數字孿生技術（shù）不僅在橋梁設計和施工中發揮著重要作（zuò）用，在橋梁結（jié）構安全檢測和養護領域也可（kě）以提供（gòng）強有力的輔助功能（néng）,並實（shí）現基礎設施資產的全生命周期管理。橋梁業主單位和養（yǎng）護單（dān）位可以根據數（shù）字孿生技術對橋梁安（ān）全進行預測，並有針對性地提出養護方案。對於大型、重點橋梁結構,數字孿生技術的應用更具（jù）成本效（xiào）益。未來隨著技（jì）術的日趨成熟和發展，中小橋梁將成為該項技術（shù）應用的重（chóng）點。

何（hé）為數字孿生

數字孿生是充分（fèn）利用物理模型、傳感器更新、運（yùn）行曆史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真（zhēn）過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相（xiàng）對應的實體裝備的全生命周期（qī）過程。數字孿（luán）生（shēng）是一種超越現實的概（gài）念，可被視為一個或多個重要的、彼（bǐ）此依賴的裝備係統的數字映射係統。

作為普（pǔ）遍適應（yīng）的理論技術體係，數字孿生（shēng）可以在產品設計、產品製造、醫學分（fèn）析、工程建設等眾多領域應用。目（mù）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（de）則是智（zhì）能製造領域。

檢測工具的演變（biàn）

傳統的橋梁視覺檢測通常需要借助昂貴的檢測設備，而整（zhěng）個檢測過程也存在一定的安全風（fēng）險，且（qiě）容易出現錯誤。為了解決這些問題，提（tí）高檢測準確性，明（míng）尼蘇達州交通（tōng）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（de）橋梁（liáng）工程師凱文·韋斯特表示：“我們對位於明尼蘇達州明尼阿波利斯市（shì）的一座石拱橋進行了無人機檢測，通過無人機連續鏡頭開發（fā）的模型，可（kě）以清晰地識別（bié）出橋體裂縫和砂（shā）漿缺失，同時（shí）還能鎖定哪些區域需要維（wéi）修加固。這不僅有助（zhù）於設計團隊製定施工（gōng）方案，還能夠保證我們與（yǔ）承（chéng）包商之間的（de）順暢溝（gōu）通。”

在（zài）美國聯（lián）邦公路管理局的資助下，明尼蘇達州（zhōu）交通廳為本州（zhōu）8個區都配（pèi）備了無人機。管理局也對相關檢測人員進行了操（cāo）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（suī）然無人機是一種便捷、經濟（jì）、安全的檢測工具（jù），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（tīng）目前仍（réng）然選用橋梁檢測車和其他一（yī）些檢（jiǎn）測工具搭配無人（rén）機開展（zhǎn）檢測作業。例如：在密西西比河上的40號州際公路橋上，檢（jiǎn）測人（rén）員就未發現一些關鍵裂（liè）縫，而這些裂縫最終導致大橋被迫關閉並進行維修加固。因為安裝在無人機上的鏡頭（tóu）相對固定，這（zhè）對於檢測人員的操作和工作態度要求（qiú）很高（gāo）。因此，在對橋梁進行信息收集和評估（gū）之前（qián），養護團隊必須充（chōng）分了解如何正確地將（jiāng）無人機拍（pāi）攝納入（rù）整個橋梁檢（jiǎn）測之中。

較佳的組合

雖然無人機在捕捉數據方麵發揮著重要作用（yòng），但它也隻是交通管理部門（mén）建立和保持數字孿生工具庫中的一種，另一個重要（yào）工具則是適配的軟件。例如來自（zì）某公司（sī）的一款（kuǎn）軟（ruǎn）件，結合了實地測量、攝（shè）影測繪、激光雷（léi）達（光探測和測（cè）距（jù））、傳感器，以及數字孿生數據庫（kù）中的無人機鏡頭數據。

橋梁的生命周期通常能達到75-100年，而適配的軟件必（bì）須能夠伴隨時間推移跟蹤（zōng）結構變化（huà），並將過去橋梁檢測得到的信息分層添加到當前數據中，以便於更好地了解（jiě）現場（chǎng）發（fā）生的實際情況，從而掌握橋梁整體發展（zhǎn）狀（zhuàng）態。

無（wú）人機、攝影測（cè）量（liàng）方法和數字孿（luán）生技術構成一種非常完美的結合（hé），檢測工程師不僅（jǐn）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據，而且還能根據延時攝影比較結構體所發生的變化，從而指出哪（nǎ）些區域值得重點關注並需（xū）要進行實地檢測。此（cǐ）外，現場檢（jiǎn）測人員還可以通過（guò）橋梁數字孿生軟件看到其他同事的工（gōng）作（zuò）筆記，幫助他們更直觀、更準確、更高（gāo）效地開展（zhǎn）工作。所有這些技術的結（jié）合不僅節省了項目成本，降低（dī）檢測風險（xiǎn），而且（qiě）也減（jiǎn）少了檢測時間。多年來，橋梁檢（jiǎn）測技術一直停滯不前，如果養護單位需要對橋梁進行整體檢測和（hé）評估，可（kě）能（néng）需要使用檢（jiǎn）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，對於檢測（cè）人員來講也非常危險（xiǎn）。而無人機（jī）則具有得天獨厚的優勢（shì），不僅（jǐn）可以到達人無法觸及的區域，而且還能（néng）夠（gòu）沿著橫梁底部（bù）進（jìn）行攝影拍照（zhào），成功地避免檢測作業風險，並且提高了效率。

精度（dù）控製

配備攝像頭的無人機在重複飛行線路上捕捉（zhuō）到（dào）的圖片，比現場檢測人員的觀測更為（wéi）準確，而且檢測人員通常隻關注部（bù）分事項，而會忽略其他細節。數字孿生模型是由數千張高精圖片生成，從幾（jǐ）何學（xué）上來說是非常精確的。近年來，美國聯邦航空管理局（FAA）放鬆了對無人機飛行的限製，這也（yě）使得無人（rén）機橋梁檢測成為可能。另外，美（měi）國（guó）聯邦公路署(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（biàn）應用的條件。

橋梁檢測一直都是非常危險的工作，但是對於一些“老派”工程師而言，他們非常享受在“雲端”的感覺。利用諸多（duō）技術，某軟件公（gōng）司架起了一（yī）座連接照片和身臨其境的橋梁。他（tā）們利用分辨率高（gāo）的無人機對大橋進行（háng）拍照，並將這些照片嵌入一個由數億個多邊形組成的“現（xiàn）實網格”3D模型中，這個網格所包含的信息數量遠超普通的3D模型，通過“現實網格”，橋梁當前的狀態和每個細紋都能被完整映射。

“現實網格”可以在計算機或平板電腦上查看，或者通過（guò）雲連接的（de）HoloLens（增強現實（shí）頭（tóu）盔）以縮小的（de）桌麵視圖或1:1比例對橋梁進行檢測（cè），這樣能讓工程師通過高分辨率影像近（jìn）距離觀察結（jié）構的每一寸細節。雖然該項技術並不意味（wèi）著將取代現場（chǎng）檢測，但它（tā）減少了往返進行橋梁檢測的行程（chéng）次數，也為工程師從遙（yáo）遠地區參與整個檢測過程提供一（yī）種途徑。

未來展望

明尼蘇達州交通廳已經體驗（yàn）到了（le）借助無人機這（zhè）種（zhǒng）檢（jiǎn）測方式所帶來的安全、可追蹤、高質量和（hé）節約（yuē）長期成本等方麵的諸多（duō）好處。但是，截止到目前，這項技術尚不（bú）成熟，而（ér）傳感器也需要引起關注，目前，美（měi）國交（jiāo）通部門正在評估橋（qiáo）梁上傳感器的使用情況。韋斯特表示：雖然明（míng）尼蘇達州交通廳已經在幾個橋梁項目（mù）中安裝了傳感器，但（dàn）是目前都處於（yú）評估階（jiē）段，其中有一些挑戰（zhàn）需要麵對，如傳感器壽命、主動錯誤信息，以及如何（hé）理解和解釋數據（jù）。在資產（chǎn）管理中，如何獲取信息並（bìng）輔（fǔ）助業主單位做出更好的決策，才是終極（jí）目標。未來，該州交通廳將朝著這個方向繼續研發。這種檢測技術的進步和（hé）開發將激發年輕工程師和設計師的熱情，也有利於交通廳招募年輕人才。

盡管數字孿生技術前景（jǐng）廣（guǎng）闊，但仍有大（dà）量工（gōng）作要做，從計量學（測（cè）量科學（xué））角（jiǎo）度出發（fā），來自某知識產權企業有限責任公司的David H. Parker就對結構傳感器所收集到的數據檢驗（yàn）提出了疑問：“橋（qiáo）梁行業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（zāi）難，但是在橋梁監測中，僅憑（píng）好運氣則會冒較大（dà）的風險，而數字孿生技術就是（shì）為（wéi）了消（xiāo）除部分（fèn）或全部主觀性而（ér）設（shè）計開發的。Parker還認為，傳（chuán）感器不應該被扔在橋上（shàng）不予理睬，也不能隻依靠數據來指（zhǐ）引現實生活中所發生的事。目前，雖（suī）然所有工作的本質都（dōu）是確定橋梁是否（fǒu）安全，但橋（qiáo）梁業主和（hé）科研人員之（zhī）間存在脫節。工（gōng）程師需要直觀地理解那些通過模型傳輸給他（tā）們（men）的信息，並輕鬆地識別異常的（de）狀（zhuàng）況。為了能（néng）夠驗證橋梁的實際變化是否按照預測進行，從某（mǒu）種程度上來說，必須保證（zhèng）模型和數據敏感性的正確。

就（jiù）像（xiàng）樓宇建築使用建築（zhù）管理係統來規範養護與運營一樣（yàng），橋梁作為動態資（zī）產，在建成後也（yě）需要對（duì）其進（jìn）行密（mì）切的監測和檢測。數（shù）字孿生技術讓橋梁業主和管理單位通過遠程（chéng）檢測獲得大量數據，減少現場檢測時間，從而讓（ràng）整體檢測過程更安全、更（gèng）高效、更準確並進（jìn）一步降低成本。在我國，中小橋梁占整個（gè）橋梁總數的90%，利用無人（rén）機和數字孿（luán）生技術（shù）將大幅提高檢（jiǎn）測（cè）效率及（jí）精度，未來，其在中小橋（qiáo）梁方麵的應（yīng）用將會非常（cháng）廣泛。

本文刊載 / 《橋梁》雜誌

2022年 第（dì）3期 總（zǒng）第107期

作（zuò）者 / Monica Schultes

文章來源 / 美（měi）國ASPRIE雜誌

翻譯 / 趙帝

編輯 / 陳暉（huī）

美編 / 趙雯

責編 / 裴（péi）小吟

審校 / 李（lǐ）天穎 裴小吟 廖玲