【无人机+AI】基于graphics-based digital twin框架的数字孪生模型丨城市数据派

项目摘要

项目结题成果报告

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2.研究工作主要进展、结果和影响。

(1)主要研究内容。

按照研究计划，本项目主要开展了以下4块研究工作:

1)建立基于 GBDT框架的数字孪生模型

2)优化无人机检测路径

3)建立高层建筑结构震损图像数据库

4)建筑构件和损伤识别

(2)取得的主要研究进展、重要结果、关键数据等及其科学意义或应用前景。

1) 建立基于GBDT框架的数字李生模型

数字李生模型(graphics-based digitaltwin，GBDT)是将基于物理的图形模型(physics-based graphics models，PBGMs)和数字李生(digital twin，DT)概念结合起来开发的框架。数字孪生模型由有限元模型和与现实建筑高度相似的计算机图形模型(CG模型)，数字李生模型可以实现对真实高层建筑状态的实时映射。其中，CG模型中的结构构件信息来自有限元模型，而有限元模型在不同力学分析下产生的损伤可以由CG模型展示，二者具有一致性。本项目搭建的数字孪生模型可以模拟震后高层建筑损伤和现场环境,为后续训练神经网络模型提高逼真的数据集以及为建立震后高层建筑受损状态智能诊断方法提供试验场景本项目以广东省广州市某45层钢筋混凝土剪力墙结构为研究对象,建立了数字孪生模型。对于复杂高层结构通常要用两种或两种以上的结构分析软件计算对比，本项目首先对YJK初始模型进行分析，随后将YJK模型导入到SAP2000中。

YJK与SAP2000的计算模型分别如下图1(a)、(b)所示。

两种地震分析模型分别计算对比:总质量、周期与层间剪力。对比结果见表1~ 表 3。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)(以下简称《高规》)规定:“抗震设计时，B级高度的高层建筑结构、混合结构和包括连体结构在内的复杂高层建筑，宜考虑平扭耦合联计算结构的扭转效应，振型数不应小于15.对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的9倍，计算振型数应使各振型参与质量之和不小于总质量的90%”。因本工程建筑高度为138.3m，属于B级结构，故选取15个振型数作为结构的振型分析数。SAP2000对结构模态分析的分析结果见表4。

从上表中可知,该结构模态分析的15阶振型数能满足规范中结构累计振型质量参与系数不小于90%的要求。通过UX、UY和RZ的系数判断该阶振型是以平动或者扭转为主，当UX与UY之和大于RZ时，说明该阶振型以平动为主，反之则说明该阶振型以扭转为主。在确定振型为平动振型后，比较UX与UY系数即可判断该振型是以X或者Y方向平动为主。

为了控制扭转效应给结构所带来的破坏影响，《高规》规定:“结构扭转为主的第一周期Tt与平动为主的T1之比，A级高度建筑不应大于0.9:B级高度的建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0.85”。本文高层结构第一阵型为Y向平动振型，第二振型为X向平动振型，第三振型为绕Z方向扭转振型。结构的一阶扭转周期与一阶平动周期之比约为0.76，满足规范要求。

UX、UY和RZ在前三阶振型质量参与系数差别较大，故不会产生平扭耦联效应。从第四阶振型开始，三个方向质量参与系数十分接近，因为由于结构本身复杂特性可能导致平扭耦联效应,且高阶振型在结构效应求解中通常处于较为次要的地位，所以不予考虑。图2为本结构前三阶振型图。

此外，本项目选取了7条符合规范要求的地震波输入到目标结构，在SAP2000中设置各地震波的步长、作用时间后，选取每一层相同位置处的结点，通过计算层与层之间结点位移的差值得出层间位移。本文研究目标建筑首层高6m，其余标准层高为3m，经过反应谱分析和七条地震波在多遇地震情况下的计算，X与Y两个方向的层间位移及层间位移角的值如图 3所示。

由上图可知,X向地震波与Y向地震波所造成的结构最大层间位移相差较大这是由于结构两个方向的刚度不一样所导致的。且在7种地震波作用下，结构发生最大层间位移的位置不一致，这说明不同的地震波对结构造成影响不同，因此分析时按规范所叙，取了多条地震波进行计算分析。

为了进一步分析结构遭遇地震后的损伤状态，本项目输入罕遇地震时E1Centro地震波为例，计算了结构各层的有害层间位移(如图4所示)，并根据有害层间位移产生的最大时刻对应的应力云图分析结构的易损位置(如图5所示)。

然后，本项目在有限元模型的基础上建立了数字CG模型。结构构件模型在Blender中的生成要通过SAP-python的接口与Blender-python的接口实现。有限元模型是通过网格组成，因此要获取有限元模型的构件信息，首先要通过SAP-python的接口提取有限元模型的网格信息。有限元网格信息提取的代码由两部分组成，第一部分是路径的读取，第二部分是网格信息的定义和提取。路径的读取包括三个路径，分别是SAP程序exe文件安装路径，本文研究高层结构有限元模型所在路径以及生成网格信息npz文件所在路径。有限元网格信息包含节点坐标信息、面单元节点信息与框架节点信息。在进行节点坐标信息提取之前，为防止节点编号不连贯，需要在SAP2000软件中筛选节点重新编号。将导出的节点坐标信息、区域节点信息与框架节点信息存为npz文件以通过Blender-python接口建模。结构构件模型建模流程如下:(1)导入scipy与numpy库以及Blender-python接口所用的bpy模块和bmesh模块;(2)创建所使用Blender函数的路径并清除当前窗口所有物体;(3)读取节点信息文件;(4)选中各构件网格对其做拉伸处理、旋转处理。生成的结构构件模型如图6所示。

由于有限元模型中未包含非结构构件,本研究从结构设计图纸中获取非结构构件尺寸信息并在Blender界面中手动创建各种尺寸不同的几何体，通过点对点的连接组成各种非结构构件，如图7所示从左到右依次是窗户，百窗和阳台，将非结构构件连接到结构构件中组成实体模型(如图8所示)。

建立与现实建筑高度相似的逼真CG模型，还需要对模型进行纹理处理。本项目生成了漫反射贴图、置换贴图、法向贴图、粗糙度贴图分别以Dif、Dip、Nor与Rou表示，效果图(如图9所示)。最后，将不同材质赋予到实体模型对应的构件上，得到与现实高层建筑相似的CG模型并在已有的高层建筑模型中加入其他周围建筑、路面、山坡等环境形成数字模型环境(如图10所示)。

高层结构的数字孪生模型不仅可以结合有限元分析结果在CG模型上将损伤可视化(如图11所示)，还可以输出逼真的图像供深度学习模型训练(如图12所示)。

2)优化无人机检测路径

三维重建的高层模型质量与图像获取密切相关,图像的获取则通过对无人机在设定的飞行路径上连续捕捉完成,因此无人机飞行路径的设计是高层三维有限元数字模型重建的重点所在。对于高层结构的三维重建，需要采用三维环绕高层结构的飞行方案。高层结构数字有限元模型的优点在于最大程度还原真实建筑物的各种场景，根据施加现实中所存在的限制条件、高层结构的结构方案布置与地震分析结果，在数字模型环境中制定无人机飞行方案。飞行方案的制定需要考虑到卫星、风速及震后可能损伤区域等因素。

本项目考虑卫星信号、风速对无人机的影响以及建筑遭遇地震后的易受损区域，提出了一种优化的飞行路径(如图13(b)所示)。然后在数字环境中使用传统飞行路径(如图13(a)所示)与优化飞行路径进行数据采集

在数字模型环境中使用无人机在传统飞行路径与优化飞行路径对剪力墙上的竖向裂缝、横向裂缝和交叉裂缝进行图像采集，分别如图14(a)、(b)、(c)所示。

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