基于数字孪生技术的钢结构智能健康监测系统及方法

摘要

本发明公开了基于数字孪生技术的钢结构智能健康监测系统，物理实体层、数字孪生层、数据交互层、应用层；所述物理实体层与数字孪生层以映射的方式相连接，所述物理实体层、数字孪生层均与数据交互层相连接；基于数字孪生技术的钢结构智能健康监测的方法，包括以下步骤：S1，通过应用层操作可视化平台和检测评估，对可视化平台和检测评估操作后以信息交互的方式传递至数据交互层中的数据库。本发明目的在于应用数字孪生技术在结构健康监测系统中解决钢结构整体健康监测问题，并利用ABAQUS二次开发，融入有限元数据与监测数据的偏离度对结构进行整体评估，实现对监测点的实时、准确预警并预警整体结构的健康状态。

说明书

技术领域

本发明涉及健康监测系统技术领域，尤其涉及基于数字孪生技术的钢结构智能健康监测系统及方法。

背景技术

数字孪生技术利用物理模型、传感器数据更新以及历史运行记录等多维数据，集成多个学科、多个物理量、多个尺度和多个概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，并反映相应实体装备的全生命周期过程。该技术以数字化方式创建物理实体在数字空间中的实时镜像，通过物理实体和数字模型之间的信息交互，能够模拟、监控、诊断和控制物理实体在现实物理环境中的状态和行为。

结构健康监测是指利用现场的传感器技术，分析结构系统特性，达到检测结构损伤或退化的一些变化。传统的结构健康监测主要包含三部分：传感器监测、数据采集和数据的处理评估。

传统人工的方式对结构进行生命周期监测存在自动化程度低、人力成本高、监测效率低下等问题，严重制约了结构监测的智能化、信息化、数字化的发展。针对上述问题，本发明将数字孪生与结构健康监测相结合，并融入了有限元仿真数据对比分析，构建了基于数字孪生技术的钢结构智能健康监测系统，以便于对结构全生命周期的监测。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，而提出的基于数字孪生技术的钢结构智能健康监测系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

基于数字孪生技术的钢结构智能健康监测系统，包括物理实体层、数字孪生层、数据交互层、应用层；

所述物理实体层与数字孪生层以映射的方式相连接，所述物理实体层、数字孪生层均与数据交互层相连接，所述数据交互层与应用层相连接；

所述数据交互层包含有数据库，所述数据库包括有物理实体数据、虚拟数据数据、传感器实测数据、有限元模拟数据，所述数据库通过数据接口与物理实体层、数字孪生层相连接，所述应用层包括可视化平台和健康评估，所述可视化平台具有监测可视化功能、监测业务功能和系统管理功能，所述数据交互层与应用层以信息交互和反馈监测的方式连接。

优选地，所述物理实体层进行结构连接有传感器系统，所述物理实体层进行结构健康监测后传递至传感器系统，所述传感器系统具有荷载监测功能和结构效应监测功能，所述荷载监测功能和结构效应监测功能连接有传感网，所述传感网与数据接口相连接。

优选地，所述数据接口链结构反馈器，所述反馈器对数据分析、数据反馈传送至物理实体层。

优选地，所述数字孪生层通过数据分析和ABAQUS有限元仿真获得ABAQUS有限元仿真结果，所述ABAQUS有限元仿真结果与数据接口连接，所述数据接口驱动ABAQUS有限元仿真自动更新计算并数据分析获得数据偏离度评估，所述数据偏离度评估实时更新在数字孪生层。

优选地，所述检测可视化功能包括系统首页、实体展示、数模交互、数据仿真。

优选地，所述监测业务功能包括现在数据采集分析、检测预警、资料分析。

优选地，所述系统管理功能包括用户管理、权限管理以及日志管理。

优选地，所述健康评估包括实时监测状态、预警通知、结构状态查询、监测结构反馈。

本发明还公开了基于数字孪生技术的钢结构智能健康监测的方法，包括以下步骤：

S1，通过应用层操作可视化平台和检测评估，对可视化平台和检测评估操作后以信息交互的方式传递至数据交互层中的数据库；

S2，数据库将S1中交互的信息传递至数据接口，数据接口通过反馈器传递至物理实体层并进行数据分析；

S3，数据库将S1中交互的信息传递至数据接口，数据接口驱动ABAQUS有限元仿真自动更新计算并数据分析获得数据偏离度评估，数据偏离度评估实时更新在数字孪生层；

S4，S2中物理实体层中获得的数据与S3中数字孪生层获得的数据映射并优化；

S5，物理实体层将信息传递至传感器系统，传感器系统进行何在检测以及结构效应监测并通过传感网传递至数据接口，数据接口传递至数据库；

S6，数字孪生层将数据进行数据分析并通过ABAQUS有限元仿真获得ABAQUS有限元仿真结果，ABAQUS有限元仿真结果将数据传递至数据接口，数据接口将数据传递至数据库；

S7，S5、S6中数据库获得的数据通过数据交互层传递至应用层，操作应用层中可视化平台和健康评估，可以得知操作所得的数据。

本发明的有益效果为：

本发明目的在于应用数字孪生技术在结构健康监测系统中解决钢结构整体健康监测问题，并利用ABAQUS二次开发，融入有限元数据与监测数据的偏离度对结构进行整体评估，实现对监测点的实时、准确预警并预警整体结构的健康状态。

附图说明

图1为本发明提出的基于数字孪生技术的钢结构智能健康监测系统的框架图。

实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1，基于数字孪生技术的钢结构智能健康监测系统及方法，包括物理实体层、数字孪生层、数据交互层、应用层；

所述物理实体层与数字孪生层以映射的方式相连接，所述物理实体层、数字孪生层均与数据交互层相连接，所述数据交互层与应用层相连接，所述物理实体层进行结构连接有传感器系统，所述物理实体层进行结构健康监测后传递至传感器系统，所述传感器系统具有荷载监测功能和结构效应监测功能，所述荷载监测功能和结构效应监测功能连接有传感网，所述传感网与数据接口相连接，所述数据接口链结构反馈器，所述反馈器对数据分析、数据反馈传送至物理实体层；

其中，所述数字孪生层通过数据分析和ABAQUS有限元仿真获得ABAQUS有限元仿真结果，所述ABAQUS有限元仿真结果与数据接口连接，所述数据接口驱动ABAQUS有限元仿真自动更新计算并数据分析获得数据偏离度评估，所述数据偏离度评估实时更新在数字孪生层；

所述数据交互层包含有数据库，所述数据库包括有物理实体数据、虚拟数据数据、传感器实测数据、有限元模拟数据，所述数据库通过数据接口与物理实体层、数字孪生层相连接，所述应用层包括可视化平台和健康评估，所述可视化平台具有监测可视化功能、监测业务功能和系统管理功能，所述数据交互层与应用层以信息交互和反馈监测的方式连接，所述检测可视化功能包括系统首页、实体展示、数模交互、数据仿真，所述监测业务功能包括现在数据采集分析、检测预警、资料分析，所述系统管理功能包括用户管理、权限管理以及日志管理，所述健康评估包括实时监测状态、预警通知、结构状态查询、监测结构反馈；

进一步解释：传感器系统包括安装于待测钢结构上的传感器，可进行荷载监测和结构效应监测，传感器系统对各个传感器采集数据进行动态在线监测和采集，将采集数据通过网络发送并储存至远程管理监控计算机系统的数据库；

数字孪生层模型通过获取数据库中的实测数据，进行荷载换算，并通过ABAQUS二次开发脚本进行荷载值更新，随后通过运行脚本，远程驱动服务器端ABAQUS进行自动提交有限元计算，从而得到仿真模拟结果；

数据分析模块进行监测数据和有限元模拟数据偏离度分析，从而对结构健康状态进行整体评估；并将实体模型和监测数据与仿真模拟分析结果进行可视化呈现，方便对监测数据的管理。

本发明还公开了基于数字孪生技术的钢结构智能健康监测的方法，包括以下步骤：

S1，通过应用层操作可视化平台和检测评估，对可视化平台和检测评估操作后以信息交互的方式传递至数据交互层中的数据库；

S2，数据库将S1中交互的信息传递至数据接口，数据接口通过反馈器传递至物理实体层并进行数据分析；

S3，数据库将S1中交互的信息传递至数据接口，数据接口驱动ABAQUS有限元仿真自动更新计算并数据分析获得数据偏离度评估，数据偏离度评估实时更新在数字孪生层；

S4，S2中物理实体层中获得的数据与S3中数字孪生层获得的数据映射并优化；

S5，物理实体层将信息传递至传感器系统，传感器系统进行何在检测以及结构效应监测并通过传感网传递至数据接口，数据接口传递至数据库；

S6，数字孪生层将数据进行数据分析并通过ABAQUS有限元仿真获得ABAQUS有限元仿真结果，ABAQUS有限元仿真结果将数据传递至数据接口，数据接口将数据传递至数据库；

S7，S5、S6中数据库获得的数据通过数据交互层传递至应用层，操作应用层中可视化平台和健康评估，可以得知操作所得的数据。

综上，本发明目的在于应用数字孪生技术在结构健康监测系统中解决钢结构整体健康监测问题，并利用ABAQUS二次开发，融入有限元数据与监测数据的偏离度对结构进行整体评估，实现对监测点的实时、准确预警并预警整体结构的健康状态。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。