋進行了無人機檢測，通過無人機連續(xù)鏡頭開發(fā)的模型，可以清晰地識別出橋體裂縫和砂漿缺失，同時還能鎖定哪些區(qū)域需要維修加固。這不僅有助于設計團隊制定施工方案，還能夠保證我們與承包商之間的順暢溝通?！?/p>
在美國聯(lián)邦公路管理局的資助下，明尼蘇達州交通廳為本州8個區(qū)都配備了無人機。管理局也對相關檢測人員進行了操作培訓，幫助他們快速掌握無人機檢測技巧，同時提供橋梁庫存報告等信息。
雖然無人機是一種便捷、經濟、安全的檢測工具，但是僅依靠其拍攝尚無法達到橋梁檢測的要求，明尼蘇達州交通廳目前仍然選用橋梁檢測車和其他一些檢測工具搭配無人機開展檢測作業(yè)。例如：在密西西比河上的40號州際公路橋上，檢測人員就未發(fā)現(xiàn)一些關鍵裂縫，而這些裂縫最終導致大橋被迫關閉并進行維修加固。因為安裝在無人機上的鏡頭相對固定，這對于檢測人員的操作和工作態(tài)度要求很高。因此，在對橋梁進行信息收集和評估之前，養(yǎng)護團隊必須充分了解如何正確地將無人機拍攝納入整個橋梁檢測之中。
較佳的組合
雖然無人機在捕捉數(shù)據(jù)方面發(fā)揮著重要作用，但它也只是交通管理部門建立和保持數(shù)字孿生工具庫中的一種，另一個重要工具則是適配的軟件。例如來自某公司的一款軟件，結合了實地測量、攝影測繪、激光雷達（光探測和測距）、傳感器，以及數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫中的無人機鏡頭數(shù)據(jù)。
橋梁的生命周期通常能達到75-100年，而適配的軟件必須能夠伴隨時間推移跟蹤結構變化，并將過去橋梁檢測得到的信息分層添加到當前數(shù)據(jù)中，以便于更好地了解現(xiàn)場發(fā)生的實際情況，從而掌握橋梁整體發(fā)展狀態(tài)。
無人機、攝影測量方法和數(shù)字孿生技術構成一種非常完美的結合，檢測工程師不僅可以在辦公室快速、便捷地觀測通過這些檢測工具所獲得的數(shù)據(jù)，而且還能根據(jù)延時攝影比較結構體所發(fā)生的變化，從而指出哪些區(qū)域值得重點關注并需要進行實地檢測。此外，現(xiàn)場檢測人員還可以通過橋梁數(shù)字孿生軟件看到其他同事的工作筆記，幫助他們更直觀、更準確、更高效地開展工作。所有這些技術的結合不僅節(jié)省了項目成本，降低檢測風險，而且也減少了檢測時間。多年來，橋梁檢測技術一直停滯不前，如果養(yǎng)護單位需要對橋梁進行整體檢測和評估，可能需要使用檢測車、檢測船或者是通過纜繩將人員懸掛在橋梁一側，與使用無人機相比，這些方法既不高效，對于檢測人員來講也非常危險。而無人機則具有得天獨厚的優(yōu)勢，不僅可以到達人無法觸及的區(qū)域，而且還能夠沿著橫梁底部進行攝影拍照，成功地避免檢測作業(yè)風險，并且提高了效率。
精度控制
配備攝像頭的無人機在重復飛行線路上捕捉到的圖片，比現(xiàn)場檢測人員的觀測更為準確，而且檢測人員通常只關注部分事項，而會忽略其他細節(jié)。數(shù)字孿生模型是由數(shù)千張高精圖片生成，從幾何學上來說是非常精確的。近年來，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）放松了對無人機飛行的限制，這也使得無人機橋梁檢測成為可能。另外，美國聯(lián)邦公路署(Federal Highway Administration)也允許使用無人機作為人員檢測的補充，故而它已具備了普遍應用的條件。
橋梁檢測一直都是非常危險的工作，但是對于一些“老派”工程師而言，他們非常享受在“云端”的感覺。利用諸多技術，某軟件公司架起了一座連接照片和身臨其境的橋梁。他們利用分辨率高的無人機對大橋進行拍照，并將這些照片嵌入一個由數(shù)億個多邊形組成的“現(xiàn)實網(wǎng)格”3D模型中，這個網(wǎng)格所包含的信息數(shù)量遠超普通的3D模型，通過“現(xiàn)實網(wǎng)格”，橋梁當前的狀態(tài)和每個細紋都能被完整映射。
“現(xiàn)實網(wǎng)格”可以在計算機或平板電腦上查看，或者通過云連接的HoloLens（增強現(xiàn)實頭盔）以縮小的桌面視圖或1:1比例對橋梁進行檢測，這樣能讓工程師通過高分辨率影像近距離觀察結構的每一寸細節(jié)。雖然該項技術并不意味著將取代現(xiàn)場檢測，但它減少了往返進行橋梁檢測的行程次數(shù)，也為工程師從遙遠地區(qū)參與整個檢測過程提供一種途徑。
未來展望
明尼蘇達州交通廳已經體驗到了借助無人機這種檢測方式所帶來的安全、可追蹤、高質量和節(jié)約長期成本等方面的諸多好處。但是，截止到目前，這項技術尚不成熟，而傳感器也需要引起關注，目前，美國交通部門正在評估橋梁上傳感器的使用情況。韋斯特表示：雖然明尼蘇達州交通廳已經在幾個橋梁項目中安裝了傳感器，但是目前都處于評估階段，其中有一些挑戰(zhàn)需要面對，如傳感器壽命、主動錯誤信息，以及如何理解和解釋數(shù)據(jù)。在資產管理中，如何獲取信息并輔助業(yè)主單位做出更好的決策，才是終極目標。未來，該州交通廳將朝著這個方向繼續(xù)研發(fā)。這種檢測技術的進步和開發(fā)將激發(fā)年輕工程師和設計師的熱情，也有利于交通廳招募年輕人才。
盡管數(shù)字孿生技術前景廣闊，但仍有大量工作要做，從計量學（測量科學）角度出發(fā)，來自某知識產權企業(yè)有限責任公司的David H. Parker就對結構傳感器所收集到的數(shù)據(jù)檢驗提出了疑問：“橋梁行業(yè)收集到的信息真的準確嗎?”在某些情況下，人們不得不依靠視覺檢測來避免災難，但是在橋梁監(jiān)測中，僅憑好運氣則會冒較大的風險，而數(shù)字孿生技術就是為了消除部分或全部主觀性而設計開發(fā)的。Parker還認為，傳感器不應該被扔在橋上不予理睬，也不能只依靠數(shù)據(jù)來指引現(xiàn)實生活中所發(fā)生的事。目前，雖然所有工作的本質都是確定橋梁是否安全，但橋梁業(yè)主和科研人員之間存在脫節(jié)。工程師需要直觀地理解那些通過模型傳輸給他們的信息，并輕松地識別異常的狀況。為了能夠驗證橋梁的實際變化是否按照預測進行，從某種程度上來說，必須保證模型和數(shù)據(jù)敏感性的正確。
就像樓宇建筑使用建筑管理系統(tǒng)來規(guī)范養(yǎng)護與運營一樣，橋梁作為動態(tài)資產，在建成后也需要對其進行密切的監(jiān)測和檢測。數(shù)字孿生技術讓橋梁業(yè)主和管理單位通過遠程檢測獲得大量數(shù)據(jù)，減少現(xiàn)場檢測時間，從而讓整體檢測過程更安全、更高效、更準確并進一步降低成本。在我國，中小橋梁占整個橋梁總數(shù)的90%，利用無人機和數(shù)字孿生技術將大幅提高檢測效率及精度，未來，其在中小橋梁方面的應用將會非常廣泛。
本文刊載 / 《橋梁》雜志
2022年 第3期 總第107期
作者 / Monica Schultes
文章來源 / 美國ASPRIE雜志
翻譯 / 趙帝
編輯 / 陳暉
美編 / 趙雯
責編 / 裴小吟
審校 / 李天穎 裴小吟 廖玲
