中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
數(shù)字孿生技術(shù)不僅在橋梁設(shè)計(jì)和施工中發(fā)揮著重要作用，在橋梁結(jié)構(gòu)安全檢測和養(yǎng)護(hù)領(lǐng)域也可以提供強(qiáng)有力的輔助功能,并實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)的全生命周期管理。橋梁業(yè)主單位和養(yǎng)護(hù)單位可以根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)對橋梁安全進(jìn)行預(yù)測，并有針對性地提出養(yǎng)護(hù)方案。對于大型、重點(diǎn)橋梁結(jié)構(gòu),數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用更具成本效益。未來隨著技術(shù)的日趨成熟和發(fā)展，中小橋梁將成為該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)。
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(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可被視為一個(gè)或多個(gè)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(yīng)的理論技術(shù)體系，數(shù)字孿生可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)等眾多領(lǐng)域應(yīng)用。目前該技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用最為深入的是工程建設(shè)領(lǐng)域，而關(guān)注度最高、研究最熱的則是智能制造領(lǐng)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(shè)備，而整個(gè)檢測過程也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，且容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。為了解決這些問題，提高檢測準(zhǔn)確性，明尼蘇達(dá)州交通廳（MnDOT）和其他州交通部門正在轉(zhuǎn)向?qū)o人機(jī)（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(dá)州明尼阿波利斯市的一座石拱橋進(jìn)行了無人機(jī)檢測，通過無人機(jī)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(shí)還能鎖定哪些區(qū)域需要維修加固。這不僅有助于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(dá)州交通廳為本州8個(gè)區(qū)都配備了無人機(jī)。管理局也對相關(guān)檢測人員進(jìn)行了操作培訓(xùn)，幫助他們快速掌握無人機(jī)檢測技巧，同時(shí)提供橋梁庫存報(bào)告等信息。
雖然無人機(jī)是一種便捷、經(jīng)濟(jì)、安全的檢測工具，但是僅依靠其拍攝尚無法達(dá)到橋梁檢測的要求，明尼蘇達(dá)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(jī)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(guān)鍵裂縫，而這些裂縫最終導(dǎo)致大橋被迫關(guān)閉并進(jìn)行維修加固。因?yàn)榘惭b在無人機(jī)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(jìn)行信息收集和評估之前，養(yǎng)護(hù)團(tuán)隊(duì)必須充分了解如何正確地將無人機(jī)拍攝納入整個(gè)橋梁檢測之中。
較佳的組合
雖然無人機(jī)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?jǐn)?shù)字孿生工具庫中的一種，另一個(gè)重要工具則是適配的軟件。例如來自某公司的一款軟件，結(jié)合了實(shí)地測量、攝影測繪、激光雷達(dá)（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(jī)鏡頭數(shù)據(jù)。
橋梁的生命周期通常能達(dá)到75-100年，而適配的軟件必須能夠伴隨時(shí)間推移跟蹤結(jié)構(gòu)變化，并將過去橋梁檢測得到的信息分層添加到當(dāng)前數(shù)據(jù)中，以便于更好地了解現(xiàn)場發(fā)生的實(shí)際情況，從而掌握橋梁整體發(fā)展?fàn)顟B(tài)。
無人機(jī)、攝影測量方法和數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)成一種非常完美的結(jié)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(shí)攝影比較結(jié)構(gòu)體所發(fā)生的變化，從而指出哪些區(qū)域值得重點(diǎn)關(guān)注并需要進(jìn)行實(shí)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(zhǔn)確、更高效地開展工作。所有這些技術(shù)的結(jié)合不僅節(jié)省了項(xiàng)目成本，降低檢測風(fēng)險(xiǎn)，而且也減少了檢測時(shí)間。多年來，橋梁檢測技術(shù)一直停滯不前，如果養(yǎng)護(hù)單位需要對橋梁進(jìn)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(cè)，與使用無人機(jī)相比，這些方法既不高效，對于檢測人員來講也非常危險(xiǎn)。而無人機(jī)則具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，不僅可以到達(dá)人無法觸及的區(qū)域，而且還能夠沿著橫梁底部進(jìn)行攝影拍照，成功地避免檢測作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，并且提高了效率。
精度控制
配備攝像頭的無人機(jī)在重復(fù)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(zhǔn)確，而且檢測人員通常只關(guān)注部分事項(xiàng)，而會忽略其他細(xì)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(xué)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(jī)飛行的限制，這也使得無人機(jī)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(jī)作為人員檢測的補(bǔ)充，故而它已具備了普遍應(yīng)用的條件。
橋梁檢測一直都是非常危險(xiǎn)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(shù)，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(jī)對大橋進(jìn)行拍照，并將這些照片嵌入一個(gè)由數(shù)億個(gè)多邊形組成的“現(xiàn)實(shí)網(wǎng)格”3D模型中，這個(gè)網(wǎng)格所包含的信息數(shù)量遠(yuǎn)超普通的3D模型，通過“現(xiàn)實(shí)網(wǎng)格”，橋梁當(dāng)前的狀態(tài)和每個(gè)細(xì)紋都能被完整映射。
“現(xiàn)實(shí)網(wǎng)格”可以在計(jì)算機(jī)或平板電腦上查看，或者通過云連接的HoloLens（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭盔）以縮小的桌面視圖或1:1比例對橋梁進(jìn)行檢測，這樣能讓工程師通過高分辨率影像近距離觀察結(jié)構(gòu)的每一寸細(xì)節(jié)。雖然該項(xiàng)技術(shù)并不意味著將取代現(xiàn)場檢測，但它減少了往返進(jìn)行橋梁檢測的行程次數(shù)，也為工程師從遙遠(yuǎn)地區(qū)參與整個(gè)檢測過程提供一種途徑。
未來展望
明尼蘇達(dá)州交通廳已經(jīng)體驗(yàn)到了借助無人機(jī)這種檢測方式所帶來的安全、可追蹤、高質(zhì)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(xiàng)技術(shù)尚不成熟，而傳感器也需要引起關(guān)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(dá)州交通廳已經(jīng)在幾個(gè)橋梁項(xiàng)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(cuò)誤信息，以及如何理解和解釋數(shù)據(jù)。在資產(chǎn)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(biāo)。未來，該州交通廳將朝著這個(gè)方向繼續(xù)研發(fā)。這種檢測技術(shù)的進(jìn)步和開發(fā)將激發(fā)年輕工程師和設(shè)計(jì)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(shù)前景廣闊，但仍有大量工作要做，從計(jì)量學(xué)（測量科學(xué)）角度出發(fā)，來自某知識產(chǎn)權(quán)企業(yè)有限責(zé)任公司的David H. Parker就對結(jié)構(gòu)傳感器所收集到的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)提出了疑問：“橋梁行業(yè)收集到的信息真的準(zhǔn)確嗎?”在某些情況下，人們不得不依靠視覺檢測來避免災(zāi)難，但是在橋梁監(jiān)測中，僅憑好運(yùn)氣則會冒較大的風(fēng)險(xiǎn)，而數(shù)字孿生技術(shù)就是為了消除部分或全部主觀性而設(shè)計(jì)開發(fā)的。Parker還認(rèn)為，傳感器不應(yīng)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(shí)生活中所發(fā)生的事。目前，雖然所有工作的本質(zhì)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(yàn)證橋梁的實(shí)際變化是否按照預(yù)測進(jìn)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(hù)與運(yùn)營一樣，橋梁作為動態(tài)資產(chǎn)，在建成后也需要對其進(jìn)行密切的監(jiān)測和檢測。數(shù)字孿生技術(shù)讓橋梁業(yè)主和管理單位通過遠(yuǎn)程檢測獲得大量數(shù)據(jù)，減少現(xiàn)場檢測時(shí)間，從而讓整體檢測過程更安全、更高效、更準(zhǔn)確并進(jìn)一步降低成本。在我國，中小橋梁占整個(gè)橋梁總數(shù)的90%，利用無人機(jī)和數(shù)字孿生技術(shù)將大幅提高檢測效率及精度，未來，其在中小橋梁方面的應(yīng)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(zé)編 / 裴小吟
審校 / 李天穎 裴小吟 廖玲
