CN107832564B - 一种基于pzt振测信号的泄流结构bim损伤识别信息系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统，实现了BIM技术在损伤识别领域的创新应用，该系统包括PZT传感器模块，用于采集坝体在不同工况下的振动信号；振测信号处理模块，用于处理所述PZT传感器采集到的振动信号，并将处理后的特征信息分编存储；BIM信息模型模块，用于存储工程各部件的BIM信息模型，该模块可将传感器的属性等信息附着于模型上进行管理；虚拟现实融合模块，是将所述振测信号处理模块和BIM信息模型模块进行信息融合，用以将振测信号处理模块存储的结构损伤特征附着于BIM信息模型模块来进行管理并实现结构损伤识别与定位的可视化，具有互动性、可视化、灵活性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统，属于涉水工程损伤监测领域。
背景技术
在大体积水工混凝土结构损伤监测领域，由于水工建筑物种类多、规模大、结构复杂，所以对水工结构进行损伤监测时的传感器数目多，从而产生海量损伤监测数据，若对这些数据的存储、提取、分析运算、数据特征提取等处理工作都由手工完成，无论是工作效率还是准确性都无法满足实际工程需求。此外，工程在竣工后，施工方移交给运维管理方的设计、施工阶段的图纸文件等资料存在纸质文件破损、电子文件格式不兼容等现象，使得结构损伤监测数据分析人员对建筑的构造、使用等情况缺乏了解，大大降低了分析人员对结构损伤识别与定位的效率。为便于数据分析人员分析损伤监测数据，同时给除险加固施工人员提供三维可视化损伤识别定位结果，方便除险加固人员施工，开发此类混凝土结构损伤识别可视化系统具有十分重要的实用价值。
BIM技术是将工程内外部结构以三维可视化的形式表达，并将与结构相关的设计、施工、运维信息都附着在模型上进行管理，可实现对工程数据、工程对象的全生命周期完整描述。在BIM建筑信息模型中，整个过程都是可视化的，可视化结果不仅可以用来三维效果的展示及报表的生成，更重要的是，项目设计运维过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行。从而降低汇报人员向业主汇报工程进度的强度，提高生产效率，为工程管理提供科学的信息化监控手段。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明将BIM技术引入结构损伤监测领域，提供了一套不受时间、空间限制的计算机辅助科研、生产系统平台的基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统，未来必将得到广泛应用。本发明的目的在于将损伤识别定位信息“无纸化”附着于BIM模型进行管理，从而实现BIM技术在结构损伤识别领域中的应用，是一种基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统，该系统包括PZT传感器模块、振测信号处理模块、BIM信息模型模块、虚拟现实融合模块，PZT传感器模块与振测信号处理模块连接，振测信号处理模块、BIM信息模型模块分别与虚拟现实融合模块连接，其中：
所述PZT传感器模块包括PZT传感器，PZT传感器的导线接入dsPACE系统中，建立实物振测信号采集平台；
所述振测信号处理模块包括信号去噪模块、结构振动幅值均方根特征的提取模块、结构振动优势频率的提取模块和PZT传感器振测信号的两两互相关系数的提取模块；其中，信号去噪模块，用于对PZT传感器模块采集的振测信号进行去噪处理；结构振动幅值均方根特征的提取模块，用于提取去噪处理后的振测信号的结构振动幅值均方根特征，作为结构损伤程度的判定依据；结构振动优势频率的提取模块，用于提取去噪处理后的振测信号的结构振动优势频率，作为结构损伤程度的判定依据；PZT传感器振测信号的两两互相关系数的提取模块，用于提取去噪处理后的振测信号的两两互相关系数，作为结构损伤定位的判定依据；
所述BIM信息模型模块，用于在结构设计时建立理论的BIM信息模型以及形成结构运维阶段的BIM信息模型；
所述虚拟现实融合模块包括虚拟现实开发平台、结构损伤特征信息数据库、损伤识别定位模块、损伤报警模块、损伤报表输出模块；其中，结构损伤特征信息数据库，用于存储振测信号处理模块处理得到的去噪后的振测信号及其结构振动幅值均方根特征、结构振动优势频率、两两互相关系数；存储虚拟现实开发平台，用于通过虚拟现实技术将去噪后的振测信号附着于带有属性信息及ID号的BIM信息模型中，并将去噪后的振测信号的结构振动幅值均方根特征、结构振动优势频率、两两互相关系数附着于BIM信息模型中进行可视化管理，从而实现BIM技术在损伤识别领域中的应用；损伤识别定位模块，用于当振测信号的幅值均方根特征值和结构振动优势频率处于预先定义的阈值范围时，通过损伤报警模块发出警报，并识别此种工况下振测信号的两两互相关系数的变化规律得出损伤区的坐标域；损伤报表输出模块，用于将损伤识别定位模块的结果以损伤程度报表形式输出。
作为本发明的进一步技术方案，所述PZT传感器为型号为P5-3B的PZT制作的PZT传感器。
作为本发明的进一步技术方案，所述虚拟现实融合模块还包括系统界面GUI及按钮对应事件的触发模块，包括损伤识别定位模块的触发模块、以人机交互为目的的手动漫游触发模块、预设路线下的自动漫游触发模块、飞行漫游模式触发模块、损伤识别按钮触发模块、损伤报表生成按钮触发模块、附属功能按钮触发模块。
作为本发明的进一步技术方案，所述损伤识别定位模块根据预先定义的损伤程度级别将损伤区域模型颜色标识为相应损伤程度的模型颜色。
作为本发明的进一步技术方案，以属性框的形式在系统中弹出损伤程度报表。
作为本发明的进一步技术方案，PZT传感器极化方向为顺水流方向。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明可将埋设于大体积混凝土坝中的大量PZT传感器采集到的振动信号附着于参数化BIM传感器模型上进行智能化管理，大大提高了数据分析与挖掘人员处理数据的效率；
2.本发明可将振动信号特征值表征的结构损伤程度和位置信息附着于坝体BIM信息模型进行三维可视化管理，当坝体出现阀值范围内损伤时，系统发出报警并将损伤位置信息和损伤程度可视化展现给用户，极大的方便了运维管理人员对大坝的损伤监控以及除险加固施工技术人员对大坝损伤的修复，此外还可将BIM系统以二维码的形式存储，方便相关专家、管理人员、技术人员等通过移动设备实时查看该信息系统，从而提高对工程管理的效率；
3.本发明可实现人机交互浏览，使用户能够感受到在模型中自由行走的沉浸感，360°自由视角查看坝体结构、传感器分布、隐蔽工程、复杂地形地质构造等，同时在浏览中通过鼠标移动至相关PZT模型，可得到该PZT相关的属性，参数等信息，方便管理人员和业主深入了解工程。
附图说明
图1为基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统结构图；
图2为自制按钮逻辑流程图；
图3为损伤定位逻辑流程图(一)；
图4为损伤定位逻辑流程图(二)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明一种基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统，包括：PZT传感器模块、振测信号处理模块、BIM信息模型模块、虚拟现实融合模块。
其中，所述PZT传感器模块，选择机电耦合系数和介电常数都相对较高的型号为P5-3B的PZT制作PZT传感器，并将PZT传感器埋入泄流结构坝顶及泄水口等振动响应较大的部位，其中，PZT传感器极化方向为顺水流方向，最后将PZT传感器导线接入dsPACE系统中，从而建立实物振测信号采集平台。
其中，所述振测信号处理模块，其内部包括信号去噪程序、结构振动幅值均方根特征的提取程序、结构振动优势频率的提取程序和PZT传感器振测信号的两两互相关系数的提取程序。其中，结构振动幅值均方根特征和结构振动优势频率可作为结构损伤程度的判定依据，PZT传感器振测信号的两两互相关系数可作为结构损伤定位的判定依据，上述去噪后的振动信号以及损伤特征信息最终存储于数据库中，方便虚拟现实平台实时读取。
其中，所述BIM信息模型模块，用于存储坝体、地形等实体结构的三维模型信息、PZT传感器的参数化三维模型信息以及传感器的位置坐标和型号等属性信息，此时的BIM信息模型主要是结构设计时建立的理论模型，后期可加上结构施工及运营期通过无人机、三维激光扫描仪等手段获得的点云数据形成的修正信息来修正结构在运维阶段的空间信息，从而形成结构运维阶段的BIM信息模型；
其中，所述虚拟现实融合模块，包括结构损伤特征信息数据库、BIM模型及模型属性信息、损伤识别定位逻辑程序、系统界面GUI及按钮对应事件的触发逻辑程序。该融合模块可通过虚拟现实技术将经振测信号处理模块去噪后的振动信号智能化的附着于带有属性信息及ID号的传感器BIM模型中，并将振测信号处理模块识别存储的损伤特征信息精确地附着于结构BIM模型中进行可视化管理，从而实现BIM技术在损伤识别领域中的应用。
其中，所述损伤识别定位逻辑是当实测振动信号的幅值均方根特征值和结构振动优势频率处于阀值范围时，系统报警并识别此种工况下的PZT传感器振测信号的两两互相关系数变化规律得出损伤区的坐标域，同时，系统根据识别的损伤区坐标域，转换相机位置到损伤区，从而完成损伤位置的可视化展现。此外，系统可根据预先定义的损伤程度级别将损伤区域模型颜色标识为相应损伤程度的模型颜色，如：高度损伤对应的振动信号幅值均方根为[阀值1，阀值2]，振动信号优势频率为[阀值11，阀值22]，标识记为红色；中度损伤对应的振动信号幅值均方根为[阀值3，阀值4]，振动信号优势频率为[阀值33，阀值44]，标识记为橙色；轻度损伤对应的振动信号幅值均方根为[阀值5，阀值6]，振动信号优势频率为[阀值55，阀值66]，标识记为黄色，同时以属性框的形式在系统中弹出损伤程度报表。
其中，所述系统界面GUI及按钮对应事件的触发逻辑程序，除包括上述损伤识别定位逻辑的触发逻辑之外，还包括以人机交互为目的的手动漫游逻辑，使用户能够手动在系统中漫游，便于用户查看工程各部分组成，身临其境；按照系统开发者意愿设定的在预设路线下的自动漫游逻辑，用于制作后期向业主汇报的工程动画；飞行漫游模式，使用户能够在飞行模式下，全局俯瞰整个工程，便于了解整个工程的规划与布置；控制系统中各个模型的显隐性以及显示方式的模型显示方式逻辑，能够帮助用户观察结构中的隐蔽部位以及复杂的地质条件；存储设计、施工等阶段往来文件以及复杂隐蔽工程施工工艺的附属功能模块逻辑。
下面通过具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述：
如图1所示，本发明是一种基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统，该系统包括PZT传感器模块、振测信号处理模块、BIM信息模型模块、虚拟现实融合模块。
本发明基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统的工作流程，包括如下步骤：
步骤1：首先将PZT传感器埋入泄流结构坝顶及泄水口等振动响应较大的部位，并保证极化方向为顺水流方向，同时将PZT传感器导线接入dsPACE系统中，从而建立实物振测信号采集平台，将采集到的振测信号保存到Excle文件中。
步骤2：然后制作BIM信息模型模块，针对不同的结构类型，选择不同的三维建模软件建模，如坝体结构采用可生成IFC标准BIM格式文件的Revit软件来进行建模；泄水口等曲面结构采用曲线、曲面编辑功能强大的Rhino软件进行建模；地形结构采用具有三维地形建模优势的Civil3D结合Google earth中提取的实际工程地形等高线数据和地质勘察资料文件来进行建模；由于传感器模型相似，为了节省系统渲染时间和模型存储空间，采用参数化建模方法，建立传感器模型库，每个传感器对应一个ID号，以便于后期BIM系统对传感器信息的识别和判断以及传感器所测振动信号的存储。
步骤3：将上述三维建模软件建立的模型导出为fbx等3DSMAX可以读取的格式，在3DSMAX中将不同部位的模型整合，然后对模型进行贴图操作，并在合适的位置布设灯光信息，然后在3DSMAX中渲染烘焙模型，从而构成基本模型数据信息。
步骤4：将渲染烘焙好的BIM模型，导入Quest3D虚拟现实平台，同时将振测信号处理模块中的一系列程序文件，接入Quest3D平台中，使得振测信号处理模块在Quest3D中可调用ODBC数据库通道读取并按照预设算法处理实测振动信号，从而通过Quest3D所特有的通道逻辑实现将振动信号及其所包含的损伤特征等信息智能化地附着于BIM信息模型进行可视化管理，子步骤如下：
(1)将分块导出的3ds格式的文件，利用Xporter.dle插件，分别导入Quest3D虚拟现实平台，制作每块BIM模型的CGR文件，其中将传感器的CGR文件赋予不同ID号以便于后期识别。
(2)制作BIM信息系统界面GUI，由于Quest3D中制作的GUI按钮位置坐标是一个相对坐标，导致发布后的EXE文件在不同的屏幕分辨率下按钮位置发生错位，因此利用系统自带Button需要对每一个按钮附以绝对位置转换函数，比较繁琐，也不能精确满足客户对界面的需求，为了使界面更好的在不同分辨率下的显示器中都自适应，同时兼顾开发者对界面的灵活控制，本实例选用基本相机渲染法制作GUI，制作方法如下：
如图2所示，制作的按钮有两部分逻辑组成:
①按钮外观逻辑(Render)，将Quest3D在基本相机渲染模式下Object通道(命名为button)的Surface通道上附按钮贴图，然后通过调用Channel Switch通道来完成不同按钮贴图的切换，实现按钮在初始、鼠标触动、鼠标单击这三种状态下的样式改变，其中，Texture(origin)是按钮初始状态下的贴图通道，Texture(Det)是鼠标触动按钮时的贴图通道，Texture(down)是按钮鼠标按下时的贴图通道；
②按钮事件触发逻辑(button trigger)，将Quest3D中的数学运算通道Expression Value算法设置为A&B并和Set Value通道结合来完成按钮事件触发逻辑的集成,其中Set value通道下链接算法为A！的Expression Value通道，实现按钮触发事件的控制，逻辑返回值最终返回到Value通道，最后，将按钮的button快捷方式连入Detect MouseCollision通道，从而完成自适应按钮触发逻辑；
通过上述方法可制作手动漫游按钮逻辑、自动漫游按钮逻辑、飞行方式漫游按钮逻辑、损伤识别按钮逻辑、损伤报表生成按钮逻辑、附属功能按钮逻辑等。
(3)将振测信号处理模块中的信号去噪程序、损伤特征提取程序分别用OO的Interface function编译，制作成不同的channel caller通道，并分类存放于不同的Containers通道中，如，去噪程序的Container、损伤特征提取程序的Container、互相关系数分析并得出损伤位置坐标及视角信息程序的Container，同时对不同的Containers通道编译事件触发逻辑，形成损伤识别逻辑通道树，并将该通道树添加到上述第(2)步所制作的损伤识别按钮触发逻辑下，实现当坝体泄水时，用户点击损伤识别按钮，即可读入采集到的振动信号，并对振动信号进行去噪处理，将结果分编存储于相应ID传感器的ODBC数据库中，同时识别去噪后振动信号所包含的结构损伤特征信息，并对损伤特征信息添加If条件判断逻辑，当损伤特征值在阀值范围内时，自动将此时的振动信号特征值以及损伤位置坐标及视角信息上传到损伤识别ODBC数据库通道中，为下一步损伤定位可视化、损伤程度标识和损伤报表的生成提供条件。
(4)如图3所示，损伤定位可视化的原理是相机镜头切换，主要通过改变相机输出位置坐标和视角坐标实现。在Quest3D中，反馈场景当前输出位置的模块为WalkthroughCamera通道下的Out:Movement Position模块，反馈场景当前视觉角度的模块为Walkthrough Camera通道下Rotation Vector模块下的Loop value(Relative)模块。
如图4所示，将上述第(3)步得到的损伤区域坐标范围信息链接到Camera Logic通道下的Value Vector通道中，并将该通道坐标信息赋值给相机的Out:Movement Position模块，同理，将视角信息赋值给相机的Loop value(Relative)模块即可完成损伤定位逻辑树的搭建。
制定损伤程度判别阀值指标，其中，高度损伤(红色)阀值指标记为[阀值1，阀值2]、中度损伤(橙色)阀值指标记为[阀值3，阀值4]、轻度损伤(黄色)阀值指标记为[阀值5，阀值6]，当实测振动信号特征值位于上述三个阀值域时，系统将此时损伤区域范围内的模型surface通道下的materials属性的RGB值设置为此时损伤特征值所在阀值范围对应颜色的RGB属性值，从而完成损伤程度的标识。同时，将格式为*.wav和*.MP3的报警声音文件导入Sound File Channel通道的加载音乐文件的子通道中，跟损伤定位逻辑通道树并列加在一起，从而集成损伤报警逻辑。
为系统中加入损伤信息报表弹出功能，选用基本相机制作属性图片，将上述步骤(3)的Containers生成的损伤特征信息图通过Texture通道链接到基本相机的Objectsurface通道下，并将该图片的visible value链接到损伤报表生成按钮的触发逻辑事件。
(5)此外，为满足用户对该BIM损伤信息系统的更多需求，利用Quest3D中灵活、子通道多的Walkthrough Camera通道，并对其进行开发，以集成系统的手动漫游模块。由于默认的Walkthrough Camera的视角、相机灵敏度都非常高，造成场景不好控制，因此需要设置相机视角约束，从而抑制相机灵敏度。本实例选择的是持续单击鼠标右键并移动鼠标来完成视角的变化。
具体操作方法如下，改变漫游相机的Camera matrix下的旋转矩阵Rotationvector，使用鼠标右键事件来约束相机灵敏度。漫游模块制作好以后，用户就可以通过键盘上W键或↑键(向前)，A键或↓键(向后)，S键或←键(向左)，D键或→键(向右)与系统进行人机交互操作。需要注意的是，Walkthrough Camera是一个物理仿真性强的相机通道，因此它自身就带有重力模块，所以在制作漫游系统的时候，务必要对Walkthrough Camera通道加碰撞检测，将场景中模型通道的快捷方式与碰撞检测通道Collision Object链接即可。
(6)鉴于以上各个部分的子程序都是单独编程设计的，因此，每个子程序都可作为一个小的独立的BIM系统而开发，子系统开发完毕后，将各个子程序封装公有化，继而在主控制面板上根据子程序的逻辑关系集成主程序。经多次测试系统中各个按钮功能无误以及场景模型显示的时候无破面、重影的情况下，将系统中所有子系统打包，生成可直接在电脑上运行的exe文件，同时还可利用Network Command通道功能，将开发的BIM损伤识别系统基于Web网页或二维码进行发布，便于在手机、iPad等移动设备上随时查看，方便设计方、施工方、运维管理方进行可视化通信，大大缓解了三方之间存在的“信息孤岛效应”。
综上所述，本发明提出的基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统，可将PZT传感器采集的振动信号中包含的结构损伤信息“无纸化”附着于水工结构BIM模型上进行管理，形成可视化BIM损伤识别智能信息系统，提高了结构损伤监测数据处理信息的效率，同时也使得损伤识别信息可视化展现，从而克服现阶段损伤监测过程中的缺陷。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统，其特征在于，该系统包括PZT传感器模块、振测信号处理模块、BIM信息模型模块、虚拟现实融合模块，PZT传感器模块与振测信号处理模块连接，振测信号处理模块、BIM信息模型模块分别与虚拟现实融合模块连接，其中：
所述PZT传感器模块包括PZT传感器，PZT传感器的导线接入dsPACE系统中，建立实物振测信号采集平台；
所述振测信号处理模块包括信号去噪模块、结构振动幅值均方根特征的提取模块、结构振动优势频率的提取模块和PZT传感器振测信号的两两互相关系数的提取模块；其中，信号去噪模块，用于对PZT传感器模块采集的振测信号进行去噪处理；结构振动幅值均方根特征的提取模块，用于提取去噪处理后的振测信号的结构振动幅值均方根特征，作为结构损伤程度的判定依据；结构振动优势频率的提取模块，用于提取去噪处理后的振测信号的结构振动优势频率，作为结构损伤程度的判定依据；PZT传感器振测信号的两两互相关系数的提取模块，用于提取去噪处理后的振测信号的两两互相关系数，作为结构损伤定位的判定依据；
所述BIM信息模型模块，用于在结构设计时建立理论的BIM信息模型以及形成结构运维阶段的BIM信息模型；
所述虚拟现实融合模块包括虚拟现实开发平台、结构损伤特征信息数据库、损伤识别定位模块、损伤报警模块、损伤报表输出模块；其中，结构损伤特征信息数据库，用于存储振测信号处理模块处理得到的去噪后的振测信号及其结构振动幅值均方根特征、结构振动优势频率、两两互相关系数；存储虚拟现实开发平台，用于通过虚拟现实技术将去噪后的振测信号附着于带有属性信息及ID号的BIM信息模型中，并将去噪后的振测信号的结构振动幅值均方根特征、结构振动优势频率、两两互相关系数附着于BIM信息模型中进行可视化管理，从而实现BIM技术在损伤识别领域中的应用；损伤识别定位模块，用于当振测信号的幅值均方根特征值和结构振动优势频率处于预先定义的阈值范围时，通过损伤报警模块发出警报，并识别此种工况下振测信号的两两互相关系数的变化规律得出损伤区的坐标域；损伤报表输出模块，用于将损伤识别定位模块的结果以损伤程度报表形式输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统，其特征在于，所述PZT传感器为型号为P5-3B的PZT制作的PZT传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统，其特征在于，所述虚拟现实融合模块还包括系统界面GUI及按钮对应事件的触发模块，包括损伤识别定位模块的触发模块、以人机交互为目的的手动漫游触发模块、预设路线下的自动漫游触发模块、飞行漫游模式触发模块、损伤识别按钮触发模块、损伤报表生成按钮触发模块、附属功能按钮触发模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统，其特征在于，所述损伤识别定位模块根据预先定义的损伤程度级别将损伤区域模型颜色标识为相应损伤程度的模型颜色。
5.根据权利要求1所述的一种基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统，其特征在于，以属性框的形式在系统中弹出损伤程度报表。
6.根据权利要求1所述的一种基于PZT振测信号的泄流结构BIM损伤识别信息系统，PZT传感器极化方向为顺水流方向。
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