基于数字孪生的桥梁养护管理平台应用研究

符润泽

（苏交科集团股份有限公司，南京 210019）

引言

随着大量桥梁的建成并投入使用，如何对在役桥梁进行有效管理，已成为了行业重点研究方向。目前，桥梁养护管理的重难点包括：管理不及时、巡查不到位、信息化标准度低和智能化水平不足[1,2]等。BIM 技术是对工程物理特性信息的数字化承载和可视化表达[3]，它能够包含项目几乎所有的物理和多种多样的功能信息[4]。

数字孪生这一概念最早源于NASA[5]，后来在2011年，Michael Grieves[6]正式提出了这一概念。其主要用途是对物理实体进行数字化模拟，在虚拟环境中实时监测、预测和仿真物理实体。数字孪生技术通过虚拟与现实的互动反馈、融合BIM、GIS、人工智能、物联网（IoT）等技术，通过对数据的整合分析以及决策迭代优化，为物理实体增添或拓展新能力。

近年来，国内外BIM、数字孪生与工程养护方面的研究结合得越来越紧密。例如，丹麦大贝尔特桥的管理系统运用无人机等感知工具构建桥梁的数字孪生模型，利用深度学习技术对非结构化数据进行解析，从而提高数据资产化水平[7]。Changsu Shim[8]开发了一种新的基于BIM 的桥梁维护系统布局，这个系统包括维护信息管理模块和现场检查操作模块，它提供了实时数据和易于访问的3D 桥梁模型，以增强协作和提高生命周期管理效率。马志华等[9]的研究涵盖了BIM 技术在桥梁养护中的实际应用，开发了基于BIM 模型的移动端数据采集软件和三维可视化的桥梁病害信息管理系统。李成涛等[10]阐述了如何运用三维可视化技术提高桥梁养护信息利用效率，通过空间分布可视化呈现桥梁缺陷信息，识别桥梁服务状况，分析缺陷成因，并制定养护方案。许强强等[11]在基于BIM 技术的桥梁监测平台上开发了包括传感器、数据采集、传输，以及数据处理和管理等功能子模块。崔小芳等[12]探讨了BIM 技术在桥梁建设和维护管理中的应用，强调了在项目决策和安全管理中的作用。邵志超等[13]针对高速公路养护功能不足，提出了基于GIS 和3D 建模技术的智慧养护管理系统，开发了路网管理、安全管理和环境监测等功能模块。申鹏等[14]介绍了基于BIM 和GIS技术的公路工程建设智慧管理平台，通过该平台可以有效提高公路建设的效率、质量和安全性。

尽管桥梁养护阶段的BIM 模型构建、数字孪生技术应用及相关前沿技术取得了成果，但仍面临模型精度、数据准确性、数模结合紧密程度不足及应用场景匮乏等问题。本文提出了一种基于数字孪生的桥梁养护管理平台技术方案，旨在不断优化管理手段，保护维护桥梁功能与结构完整性，延长使用寿命。

1 数字孪生平台架构

1.1 平台总体架构

数字孪生平台总体架构如图1 所示，包括感知采集层、中台支撑层、服务应用层和交互层。

图1 数字孪生平台总体架构

感知采集层负责接触式和非接触式感知，采用传感器等设备收集数据，同时支持多种数据录入方式。该层实时的数据采集和传输，使得管理人员能够及时获取桥梁的状态信息，对桥梁养护管理中管理不及时、巡查不到位等问题具有改善作用。

中台支撑层由孪生中台和数据中台组成，孪生中台围绕BIM+GIS 孪生体实现模型抽取、集成、切片和加载，数据中台则依托大数据池，运用AI 算法、知识库实现实时分析、数据清洗和挖掘。该层规范数据交换格式，确保系统可扩展性、稳定性和安全性，有助于解决桥梁养护管理中信息化标准度低、智能化水平不足等问题。

服务应用层提供静态信息服务、动态信息服务和科学决策服务，静态信息服务包括桥梁档案、构件库、病害库等，动态信息服务包括视频监控、可视监测和巡查管理，科学决策服务则涵盖病害分析、分类处置和分级管理。

交互层包括客户端、网页端和移动端，实现双向同源数据交流。各层之间通过高效通信和连接手段实现数据传输与共享。

而各层间的关系是：感知采集层至中台支撑层利用4G/5G、光纤、WIFI 等方式传递感知数据、信号控制和空间定位；中台支撑层至服务应用层通过访问协议、数据交换、应用接口和数据安全连接；服务应用层至交互层则采用公网和内网访问方式。

1.2 技术架构设计

技术架构如图2 所示，主要分为展现层、处理层、数据层及移动端。

图2 数字孪生平台技术架构

（1）展现层

展现层为数字孪生平台用户界面，提供友好、直观的交互体验。通过前端框架实现响应式布局、组件化开发、高效渲染等功能，保证平台在不同设备和浏览器上的正常显示，如React、Vue、Angular。同时，集成基础地理信息库及框架和数字孪生实时渲染引擎，如Cesium 或SuperMap 和Unity3D、Unreal Engine 或CryEngine，进一步丰富可视化效果。

（2）处理层

处理层为数字孪生平台核心业务逻辑层，负责处理用户请求、实现业务功能并传递结果至展现层。主要作用为对数据层提供的数据进行转换、过滤、聚合等操作，满足用户需求。协调展现层与数据层关系，确保正确响应用户操作。目前，微服务架构[15]的应用较为广泛，如Spring Cloud。在交换格式上处理层应支持多种数据交换格式，如JSON、XML[16]或Protocol Buffers。

处理层作为平台核心业务逻辑层，负责处理用户请求和实现业务功能，利用微服务架构“集成内聚、松散耦合”[17]的特征，以及多种数据交换格式，确保系统可扩展性、稳定性和安全性。

（3）数据层

数据层为数字孪生平台数据存储和管理层，负责存储、管理和维护平台数据。为处理层提供所需数据，确保业务信息通畅。为展现层提供可视化所需底层数据。

（4）移动端

移动端为数字孪生平台移动设备应用，提供便捷的移动访问方式。该层扩展了平台应用场景，提供给养护人员方便快捷的录入、查询等操作，方便户外等养护典型环境下对平台的操作与使用。该层应与展现层、处理层和数据层协同工作，确保移动端应用正常运行。

2 数字孪生应用关键技术

本节介绍数字孪生应用的关键技术，对解决桥梁养护管理的重难点问题具有积极意义。

2.1 三维环境性能优化

数字孪生的展现层三维环境如图3 所示，按数据来源及展示尺度通常分为：由高清卫片组成的宏观地图、由倾斜摄影或正射影像组成的中观实景和由BIM或三维激光扫描组成的微观模型。

图3 数字孪生可视化数据处理

对于展现层的数字孪生实时渲染引擎而言，宏观尺度的高清卫片、中观尺度的正射影像、微观尺度的BIM 或三维激光扫描模型而言，其构成的网格面数仍在当前计算机硬件可处理范围内，实际使用体验较为流畅。但对较大范围或高精度的倾斜摄影数据，网格面数多，处理时间长，加载速度慢，已然成为数字孪生在三维环境下需要解决的关键技术之一。

与Cesium 等利用瓦片数据分级加载方式组织和管理倾斜摄影数据不同，实时渲染引擎难以流畅加载数十平方公里的倾斜摄影数据。针对这一问题，本文提出一种处理倾斜摄影数据的方法，以满足大数据量倾斜摄影数据在实时渲染引擎上的流畅加载需求，处理步骤如图4 所示。

图4 倾斜摄影数据处理步骤

首先，对完整的倾斜摄影数据进行切片处理，将其分割成不同的STL、OBJ 或FBX 格式的子数据。处理后的子数据应拆分存储，并对这些子数据进行同步缓存，以便于后续处理；其次，利用相应插件对各子数据中的网格面进行抽减，一般对倾斜摄影数据进行同步均匀抽取，并采用多线程计算，从而有效降低网格面数；最后，得到经过网格面减少处理的独立子数据，重新在相应的实时渲染引擎中加载，加载效果如图5所示。

图5 处理后加载的数据

通过优化三维环境性能，平台可以更快速、更准确地展示桥梁的实时状态，该技术对提高巡查的准确性和管理的及时性至关重要。

2.2 设备数字孪生映射

在以往的桥梁养护管理平台中，大多数平台的感知仍然是数据层面的感知，而不是孪生层面的映射。在本平台的数字孪生空间构建过程中，如何将健康监测设备与桥梁养护管理平台进行高效集成与管理，实现对设备管理孪生映射，是需要解决的关键技术之二。

本文提出构建一个设备管理模块来实现设备的集成和管理，该平台能够处理设备的定位、感知与预警功能，该模块应达到的设备数字孪生映射效果如图6所示。

图6 传感器设备的孪生映射

通信协议上，设备与平台的通信接入和数据传输应采用诸如LoRaWAN、NB-IoT 和5G 等通信协议的，以保证桥梁健康监测设备能够实时或者准实时地将传输数据至养护管理平台，并且通信协议应充分考虑现在及未来养护管理多种设备的接入，包括各类传感器、控制设备和摄像头等。

设备数字孪生映射技术可以实现平台对设备管理的孪生映射，对于提高桥梁养护管理的信息化标准度和智能化水平具有重要意义。

3 应用实例

本文所研究的平台架构及关键技术已在泰州市引江河大桥养护管理平台及其他一系列类似桥梁养护管理平台的开发中得到了技术验证，以下介绍各平台间具有共性的一些重点模块。

3.1 运营期数字孪生空间

基于数字孪生技术，结合BIM 和GIS 技术构建桥梁运营期的数字孪生空间。通过对桥梁进行模型重构，创建了高精度的三维模型，并将BIM 模型与周围地理环境的倾斜摄影模型融合，整合成为桥梁运营期的数字孪生空间。在此空间内，实现桥梁空间信息的可视化统一管理，将桥梁的静态信息、监测信息、病害记录等多源信息同步在数字孪生空间中进行读取及展示，桥梁运营期数字孪生空间如图7 所示。

图7 桥梁运营期数字孪生空间

3.2 信息管理

信息管理模块包含桥梁静态信息管理、管养信息管理和基础信息管理等功能。以病害信息为例，通过电子化管理桥梁的病害信息档案资料，将之在展现层与对应的病害构件模型关联绑定，实现病害层面的数字孪生，平台提供病害的历史查询、信息变更、病害录入等功能，如图8 所示。

图8 历史病害查询

3.3 检查检测

检查检测模块包括经常性检查、定检评估、特殊检测和检测数据管理等功能。在开发过程中，为了让养护管理人员使用更加便捷，该模块的展现层主要以网页端和手机端为对象。检测任务单界面如图9 所示。

图9 检测任务单界面

3.4 健康监测

健康监测模块如图10 所示，首先针对桥梁已部署的各类型传感器建立相应模型。以这些展现层的具象模型为载体，将采集到的数据传输至平台数据层。在数据层，数据经过处理和分析，然后反馈至展现层的模型上。这样的设计使得桥梁养护数字孪生空间中的桥梁状态能够实时更新。

图10 健康监测展现层

通过实时数据采集、传输和分析的方式，平台提高了桥梁状态感知的直观性。这种设计让一线运维管理人员操作更加方便，并显著提高了桥梁健康状况的监测效率。

4 总结

本文基于数字孪生的桥梁养护管理平台介绍了一种平台的总体架构和技术架构，提出了三维环境性能优化方式和设备数字孪生映射的技术途径。以此为基础，本文在泰州市引江河大桥及类似桥梁上开发了基于数字孪生的桥梁养护管理平台，取得了较好效果，丰富了管理手段，提升了管理效能，一定程度上提高了养护效率，对推动养护管理手段的数字化转型提供了有力的支持。