桥梁养护数字孪生体构建方法及装置

技术领域

本发明涉及数字孪生体构建领域，尤其涉及一种桥梁养护数字孪生体构建方法及装置。

背景技术

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新和运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度和多概率的仿真过程。通过在虚拟空间中完成映射，从而反应与其对应的实体装备的全生命周期过程。因此，在智慧城市、数字智造、智慧建造和智慧运维等领域广泛应用。

具体来说，数字孪生通过BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）、CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）等建立建筑目标物的三维数字化模型，然后通过物联感知和管控，建立物理实体与数字化虚拟题之间的映射，从而去表征某一特定物理实体的状态、动作、逻辑等各类特性，形成数字化的模型，即数字孪生体。

而当数字孪生体应用于桥梁或其他建筑时，通常是先对某一具体建筑进行传统三维模型的构建，再以三维模型为基础，通过数据采集和数据分析的方式形成建筑实体与数字孪生体间的映射，从而完成数字孪生体的构建。

当同一类建筑，如桥梁，应用于不同场景时，需要依据该建筑的实际搭建情况构建其特定的三维模型后，进行数字孪生体的构建，因此在构建数字孪生体时仍需要大量定制研发，因而难以实现真正意义上的数字孪生体系统。因此，现有的数字孪生体构建方法开发工作量大，效率低。

发明内容

本发明提供一种桥梁养护数字孪生体构建方法，用以解决现有技术中数字孪生系统开发工作量大，效率低的缺陷，构建一种普适和通用的桥梁数字孪生体系统。

本发明提供一种桥梁养护数字孪生体构建方法，包括：

对桥梁的结构进行分类，并确定每个类别对应的数字孪生单元的属性；

对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性进行配置，构建每个结构对应的数字孪生单元。

根据本发明提供的一种桥梁养护数字孪生体构建方法，所述对桥梁的结构进行分类的步骤包括：

根据所述桥梁的结构间的位置关系、结构的作用和特征，对所述桥梁的结构进行分类。

根据本发明提供的一种桥梁养护数字孪生体构建方法，所述根据所述桥梁的结构间的位置关系、结构的作用和特征，对所述桥梁的结构进行分类的步骤包括：

根据所述桥梁的结构间的位置关系，将所述桥梁的结构划分为多个第一类别；

根据每个第一类别的结构的作用，将每个第一类别的结构划分为多个第二类别；

根据每个第二类别的结构的特征，将每个第二类别的结构划分为多个第三类别；

所述确定每类结构对应的数字孪生单元的属性的步骤包括：

确定每个第三类别对应的数字孪生单元的属性。

根据本发明提供的一种桥梁养护数字孪生体构建方法，每个类别对应的数字孪生单元的属性包括几何模型、数据模型、动作模型、规则模型、业务模型和机理仿真模型；

所述几何模型包括二维属性和三维属性；

所述数据模型包括静态数据、感知数据、控制数据和人工数据；

所述静态数据包括基本属性、位置属性和关系属性；

所述动作模型包括感知动作和控制动作；

所述规则模型包括异常报警和条件操作；

所述业务模型包括日常巡检、定期维护和病害报修。

根据本发明提供的一种桥梁养护数字孪生体构建方法，所述对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性进行配置，构建每个结构对应的数字孪生单元的步骤包括:

对所述二维属性配置每个结构的CAD图纸；

对所述三维属性配置每个结构的BIM模型和/或其他三位模型；

对所述基本属性配置每个结构的名称、编号、规格、尺寸、文字说明和图片影像中的一种或多种；

对所述位置属性配置每个结构的GIS坐标和/或相对于原点的位置；

对所述关系属性配置每个结构与所述桥梁的其他结构的关系属性；

对所述感知数据配置每个结构的传感器编码；

对所述控制数据配置可调节的属性；

对所述人工数据通过人工输入配置，或由第三方系统导入；

对所述感知动作配置感知函数；

对所述控制动作配置控制函数；

对所述异常报警配置异常报警函数；

对所述条件操作配置在所述属性满足预设条件时触发相应动作的函数；

对所述日常巡检配置日常巡检业务流程；

对所述定期维护配置定期维护业务流程；

对所述病害报修配置病害报修业务流程；

对所述机理仿真模型配置机理分析算法或机理分析仿真平台。

根据本发明提供的一种桥梁养护数字孪生体构建方法，在所述对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性进行配置，构建每个结构对应的数字孪生单元的步骤之后，还包括：

对每个结构对应的数字孪生单元的属性进行完整性和正确性校验。

根据本发明提供的一种桥梁养护数字孪生体构建方法，在所述对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性进行配置，构建每个结构对应的数字孪生单元的步骤之后，还包括：

根据每个结构对应的数字孪生单元的属性的配置，获取每个结构关联的传感器数据和外部数据；

根据每个结构关联的传感器数据和外部数据，调用每个结构对应的数字孪生单元的属性关联的数据分析函数获取每个结构对应的数据分析结果。

本发明还提供一种桥梁养护数字孪生体构建装置，包括：

确定模块，用于对桥梁的结构进行分类，并确定每个类别对应的数字孪生单元的属性；

构建模块，用于对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性进行配置，构建每个结构对应的数字孪生单元。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述桥梁养护数字孪生体构建方法。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述桥梁养护数字孪生体构建方法。

本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一种所述桥梁养护数字孪生体构建方法。

本发明提供的桥梁养护数字孪生体构建方法及装置，通过对桥梁结构进行种类划分，为每类桥梁结构预先构建相应的数字孪生单元属性，在构建桥梁每个结构的数字孪生单元时，只需要对每个结构所属类别对应的数字孪生单元属性进行配置即可，只需要开发一次，便可适用于各种桥梁的数字孪生体构建，复用性高，从而降低开发工作量，提高桥梁数字孪生体构建效率；而且桥梁结构类别和类别对应的数字孪生单元属性可根据需要进行动态扩展，具有较强的可扩展性和普适性，从而更好进行不同模型场景下的养护业务数据叠加、状态展现及行为分析预测，为数字孪生体构建提供规范。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的桥梁养护数字孪生体构建方法的流程示意图之一；

图2是本发明提供的桥梁养护数字孪生体构建方法的的流程示意图之二；

图3是本发明提供的桥梁养护数字孪生体构建装置的结构示意图；

图4是本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1描述本发明的桥梁养护数字孪生体构建方法，该方法包括：

步骤101，对桥梁的结构进行分类，并确定每个类别对应的数字孪生单元的属性；

可选地，根据桥梁的专业结构和养护业务需求，将桥梁的结构分为若干类，如桥台、桥墩、基础和支座等。

数字孪生体是要建立与真实世界物理实体的数字映射模型，用于表征桥梁养护要素。通过对桥梁的结构进行分类，确定每一类结构的数字孪生体设计。

桥梁的结构类别可随着对桥梁数字孪生体认知的深入或应用的拓展动态添加或修改。

每个类别的结构具有一致的数字孪生单元属性，对每个类别的结构预先定义对应的数字孪生单元属性。

每个类别的结构对应的数字孪生单元属性尽可能丰富，涵盖所有可能涉及的因素，从而实现从真实物理空间到虚拟数字空间的孪生映射，可满足各类养护业务需求。

每个类别的结构对应的数字孪生单元属性同样可随着对桥梁数字孪生体认知的深入或应用的拓展动态添加或修改。

根据桥梁的每个结构所述的类别，查找该类别对应的数字孪生单元属性。

步骤102，对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性进行配置，构建每个结构对应的数字孪生单元。

对于某个需进行数字孪生体构建的桥梁，其数字孪生模型的构建过程等同于该桥梁的每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性的配置过程。配置完成后，即可完成桥梁数字孪生体的构建。

对于桥梁的每个结构，不需要设定每个结构所属类别对应的全部数字孪生单元属性，可以根据需要仅设置符合该结构特点的相关属性。

对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性可进行界面显示，由用户根据实际情况进行配置。

本实施例通过对桥梁结构进行种类划分，为每类桥梁结构预先构建相应的数字孪生单元属性，在构建桥梁每个结构的数字孪生单元时，只需要对每个结构所属类别对应的数字孪生单元属性进行配置即可，只需要开发一次，便可适用于各种桥梁的数字孪生体构建，复用性高，从而降低开发工作量，提高桥梁数字孪生体构建效率；而且桥梁结构类别和类别对应的数字孪生单元属性可根据需要进行动态扩展，具有较强的可扩展性和普适性，从而更好进行不同模型场景下的养护业务数据叠加、状态展现及行为分析预测，为数字孪生体构建提供规范。

在上述实施例的基础上，本实施例中对桥梁的结构进行分类的步骤包括：根据桥梁的结构间的位置关系、结构的作用和特征，对桥梁的结构进行分类。

桥梁的结构间的位置关系如上下关系和左右关系等。例如，桥面属于桥梁结构中的上部结构，桥墩属于桥梁的下部结构。

桥梁结构的作用包括承重和联结。桥梁结构的特征包括形状特征。

本实施例通过以上三种标准对桥梁的结构进行种类精细划分，使得每类桥梁结构具有一致的数字孪生单元属性。本实施例对具体的分类方法不作限定。

在上述实施例的基础上，本实施例中根据桥梁的结构间的位置关系、结构的作用和特征对桥梁的结构进行分类的步骤包括：

根据桥梁结构间的位置关系，将桥梁的结构划分为多个第一类别；

可选地，根据桥梁的结构间的位置关系将桥梁的结构分为上部结构、下部结构和附属结构。

根据每个第一类别的结构的作用，将每个第一类别的结构划分为多个第二类别；

可选地，根据桥梁结构的作用将桥梁的上部结构进一步划分为承重结构和联结结构，将桥梁的下部结构进一步划分为桥墩、桥台、基础和锚碇，将附属结构进一步划分为支座、垫石和调平层等。

根据每个第二类别的特征，将每个第二类别的结构划分多个第三类别；

可选地，根据桥梁结构的特征，将承重结构进一步划分为板、梁、桁架和拱等，对其他第二类别的结构也进行具体划分。

参考《公路工程建筑信息模型分类和编码标准》（DB34/T 3838-2021），将桥梁结构进行分级分类，如表1至表3所示。

表1

；

表2

；

表3

。

所述确定每类结构对应的数字孪生单元的属性的步骤包括：

确定每个第三类别对应的数字孪生单元的属性。

例如，一个桥梁的上部结构有两个板，另一个桥梁的上部结构有三个板。现有技术需要开发两次分别构建两个桥梁的数字孪生体。

而本实施例中对于第一个桥梁和第二个桥梁中的每个板，分别根据实际需求对板类别对应的数字孪生单元属性进行配置，即可灵活构建每个板的数字孪生单元，从而降低桥梁数字孪生体构建的开发工作量，提高桥梁数字孪生体的构建效率。

从表3中可以看出，对于附属结构类别下的第二类别，如伸缩缝装置不需要或不便于再进行第三类结构的划分，则预先构建附属结构类别下的每个第二类别对应的数字孪生单元属性。

本实施例通过对桥梁结构进行多层次精细划分，为每类精细划分的桥梁结构预先构建相应的数字孪生单元属性，在构建桥梁每个结构的数字孪生单元时，只需要对每个结构所属类别对应的数字孪生单元属性进行配置即可，只需要开发一次，便可适用于各种桥梁的数字孪生体构建，复用性高，从而降低开发工作量，提高桥梁数字孪生体构建效率；而且桥梁结构类别和类别对应的数字孪生单元属性可根据需要进行动态扩展，具有较好的普适性，从而更好进行不同模型场景下的养护业务数据叠加、状态展现及行为分析预测，为数字孪生体构建提供规范。

在上述实施例的基础上，本实施例中每个类别对应的数字孪生单元的属性，包括几何模型、数据模型、动作模型、规则模型、业务模型和机理仿真模型；

所述几何模型包括二维属性和三维属性；

所述数据模型包括静态数据、感知数据、控制数据和人工数据；

所述静态数据包括基本属性、位置属性和关系属性；

所述动作模型包括感知动作和控制动作；

所述规则模型包括异常报警和条件操作；

所述业务模型包括日常巡检、定期维护和病害报修。

可选地，对每个类别对应的数字孪生单元的属性进行分级分类设计，具体如表4至表5所示。

表4

；

表5

。

通过配置表4至表5中的动作模型、规则模型、业务模型和机理仿真模型，能够调用相应的仿真软件或预先封装好的处理函数完成桥梁的三维展示、异常监测及报警、巡检、维护、报修和机理仿真等过程。

本实施例通过对每个桥梁结构类别构建具备几何模型、数据模型、规则模型、业务模型、机理模型、知识库等多种属性的数字孪生体，从而建立数字实体与物理实体的完整映射，可满足各类养护业务需求，且具有良好的普适性和可扩展性。

在上述实施例的基础上，本实施例中所述对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性进行配置，构建每个结构对应的数字孪生单元的步骤包括:

对所述二维属性配置每个结构的CAD图纸；

对所述三维属性配置每个结构的BIM模型和/或其他三位模型；

对所述基本属性配置每个结构的名称、编号、规格、尺寸、文字说明和图片影像中的一种或多种；

对所述位置属性配置每个结构的GIS坐标和/或相对于原点的位置；

对所述关系属性配置每个结构与所述桥梁的其他结构的关系属性；

对所述感知数据配置每个结构的传感器编码；

对所述控制数据配置可调节的属性；

对所述人工数据通过人工输入配置，或由第三方系统导入；

对所述感知动作配置感知函数；

对所述控制动作配置控制函数；

对所述异常报警配置异常报警函数；

对所述条件操作配置在所述属性满足预设条件时触发相应动作的函数；

对所述日常巡检配置日常巡检业务流程；

对所述定期维护配置定期维护业务流程；

对所述病害报修配置病害报修业务流程；

对所述机理仿真模型配置机理分析算法或机理分析仿真平台。

以桥梁的某个承重柱为例，对承重柱的数字孪生单元属性进行配置，具体如表6所示。桥梁其他结构的数字孪生单元属性配置与承重柱的属性配置类似。

表6 承重柱数字孪生体单元属性配置示例

。

对表6只需要更改其图纸、BIM模型编码、静态属性以及关联的传感器编码等少量属性，即可应用于其他同类承重柱的数字孪生体构建。

在上述实施例的基础上，本实施例中在所述对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性进行配置，构建每个结构对应的数字孪生单元的步骤之后，还包括：对每个结构对应的数字孪生单元的属性进行完整性和正确性校验。

为了保障数字孪生体单元属性配置与实物结构对应的数据可靠性，在完成数字孪生体构建后对其进行完整性和正确性校验。

可选地，对于数字孪生体单元属性完整性的校验，可以在数字孪生单元属性配置的页面对必须配置的属性进行标注提示。在数字孪生单元属性配置提交时，对存在属性必须配置而未配置的数字孪生单元校验出来后进行提示。

可选地，对于数字孪生体正确性的校验，校验是否存在多个数字孪生单元关联同一BIM构建，BIM模型编码和传感器编码是否符合预设格式等。

完整性和正确性校验条件可进行动态调整与扩充。校验完成后，通过预览方式人工进行最终确认。

在上述实施例的基础上，本实施例中在对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性进行配置，构建每个结构对应的数字孪生单元的步骤之后，还包括：

根据每个结构对应的数字孪生单元的属性的配置，获取每个结构关联的传感器数据和外部数据；

根据每个结构关联的传感器数据和外部数据，调用每个结构对应的数字孪生单元的属性关联的数据分析函数获取每个结构对应的数据分析结果。

对每个结构对应的数字孪生单元的属性配置的是该结构对应的传感器编码和外部文件信息。

在桥梁的数字孪生体构建完成后，通过传感器编码接入传感数据，通过外部文件信息关联外部数据，调用关联的数据分析函数进行分析，即可作为数字孪生应用发布。

例如，接入桥墩的传感器数据，调用桥墩沉降分析仿真函数对桥墩的沉降进行分析。

数字孪生应用既可作为单独系统在大屏、电脑和手机等终端应用，也可以作为其他桥梁养护应用系统的一个功能模块集成应用。

本实施例完整的流程图如图2所示，首先对桥梁结构进行分类，划分数字孪生单元，然后对每个类别定义对应的数字孪生单元属性，最后对于需要构建数字孪生体的桥梁，对每个类别的结构进行数字孪生单元属性配置，即可完成桥梁的数字孪生体构建。在完成构建后，对数字孪生体进行校验和发布。

下面对本发明提供的桥梁养护数字孪生体构建装置进行描述，下文描述的桥梁养护数字孪生体构建装置与上文描述的桥梁养护数字孪生体构建方法可相互对应参照。因此，在前述桥梁养护数字孪生体构建方法的各实施例中的描述和定义，可以用于本发明实施例中各个执行模块的理解。

如图3所示，该装置包括确定模块301和构建模块302；其中：

确定模块301用于对桥梁的结构进行分类，并确定每个类别对应的数字孪生单元的属性。

可选地，根据桥梁的专业结构和养护业务需求，将桥梁的结构分为若干类。通过对桥梁的结构进行分类，确定每一类结构的数字孪生体设计。

桥梁的结构类别可随着对桥梁数字孪生体认知的深入或应用的拓展动态添加或修改。

每个类别的结构具有一致的数字孪生单元属性，对每个类别的结构预先定义对应的数字孪生单元属性。

每个类别的结构对应的数字孪生单元属性同样可随着对桥梁数字孪生体认知的深入或应用的拓展动态添加或修改。

根据桥梁的每个结构所述的类别，查找该类别对应的数字孪生单元属性。

构建模块302用于对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性进行配置，构建每个结构对应的数字孪生单元。

对于桥梁的每个结构，并不需要设定每个结构所属类别对应的全部数字孪生单元属性，可以根据需要仅设置符合该结构特点的相关属性。

对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性可进行界面显示，由用户根据实际情况进行配置。

本实施例通过对桥梁结构进行种类划分，为每类桥梁结构预先构建相应的数字孪生单元属性，在构建桥梁每个结构的数字孪生单元时，只需要对每个结构所属类别对应的数字孪生单元属性进行配置即可，只需要开发一次，便可适用于各种桥梁的数字孪生体构建，复用性高，从而降低开发工作量，提高桥梁数字孪生体构建效率；而且桥梁结构类别和类别对应的数字孪生单元属性可根据需要进行动态扩展，具有较强的可扩展性和普适性，从而更好进行不同模型场景下的养护业务数据叠加、状态展现及行为分析预测，为数字孪生体构建提供规范。

图4示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)410、通信接口(Communications Interface)420、存储器(memory)430和通信总线440，其中，处理器410，通信接口420，存储器430通过通信总线440完成相互间的通信。处理器410可以调用存储器430中的逻辑指令，以执行桥梁养护数字孪生体构建方法，该方法包括：对桥梁的结构进行分类，并确定每个类别对应的数字孪生单元的属性；对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性进行配置，构建每个结构对应的数字孪生单元。

此外，上述的存储器430中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的桥梁养护数字孪生体构建方法，该方法包括：对桥梁的结构进行分类，并确定每个类别对应的数字孪生单元的属性；对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性进行配置，构建每个结构对应的数字孪生单元。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的桥梁养护数字孪生体构建方法，该方法包括：对桥梁的结构进行分类，并确定每个类别对应的数字孪生单元的属性；对每个结构所属类别对应的数字孪生单元的属性进行配置，构建每个结构对应的数字孪生单元。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。