基于數字孿生的橋梁養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，已成為了行業重點研究方向。目前，橋梁養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字化模擬，在虛擬環境中實時監測、預測和仿真物理實體。數字孿生技術通過虛擬與現實的互動反饋、融合BIM、GIS、人工智能、物聯網（IoT）等技術，通過對數據的整合分析以及決策迭代優化，為物理實體增添或拓展新能力。

近年來，國內外BIM、數字孿生與工程養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運用無人機等感知工具構建橋梁的數字孿生模型，利用深度學習技術對非結構化數據進行解析，從而提高數據資產化水平[7]。Changsu Shim[8]開發了一種新的基于BIM 的橋梁維護系統布局，這個系統包括維護信息管理模塊和現場檢查操作模塊，它提供了實時數據和易于訪問的3D 橋梁模型，以增強協作和提高生命周期管理效率。馬志華等[9]的研究涵蓋了BIM 技術在橋梁養護中的實際應用，開發了基于BIM 模型的移動端數據采集軟件和三維可視化的橋梁病害信息管理系統。李成濤等[10]闡述了如何運用三維可視化技術提高橋梁養護信息利用效率，通過空間分布可視化呈現橋梁缺陷信息，識別橋梁服務狀況，分析缺陷成因，并制定養護方案。許強強等[11]在基于BIM 技術的橋梁監測平臺上開發了包括傳感器、數據采集、傳輸，以及數據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]針對高速公路養護功能不足，提出了基于GIS 和3D 建模技術的智慧養護管理系統，開發了路網管理、安全管理和環境監測等功能模塊。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。

盡管橋梁養護階段的BIM 模型構建、數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、數據準確性、數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字孿生的橋梁養護管理平臺技術方案，旨在不斷優化管理手段，保護維護橋梁功能與結構完整性，延長使用壽命。

1 數字孿生平臺架構

1.1 平臺總體架構

數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據，同時支持多種數據錄入方式。該層實時的數據采集和傳輸，使得管理人員能夠及時獲取橋梁的狀態信息，對橋梁養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據中臺組成，孿生中臺圍繞BIM+GIS 孿生體實現模型抽取、集成、切片和加載，數據中臺則依托大數據池，運用AI 算法、知識庫實現實時分析、數據清洗和挖掘。該層規范數據交換格式，確保系統可擴展性、穩定性和安全性，有助于解決橋梁養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信息服務、動態信息服務和科學決策服務，靜態信息服務包括橋梁檔案、構件庫、病害庫等，動態信息服務包括視頻監控、可視監測和巡查管理，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、網頁端和移動端，實現雙向同源數據交流。各層之間通過高效通信和連接手段實現數據傳輸與共享。

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 等方式傳遞感知數據、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議、數據交換、應用接口和數據安全連接；服務應用層至交互層則采用公網和內網訪問方式。

1.2 技術架構設計

技術架構如圖2 所示，主要分為展現層、處理層、數據層及移動端。

圖2 數字孿生平臺技術架構

（1）展現層

展現層為數字孿生平臺用戶界面，提供友好、直觀的交互體驗。通過前端框架實現響應式布局、組件化開發、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

處理層為數字孿生平臺核心業務邏輯層，負責處理用戶請求、實現業務功能并傳遞結果至展現層。主要作用為對數據層提供的數據進行轉換、過濾、聚合等操作，滿足用戶需求。協調展現層與數據層關系，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據交換格式，如JSON、XML[16]或Protocol Buffers。

處理層作為平臺核心業務邏輯層，負責處理用戶請求和實現業務功能，利用微服務架構“集成內聚、松散耦合”[17]的特征，以及多種數據交換格式，確保系統可擴展性、穩定性和安全性。

（3）數據層

數據層為數字孿生平臺數據存儲和管理層，負責存儲、管理和維護平臺數據。為處理層提供所需數據，確保業務信息通暢。為展現層提供可視化所需底層數據。

（4）移動端

移動端為數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，提供給養護人員方便快捷的錄入、查詢等操作，方便戶外等養護典型環境下對平臺的操作與使用。該層應與展現層、處理層和數據層協同工作，確保移動端應用正常運行。

2 數字孿生應用關鍵技術

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

2.1 三維環境性能優化

數字孿生的展現層三維環境如圖3 所示，按數據來源及展示尺度通常分為：由高清衛片組成的宏觀地圖、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 數字孿生可視化數據處理

對于展現層的數字孿生實時渲染引擎而言，宏觀尺度的高清衛片、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，其構成的網格面數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據，網格面數多，處理時間長，加載速度慢，已然成為數字孿生在三維環境下需要解決的關鍵技術之一。

與Cesium 等利用瓦片數據分級加載方式組織和管理傾斜攝影數據不同，實時渲染引擎難以流暢加載數十平方公里的傾斜攝影數據。針對這一問題，本文提出一種處理傾斜攝影數據的方法，以滿足大數據量傾斜攝影數據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 傾斜攝影數據處理步驟

首先，對完整的傾斜攝影數據進行切片處理，將其分割成不同的STL、OBJ 或FBX 格式的子數據。處理后的子數據應拆分存儲，并對這些子數據進行同步緩存，以便于后續處理；其次，利用相應插件對各子數據中的網格面進行抽減，一般對傾斜攝影數據進行同步均勻抽取，并采用多線程計算，從而有效降低網格面數；最后，得到經過網格面減少處理的獨立子數據，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 處理后加載的數據

通過優化三維環境性能，平臺可以更快速、更準確地展示橋梁的實時狀態，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 設備數字孿生映射

在以往的橋梁養護管理平臺中，大多數平臺的感知仍然是數據層面的感知，而不是孿生層面的映射。在本平臺的數字孿生空間構建過程中，如何將健康監測設備與橋梁養護管理平臺進行高效集成與管理，實現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

通信協議上，設備與平臺的通信接入和數據傳輸應采用諸如LoRaWAN、NB-IoT 和5G 等通信協議的，以保證橋梁健康監測設備能夠實時或者準實時地將傳輸數據至養護管理平臺，并且通信協議應充分考慮現在及未來養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。

設備數字孿生映射技術可以實現平臺對設備管理的孿生映射，對于提高橋梁養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護管理平臺及其他一系列類似橋梁養護管理平臺的開發中得到了技術驗證，以下介紹各平臺間具有共性的一些重點模塊。

3.1 運營期數字孿生空間

基于數字孿生技術，結合BIM 和GIS 技術構建橋梁運營期的數字孿生空間。通過對橋梁進行模型重構，創建了高精度的三維模型，并將BIM 模型與周圍地理環境的傾斜攝影模型融合，整合成為橋梁運營期的數字孿生空間。在此空間內，實現橋梁空間信息的可視化統一管理，將橋梁的靜態信息、監測信息、病害記錄等多源信息同步在數字孿生空間中進行讀取及展示，橋梁運營期數字孿生空間如圖7 所示。

圖7 橋梁運營期數字孿生空間

3.2 信息管理

信息管理模塊包含橋梁靜態信息管理、管養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，將之在展現層與對應的病害構件模型關聯綁定，實現病害層面的數字孿生，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常性檢查、定檢評估、特殊檢測和檢測數據管理等功能。在開發過程中，為了讓養護管理人員使用更加便捷，該模塊的展現層主要以網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 健康監測

健康監測模塊如圖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。以這些展現層的具象模型為載體，將采集到的數據傳輸至平臺數據層。在數據層，數據經過處理和分析，然后反饋至展現層的模型上。這樣的設計使得橋梁養護數字孿生空間中的橋梁狀態能夠實時更新。

圖10 健康監測展現層

通過實時數據采集、傳輸和分析的方式，平臺提高了橋梁狀態感知的直觀性。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測效率。

4 總結

本文基于數字孿生的橋梁養護管理平臺介紹了一種平臺的總體架構和技術架構，提出了三維環境性能優化方式和設備數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了基于數字孿生的橋梁養護管理平臺，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護效率，對推動養護管理手段的數字化轉型提供了有力的支持。