数字孪生如何改变桥梁和大坝的检查工作流程

通过使用无人机和其他方法从实地采集数据创建的数字孪生正在使检查更加安全和高效。

图片来源：Bentley Systems

基础设施是美国和全球众多人们关注的话题之一。由于老化基础设施所导致的事故引发了人们对风险的担忧，尤其在美国，许多桥梁和大坝等结构正逐年增加故障风险。这种情况引发了立法和宣传活动，以及各类基础设施的翻新和更换项目。

尽管确保基础设施的耐久性还有很多工作要做，但我们正处在一个新技术可以使地面上的检查更加安全，并使整个过程更加高效的时代。Bentley Systems 是处于创新中心的公司之一，帮助这些基础设施所有者创建与各类数据点相连接的精确模型，包括测量文物、3D/2D设计、地理信息系统（GIS）和各种物联网（IoT）传感器，从而提供完整的基础设施背景。

Geo Week News 最近采访了 Bentley 公司的 Dustin Parkman（运输副总裁）和 Gregg Herrin（水务副总裁）。Parkman 谈到了这种数字孪生工作流如何协助桥梁检查，而 Herrin 则讨论了其对大坝检查的影响。

工作流程是什么？

在桥梁和大坝检查方面，虽然这些结构有很大的不同，但通过数字孪生来维护它们的工作流程是类似的，分为三个阶段。首先是使用激光扫描和/或摄影测量创建现实网格，Parkman 指出最佳结果来自两者的组合。大部分这项工作是通过无人机绕着结构飞行来完成的，因为用无人机比使用地面扫描仪更容易获得所有必要的角度。然而，它们也用于一些部分，而对于桥梁来说，甚至可以在船上使用移动扫描仪。

图片来源：HDR

这创建了结构的精确3D模型，但要真正创建数字孪生，它需要连接传感器以获取实时信息。在桥梁中，根据 Parkman 的说法，这些传感器正在捕捉结构运动和冲刷情况，同时还监测它的使用情况、对不同气候事件的反应以及地质技术传感器。同样，Herrin 表示，大坝检查通过监测地下水压力的压力计以及监测接头强度、大坝表面裂缝和表面振动的传感器得到了帮助。

当然，如果没有软件将所有这些数据使监控和检查结构的人员能够访问，那么这一切都没有意义，这就是 Bentley 的工作。Bentley 提供软件将实际采集的数据转化为模型，以及将物联网数据聚合到可操作和可访问的格式的软件。所有这些可以被整合成一个独立的数字孪生，提供一个准确的3D模型，并从物联网传感器传输实时信息。Herrin 还指出，他正在开始看到一些公司，比如HDR，正在”使用一些自己的人工智能能力来识别Murray Dam和Diablo Dam 项目中的异常情况，从而扩展了这些技术与他们自己的知识产权。”

更安全和更高效的工作流程

检查一直以来都对于这类关键结构来说是必要的。然而，能够像我们希望的那样经常而准确地进行检查在传统上往往是易于说难于做的，尤其是在安全的方式下。Parkman 和 Herrin 都注意到了使用这种数字孪生工作流程所带来的优势。

这些数据能够提高工作流程，因为现在许多工作可以远程和虚拟地完成。检查人员不再需要在整个结构中手动检查裂缝或其他异常，而是可以在模型内查找它们，有时甚至使用人工智能来识别潜在的关注区域，并将人员派往这些特定位置。同时，传感器可以在问题变得明显之前就察觉到潜在的问题，使修复工作变得更加容易、便宜和安全。

对于桥梁而言，Parkman 指出，团队在”检查工时和费用方面节省了30%以上，并在交付成果的数量和质量方面取得了显著改进”。从间接角度来看，他还预计”由于更好的数据导

致更好的决策，因此降低了设计错误或错误应用修复和翻新方案的风险，因此预计至少会有20%的建设成本节约”。

圣克罗伊桥的现实网格，显示在 iTwin Capture 中 | 图片由 Collins Engineers 提供

针对大坝，Herrin 报告了许多相同的好处，虽然其中一些方面是与这些结构特有的。例如，大坝的许多手动检查涉及到检查人员使用绳索沿着大坝的混凝土墙或闸门下游的滑溜溜水渠进行检查，这可能非常危险。通过首先使用现实模型检查结构是否存在问题，您可以识别出问题区域，并允许检查人员仅访问这些位置，从而减少他们在危险位置的总时间。

在这里也存在财务节省，Herrin 亲身经历过这一点。他告诉 Geo Week News 说，”一个拥有多个大坝的大坝所有者能够使用我们的大坝监测解决方案，在条件监测方面节省了大量的资金。他们的标准操作程序过去每天的成本约为3000美元，因此通过实施数字技术，他们能够在不到两个月的时间内获得投资回报”。

数字孪生的实际应用

虽然将现实捕捉和物联网数据融合成实时数字孪生的这种工作流程对于基础设施监测和检查来说相对较新，但已经有许多示例。实际上，Parkman 表示，它始于这些单独的资产所有者自行采用。他说，”一开始是我们的用户群和客户群自己这样做的，他们把我们的组合中的不同部分和合作伙伴的组合部分拼凑在一起来做这个。当我们看到不同的元素汇聚在一起时，我们确实看到了一个机会，将所有这些不同的数据点整合到一个数字孪生中。”

Bentley 已经注意到了许多这类桥梁和大坝的项目。例如，在丹佛，他们必须监测县内的630座桥梁，以确保它们对通行仍然安全。与 Stantec 合作，他们创建了与物联网传感器相连接的桥梁数字孪生，设置了当结构运动超过预设参数时的自定义警报。

在大坝方面，Perris 大坝是加利福尼亚州的一个重要结构，因地震事件风险而被标记为需要结构升级。在地震改造项目期间，Terracon（被合同承包该项目）和加利福尼亚州水务部使用 Bentley 软件与现场传感器监测地下水孔压力等结构问题，提供易于访问的网络数据，包括几乎实时数据和历史数据。

Parkman 和 Herrin 都预测，像 2021 年基础设施投资和就业法案这样的立法将影响这项工作，资金将继续流入这个领域，因为检查将变得更加紧迫和常见。利用现实捕捉和物联网传感器进行实时数字孪生的这种工作流程将使检查时间减少，同时保护现场工作人员的安全。