Graph-driven digital twins as assistants to bridge maintenance

Abstract

(English) Bridges are vital components of transport infrastructure networks which are facing a widespread lack of resilience due to aging and changing environmental conditions. Finding more efficient methods for monitoring bridge networks and effectively planning their maintenance is crucial for maintaining reasonable serviceability levels. Simultaneously, digital twins are emerging across industries as dynamic digital replicas of physical assets. These are continuously updated with information from their physical counterparts and serve as the foundation for digital tools that enhance workflows in decision-making processes throughout the lifecycle of any product.

This dissertation translates the concept of digital twins to the bridge maintenance domain and presents a framework for developing graph-driven digital twin systems to assist bridge managers in tracking the state of their asset portfolio.

For this purpose, two different proof-of-concept systems are presented: System A and System B. Both systems are cloud-based, modular, and use graphs to integrate multiple data sources describing the bridges, their context, and relevant maintenance information. The systems are tested with real data corresponding to two demonstration cases of road and railway bridges in the Spanish infrastructure network. Through these demonstrators, the digital twin systems are developed to integrate BIM, GIS, sensor time-series data, and data related to the results of monitoring processes that is structured according to regional standards.

System A focuses on hosting digital twins of individual bridges. It uses a labelled property graph (LPG) to interconnect IFC data with IoT sensor data and the results from visual inspections and load tests. Data integration is achieved by matching GUIDs of data contained the graph with data stored in the different databases and systems connected. The implementation of the system is demonstrated through a web-based digital twin platform, containing applications that allow visualizing and interacting with contextualized inspection and load test data.

System B focuses on interconnecting multiple bridge digital twins within the same network. It employs a knowledge graph built from Resource Description Framework (RDF)-based graphs and a set of ontologies. The system integrates geographical data according to INSPIRE data models, IFC models, and data from visual inspections. The system presents a data management approach based on strata, which manage and compartmentalize information subsets, and implements the information containers for linked document delivery (ICDD) standard for exchanging graph data with linked documents. The system is demonstrated through a set of fictitious scenarios that simulate interactions between bridge administrators and third parties.

Through these systems, this dissertation demonstrates the usefulness of graph technologies in developing digital twins of bridges that are aligned with current industry standards and practices. It emphasizes the advantages of the Knowledge Graph-based approach for simplifying interactions with connected applications, enabling decoupled application development, and enhancing the system scalability and expandability with new datasets. Notwithstanding, real implementation of these systems requires further validation and use cases, as well as collaboration among system developers, administrators, academia, and industry stakeholders to generate a coherent digital ecosystem that enhances the efficiency and productivity of bridge maintenance practices.

(Català) Els ponts són components vitals de les infraestructures de transport que s'enfronten a una falta generalitzada de resiliència deguda al seu envelliment i a les canviants condicions ambientals. Trobar mètodes més eficients per monitoritzar les xarxes de ponts i planificar efectivament el seu manteniment és crucial per mantenir nivells de servei raonables. Simultàniament, els bessons digitals estan emergint en diverses indústries com a rèpliques digitals dinàmiques d'actius físics, que s'actualitzen contínuament amb informació de les seves contraparts físiques i serveixen com a base per al desenvolupament d'eines digitals que millorin els fluxos de treball en els processos de presa de decisions al llarg del cicle de vida de qualsevol producte. Aquesta tesi trasllada el concepte de bessons digitals a l'àmbit del manteniment de ponts i presenta un marc per al desenvolupament de sistemes de bessons digitals impulsats per grafs amb l'objectiu d'assistir els gestors de ponts en el seguiment de l'estat de la seva cartera d'actius. Amb aquest propòsit, es presenten dos sistemes diferents com a proves de concepte: el Sistema A i el Sistema B. Tots dos sistemes estan basats en el núvol, són modulars, i utilitzen grafs per integrar múltiples fonts de dades que descriuen els ponts, el seu context i processos de monitorització rellevants per al seu manteniment. Els sistemes es proven amb dades reals corresponents a dos casos d'estudi que representen ponts de carretera i ferrocarril a la xarxa d'infraestructures espanyola. A través d'aquests demostradors, els sistemes de bessons digitals es desenvolupen per integrar semànticament BIM, GIS, sèries temporals de sensors i dades relacionades amb els resultats de processos de manteniment estructurats segons regulacions regionals. El Sistema A se centra en allotjar bessons digitals de ponts individuals. Utilitza grafs LPG per interconnectar dades IFC amb dades de sensors IoT i els resultats d'inspeccions visuals i proves de càrrega. La integració de dades s'aconsegueix fent coincidir els GUIDs de les dades contingudes en el grafs amb les dades emmagatzemades a les diferents bases de dades i sistemes connectats. La implementació del sistema es demostra a través d'una plataforma web, que conté aplicacions que permeten visualitzar i interactuar amb dades contextualitzades d'inspeccions i proves de càrrega. El Sistema B se centra en interconnectar múltiples bessons digitals de ponts que es troben dins d'una mateixa xarxa. Empra un graf de coneixement construït a partir de grafs basats en RDF i un conjunt d'ontologies. El sistema integra dades geogràfiques segons els models de dades INSPIRE, models IFC i dades d'inspeccions visuals. El sistema presenta un enfocament de gestió de dades basat en estrats, que gestionen i compartimenten subconjunts d'informació, i implementa l'estàndard ICDD per intercanviar dades dels grafs amb vincles a documents. La implementació del sistema es demostra a través d'un conjunt d'escenaris ficticis que simulen interaccions entre administradors de ponts i tercers. A través d'aquests sistemes, aquesta tesi demostra la utilitat de les tecnologies de grafs en el desenvolupament de bessons digitals de ponts alineats amb els estàndards i pràctiques actuals de la indústria. Enfatitza els avantatges de l'enfocament basat en grafs de coneixement per simplificar les interaccions amb aplicacions connectades, permetre el desenvolupament d'aplicacions desacoblades i millorar l'escalabilitat i expansibilitat del sistema amb nous conjunts de dades. No obstant això, la implementació real d'aquests sistemes requereix més validació i casos d'ús, així com la col·laboració entre desenvolupadors de sistemes, administradors, acadèmia i parts interessades de la indústria per generar un ecosistema digital coherent que millori l'eficiència i la productivitat de les pràctiques en el manteniment de ponts.

(Español) Los puentes son componentes vitales de las infraestructuras de transporte que se enfrentan a una falta generalizada de resiliencia debido su envejecimiento y a las cambiantes condiciones ambientales. Encontrar métodos más eficientes para monitorizar las redes de puentes y planificar efectivamente su mantenimiento es crucial para mantener niveles de servicio razonables. Simultáneamente, los gemelos digitales están emergiendo en diversas industrias como réplicas digitales dinámicas de activos físicos, que se actualizan continuamente con información de sus contrapartes físicas y sirven como base para el desarrollo de herramientas digitales que mejoren los flujos de trabajo en los procesos de toma de decisiones a lo largo del ciclo de vida de cualquier producto. Esta tesis traslada el concepto de gemelos digitales al ámbito del mantenimiento de puentes y presenta un marco para el desarrollo de sistemas de gemelos digitales impulsados por grafos con el objetivo asistir a los gestores de puentes en el seguimiento del estado de su cartera de activos. Con este propósito, se presentan dos sistemas diferentes como pruebas de concepto: el Sistema A y el Sistema B. Ambos sistemas están basados en la nube, son modulares, y utilizan grafos para integrar múltiples fuentes de datos que describen los puentes, su contexto y procesos de monitorización relevantes para su mantenimiento. Los sistemas se prueban con datos reales correspondientes a dos casos de estudio que representan puentes de carretera y ferrocarril en la red de infraestructuras española. A través de estos demostradores, los sistemas de gemelos digitales se desarrollan para integrar semánticamente BIM, GIS, series temporales de sensores y datos relacionados con los resultados de procesos de mantenimiento estructurados según regulaciones regionales. El Sistema A se enfoca en alojar gemelos digitales de puentes individuales. Utiliza grafos LPG para interconectar datos IFC con datos de sensores IoT y los resultados de inspecciones visuales y pruebas de carga. La integración de datos se logra al hacer coincidir los GUIDs los de datos contenidos el grafo con los datos almacenados en las diferentes bases de datos y sistemas conectados. La implementación del sistema se demuestra a través de una plataforma web, que contiene aplicaciones que permiten visualizar e interactuar con datos contextualizados de inspecciones y pruebas de carga. El Sistema B se enfoca en interconectar múltiples gemelos digitales de puentes que se encuentran dentro de una misma red. Emplea un grafo de conocimiento construido a partir de grafos basados en RDF y un conjunto de ontologías. El sistema integra datos geográficos según los modelos de datos INSPIRE, modelos IFC y datos de inspecciones visuales. El sistema presenta un enfoque de gestión de datos basado en estratos, que gestionan y compartimentan subconjuntos de información, e implementa el estándar ICDD para intercambiar datos de los grafos con vínculos a documentos. La implementación del sistema se demuestra a través de un conjunto de escenarios ficticios que simulan interacciones entre administradores de puentes y terceros. A través de estos sistemas, esta tesis demuestra la utilidad de las tecnologías de grafos en el desarrollo de gemelos digitales de puentes alineados con los estándares y prácticas actuales de la industria. Enfatiza las ventajas del enfoque basado en grafos de conocimiento para simplificar las interacciones con aplicaciones conectadas, permitir el desarrollo de aplicaciones desacopladas y mejorar la escalabilidad y expansibilidad del sistema con nuevos conjuntos de datos. No obstante, la implementación real de estos sistemas requiere más validación y casos de uso, así como la colaboración entre desarrolladores de sistemas, administradores, academia y partes interesadas de la industria para generar un ecosistema digital coherente que mejore la eficiencia y la productividad de las prácticas en el mantenimiento de puentes.