中交路橋科技是從事工程檢測(cè)監(jiān)測(cè)、城市安全監(jiān)測(cè)預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
作為交通基礎(chǔ)設(shè)施生命線的咽喉，長(zhǎng)大橋梁具有服役環(huán)境惡劣、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、病害問(wèn)題突出、垮塌后果嚴(yán)重的特點(diǎn)，其可靠運(yùn)營(yíng)與人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)。因此，有必要對(duì)長(zhǎng)大橋梁在持久狀況和偶然狀況下的承載能力進(jìn)行及時(shí)評(píng)估，進(jìn)而為運(yùn)營(yíng)維護(hù)的科學(xué)決策提供技術(shù)支撐。橋梁荷載試驗(yàn)是長(zhǎng)大橋梁通車前的最后一道“體檢”，其通過(guò)等效模擬運(yùn)營(yíng)車輛荷載，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試橋梁各關(guān)鍵部位響應(yīng)，來(lái)判斷結(jié)構(gòu)承載能力是否符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，并為后續(xù)交工驗(yàn)收、管理養(yǎng)護(hù)、加固改造等提供基礎(chǔ)技術(shù)資料。
近些年，隨著先進(jìn)傳感、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)日臻成熟，橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)日益受到行業(yè)重視。其科學(xué)內(nèi)涵是利用現(xiàn)場(chǎng)的、無(wú)損的、實(shí)時(shí)的方式采集結(jié)構(gòu)的輸入與輸出信息，分析結(jié)構(gòu)性能的波動(dòng)、劣化或損傷特征，并為管理和養(yǎng)護(hù)提供決策支持。因該技術(shù)具有實(shí)時(shí)采集外部環(huán)境荷載、在線把握結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征、識(shí)別結(jié)構(gòu)可能損傷形式、揭示結(jié)構(gòu)倒塌破壞機(jī)理、優(yōu)化結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃、驗(yàn)證發(fā)展既有設(shè)計(jì)理論的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而被業(yè)界廣泛認(rèn)可。然而，目前一些橋梁管養(yǎng)部門尚存在“重系統(tǒng)建設(shè)，輕數(shù)據(jù)分析”的現(xiàn)象，使得寶貴的橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)淪為了擺設(shè)，無(wú)法評(píng)估結(jié)構(gòu)的服役安全。
數(shù)字孿生（Digital twin）實(shí)現(xiàn)了真實(shí)物理系統(tǒng)與賽博空間（Cyberspace）數(shù)字化模型的相互反饋，亦被稱為數(shù)字雙胞胎或數(shù)字化映射。通俗來(lái)講，該技術(shù)是要構(gòu)建一個(gè)與真實(shí)物理系統(tǒng)在全壽命周期，能夠?qū)崟r(shí)更新和雙向交互的仿真模型。因此，它的重要性不僅在于可以反映真實(shí)物理系統(tǒng)，更重要的是它實(shí)現(xiàn)了物理系統(tǒng)與孿生模型之間數(shù)據(jù)的雙向流動(dòng)，即通過(guò)孿生模型可以向物理系統(tǒng)反饋信息，甚至反向控制物理系統(tǒng)。借助該模型，工程技術(shù)人員能以極低的成本對(duì)其開(kāi)展分析、研究和試錯(cuò)，進(jìn)而可在線評(píng)估物理系統(tǒng)的健康狀況、預(yù)測(cè)其剩余使用壽命，并對(duì)各種突發(fā)狀況或持久狀況制定預(yù)案。
將數(shù)字孿生理念引入到橋梁工程，是破解橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以發(fā)揮作用的有效途徑。筆者認(rèn)為，橋梁數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)由動(dòng)態(tài)仿真、虛擬評(píng)估和決策反饋三部分組成，其標(biāo)志性特征是建立的數(shù)值模型能與實(shí)橋保持實(shí)時(shí)自演化，其關(guān)鍵核心是對(duì)動(dòng)態(tài)演化模型進(jìn)行虛擬加載快速檢算，其最終目的是將評(píng)估結(jié)果及時(shí)反饋給管養(yǎng)部門，最終實(shí)現(xiàn)橋梁的“治小病、防大病”。
橋梁孿生模型構(gòu)建技術(shù)包括多尺度建模、全方位修模和動(dòng)態(tài)化校模，基于此才可實(shí)現(xiàn)全壽期孿生模型精細(xì)、準(zhǔn)確、高效的實(shí)時(shí)自演化。
1、多尺度建模技術(shù)
為同時(shí)滿足孿生模型的計(jì)算精度和效率，應(yīng)采用不同尺度的單元對(duì)橋梁建立一個(gè)精細(xì)的多尺度模型。這需要突破兩項(xiàng)技術(shù)瓶頸，一是如何確定細(xì)觀單元的建模長(zhǎng)度？二是如何耦合宏細(xì)觀單元的邊界？筆者通過(guò)引入圣維南原理確定了宏細(xì)觀單元的合理長(zhǎng)度，并提出了分析界面應(yīng)力穩(wěn)定的宏細(xì)觀單元多點(diǎn)變形協(xié)調(diào)耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同尺度單元之間的可靠連接。
2、全方位修模技術(shù)
由于建模參數(shù)取值、邊界條件設(shè)置等誤差，初始模型與實(shí)橋之間尚存在較大差異，因此需進(jìn)行合理修正。既有模型修正技術(shù)需開(kāi)展荷載試驗(yàn)，以獲取輸入和輸出的對(duì)應(yīng)信息，這在工程實(shí)際中難以操作。有鑒于此，文章提出了基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)概率等效重構(gòu)的橋梁輸入-輸出映射技術(shù)，通過(guò)將荷載試驗(yàn)中荷載與響應(yīng)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中荷載與響應(yīng)概率模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了模型預(yù)測(cè)響應(yīng)與實(shí)橋響應(yīng)的精準(zhǔn)匹配。
3、動(dòng)態(tài)化校模技術(shù)
橋梁在全壽命期間性能會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)演化，包括周期性波動(dòng)、漸變性劣化和突發(fā)性損傷。修正好的模型若保持固化不變，將無(wú)法反映此種演化特征。因此，需對(duì)其進(jìn)行快速高效的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。然而，模型修正時(shí)長(zhǎng)隨修正參數(shù)個(gè)數(shù)的增加呈指數(shù)型增長(zhǎng)，且隨機(jī)車流加載為動(dòng)態(tài)批量加載，耗時(shí)極長(zhǎng)。為此，本文提出了基于自適應(yīng)代理模型訓(xùn)練擬合的橋梁模型參數(shù)高效校準(zhǔn)技術(shù)，有效規(guī)避了對(duì)整個(gè)模型迭代加載而耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的難題。
綜上，長(zhǎng)大橋梁評(píng)估應(yīng)遵循“安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理”的三大原則，依據(jù)工程需求和現(xiàn)場(chǎng)條件，靈活選擇最適宜的技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，荷載試驗(yàn)不應(yīng)再是橋梁承載能力評(píng)估的唯一選項(xiàng)，面向工程需求的監(jiān)測(cè)評(píng)估技術(shù)將代表未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
中交路橋科技依托勘察、檢測(cè)（含特檢）、設(shè)計(jì)等傳統(tǒng)行業(yè)能力，可提供“檢、診、修、應(yīng)”的全生命周期綜合一體化服務(wù)，推動(dòng)城市安全風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)創(chuàng)新、模式創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新，提升城市安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)隱患發(fā)現(xiàn)、防范、化解、管控的智能化水平，為推動(dòng)城市安全發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)保障。在邁向智慧城市的新時(shí)代征程中，中交路橋科技有限公司將始終堅(jiān)守安全底線，不斷完善和優(yōu)化城市安全運(yùn)行綜合服務(wù)平臺(tái)，為城市的平穩(wěn)運(yùn)行貢獻(xiàn)科技力量。
