发明内容

本发明为了有效地解决以上技术问题，提供了一种基于数字孪生技术的钢结构健康监测系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于数字孪生技术的钢结构健康监测系统，包括分布式数据采集系统、远程数据传输与控制系统；所述远程数据传输与控制系统包括本地计算机系统、远程管理监控计算机系统、钢结构安全性能预测模块；所述分布式采集系统包括安装于待测钢结构上的传感器，由所述分布式采集系统对各个所述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至所述远程管理监控计算机系统；所述本地计算机系统与所述远程管理监控计算机系统网络连接收集采集数据，所述本地计算机系统将采集数据保存在本地数据库中；所述远程管理监控计算机系统连接并通讯所述钢结构安全性能预测模块；所述钢结构安全性能预测模块包括钢结构数字孪生模型、有限元仿真分析模型、载荷识别模块、损伤识别模块，所述钢结构数字孪生模型包括整体结构以及每个部件的材料属性，所述钢结构数字孪生模型与所述采集数据集合，通过所述载荷识别模块确定钢结构当前约束与载荷状态；将当前约束与载荷状态施加到所述钢结构数字孪生模型上进行有限元计算分析，获得对应的所述有限元仿真分析模型；通过所述损伤识别模块进行给予反演的故障定位，以准确预测结构响应。

进一步的，所述传感器包括结构负荷类传感器和环境监测类传感器；所述采集数据通过以太网发送给所述远程管理监控计算机系统。

进一步的，所述钢结构安全性能预测模块还包括复杂大规模模型处理模块、有限元模型修正模块、实验模型融合模块；所述有限元仿真分析模型的初始结构数值通过所述有限元模型修正模块和实验模型融合模块得到精细结构数值。

进一步的，所述远程数据传输与控制系统还包括三维模型和可视化模块，所述采集数据通过所述三维模型和可视化模块，以三维可视化进行动态显示。

进一步的，所述远程数据传输与控制系统还包括报警模块；所述报警模块分别连接所述本地计算机系统和远程管理监控计算机系统。

另一方面，本发明还提供了一种基于数字孪生技术的钢结构健康监测方法，包括：由所述分布式采集系统对各个所述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至所述远程管理监控计算机系统；所述本地计算机系统与所述远程管理监控计算机系统网络连接收集采集数据，所述本地计算机系统将采集数据保存在本地数据库中；由所述远程管理监控计算机系统将实时采集的所述采集数据发送至所述钢结构安全性能预测模块，并接收所述钢结构安全性能预测模块的处理结果；所述钢结构安全性能预测模块中的钢结构数字孪生模型包括整体结构以及每个部件的材料属性，所述钢结构数字孪生模型与所述采集数据集合，通过所述载荷识别模块确定钢结构当前约束与载荷状态；将当前约束与载荷状态施加到所述钢结构数字孪生模型上进行有限元计算分析，获得对应的所述有限元仿真分析模型；通过所述损伤识别模块进行给予反演的故障定位，以准确预测结构响应，判断失效。通过所述钢结构数字孪生模型的分析计算，根据所述钢结构数字孪生模型与实际结构的映射关系，评估实际结构的性能状态。

进一步的，所述一种基于数字孪生技术的钢结构健康监测方法，使用有限元仿真分析模型精细化创建方法，包括复杂大规模模型处理技术、有限元模型修正技术、实验模型融合技术；通过所述有限元模型修正技术和实验模型融合技术将所述有限元仿真分析模型的初始结构数值转化为精细结构数值，构建出具有精细结构数值的所述有限元仿真分析模型。

进一步的，所述一种基于数字孪生技术的钢结构健康监测方法，所述采集数据进行三维可视化动态显示。

进一步的，所述一种基于数字孪生技术的钢结构健康监测方法，应用的所述传感器包括结构负荷类传感器和环境监测类传感器；所述采集数据通过以太网发送给所述远程管理监控计算机系统。

进一步的，所述一种基于数字孪生技术的钢结构健康监测方法，所述本地计算机系统和远程管理监控计算机系统分别连接所述报警模块；当所述本地计算机系统发现所述采集数据异常时，启动所述报警模块；当所述远程管理监控计算机系统接收所述钢结构安全性能预测模块处理结果异常时，启动所述报警模块。

本发明的有益效果是：

本发明的基于数字孪生技术的钢结构健康监测系统构建了科学的、全生命周期的钢结构管理系统，对测点布置、数据处理、计算对比、载荷识别、疲劳评估及维修方案的设计提供科学的、规范性的指导。同时提供以及全方位、可拓展性的数据分析。它可以实现对钢结构整体损伤的长期跟踪监测，是对局部、短期损伤诊断技术的有益补充，极大地拓展了钢结构检测领域的内涵，提高了预测评估的可靠性。

(1)本发明的基于数字孪生技术的钢结构健康监测系统应用现代传感、通讯和网络技术，优化组合结构监测、环境监测、设备监测、损伤识别、综合报警、信息网络分析处理等子功能系统为一体的综合监测系统。

(2)本发明的基于数字孪生技术的钢结构健康监测系统核心方法是利用检测设备获取设备当前应变等信息，然后使用孪生模型进行载荷识别，最后根据有限元仿真分析与损伤识别进行结构整体的故障预警与定位。

(3)本发明的基于数字孪生技术的钢结构健康监测系统在对信号的处理评价的基础上，增加了结构整体仿真模型的损伤识别、故障预警功能。

(4)本发明的基于数字孪生技术的钢结构健康监测系统采用了模型修正技术，基于实测数据对有限元仿真模型进行修正，提高仿真分析精度，从而提高监测评估和预警的精度。