数字孪生技术不仅在桥梁设计和施工中发挥着重要作用，在桥梁结构安全检测和养护领域也可以提供强有力的辅助功能,并实现基础设施资产的全生命周期管理。桥梁业主单位和养护单位可以根据数字孪生技术对桥梁安全进行预测，并有针对性地提出养护方案。对于大型、重点桥梁结构,数字孪生技术的应用更具成本效益。未来随着技术的日趋成熟和发展，中小桥梁将成为该项技术应用的重点。

何为数字孪生

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。 

作为普遍适应的理论技术体系，数字孪生可以在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等众多领域应用。目前该技术在国内应用最为深入的是工程建设领域，而关注度最高、研究最热的则是智能制造领域。

检测工具的演变

传统的桥梁视觉检测通常需要借助昂贵的检测设备，而整个检测过程也存在一定的安全风险，且容易出现错误。为了解决这些问题，提高检测准确性，明尼苏达州交通厅（MnDOT）和其他州交通部门正在转向将无人机（UAV）作为检测工具。该厅的桥梁工程师凯文·韦斯特表示：“我们对位于明尼苏达州明尼阿波利斯市的一座石拱桥进行了无人机检测，通过无人机连续镜头开发的模型，可以清晰地识别出桥体裂缝和砂浆缺失，同时还能锁定哪些区域需要维修加固。这不仅有助于设计团队制定施工方案，还能够保证我们与承包商之间的顺畅沟通。”

在美国联邦公路管理局的资助下，明尼苏达州交通厅为本州8个区都配备了无人机。管理局也对相关检测人员进行了操作培训，帮助他们快速掌握无人机检测技巧，同时提供桥梁库存报告等信息。

虽然无人机是一种便捷、经济、安全的检测工具，但是仅依靠其拍摄尚无法达到桥梁检测的要求，明尼苏达州交通厅目前仍然选用桥梁检测车和其他一些检测工具搭配无人机开展检测作业。例如：在密西西比河上的40号州际公路桥上，检测人员就未发现一些关键裂缝，而这些裂缝最终导致大桥被迫关闭并进行维修加固。因为安装在无人机上的镜头相对固定，这对于检测人员的操作和工作态度要求很高。因此，在对桥梁进行信息收集和评估之前，养护团队必须充分了解如何正确地将无人机拍摄纳入整个桥梁检测之中。

较佳的组合

虽然无人机在捕捉数据方面发挥着重要作用，但它也只是交通管理部门建立和保持数字孪生工具库中的一种，另一个重要工具则是适配的软件。例如来自某公司的一款软件，结合了实地测量、摄影测绘、激光雷达（光探测和测距）、传感器，以及数字孪生数据库中的无人机镜头数据。

桥梁的生命周期通常能达到75-100年，而适配的软件必须能够伴随时间推移跟踪结构变化，并将过去桥梁检测得到的信息分层添加到当前数据中，以便于更好地了解现场发生的实际情况，从而掌握桥梁整体发展状态。

无人机、摄影测量方法和数字孪生技术构成一种非常完美的结合，检测工程师不仅可以在办公室快速、便捷地观测通过这些检测工具所获得的数据，而且还能根据延时摄影比较结构体所发生的变化，从而指出哪些区域值得重点关注并需要进行实地检测。此外，现场检测人员还可以通过桥梁数字孪生软件看到其他同事的工作笔记，帮助他们更直观、更准确、更高效地开展工作。所有这些技术的结合不仅节省了项目成本，降低检测风险，而且也减少了检测时间。多年来，桥梁检测技术一直停滞不前，如果养护单位需要对桥梁进行整体检测和评估，可能需要使用检测车、检测船或者是通过缆绳将人员悬挂在桥梁一侧，与使用无人机相比，这些方法既不高效，对于检测人员来讲也非常危险。而无人机则具有得天独厚的优势，不仅可以到达人无法触及的区域，而且还能够沿着横梁底部进行摄影拍照，成功地避免检测作业风险，并且提高了效率。

精度控制

配备摄像头的无人机在重复飞行线路上捕捉到的图片，比现场检测人员的观测更为准确，而且检测人员通常只关注部分事项，而会忽略其他细节。数字孪生模型是由数千张高精图片生成，从几何学上来说是非常精确的。近年来，美国联邦航空管理局（FAA）放松了对无人机飞行的限制，这也使得无人机桥梁检测成为可能。另外，美国联邦公路署(Federal Highway Administration)也允许使用无人机作为人员检测的补充，故而它已具备了普遍应用的条件。

桥梁检测一直都是非常危险的工作，但是对于一些“老派”工程师而言，他们非常享受在“云端”的感觉。利用诸多技术，某软件公司架起了一座连接照片和身临其境的桥梁。他们利用分辨率高的无人机对大桥进行拍照，并将这些照片嵌入一个由数亿个多边形组成的“现实网格”3D模型中，这个网格所包含的信息数量远超普通的3D模型，通过“现实网格”，桥梁当前的状态和每个细纹都能被完整映射。

“现实网格”可以在计算机或平板电脑上查看，或者通过云连接的HoloLens（增强现实头盔）以缩小的桌面视图或1:1比例对桥梁进行检测，这样能让工程师通过高分辨率影像近距离观察结构的每一寸细节。虽然该项技术并不意味着将取代现场检测，但它减少了往返进行桥梁检测的行程次数，也为工程师从遥远地区参与整个检测过程提供一种途径。

未来展望

明尼苏达州交通厅已经体验到了借助无人机这种检测方式所带来的安全、可追踪、高质量和节约长期成本等方面的诸多好处。但是，截止到目前，这项技术尚不成熟，而传感器也需要引起关注，目前，美国交通部门正在评估桥梁上传感器的使用情况。韦斯特表示：虽然明尼苏达州交通厅已经在几个桥梁项目中安装了传感器，但是目前都处于评估阶段，其中有一些挑战需要面对，如传感器寿命、主动错误信息，以及如何理解和解释数据。在资产管理中，如何获取信息并辅助业主单位做出更好的决策，才是终极目标。未来，该州交通厅将朝着这个方向继续研发。这种检测技术的进步和开发将激发年轻工程师和设计师的热情，也有利于交通厅招募年轻人才。

尽管数字孪生技术前景广阔，但仍有大量工作要做，从计量学（测量科学）角度出发，来自某知识产权企业有限责任公司的David H. Parker就对结构传感器所收集到的数据检验提出了疑问：“桥梁行业收集到的信息真的准确吗?”在某些情况下，人们不得不依靠视觉检测来避免灾难，但是在桥梁监测中，仅凭好运气则会冒较大的风险，而数字孪生技术就是为了消除部分或全部主观性而设计开发的。Parker还认为，传感器不应该被扔在桥上不予理睬，也不能只依靠数据来指引现实生活中所发生的事。目前，虽然所有工作的本质都是确定桥梁是否安全，但桥梁业主和科研人员之间存在脱节。工程师需要直观地理解那些通过模型传输给他们的信息，并轻松地识别异常的状况。为了能够验证桥梁的实际变化是否按照预测进行，从某种程度上来说，必须保证模型和数据敏感性的正确。

就像楼宇建筑使用建筑管理系统来规范养护与运营一样，桥梁作为动态资产，在建成后也需要对其进行密切的监测和检测。数字孪生技术让桥梁业主和管理单位通过远程检测获得大量数据，减少现场检测时间，从而让整体检测过程更安全、更高效、更准确并进一步降低成本。在我国，中小桥梁占整个桥梁总数的90%，利用无人机和数字孪生技术将大幅提高检测效率及精度，未来，其在中小桥梁方面的应用将会非常广泛。

本文刊载 / 《桥梁》杂志 2022年 第3期 总第107期

作者 / Monica Schultes

文章来源 / 美国ASPRIE杂志