CN110926439B - 一种基于bim技术的运营隧道结构健康监测系统 - Google Patents

一种基于bim技术的运营隧道结构健康监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于BIM技术的运营隧道结构健康监测系统，属于隧道健康监测领域。该系统通过数据采集与传输单元采集传感器网络自动化监测数据和人工巡检检测数据，利用数据通信干网发送至数据处理与分析单元；通过数据采集模块收集隧道现场布置的传感器采集到的传感器数据并上传至数据监测模块及数据处理与分析单元；通过数据监测模块根据接收到的传感器数据生成实时曲线或报表；数据处理与分析单元基于采集的不同类型、不同体量的传感器数据，实时评估隧道结构的损伤模态与健康情况；通过数据储存单元采用统一数据格式或者设置相应的格式转换协议对传感器数据进行储存。本发明将运营隧道健康监测网络化、参数化，实现健康状态实时监测。

Description

一种基于BIM技术的运营隧道结构健康监测系统
技术领域
本发明属于隧道健康监测领域，更具体地，涉及一种基于BIM技术的运营隧道结构健康监测系统。
背景技术
建筑信息模型(BIM)已经在建筑、工程和建筑(AEC)行业中广泛使用，以适应多个设计过程参与者之间的有效协作。BIM技术提供了一个协作平台，促进各专业设计参与者之间的信息交换和共享，以实现更好的决策。
地铁作为重大地下工程和城市交通命脉重要组成部分，地铁的安全施工和健康运营对于城市正常运转至关重要。在全周期的地铁运营阶段，受到地质水文条件、施工工艺水平、列车振动荷载、结构荷载、外部扰动等因素影响，地铁隧道结构会发生衬砌劣化、管片错位、螺栓病害、渗漏水、不均匀沉降、断面变形等病害，面临结构疲劳失稳、隧道开裂、承载力不足崩塌、火灾等风险，严重影响了隧道的维护周期、结构安全、剩余寿命，威胁大众的出行安全。
运营期地铁事故突发前，结构会出现不同程度的破坏征兆，只要有功能完整的结构健康监测系统，可以大概率避免事故的发生，将生命和财产的损失降低到最低程度。因此，运营隧道结构健康监测系统的搭建对隧道结构安全状态和列车行驶安全有重要保障。通过布置在隧道结构的传感器网络，结合人工巡检，通过无线传输方式传输到监测系统数据处理与分析单元，分析监测数据特征采取大数据算法或有限元仿真分析可实现实时、全自动、长时段的隧道安全状态监测，利于提高地铁隧道的维护周期、剩余寿命以及列车运营效率。
因此，一种基于BIM技术的运营隧道结构健康监测系统的开发与研究值得研究。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于BIM技术的运营隧道结构健康监测系统，其目的在于，通过在运营隧道结构中集成传感器布设与监测数据传输、分析方案，基于BIM技术，将运营隧道健康监测模式网络化、将隧道模型参数化、将隧道健康评估结果可视化，实现实时监测运营隧道的健康状态，从而有利于将地铁隧道设备管理信息化、应急处理措施规范化、危险病害管控即时化。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于BIM技术的运营隧道结构健康监测系统，包括：数据采集与传输单元、数据处理与分析单元，以及数据储存单元；
数据采集与传输单元用于采集传感器网络自动化监测数据以及人工巡检检测数据，利用数据通信干网发送至数据处理与分析单元；数据采集与传输单元包括数据采集模块和数据监测模块；数据采集模块用于收集隧道现场布置的传感器采集到的传感器数据，并上传至数据监测模块及数据处理与分析单元；数据监测模块用于根据接收到的传感器数据，生成实时曲线或报表；
数据处理与分析单元基于采集的不同类型、不同体量的传感器数据，实时对隧道结构的损伤模态与健康情况进行评估；
数据储存单元用于采用统一数据格式或者设置相应的格式转换协议，对传感器数据进行储存。
进一步地，所述数据采集模块包括全站仪、倾角传感器和加速度传感器；所述传感器数据包括全站仪沉降监测数据、倾角传感器监测数据以及加速度传感器监测数据；
三种传感器数据的监测方法如下：
全站仪沉降监测数据采取间断采集的方式，监测仪器包括全站仪和棱镜，在隧道内的每个监测断面上布设棱镜，全站仪通过对每个棱镜测量一次x、y、z轴相对坐标来得到棱镜处的沉降变形量；
倾角传感器监测数据采取连续采集的方式，在隧道中选定基准点并在待检位置选取测点布置倾角传感器，利用倾角传感器对每个基准点测量相对坐标得到测点的倾角变化；
加速度传感器监测数据选择列车通过监测断面时采集或分时段采集，然后对加速度传感器监测数据进行小波包分析来进行损伤识别。
进一步地，在全站仪和中心服务器之间设置预处理服务器，所述预处理服务器中预装GeoCOM程序模块，用于对全站仪采集的棱镜相对坐标监测数据进行转换，之后实时将统一格式的转换数据发送至中心服务器；
倾角传感器监测数据通过自动化采集器采集并传输到DTU无线模块，再由DTU无线模块发送至中心服务器；
加速度传感器监测数据采用压缩感知的方式，由自动化采集器进行采集并传输到预处理服务器中进行编码测量，然后将获得的加速度测量数据传输到DTU无线模块，最后通过DTU无线模块发送至中心服务器。
进一步地，沉降监测从起点往后15m位置设置第一道断面，往后断面以每20m间距设置一道断面，监测里程内共15个监测断面，棱镜对称分布在拱顶、拱腰和拱脚处；
倾角传感器检测从起点往后100m设置第一道断面，后续测点断面以管片厚度为轴向间距，监测区段共16道测点断面；
加速度传感器的安装按监测区段重点断面布置。
进一步地，所述数据处理与分析单元包括检测量分析与处理模块，以及检测量与处理单元演示模块；
所述检测量分析与处理模块基于采集的全站仪沉降监测数据、倾角传感器监测数据以及加速度传感器监测数据，实时对隧道结构的损伤模态与健康情况进行评估；
所述检测量与处理单元演示模块用于监测量展示和评估结果预警，包括全站仪沉降监测数据、倾角传感器监测数据、加速度传感器监测数据监测结果的展示及评估结果的预警。
进一步地，全站仪沉降监测数据的展示包括按里程分段的单传感器监测量展示、总时段监测累积量展示、监测量曲线绘制和表格文件导出，以将隧道里程与BIM管片模型协同，并将后续全站仪沉降监测数据的评估结果反映到管片BIM模型可视化画面中；
倾角监测数据的展示包括展示最后时段每个里程累积的倾角变化，同时展示每个监测断面在整个监测时段中的倾角变化趋势；
加速度监测数据的展示包括展示每个断面监测的加速度响应数据，同时展示每个断面的加速度响应数据基于小波包能量谱的预警值分析结果。
进一步地，所述数据储存单元用于对传感器网络自动化监测数据以及人工巡检检测数据中的底层数据，采取小波包多阈值法或异常信号识别进行预处理；以及兼顾传感器网络自动化监测数据、分析结果与BIM模型的投影协同关系，采用统一数据格式或者设置相应的格式转换协议，对传感器网络自动化监测数据和人工巡检的检测数据进行储存。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的一种基于BIM技术的运营隧道结构健康监测系统，以系统架构、数据采集和传输层传感器网络布设、传输方案选取、数据处理和分析层监测量演示与评估结果为研究思路，阐述了基于BIM技术运营隧道结构健康监测系统的搭建；
2、本发明结合轨道交通地下结构安全监测与管养系统，在数据采集和传输层基于沉降、倾角、加速度监测指标的特征，针对性设计传感器网络的布设与监测量的传输方案；在数据处理和分析层设计监测量的预警分析、监测量与评估结果系统界面演示，为运营隧道结构健康监测系统系统核心内容设计、针对性传输方案选取、监测量预警分析、基于BIM技术监测与预警可视化方向提供新颖的思路。
附图说明
图1为运营隧道结构健康监测系统总体架构图。
图2为全站仪沉降监测数据传输方案示意图。
图3为倾角传感器监测数据传输方案示意图。
图4为加速度传感器监测数据传输方案示意图。
图5为沉降监测示意图，其中(a)为监测断面及棱镜布置示意图，(b)～(e)为轨道交通地下结构安全监测与管养系统断面不同时间段沉降数据分析图。
图6的(a)～(d)为轨道交通地下结构安全监测与管养系统断面不同时间段倾角数据分析图。
图7的(a)～(c)为轨道交通地下结构安全监测与管养系统断面不同时间段加速度数据分析图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明构架的运营隧道结构健康监测系统总体架构图，该运营隧道结构健康监测系统包括数据采集与传输单元、数据处理与分析单元以及数据储存单元三个核心功能单元。
所述数据采集与传输单元包括数据采集模块和数据监测模块，涉及检测传感器的布设以及监测数据的传输方案。其中检测传感器的布设分为全站仪沉降监测、倾角传感器监测以及加速度传感器监测。
全站仪沉降监测中隧道沉降变化趋势与监测量较小，采取间断采集的方式，监测频率为1天4次。监测仪器主要包括全站仪和棱镜，全站仪通过对每个棱镜测量一次x、y、z轴相对坐标来得到棱镜处的沉降变形量。沉降监测从起点往后15m位置设置第一道断面，往后断面以每20m间距设置一道，单全站仪监测里程大概为300m，监测里程内共15个监测断面，每个断面上的棱镜均对称分布在拱顶、拱腰和拱脚处；
倾角传感器监测中隧道倾角变化趋势和监测量较小，但倾角变换连续性强且受列车荷载影响大，采取连续采集的方式，监测频率为10分钟1次。倾角传感器通过对每个基准点测量相对坐标得到测点的倾角变化。倾角传感器检测从起点往后100m设置第一道断面，后续测点断面以管片厚度为轴向间距，监测区段共16道测点断面；
加速度的采集和沉降倾角采集的标准不一样，由于采集频率50Hz较高，监测量大且持续采集，故选择列车通过监测断面时采集或每小时段选10分钟采集，相较于沉降和倾角数据，加速度响应数据不具有损伤直观性，需采取小波包分析等算法来进行损伤识别，监测数据特性与规律性不强，仪器的安装按监测区段重点断面布置。由于正常运行状态与故障状态下的机器的输出信号的各频带成分是不同的，通过小波包分析分解出加速度信号的频带成分，然后结合隧道断面结构和失效机理可找出隧道的特征频率，然后根据这些频率分量的变化确定损伤是否发生。
所述数据采集与传输单元中，监测数据的采集与传输方案分为全站仪沉降监测数据采集与传输、倾角传感器监测数据采集与传输以及加速度传感器监测数据采集与传输。
图2～图4为全站仪沉降监测数据、倾角传感器监测数据、加速度传感器监测数据的采集与传输方案示意图。
优选地，全站仪沉降监测数据采集与传输，是采用无线传输方式将采集的沉降数据实时传输到中心服务器，在沉降监测数据采集与传输过程中需考虑坐标变换，即对坐标进行统一。具体地，可以在全站仪到中心服务器之间设置一台小型服务器，里面预装GeoCOM软件，对采集的棱镜相对坐标监测数据进行分析变换，之后将统一格式的转换数据通过移动数据网络发送至中心服务器，形成整套的传输过程；
倾角传感器监测数据传输监测量比全站仪大，选取具备相当存储量的自动化采集器采集倾角监测数据，将监测数据通过通讯电缆传输到DTU无线模块，最后通过GPRS网络将监测数据发送至中心服务器；
加速度传感器监测频率由于数据量庞大，采用压缩感知的方式，利用自动化采集器对加速度监测数据进行采集，传输到有线连接的预处理服务器中编码测量，将加速度测量数据通过通讯电缆传输到DTU无线模块，最后通过GPRS网络将监测数据发送至中心服务器。
图5～图7为轨道交通地下结构安全监测与管养系统断面不同时间段沉降、倾角、加速度数据分析图。
所述数据处理与分析单元包括检测量分析与处理以及检测量与处理单元演示。其中，检测量分析与处理分为全站仪沉降监测量分析、倾角传感器监测量分析以及加速度传感器监测量分析；检测量与处理单元演示包扩监测量展示和评估结构预警，分为全站仪沉降监测、倾角传感器监测以及加速度传感器监测。
本发明的一种基于BIM技术的运营隧道结构健康监测系统中，全站仪沉降监测模块演示系统中有按里程分段的单传感器监测量展示、总时段监测累积量展示、监测量曲线绘制和表格文件导出，将隧道里程与BIM管片模型协同，后续监测量评估反映到管片BIM模型可视化画面；
倾角监测量演示中展示最后时段每个里程累积的倾角变化，同时展示每个监测断面在整个监测时段中的倾角变化趋势；
加速度监测量演示中展示每个断面监测的加速度响应数据，同时展示每个断面的加速度响应数据基于小波包能量谱的预警值分析。
所述的数据储存单元为运营隧道结构健康监测系统的数据库，由采集与传输单元数据整合重构而来，是面向数据处理与分析单元分析评估的监测数据集合。
数据的储存单元基于BIM几何、信息模型，涉及结构健康、设备运维、BIM与数据库协同，不仅考虑底单元数据的冗杂与高并发，采取小波包多阈值法或异常信号识别进行预处理；还考虑到顶单元设计中数据的大数据分析算法及有限元仿真分析，兼顾监测数据、分析结果与BIM模型的投影协同关系，采用统一数据格式或者设置相应的格式转换协议，对自动化监测和人工巡检的数据进行储存。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于BIM技术的运营隧道结构健康监测系统，其特征在于，包括：数据采集与传输单元、数据处理与分析单元，以及数据储存单元；
数据采集与传输单元用于采集传感器网络自动化监测数据以及人工巡检检测数据，利用数据通信干网发送至数据处理与分析单元；数据采集与传输单元包括数据采集模块和数据监测模块；数据采集模块用于收集隧道现场布置的传感器采集到的传感器数据，并上传至数据监测模块及数据处理与分析单元；数据监测模块用于根据接收到的传感器数据，生成实时曲线或报表；
数据处理与分析单元基于采集的不同类型、不同体量的传感器数据，实时对隧道结构的损伤模态与健康情况进行评估；
数据储存单元用于采用统一数据格式或者设置相应的格式转换协议，对传感器数据进行储存；
所述数据采集模块包括全站仪、倾角传感器和加速度传感器；所述传感器数据包括全站仪沉降监测数据、倾角传感器监测数据以及加速度传感器监测数据；
三种传感器数据的监测方法如下：
全站仪沉降监测数据采取间断采集的方式，监测仪器包括全站仪和棱镜，在隧道内的每个监测断面上布设棱镜，全站仪通过对每个棱镜测量一次x、y、z轴相对坐标来得到棱镜处的沉降变形量；
倾角传感器监测数据采取连续采集的方式，在隧道中选定基准点并在待检位置选取测点布置倾角传感器，利用倾角传感器对每个基准点测量相对坐标得到测点的倾角变化；
加速度传感器的安装按监测区段重点断面布置；加速度传感器监测数据选择列车通过监测断面时采集或分时段采集，然后对加速度传感器监测数据进行小波包分析来进行损伤识别；加速度传感器监测数据采用压缩感知的方式，由自动化采集器进行采集并传输到预处理服务器中进行编码测量，然后将获得的加速度测量数据传输到DTU无线模块，最后通过DTU无线模块发送至中心服务器；
在全站仪和中心服务器之间设置预处理服务器，所述预处理服务器中预装GeoCOM程序模块，用于对全站仪采集的棱镜相对坐标监测数据进行转换，之后实时将统一格式的转换数据发送至中心服务器；
倾角传感器监测数据通过自动化采集器采集并传输到DTU无线模块，再由DTU无线模块发送至中心服务器；
所述数据处理与分析单元包括检测量分析与处理模块，以及检测量与处理单元演示模块；
所述检测量分析与处理模块基于采集的全站仪沉降监测数据、倾角传感器监测数据以及加速度传感器监测数据，实时对隧道结构的损伤模态与健康情况进行评估；
所述检测量与处理单元演示模块用于监测量展示和评估结果预警，包括全站仪沉降监测数据、倾角传感器监测数据、加速度传感器监测数据监测结果的展示及评估结果的预警；
全站仪沉降监测数据的展示包括按里程分段的单传感器监测量展示、总时段监测累积量展示、监测量曲线绘制和表格文件导出，以将隧道里程与BIM管片模型协同，并将后续全站仪沉降监测数据的评估结果反映到管片BIM模型可视化画面中；
倾角监测数据的展示包括展示最后时段每个里程累积的倾角变化，同时展示每个监测断面在整个监测时段中的倾角变化趋势；
加速度监测数据的展示包括展示每个断面监测的加速度响应数据，同时展示每个断面的加速度响应数据基于小波包能量谱的预警值分析结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的运营隧道结构健康监测系统，其特征在于，沉降监测从起点往后15m位置设置第一道断面，往后断面以每20m间距设置一道断面，监测里程内共15个监测断面，棱镜对称分布在拱顶、拱腰和拱脚处；
倾角传感器检测从起点往后100m设置第一道断面，后续测点断面以管片厚度为轴向间距，监测区段共16道测点断面。
3.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的运营隧道结构健康监测系统，其特征在于，所述数据储存单元用于对传感器网络自动化监测数据以及人工巡检检测数据中的底层数据，采取小波包多阈值法或异常信号识别进行预处理；以及兼顾传感器网络自动化监测数据、分析结果与BIM模型的投影协同关系，采用统一数据格式或者设置相应的格式转换协议，对传感器网络自动化监测数据和人工巡检的检测数据进行储存。
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