CN106227162A - 一种基于bim的桥梁安全监测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于BIM的桥梁安全监测系统和方法，包括：信息采集系统和BIM桥梁信息管理系统。信息采集系统中采用传感器和长距离RFID实现构件的状态信息和位置信息的采集，信息通过网络上传至云服务器。云服务器接入BIM桥梁信息管理系统中，实现信息的及时更新。BIM桥梁信息管理系统中各构件预设预警值，当测试值超过预警值时，系统进行提示。本发明将BIM技术与监测技术合理统一起来，能够实现桥梁后期高效的安全监测，用于桥梁可视化与数字化的安全监测。

Description

一种基于BIM的桥梁安全监测系统和方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域的桥梁信息管理系统，具体地，涉及一种基于BIM的桥梁安全监测系统和方法。

背景技术

BIM(建筑信息模型)技术的核心是通过在计算机中建立虚拟的建筑工程三维模型，同时利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。该信息库不仅包含描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，还包含了非构件对象(例如空间、运动行为)的状态信息。借助这个富含建筑工程信息的三维模型，建筑工程的信息集成化程度大大提高，从而为建筑工程项目的相关利益方提供了一个工程信息交换和共享的平台。结合更多的相关数字化技术，BIM模型中包含的工程信息还可以被用于模拟建筑物在真实世界中的状态和变化，使得建筑物在建成之前，相关利益方就能对整个工程项目的成败做出完整的分析和评估。但是在建筑物建成之后，BIM技术对于业主来说，没有充分地发挥它的作用。

射频识别技术(Radio Frequency IDentification，RFID)，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。一套完整的RFID系统，是由阅读器与电子标签也就是所谓的应答器及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是阅读器发射一特定频率的无线电波能量，用以驱动电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，应答器大多是由耦合原件和微芯片组成无源单元。

桥梁在建造和使用过程中，由于受到环境、有害物质的侵蚀，车辆、风、地震、疲劳、人为因素等作用，以及材料自身性能的不断退化，导致结构各部分在远没有达到设计年限前就产生不同程度的损伤和劣化。这些损伤如果不能及时得到检测和维修轻则影响行车安全和缩短桥梁使用寿命，重则导致桥梁突然破坏和倒塌。传统的桥梁检测在很大程度上依赖于管理者和技术人员的经验，缺乏科学系统的方法，往往对桥梁特别是大型桥梁的状况缺乏全面的把握和了解，信息得不到及时反馈。如果对桥梁的病害估计不足，就很可能失去养护的最佳时机，加快桥梁损坏的进程，缩短桥梁的服务寿命。如果对桥梁的病害估计过高，便会造成不必要的资金浪费，使得桥梁的承载能力不能充分发挥。

传统的监测系统数据与图纸等信息没有很好的统一，造成管理效率低下。此外，工程项目体量越来越复杂，监测点越来越多，这些都预示着监测难度的提升，原有的监测系统不能够满足现有工程项目。

BIM技术在中国发展迅速，但是主要应用在设计和施工阶段，对于已建成的建筑，建筑工程信息没有得到合理的利用。

经检索，公开号为CN105652830A、申请号为201510995349.8的中国发明申请，该发明公开一种基于BIM的桥梁监测系统。该专利中虽然将BIM模型应用到桥梁监测，但是其采用智能人工巡检模块，无法实现桥梁的实时和连续监测，同时，对于采集的数据没有进行处理，会导致经过数模转换后的数字信号已经不能反映实际结构所产生的信号特征的问题，从而无法能够实现桥梁高效、准确的安全监测。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于BIM的桥梁安全监测系统和方法，利用传感器使实现桥梁的实时和连续监测，对于传感器测试的数据通过模态分析算法进行处理，保证能反映实际结构所产生的信号特征，能够实现桥梁后期高效准确安全监测，用于桥梁可视化与数字化的安全监测。

根据本发明的一个方面，提供一种基于BIM的桥梁安全监测方法，所述方法包括：

信息采集步骤：采用传感器和长距离RFID实现构件的状态信息和位置信息的采集，信息通过网络上传至云服务器；云服务器接入BIM桥梁信息管理系统中，实现信息的及时更新；

BIM桥梁信息管理步骤：采用BIM桥梁信息管理系统，所述BIM桥梁信息管理系统包括BIM模型，BIM模型中显示各构件测点的位置以及各传感器测试参数的当前状态，并在各测点预设预警值，当测试值超过预警值时，进行提示。

本发明中，所述的BIM桥梁信息管理系统能够同步显示各监测点的位置及状态信息，当超过预警值时，可以采用各种提示方式，比如监测点闪动并显示红色，或者其他声音提示等。

本发明中，所述的BIM桥梁信息管理系统能够通过嵌入模态分析算法进行测点状态信息数据的处理，滤除信号中的噪声成分。

本发明中，所述传感器收集桥梁各构件的应力、应变、裂缝状态信息，所述长距离RFID用于构件和测点的定位，这两部分信息均显示在桥梁的BIM模型中。

本发明中，所述长距离RFID电子标签使用有源抗金属电子标签。

本发明中，所述的BIM模型是一种嵌入有传感器和RFID信息的BIM模型，BIM模型使用现有软件构建，并布置和建构桥梁各构件的测点，通过内部网络在BIM服务器上实现协同设计，最终完成整个桥梁的BIM模型，桥梁的BIM模型中包含构件的丰富的信息，其中包括：将构件BIM信息、测点信息、构件识别码写入有源RFID抗金属电子标签，有源RFID抗金属标签在储存构件的识别码之外仍有充足的存储空间，将包含构件名称、几何尺寸、材质、颜色、在桥梁中的三维定位信息的BIM信息码写入RFID抗金属标签中。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于BIM的桥梁安全监测系统，包括：信息采集系统、云服务器和BIM桥梁信息管理系统，其中：

信息采集系统，采用传感器和长距离RFID电子标签实现构件的状态信息和位置信息的采集，信息通过网络上传至云服务器；

云服务器，接入BIM桥梁信息管理系统中，实现信息的及时更新；

BIM桥梁信息管理系统包括BIM模型，BIM模型显示测点的当前状态信息和位置信息，各构件预设预警值，当测试值超过预警值时，系统进行警告。

本发明通过上述技术，能很好的实现桥梁安全监测的可视化和数字化。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.本发明中采用BIM桥梁信息管理系统，能够通过嵌入模态分析算法进行测点状态信息数据的处理，滤除信号中的噪声成分采集来的数据进行“净化”，滤除信号中的噪声成分，解决了在某些严重情况下，噪声可以淹没有效信号，即经过数模转换后的数字信号已经不能反映实际结构所产生的信号特征的问题。

2.本发明信息链完整，数据信息处理高效。信息传递的路径清晰，数据信息主要由BIM桥梁信息管理系统处理，通过对预警值的设置，实现桥梁安全的管控；

3.本发明采用大量有源长距离RFID抗金属标签的可远程读写、抗金属干扰能力强的特性，方便了信息采集，能够实现构件测点的定位。

综上，本发明能够实现桥梁后期高效准确安全监测，用于桥梁可视化与数字化的安全监测。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一实施例系统结构框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于BIM的桥梁安全监测方法，包括：

信息采集步骤：采用传感器和长距离RFID实现构件的状态信息和位置信息的采集，信息通过网络上传至云服务器；云服务器接入BIM桥梁信息管理系统中，实现信息的及时更新；

BIM桥梁信息管理步骤：采用BIM桥梁信息管理系统，所述BIM桥梁信息管理系统包括BIM模型，BIM模型中显示各构件测点的位置以及各传感器测试参数的当前状态，并在各测点预设预警值，当测试值超过预警值时，进行提示。

对应于上述方法步骤，一种基于BIM的桥梁安全监测系统，包括：

信息采集系统，采用传感器实现构件的状态信息采集，采用长距离RFID实现构件的位置信息的采集，这些信息通过网络上传至云服务器；

云服务器，接入BIM桥梁信息管理系统中，实现信息的及时更新；

BIM桥梁信息管理系统，显示各构件测点的当前状态信息和位置信息，对各构件预设预警值，当测试值超过预警值时，系统进行警告。

所述传感器主要收集桥梁各构件的应力、应变、裂缝等状态信息。由于GPS或AGPS定位都是依靠卫星及手机基站，有部分没有GPS功能的低档手机也可以借助手机通讯基站的LBS地理位置信息服务来进行定位。但是如果是在地下室，或是大型室内购物广场，天空被遮挡住后，这些定位技术就英雄无用武之地。故本发明中采用长距离RFID电子标签来实现测点的主动精确定位，可以避免上述遮挡导致失效的问题。长距离RFID电子标签阅读器天线辐射场为无源标签射频能量，将有源标签唤醒。形影的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为4-6m，最大可达10m以上。本发明使用长距离RFID电子标签是为了桥梁各构件的初期定位，这是由于桥梁建成后，位置一般不会改变。进一步的，长距离RFID电子标签使用有源抗金属电子标签。长距离RFID主要用于构件和测点的定位，相应的显示在桥梁的BIM模型中。

通过上述系统实现桥梁安全监测的可视化和数字化。BIM桥梁信息管理系统能够通过嵌入模态分析算法进行测点状态信息数据的处理，滤除信号中的噪声成分，从而是的所采集的数据能反映实际结构所产生的信号特征。

本发明使用嵌入有传感器和RFID信息的BIM模型，BIM模型使用现有软件构建，并布置和建构桥梁各构件的测点，通过内部网络在BIM服务器上实现协同设计，最终完成整个桥梁的BIM模型，桥梁的BIM模型中包含构件的丰富的信息，其中包括：将构件BIM信息、测点信息、构件识别码(UID)等写入大容量有源RFID抗金属标签。大容量有源RFID抗金属标签在储存构件的识别码(UID)之外仍有充足的存储空间，可使用现有技术将包含构件名称、几何尺寸、材质、颜色、在桥梁中的三维定位信息的BIM信息码写入RFID抗金属标签中。RFID抗金属标签设置在主要的受力构件以及需重点监测的构件上，测点位置可以预先由结构工程师或专业的监测人员预先设置。标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者由标签主动发送某一频率的信号，解读器读取信息并解码后，送至BIM桥梁信息管理系统进行有关数据处理。

具体实施例一：

将本发明系统应用于一座桥梁的安全监测工作。首先设计单位使用现有的专业软件对桥梁进行建模。模型中的信息需包括：构件名称、几何尺寸、材质、颜色、在桥梁中的三维定位信息、长距离RFID位置、传感器的安装位置、传感器类型、传感器监测状态信息的预警值等。

施工过程中将各传感器埋置在正确的位置，如应力传感器布置在构件应力最大处，挠度传感器布置在构件挠度最大处。这些传感器的布置位置由结构设计师或专业的监测人员给出。。如果使用装配式结构，在施工过程中还可以对装配构件进行施工时定位和构件吊装状态的监测。

桥梁使用阶段，各测点的传感器、RFID电子标签能够传递即时的数据信息，数据信息上传至云服务器，以便实现桥梁安全监测系统的各显示终端的共享。数据信息由后台嵌入至BIM桥梁信息管理系统进行分析和处理，数据处于正常范围，结构各测点显示为蓝色。当某数据超过预警值时，该测点及相应的构件显示为红色，软件发出警告，并提供出构件的位置信息和状态信息。当故障解除后，复原或重建部分构件的信息。

本发明将BIM技术与监测技术合理统一起来，能够实现桥梁后期高效的安全监测，用于桥梁可视化与数字化的安全监测。传感器使用能够使实现桥梁的实时和连续监测，本发明对于传感器测试的信息数据通过BIM软件中嵌入模态分析的算法，对采集来的数据进行“净化”，滤除信号中的噪声成分，解决了在某些严重情况下，噪声可以淹没有效信号，即经过数模转换后的数字信号已经不能反映实际结构所产生的信号特征的问题。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于BIM的桥梁安全监测方法，其特征在于：包括：

信息采集步骤：采用传感器和长距离RFID实现构件的状态信息和位置信息的采集，信息通过网络上传至云服务器；云服务器接入BIM桥梁信息管理系统中，实现信息的及时更新；

BIM桥梁信息管理步骤：采用BIM桥梁信息管理系统，所述BIM桥梁信息管理系统包括BIM模型，BIM模型中显示各构件测点的位置以及各传感器测试参数的当前状态，并在各测点预设预警值，当测试值超过预警值时，进行提示。

2.根据权利要求1所述的基于BIM的桥梁安全监测方法，其特征在于，所述的BIM桥梁信息管理系统通过嵌入模态分析算法进行测点状态信息数据的处理，滤除信号中的噪声成分。

3.根据权利要求1所述的基于BIM的桥梁安全监测方法，其特征在于，所述传感器收集桥梁各构件的应力、应变、裂缝状态信息，所述长距离RFID电子标签用于构件和测点的定位，这两部分信息均显示在桥梁的BIM模型中。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于BIM的桥梁安全监测方法，其特征在于，所述长距离RFID电子标签使用有源抗金属电子标签。

5.根据权利要求4所述的基于BIM的桥梁安全监测方法，其特征在于，所述的BIM模型是一种嵌入有传感器和RFID信息的BIM模型，BIM模型使用现有软件构建，并布置和建构桥梁各构件的测点，通过内部网络在BIM服务器上实现协同设计，最终完成整个桥梁的BIM模型，桥梁的BIM模型中包含构件的丰富的信息，其中包括：将构件BIM信息、测点信息、构件识别码写入有源RFID抗金属电子标签，有源RFID抗金属标签在储存构件的识别码之外仍有充足的存储空间，将包含构件名称、几何尺寸、材质、颜色、在桥梁中的三维定位信息的BIM信息码写入RFID抗金属标签中。

6.一种用于实现权利要求1-5任一项所述方法的基于BIM的桥梁安全监测系统，其特征在于，包括：信息采集系统、云服务器和BIM桥梁信息管理系统，其中：

信息采集系统，采用传感器和长距离RFID电子标签实现构件的状态信息和位置信息的采集，信息通过网络上传至云服务器；

云服务器，接入BIM桥梁信息管理系统中，实现信息的及时更新；

BIM桥梁信息管理系统包括BIM模型，BIM模型显示测点的当前状态信息和位置信息，各构件预设预警值，当测试值超过预警值时，系统进行警告。