一种面向涉水桥墩的仿真模拟方法及系统与流程

1.本发明涉及涉水桥墩损伤预测技术领域，尤其涉及一种面向涉水桥墩的仿真模拟方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.数字孪生则是指利用数字技术对现实物体或系统进行建模，以实现虚拟仿真和分析的过程。数字孪生可以帮助人们更好地理解和预测现实世界中的物理过程和事件，也可以用于优化和改进现实世界中的工业、交通、能源等系统。近年来，数字孪生技术在工业领域应用越来越广泛。
4.在交通网络中，桥梁具有连接交通线路的作用，是交通的咽喉，然而在桥梁服役期间，受内部结构变化，外界环境侵蚀等其他不利因素影响，桥梁会出现结构老化、受损等问题。尤其是长时间受到冲刷的涉水桥，其桥墩部分作为整个桥梁的基础，在整个涉水桥的全生命周期中对桥墩的监测工作十分必要。然而由于技术的局限性，传统的桥梁健康状况评估大部分是依靠常规的数字孪生仿真建模来实现，但是上述方法只能监测当前健康状况，无法实现桥墩损伤特征的推演，并且也不能根据损伤状况给出有效的维护方案，也无法对维护方案的效果进行预测。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种面向涉水桥墩的仿真模拟方法及系统，将数字孪生技术与涉水桥墩维护与损伤识别相结合，可以为涉水桥墩的日常养护与维修加固构建协同监测，同时引入时空限制，对维护方案的效果进行预测，提高涉水桥墩的维护与修复能力。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.本发明第一方面提供了一种面向涉水桥墩的仿真模拟方法，包括以下步骤：
8.获取实体桥墩的物理数据，根据实体桥墩的受力状况和结构稳定性状况进行数字孪生体三维模型构建，形成数字孪生实体样本；
9.构建桥墩的环境状况，对桥墩遭受的特殊或极端的的水文状况进行计算，并根据计算结果对水文条件进行推演，形成时空数据集；
10.采用数据-机理双驱动建模技术将数字孪生实体样本和时空数据集结合，得到数字孪生空间样本集，构建孪生空间模型，在桥墩上安装传感器，形成仿真模拟；
11.仿真模拟过程中，针对桥墩不同受损位置、阻抗、类型进行受损动态仿真和调试，得到分级预警；
12.根据涉水桥墩分级预警结果形成维护方案；
13.将维护方案在数字孪生体三维模型中模拟，对维护方案进行优化与推演。
14.进一步的，所述实体桥墩的物理数据包括施工图纸中的初始建设信息以及涉水桥墩的实际使用状况，所述涉水桥墩的实际使用状况包括涉水桥墩的力学性能情况和桥梁的整体结构状况。
15.进一步的，所述对桥墩遭受的特殊或极端的水文状况进行计算，并根据计算结果对水文条件进行推演，形成时空数据集的具体步骤为：
16.对桥墩遭受的特殊或极端的水文状况进行计算，得到采样数据；
17.对采样数据进行时间延长，对桥墩所在流域水文条件进行推演，得到推演的观测数据作为时空数据集；
18.对任意一段时间内的采样数据进行函数定义。
19.更进一步的，所述遭受的特殊或极端的水文状况包括：冲刷状况、洪水状况、地震状况或漂浮物撞击。
20.进一步的，采用数据-机理双驱动建模技术将数字孪生实体样本和时空数据集结合，得到数字孪生空间样本集的具体步骤为：
21.采用数据-机理双驱动建模主体单元物理实体的虚拟孪生体模型，对桥墩的力学指标、应用状况、演绎规则和演变过程特征进行表征。
22.构建桥墩所处环境体系，所述环境体系用于表征时空数据集以及环境与桥墩的逻辑关系。
23.根据环境体系和桥墩主体的虚拟孪生体进行全面虚拟仿真，完成虚拟孪生体模型的参数赋值，得到数字孪生空间样本集。
24.更进一步的，针对桥墩不同受损位置、阻抗、类型进行受损动态仿真和调试得具体步骤为：
25.针对桥墩不同受损位置、阻抗、类型构建损伤识别模型，利用损伤识别模型对桥墩遭受的特殊或极端的水文状况进行识别，得到不同水文状况的权重值；
26.对识别结果进行误差修正，得到更新后的权重值。
27.更进一步的，根据更新后的权重值对分级预警阈值进行定义域选择。
28.进一步的，根据传感器所传导的桥墩实时数据，对涉水桥墩进行分级预警的计算根据计算结果形成维护方案，将维护方案导入数字孪生体三维模型进行模拟与推演。
29.进一步的，获得维护方案的效果推演后，将推演结果和维护方案一同进行显示。
30.本发明第二方面提供了一种面向涉水桥墩的仿真模拟系统，包括：
31.实体样本采集模块，被配置为获取实体桥墩的物理数据，根据实体桥墩的受力状况和结构稳定性状况构建数字孪生体三维模型，形成数字孪生实体样本；
32.环境状况构建模块，被配置为构建桥墩的环境状况，对桥墩遭受的特殊或极端的水文状况进行计算，并根据计算结果对水文条件进行推演，形成时空数据集；
33.仿真模拟模块，被配置为采用数据-机理双驱动建模技术将数字孪生实体样本和时空数据集结合，得到数字孪生空间样本集，构建孪生空间模型，在桥墩上安装传感器，形成仿真模拟；
34.仿真调试模块，被配置为仿真模拟过程中，针对桥墩不同受损位置、阻抗、类型进行受损动态仿真和调试，得到分级预警；
35.维护方案生成模块，被配置为根据涉水桥墩分级预警结果形成维护方案；
36.维护方案推演模块，被配置为将维护方案在数字孪生体三维模型中模拟，对维护方案进行优化与推演。
37.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
38.本发明公开了一种面向涉水桥墩的仿真模拟方法及系统，将数字孪生技术与涉水桥墩维护与损伤识别相结合，实现对涉水桥墩危害的预判与预警，并形成模拟解决方案，可以使桥梁管理维护人员更直观的对损伤结果进行查看。同时利用数据-机理双驱动模型，增添了纵向时间演变轴，在构建涉水桥墩的数字孪生系统时将时间维度引入，纵向延伸及分析预测涉水桥墩的使用寿命等情况，融合冲刷、洪水、地震、水中漂浮物，如冰、船等的撞击等多尺度指标，能够准确有效计算及推演出桥墩的损伤特征，能够实现包括水文环境的全域虚拟孪生，增强维护方案的可靠性。
39.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
40.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
41.图1为本发明实施例一中面向涉水桥墩的仿真模拟方法的流程图；
42.图2为发明实施例一中桥墩损伤识别模型进行损伤识别的原理图。
具体实施方式
43.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
44.应当说明的是，本发明实施例中，涉及到实体桥墩等相关的数据，当本发明以上实施例运用到具体产品或技术中时，需要获得用户许可或者同意，且相关数据的收集、使用和处理需要遵守相关国家和地区的相关法律法规和标准。
45.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
46.实施例一：
47.元宇宙是指由虚拟现实、增强现实、人工智能和区块链等技术构成的一种数字化的虚拟世界，是一个与现实世界相平行的虚拟世界，可以为用户提供身临其境的虚拟体验。
48.本发明实施例一结合元宇宙思想和数字孪生技术，提供了一种面向涉水桥墩的仿真模拟方法，如图1所示，包括以下步骤：
49.步骤1，获取实体桥墩的物理数据，根据实体桥墩的受力状况和结构稳定性状况利用数字孪生仿真技术进行数字孪生体三维模型构建，形成数字孪生实体样本。
50.在一种具体的实施方式中，实体桥墩的物理数据包括施工图纸中的初始建设信息以及涉水桥墩的实际使用状况，所述涉水桥墩的实际使用状况包括涉水桥墩的力学性能情
况和桥梁的整体结构状况。
51.步骤2，构建桥墩的环境状况，对桥墩遭受的特殊或极端的的水文状况进行计算，并根据计算结果对水文条件进行推演，形成时空数据集，时空数据集构成的矩阵记为m。
52.步骤2.1，对桥墩遭受的特殊或极端的水文状况进行计算，得到采样数据。
53.在一种具体的实施方式中，遭受的特殊或极端的水文状况包括：冲刷状况、洪水状况、地震状况或漂浮物撞击
54.在某个时间点i，采样数据x可以排列成一个4维的向量，向量维度r为遭受的特殊或极端的水文状况，即xi∈r4。
55.步骤2.2，以时间t为自变量指标，对涉水桥所处河流所在地的地质地形情况、降雨情况、径流情况、桥墩结构稳定性变化等数据进行收集，采样频率以日为单位进行采样。对采样数据进行时间延长，对桥墩所在流域水文条件进行推演。当时间t足够长，得到推演的观测数据作为时空数据集，其观测数据可形成数据库α∈r
4t
。
56.步骤2.3，对任意一段时间n＝1,2,
…
,t内的采样数据x1,x2,
…
,x
t
进行函数定义，得到函数f(x1,x2,
…
,x
t
)，作为之后的损伤识别模型的激活函数。
57.步骤3，采用数据-机理双驱动建模技术将数字孪生实体样本和时空数据集结合，得到数字孪生空间样本集，构建孪生空间模型，在桥墩上安装传感器，形成仿真模拟。
58.步骤3.1，构建面向桥墩主体的虚拟孪生体(ve)。
59.步骤3.1.1，采用数据-机理双驱动建模主体单元物理实体(pe)的虚拟孪生体模型，对桥墩的力学指标、应用状况、演绎规则和演变过程特征进行表征。其中，力学指标和应用状况根据数字孪生体三维模型得到，演绎规则和演变过程根据现有桥墩数据基于环境变化的演变规律采用机器学习方式学习得到。
60.本实施例不同于现有的仿真推演设置，在基于大数据的基础上，采集大量数据作为仿真推演的基础识别，融合机理模型共同进行推演，能够更加增强推演的结果与精确度，形成多要素的详实仿真。
61.以冲刷机理为例，冲刷深度dh与水流速度v、密度ρ和沉积物粘性μ等参数有关，其可以被以下公式表述：
62.dh＝[kv(ρs-ρ)/μ]*з
[0063]
其中，k是一个常数，ρs是沉积物的密度，ρ是水的密度，而μ则表示沉积物的黏性,з代表修正系数。
[0064]
在数据建立过程中以此公式为基础，将监测数据带入计算，结合数据集进行参数修正。
[0065]
步骤3.2，构建桥墩所处环境体系，所述环境体系用于表征时空数据集矩阵m以及环境与桥墩的逻辑关系。
[0066]
在一种具体的实施方式中，融合环境与桥墩的时空数据集矩阵，形成含有时间t及环境与桥墩结构稳定性指标的特征关联计算。
[0067]
步骤3.3，根据环境体系和桥墩主体的虚拟孪生体进行全面虚拟仿真，完成虚拟孪生体模型的参数赋值，得到数字孪生空间样本集。
[0068]
步骤4，仿真模拟过程中，针对桥墩不同受损位置、阻抗、类型进行受损动态仿真和调试，得到分级预警。
[0069]
步骤4.1，针对桥墩不同受损位置、阻抗、类型构建损伤识别模型，利用损伤识别模型对桥墩遭受的特殊或极端的水文状况进行识别，得到不同水文状况的权重值。
[0070]
在一种具体的实施方式中，样本集数据利用软件matlab进行沟通和集成。
[0071]
步骤4.1.1，如图2所示，构建损伤识别模型，损伤识别模型包括一个输入层、一个隐藏层和一个输出层，每个节点为一个计算单元，每两个节点间的连接会有一个损伤程度的相关权重c，一个节点代表一种特定的激活函数，激活函数会根据阈值来决定信号是否输出，只有计算得到的信号足够大，激活函数才会向下一层输出信号。
[0072]
步骤4.1.2，遵循现有规范和公式计算得到冲刷深度、水流高度、地震震级、漂浮物撞击的失效概率，以冲刷深度、水流高度、地震震级、漂浮物撞击失效概率作为输入数据，每个节点的函数通过以下方式计算：
[0073]
输入层：输入c1,c2,c3,c4，偏值b，
[0074]
隐藏层：x
sum
＝c1·
x1+c2·
x2+c3·
x3+c4·
x4+b，判断是否能够激活函数f(x)，其中，x1，x2，x3，x4分别代表上述冲刷深度、水流高度、地震震级、漂浮物撞击的失效概率；x
sum
代表计算完成后的筛选最大值的输出。
[0075]
输出层，将x
sum
代入激活函数f(x)后得到相应y值。
[0076]
步骤4.2，对识别结果进行误差修正，得到更新后的权重值。
[0077]
步骤4.2.1，在m个训练样本当中：{(x(1),y(1)),(x(2),y(2)),
…
,(x(m),y(m))},其中d(i)为对应输入x(i)的期望输出。本实施例中，将前期所构建的时空数据集作为训练样本。其样本的训练误差e为：
[0078][0079]
对训练误差进行更新权重与偏值：
[0080][0081]
其中，β为学习速率，β∈(0.1)，用于调整每次迭代更新的步长；w
ij(l)
表示损失函数对第l层第j个神经元的第i个输入权重的偏导数(即误差关于该权重的导数)。
[0082]
根据更新后的权重值对分级预警阈值进行定义域选择。
[0083]
步骤5，根据涉水桥墩分级预警结果形成维护方案。
[0084]
本实施例中，根据预警阈值的上下限确定其稳定性，对不同的稳定性有不同的维护方案，维护方案可以通过专家提出，也可以参考现有维护方案。
[0085]
步骤6，将维护方案在数字孪生体三维模型中模拟，对维护方案进行优化与推演。
[0086]
步骤6.1，根据传感器所传导的桥墩实时数据，对涉水桥墩进行分级预警的计算根据计算结果形成维护方案，将维护方案导入数字孪生体三维模型进行模拟与推演。
[0087]
步骤6.2，获得维护方案的效果推演后，将推演结果和维护方案一同进行显示。用户对方案进行选择与判定，并进一步应用于施工中。
[0088]
实施例二：
[0089]
本发明实施例二提供了一种面向涉水桥墩的仿真模拟系统，包括：
[0090]
实体样本采集模块，被配置为获取实体桥墩的物理数据，根据实体桥墩的受力状况和结构稳定性状况构建数字孪生体三维模型，形成数字孪生实体样本；
[0091]
环境状况构建模块，被配置为构建桥墩的环境状况，对桥墩遭受的特殊或极端的水文状况进行计算，并根据计算结果对水文条件进行推演，形成时空数据集；
[0092]
仿真模拟模块，被配置为采用数据-机理双驱动建模技术将数字孪生实体样本和时空数据集结合，得到数字孪生空间样本集，构建孪生空间模型，在桥墩上安装传感器，形成仿真模拟；
[0093]
仿真调试模块，被配置为仿真模拟过程中，针对桥墩不同受损位置、阻抗、类型进行受损动态仿真和调试，得到分级预警；
[0094]
维护方案生成模块，被配置为根据涉水桥墩分级预警结果形成维护方案；
[0095]
维护方案推演模块，被配置为将维护方案在数字孪生体三维模型中模拟，对维护方案进行优化与推演。
[0096]
以上实施例二中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。
[0097]
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
[0098]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种面向涉水桥墩的仿真模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：获取实体桥墩的物理数据，根据实体桥墩的受力状况和结构稳定性状况进行数字孪生体三维模型构建，形成数字孪生实体样本；构建桥墩的环境状况，对桥墩遭受的特殊或极端的的水文状况进行计算，并根据计算结果对水文条件进行推演，形成时空数据集；采用数据-机理双驱动建模技术将数字孪生实体样本和时空数据集结合，得到数字孪生空间样本集，构建孪生空间模型，在桥墩上安装传感器，形成仿真模拟；仿真模拟过程中，针对桥墩不同受损位置、阻抗、类型进行受损动态仿真和调试，得到分级预警；根据涉水桥墩分级预警结果形成维护方案；将维护方案在数字孪生体三维模型中模拟，对维护方案进行优化与推演。2.如权利要求1所述的面向涉水桥墩的仿真模拟方法，其特征在于，所述实体桥墩的物理数据包括施工图纸中的初始建设信息以及涉水桥墩的实际使用状况，所述涉水桥墩的实际使用状况包括涉水桥墩的力学性能情况和桥梁的整体结构状况。3.如权利要求1所述的面向涉水桥墩的仿真模拟方法，其特征在于，所述对桥墩遭受的特殊或极端的水文状况进行计算，并根据计算结果对水文条件进行推演，形成时空数据集的具体步骤为：对桥墩遭受的特殊或极端的水文状况进行计算，得到采样数据；对采样数据进行时间延长，对桥墩所在流域水文条件进行推演，得到推演的观测数据作为时空数据集；对任意一段时间内的采样数据进行函数定义。4.如权利要求3所述的面向涉水桥墩的仿真模拟方法，其特征在于，所述遭受的特殊或极端的水文状况包括：冲刷状况、洪水状况、地震状况或漂浮物撞击。5.如权利要求4所述的面向涉水桥墩的仿真模拟方法，其特征在于，采用数据-机理双驱动建模技术将数字孪生实体样本和时空数据集结合，得到数字孪生空间样本集的具体步骤为：采用数据-机理双驱动建模主体单元物理实体的虚拟孪生体模型，对桥墩的力学指标、应用状况、演绎规则和演变过程特征进行表征；构建桥墩所处环境体系，所述环境体系用于表征时空数据集以及环境与桥墩的逻辑关系；根据环境体系和桥墩主体的虚拟孪生体进行全面虚拟仿真，完成虚拟孪生体模型的参数赋值，得到数字孪生空间样本集。6.如权利要求5所述的面向涉水桥墩的仿真模拟方法，其特征在于，针对桥墩不同受损位置、阻抗、类型进行受损动态仿真和调试得具体步骤为：针对桥墩不同受损位置、阻抗、类型构建损伤识别模型，利用损伤识别模型对桥墩遭受的特殊或极端的水文状况进行识别，得到不同水文状况的权重值；对识别结果进行误差修正，得到更新后的权重值。
7.如权利要求6所述的面向涉水桥墩的仿真模拟方法，其特征在于，根据更新后的权重值对分级预警阈值进行定义域选择。8.如权利要求1所述的面向涉水桥墩的仿真模拟方法，其特征在于，根据传感器所传导的桥墩实时数据，对涉水桥墩进行分级预警的计算根据计算结果形成维护方案，将维护方案导入数字孪生体三维模型进行模拟与推演。9.如权利要求1所述的面向涉水桥墩的仿真模拟方法，其特征在于，获得维护方案的效果推演后，将推演结果和维护方案一同进行显示。10.一种面向涉水桥墩的仿真模拟系统，其特征在于，包括：实体样本采集模块，被配置为获取实体桥墩的物理数据，根据实体桥墩的受力状况和结构稳定性状况构建数字孪生体三维模型，形成数字孪生实体样本；环境状况构建模块，被配置为构建桥墩的环境状况，对桥墩遭受的特殊或极端的水文状况进行计算，并根据计算结果对水文条件进行推演，形成时空数据集；仿真模拟模块，被配置为采用数据-机理双驱动建模技术将数字孪生实体样本和时空数据集结合，得到数字孪生空间样本集，构建孪生空间模型，在桥墩上安装传感器，形成仿真模拟；仿真调试模块，被配置为仿真模拟过程中，针对桥墩不同受损位置、阻抗、类型进行受损动态仿真和调试，得到分级预警；维护方案生成模块，被配置为根据涉水桥墩分级预警结果形成维护方案；维护方案推演模块，被配置为将维护方案在数字孪生体三维模型中模拟，对维护方案进行优化与推演。

技术总结
本发明公开了一种面向涉水桥墩的仿真模拟方法及系统，涉及涉水桥墩损伤预测技术领域。该方法包括：获取实体桥墩的物理数据，构建数字孪生体三维模型；对桥墩遭受的特殊或极端的的水文状况进行计算，并根据计算结果对水文条件进行推演；构建孪生空间模型进行仿真模拟；仿真模拟过程中进行受损动态仿真和调试，得到分级预警；根据涉水桥墩分级预警结果形成维护方案；将维护方案在数字孪生体三维模型中模拟，对维护方案进行优化与推演。本发明将数字孪生技术与涉水桥墩维护与损伤识别相结合，为涉水桥墩的日常养护与维修加固构建协同监测，同时利用元宇宙思想引入时空限制，对维护方案的效果进行预测，提高涉水桥墩的维护与修复能力。复能力。复能力。


技术研发人员：杨则英 曲植霖 高庆水 刘环 王洪云 单传皓 侯小风 赵振宇 张雪 孙德芳 曲伟松 杨乾一 孙芮 毕传龙 段蓉蓉 曲建波 谢馨楠 许静 刘冬梅
受保护的技术使用者：山东省交通工程监理咨询有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/9/14