CN109726916B - 一种适用于公路全寿命周期智能健康监测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于公路全寿命周期智能健康监测的方法，通过航测技术构建三维地形、利用勘察成果构建三维地质、根据设计成果构建公路三维结构模型，形成初步BIM模型；在施工过程中，于路、桥、隧的重要结构物处布置对应的健康监测传感器，同时在施工过程中同步安装施工类传感器；将施工过程各类信息和施工类传感器获得的各类信息植入到初步BIM模型中并进行模型更新，最终得到全寿命周期BIM模型；通过健康监测传感器对公路进行实时监测，实时获得传感数据；将实时监测所获得的传感数据存入云平台，同时利用结构健康判定系统对传感数据计算分析获得结构健康分析结果；把结构健康分析结果叠加到全寿命周期BIM模型进行显示。

Description

一种适用于公路全寿命周期智能健康监测的方法

技术领域

本发明涉及公路建造技术，主要涉及一种适用于公路全寿命周期智能健康监测的方法。

背景技术

传统公路的建设都是设计、建造、运维、管理都是分开的，特别是管理部门很难对公路的建造、运维做到全面管理，在监管方面，也无法做到数据化，因此在工程建造的过程中，监管部门所起到的作用十分有限。

虽然随着科技的进步，在设计、建造、运维中，都各自有独立的三维方式的管理，但对于总管监督部门来说，在监察时，三个部分的信息是分开的，而设计、建造、运维这三个责任主体又都各自采取自己的数据进行处理，因此，一旦发现工程问题，责任问题很难区分清楚，且在整个工期中也难以有效的监管到隐藏的一些问题，这也就是传统分开管理监管所要面临的问题。同时，要将设计、建造、运维放置在一个系统中运转，由于监管对象是公路，一条公路距离达百公里，设计到的桥梁、隧道、重点路段的量非常大，且监测数据也是非常庞大的。因此要想在三维的图中，同时实时展示，由于各个数据的处理方法时不同的，因此无法再同时接纳众多数据实时更新的情况下，需要很大的系统开销，因此本发明要解决的问题就是寻找一种合理的数据更新方法在三维图上叠加实时传感数据流，节省系统开销。同时提出公路建设的建管养一体化，将各个阶段的信息集成在一个体系下，同时还能对公路的各种结构物进行全天候不间断的监控。而对于偏远山区公路，这样的问题更加突出，常规的管养是需要设置养路段，靠人工进行排查，本系统建立以后可以实时全天候监测，可大大减少人工作业，提高工作效率。

发明内容

本发明目的提供一种适用于公路全寿命周期智能健康监测的方法，。

本发明通过下述技术方案实现：

一种适用于公路全寿命周期智能健康监测的方法，包括以下步骤：

通过航测技术构建三维地形、利用勘察成果构建三维地质、根据设计成果构建公路三维结构模型，将三维地形、三维地质、公路三维结构模型叠加形成初步BIM模型；

在施工过程中，于路、桥、隧的重要结构物处布置对应的健康监测传感器，同时在施工过程中同步安装施工类传感器；

将施工过程各类信息和施工类传感器获得的各类信息植入到初步BIM模型中并进行模型更新，最终得到全寿命周期BIM模型；

通过健康监测传感器对公路进行实时监测，实时获得传感数据；

将实时监测所获得的传感数据存入云平台，同时利用结构健康判定系统对传感数据计算分析获得结构健康分析结果；

把结构健康分析结果叠加到全寿命周期BIM模型进行显示；

若结构健康分析结果超过预定安全阈值，则发出危险信号；

在收到危险信号并执行养护或维修后，通过维护信息对全寿命周期BIM模型进行更新。

采用数据可视化技术将实时获得的结构健康分析结果在全寿命周期BIM模型中叠加显示。

通过健康监测传感器进行实时采集获得传感数据的过程为:

对非异步采集接口的健康监测传感器，采用调节频率进行以时间间隔循环采集实时传感数据方法进行主动式数据采集，完成实时传感数据采集；

对异步采集接口的健康监测传感器，采用回调函数计算实时传感数据有效时进行采集的方法进行被动式数据采集，完成实时传感数据采集；

完成上述实时传感数据采集后，将采集到不同健康监测传感器的传感数据都映射到同一数据空间中，对传感数据进行统一的数据格式处理。

所述主动式数据采集的具体过程为：

将非异步采集接口的健康监测传感器注册进主动采集模块，注册进主动采集模块的非异步采集接口的健康监测传感器视为被采集系统；

主动采集模块内建立被采集系统、采集时间间隔、采集事件命令的一一映射关系；

主动采集模块以采集时间间隔为时间轴进行循环采集操作，在对应的时间间隔内，主动采集模块发送采集事件命令至对应的被采集系统内，召回对应被采集系统内的实时传感数据；

所述被动式数据采集的具体过程为：

将异步采集接口的健康监测传感器注册进被动采集模块，注册进被动采集模块的异步采集接口的健康监测传感器视为被采集系统；

主动采集模块内根据被采集系统对应的业务数据建立起与业务数据对应的回调函数；

被采集系统在任意时刻上传业务数据，主动采集模块应答后通过回调函数计算业务数据有效时，召回对应被采集系统的实时传感数据。

采用数据可视化技术将实时获得的结构健康分析结果在全寿命周期BIM模型中叠加显示的过程为：

获得结构健康分析结果对应关联的地理位置信息，将不同格式的地理位置信息的坐标系映射到全寿命周期BIM模型中的坐标系，采用数据可视化技术，同时将对应实时的结构健康分析结果叠加映射到全寿命周期BIM模型中的坐标系中对应的地理位置上。

在本发明中，本发明采用叠加技术法，即先创建一个初步BIM模型，在建造时将建造所产生的各自数据植入到初步BIM模型中更新获得全寿命周期BIM模型，这样就可以保证在设计和建造过程的数据变化。以备历史查看。同时，采用传感器技术，直接获得数据，防止建造者对不真实的数据写入。形成事实上的全寿命周期BIM模型，而不是直接预设的全寿命周期BIM模型。另外，通过后台服务器实时收集各个健康监测传感器的数据，然后对所有数据创建可视化的模块后叠加到三维图中，因此在三维图中可以同时观看各个设备的实时传感数据。也可以通过先分析，将结构健康分析结果实时显示到三维图中，避免系统不必要的开销，同时还可以设置结构健康分析结果的阈值，当结构健康分析结果超过阈值时进行显示，而没有超过阈值时则不显示，避免系统不必要的开销，在本发明中，全寿命周期BIM模型与数据是分开的，仅仅是采用叠加显示的方式让其二者看似在一个图纸中，效果非常逼真。

当然，在本发明中，由于同时要显示所有健康监测传感器、结构健康分析结果的实时传感数据，且以叠加显示的方法进行，如果不进行特殊的数据处理，会导致系统开销非常大，根本无法实施。为了克服该问题。本发明根据预设的监测层级、频率等要求，通过分层、分类传输技术将健康监测分析成果传递至全寿命周期BIM模型向公路管养部门展示相关信息。这样的数据处理方式，使得对数据的采集过程进行了一定的控制，让其更新过程处于有序的状态下完成，因此在同一时刻下，地图中的数据并不是全部都处于实时状态下，但能按照一定的过程进行刷新，使得数据能在非常短的时间段内完成实时更新，也不需要一次性全部完成刷新，简单来说，本发明是介于全部实时传感数据更新状态和一次性全部更新状态下的一种数据刷新方法。本发明采用了主动法和被动法处理数据，对于主动法获得的数据，本发明按照一定的频率进行时间间隔的采集，即对于主动采集对于的设备而言，其数据是在一定的频率下按照时间顺序在地图上刷新的，对于被动采集法获得的数据，本发明在采集时，对数据的有效性进行验证，只有验证过得数据才能进入刷新，而没有验证过，则视为当前数据与原数据大体相同，没有比较进行刷新，因此在数据采集时，就不允许进入系统，因此对于被动采集的设备而言，并不是所有的数据量都会进入系统完成刷新。在本发明中，主动建立起来被动采集和主动采集，将数据提前进行了分类化的管理，同时制定了对应的数据采集规则。那么这样处理后，则意味着，本发明的数据刷新，并不真实的实时传感数据叠加，而是采用数据处理手段视为某些当前地图上的数据为当前实时传感数据的准实时传感数据显示法。通过上述方法，本发明对于数据采集的开销大大减小、同时也大大减小刷新数据的开销。但整个地图中还是能视为真实的当前实时传感数据。本发明的主动采集和被动采集的过程如下：

通过健康监测传感器进行实时采集获得传感数据的过程为:

对非异步采集接口的健康监测传感器，采用调节频率进行以时间间隔循环采集实时传感数据方法进行主动式数据采集，完成实时传感数据采集；

对异步采集接口的健康监测传感器，采用回调函数计算实时传感数据有效时进行采集的方法进行被动式数据采集，完成实时传感数据采集；

完成上述实时传感数据采集后，将采集到不同健康监测传感器的传感数据都映射到同一数据空间中，对传感数据进行统一的数据格式处理。

所述主动式数据采集的具体过程为：

将非异步采集接口的健康监测传感器注册进主动采集模块，注册进主动采集模块的非异步采集接口的健康监测传感器视为被采集系统；

主动采集模块内建立被采集系统、采集时间间隔、采集事件命令的一一映射关系；

主动采集模块以采集时间间隔为时间轴进行循环采集操作，在对应的时间间隔内，主动采集模块发送采集事件命令至对应的被采集系统内，召回对应被采集系统内的实时传感数据；

所述被动式数据采集的具体过程为：

将异步采集接口的健康监测传感器注册进被动采集模块，注册进被动采集模块的异步采集接口的健康监测传感器视为被采集系统；

主动采集模块内根据被采集系统对应的业务数据建立起与业务数据对应的回调函数；

被采集系统在任意时刻上传业务数据，主动采集模块应答后通过回调函数计算业务数据有效时，召回对应被采集系统的实时传感数据。

在传统技术中，各个传感器终端设备数据格式不一，在实际应用中，也往往是割裂使用。目前还没有任何技术表明，在地图中能同时显示实时的受力、变形、裂缝、温度、湿度数据。通过本发明的数据采集的方法、以及借助数据叠加显示的方法，可以在较低的系统开销下，完成多种设备数据的同时显示。使得地图同时具有更多的数据信息，以便管理快速掌握当前公路局势，对应急管理有着非常重要的意义。

用户即可浏览直观、高度整合、实时的数据。为管理、整治部门提供第一手的直观数据。

本发明通过上述过程，使得实时传感数据流具有时效性高、坐标依赖性高、专业性强的特点，将实时传感数据流在三维图上进行恰当的、准确的叠加显示，才能够真正发挥数据的价值。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

第一：采用了全过程建立模型，来发挥公路全期数据价值：实时传感数据流在三维图上的叠加方式；

第二：通过主动采集和被动采集方式，保证采集数据的实时性；

第三：能同时展示多种数据下能保证系统开销小。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为主动采集的流程图。

图2为被动采集的流程图。

图3为本发明的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图3所示：

一种适用于公路全寿命周期智能健康监测的方法，包括以下步骤：

通过航测技术构建三维地形、利用勘察成果构建三维地质、根据设计成果构建公路三维结构模型，将三维地形、三维地质、公路三维结构模型叠加形成初步BIM模型；

在施工过程中，于路、桥、隧的重要结构物处布置对应的健康监测传感器，同时在施工过程中同步安装施工类传感器；

将施工过程各类信息和施工类传感器获得的各类信息植入到初步BIM模型中并进行模型更新，最终得到全寿命周期BIM模型；

通过健康监测传感器对公路进行实时监测，实时获得传感数据；

将实时监测所获得的传感数据存入云平台，同时利用结构健康判定系统对传感数据计算分析获得结构健康分析结果；

把结构健康分析结果叠加到全寿命周期BIM模型进行显示；

若结构健康分析结果超过预定安全阈值，则发出危险信号；

在收到危险信号并执行养护或维修后，通过维护信息对全寿命周期BIM模型进行更新。

采用数据可视化技术将实时获得的结构健康分析结果在全寿命周期BIM模型中叠加显示。

通过健康监测传感器进行实时采集获得传感数据的过程为:

对非异步采集接口的健康监测传感器，采用调节频率进行以时间间隔循环采集实时传感数据方法进行主动式数据采集，完成实时传感数据采集；

对异步采集接口的健康监测传感器，采用回调函数计算实时传感数据有效时进行采集的方法进行被动式数据采集，完成实时传感数据采集；

完成上述实时传感数据采集后，将采集到不同健康监测传感器的传感数据都映射到同一数据空间中，对传感数据进行统一的数据格式处理。

所述主动式数据采集的具体过程为：

将非异步采集接口的健康监测传感器注册进主动采集模块，注册进主动采集模块的非异步采集接口的健康监测传感器视为被采集系统；

主动采集模块内建立被采集系统、采集时间间隔、采集事件命令的一一映射关系；

主动采集模块以采集时间间隔为时间轴进行循环采集操作，在对应的时间间隔内，主动采集模块发送采集事件命令至对应的被采集系统内，召回对应被采集系统内的实时传感数据；

所述被动式数据采集的具体过程为：

将异步采集接口的健康监测传感器注册进被动采集模块，注册进被动采集模块的异步采集接口的健康监测传感器视为被采集系统；

主动采集模块内根据被采集系统对应的业务数据建立起与业务数据对应的回调函数；

被采集系统在任意时刻上传业务数据，主动采集模块应答后通过回调函数计算业务数据有效时，召回对应被采集系统的实时传感数据。

采用数据可视化技术将实时获得的结构健康分析结果在全寿命周期BIM模型中叠加显示的过程为：

获得结构健康分析结果对应关联的地理位置信息，将不同格式的地理位置信息的坐标系映射到全寿命周期BIM模型中的坐标系，采用数据可视化技术，同时将对应实时的结构健康分析结果叠加映射到全寿命周期BIM模型中的坐标系中对应的地理位置上。

在本发明中，本发明采用叠加技术法，即先创建一个初步BIM模型，在建造时将建造所产生的各自数据植入到初步BIM模型中更新获得全寿命周期BIM模型，这样就可以保证在设计和建造过程的数据变化。以备历史查看。同时，采用传感器技术，直接获得数据，防止建造者对不真实的数据写入。形成事实上的全寿命周期BIM模型，而不是直接预设的全寿命周期BIM模型。另外，通过后台服务器实时收集各个健康监测传感器的数据，然后对所有数据创建可视化的模块后叠加到三维图中，因此在三维图中可以同时观看各个设备的实时传感数据。也可以通过先分析，将结构健康分析结果实时显示到三维图中，避免系统不必要的开销，同时还可以设置结构健康分析结果的阈值，当结构健康分析结果超过阈值时进行显示，而没有超过阈值时则不显示，避免系统不必要的开销，在本发明中，全寿命周期BIM模型与数据是分开的，仅仅是采用叠加显示的方式让其二者看似在一个图纸中，效果非常逼真。

当然，在本发明中，由于同时要显示所有健康监测传感器、结构健康分析结果的实时传感数据，且以叠加显示的方法进行，如果不进行特殊的数据处理，会导致系统开销非常大，根本无法实施。为了克服该问题。本发明根据预设的监测层级、频率等要求，通过分层、分类传输技术将健康监测分析成果传递至全寿命周期BIM模型向公路管养部门展示相关信息。这样的数据处理方式，使得对数据的采集过程进行了一定的控制，让其更新过程处于有序的状态下完成，因此在同一时刻下，地图中的数据并不是全部都处于实时状态下，但能按照一定的过程进行刷新，使得数据能在非常短的时间段内完成实时更新，也不需要一次性全部完成刷新，简单来说，本发明是介于全部实时传感数据更新状态和一次性全部更新状态下的一种数据刷新方法。本发明采用了主动法和被动法处理数据，对于主动法获得的数据，本发明按照一定的频率进行时间间隔的采集，即对于主动采集对于的设备而言，其数据是在一定的频率下按照时间顺序在地图上刷新的，对于被动采集法获得的数据，本发明在采集时，对数据的有效性进行验证，只有验证过得数据才能进入刷新，而没有验证过，则视为当前数据与原数据大体相同，没有比较进行刷新，因此在数据采集时，就不允许进入系统，因此对于被动采集的设备而言，并不是所有的数据量都会进入系统完成刷新。在本发明中，主动建立起来被动采集和主动采集，将数据提前进行了分类化的管理，同时制定了对应的数据采集规则。那么这样处理后，则意味着，本发明的数据刷新，并不真实的实时传感数据叠加，而是采用数据处理手段视为某些当前地图上的数据为当前实时传感数据的准实时传感数据显示法。通过上述方法，本发明对于数据采集的开销大大减小、同时也大大减小刷新数据的开销。但整个地图中还是能视为真实的当前实时传感数据。本发明的主动采集和被动采集的过程如下：

如图1、图2所示。

通过健康监测传感器进行实时采集获得传感数据的过程为:

对非异步采集接口的健康监测传感器，采用调节频率进行以时间间隔循环采集实时传感数据方法进行主动式数据采集，完成实时传感数据采集；

对异步采集接口的健康监测传感器，采用回调函数计算实时传感数据有效时进行采集的方法进行被动式数据采集，完成实时传感数据采集；

完成上述实时传感数据采集后，将采集到不同健康监测传感器的传感数据都映射到同一数据空间中，对传感数据进行统一的数据格式处理。

所述主动式数据采集的具体过程为：

将非异步采集接口的健康监测传感器注册进主动采集模块，注册进主动采集模块的非异步采集接口的健康监测传感器视为被采集系统；

主动采集模块内建立被采集系统、采集时间间隔、采集事件命令的一一映射关系；

主动采集模块以采集时间间隔为时间轴进行循环采集操作，在对应的时间间隔内，主动采集模块发送采集事件命令至对应的被采集系统内，召回对应被采集系统内的实时传感数据；

所述被动式数据采集的具体过程为：

将异步采集接口的健康监测传感器注册进被动采集模块，注册进被动采集模块的异步采集接口的健康监测传感器视为被采集系统；

主动采集模块内根据被采集系统对应的业务数据建立起与业务数据对应的回调函数；

被采集系统在任意时刻上传业务数据，主动采集模块应答后通过回调函数计算业务数据有效时，召回对应被采集系统的实时传感数据。

在图1中，主动采集模块内已经建立好了n个时间间隔，每个时间间隔都对应了一个采集事件，在主动采集模块采用循环的方式进行采集，即在时间间隔1内完成采集事件1的采集，即在这段时间内，主动采集模块发出采集事件命令至对应的被采集系统内，召回对应被采集系统内的实时传感数据，同样的，在下一个时间间隔内，循环上述操作，直到时间间隔n完成后，回到时间间隔1进行采集事件1的执行，那么需要新增设备时，只需在主动采集模块新增与新增设备对应的采集事件n+1和对应的时间间隔n+1进入到上述循环中即可。

在图2所示中，被动采集模块内已经建立好了n个回调函数，每个回调函数都对应了一个被采系统的业务数据，在被动采集模块采用异步方式进行采集，即各个回调函数计算各自对应的业务数据是否满足采集需求，然后开始采集，如不满足采集需求则不采集，那么需要新增设备时，只需在被动采集模块新增与新增设备对应的回调函数n+1，将回调函数n+1与该新增设备的业务数据n+1关联对应加入到上述被动采集模块中即可。

在传统技术中，各个传感器终端设备数据格式不一，在实际应用中，也往往是割裂使用。目前还没有任何技术表明，在地图中能同时显示实时的受力、变形、裂缝、温度、湿度数据。通过本发明的数据采集的方法、以及借助数据叠加显示的方法，可以在较低的系统开销下，完成多种设备数据的同时显示。使得地图同时具有更多的数据信息，以便管理快速掌握当前公路局势，对应急管理有着非常重要的意义。

用户即可浏览直观、高度整合、实时的数据。为管理、整治部门提供第一手的直观数据。

本发明通过上述过程，使得实时传感数据流具有时效性高、坐标依赖性高、专业性强的特点，将实时传感数据流在三维图上进行恰当的、准确的叠加显示，才能够真正发挥数据的价值。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

第一：采用了全过程建立模型，来发挥公路全期数据价值：实时传感数据流在三维图上的叠加方式；

第二：通过主动采集和被动采集方式，保证采集数据的实时性；

第三：能同时展示多种数据下能保证系统开销小。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于公路全寿命周期智能健康监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过航测技术构建三维地形、利用勘察成果构建三维地质、根据设计成果构建公路三维结构模型，将三维地形、三维地质、公路三维结构模型叠加形成初步BIM模型；

在施工过程中，于路、桥、隧的重要结构物处布置对应的健康监测传感器，同时在施工过程中同步安装施工类传感器；

将施工过程各类信息和施工类传感器获得的各类信息植入到初步BIM模型中并进行模型更新，最终得到全寿命周期BIM模型；

通过健康监测传感器对公路进行实时监测，实时获得传感数据；

将实时监测所获得的传感数据存入云平台，同时利用结构健康判定系统对传感数据计算分析获得结构健康分析结果；

把结构健康分析结果叠加到全寿命周期BIM模型进行显示；若结构健康分析结果超过预定安全阈值，则发出危险信号；

在收到危险信号并执行养护或维修后，通过维护信息对全寿命周期BIM模型进行更新；

其中，通过健康监测传感器进行实时采集获得传感数据的过程为：

对非异步采集接口的健康监测传感器，采用调节频率进行以时间间隔循环采集实时传感数据方法进行主动式数据采集，完成实时传感数据采集；

对异步采集接口的健康监测传感器，采用回调函数计算实时传感数据有效时进行采集的方法进行被动式数据采集，完成实时传感数据采集；

完成上述实时传感数据采集后，将采集到不同健康监测传感器的传感数据都映射到同一数据空间中，对传感数据进行统一的数据格式处理；

其中，所述主动式数据采集的具体过程为：

将非异步采集接口的健康监测传感器注册进主动采集模块，注册进主动采集模块的非异步采集接口的健康监测传感器视为被采集系统；

主动采集模块内建立被采集系统、采集时间间隔、采集事件命令的一一映射关系；

主动采集模块以采集时间间隔为时间轴进行循环采集操作，在对应的时间间隔内，主动采集模块发送采集事件命令至对应的被采集系统内，召回对应被采集系统内的实时传感数据；

其中，所述被动式数据采集的具体过程为：

将异步采集接口的健康监测传感器注册进被动采集模块，注册进被动采集模块的异步采集接口的健康监测传感器视为被采集系统；

被动采集模块内根据被采集系统对应的业务数据建立起与业务数据对应的回调函数；

被采集系统在任意时刻上传业务数据，主动采集模块应答后通过回调函数计算业务数据有效时，召回对应被采集系统的实时传感数据。

2.根据权利要求1所述的一种适用于公路全寿命周期智能健康监测的方法，其特征在于：

采用数据可视化技术将实时获得的结构健康分析结果在全寿命周期BIM模型中叠加显示。

3.根据权利要求2所述的一种适用于公路全寿命周期智能健康监测的方法，其特征在于：采用数据可视化技术将实时获得的结构健康分析结果在全寿命周期BIM模型中叠加显示的过程为：

获得结构健康分析结果对应关联的地理位置信息，将不同格式的地理位置信息的坐标系映射到全寿命周期BIM模型中的坐标系，采用数据可视化技术，同时将对应实时的结构健康分析结果叠加映射到全寿命周期BIM模型中的坐标系中对应的地理位置上。

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