CN113284242B - 一种基于大数据与ai的隧道设计系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于隧道设计领域，公开了一种基于大数据与AI的隧道设计系统，基于大数据与AI的隧道设计系统包括：地质数据采集模块、管道配件数据采集模块、中央控制模块、数据处理模块、数据验证模块、图像数据采集模块、图像数据处理模块、三维模型构建模块、基于AI的隧道设计模块、模拟验证模块以及输出模块；本发明能够基于自动化的数据采集、处理进行隧道设计数据的获取，同时基于图像的采集构建三维模型，并基于采集的数据基于人工智能进行智能化的隧道设计，并基于构建的三维模型验证所设计的隧道是否合适，有效的提高了隧道的设计的速度、准确性以及有效性。

Description

一种基于大数据与AI的隧道设计系统
技术领域
本发明属于隧道设计领域，尤其涉及一种基于大数据与AI的隧道设计系统。
背景技术
目前：现有的隧道衬砌结构设计和/或生产过程中，大部分设计图内容通过隧道设计人员使用Auto CAD等绘图软件手工绘图而成，隧道衬砌结构的BIM三维模型也通过设计人员使用revit等建模软件手工建模，出图和出模型周期长，效率十分低下，同时不能直观的判断设计的隧道是否合适。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的隧道设计方法出图和出模型周期长，效率十分低下，同时不能直观的判断设计的隧道是否合适。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于大数据与AI的隧道设计系统。
本发明是这样实现的，一种基于大数据与AI的隧道设计系统，所述基于大数据与AI的隧道设计系统包括：
地质数据采集模块、管道配件数据采集模块、中央控制模块、数据处理模块、数据验证模块、图像数据采集模块、图像数据处理模块、三维模型构建模块、基于AI的隧道设计模块、模拟验证模块以及输出模块；
图像数据采集模块，与中央控制模块连接，用于进行待设计隧道所处区域的图像数据的采集；
图像数据处理模块，与中央控制模块连接，用于对采集的相应区域的图像数据进行处理；
所述对采集的相应区域的图像数据进行处理包括：
利用采用加权方法的混合模型进行图像降噪处理，通过权衡PM和TV模型得到能量函数，通过最小化能量函数降低噪声，能量泛函的表达式为：
Figure BDA0003121731490000021
Figure BDA0003121731490000022
其中k0、L是常数，Δt是步长，N为迭代次数，对应的参数表达式是：
Figure BDA0003121731490000023
对应的欧拉方程为：
Figure BDA0003121731490000024
根据梯度下降流法，混合模型如下：
Figure BDA0003121731490000025
三维模型构建模块，与中央控制模块连接，用于基于处理后的相应数据以及图像进行三维模型的构建；
基于AI的隧道设计模块，与中央控制模块连接，用于基于采集的数据进行隧道设计；
模拟验证模块，与中央控制模块连接，用于基于构建的三维模型验证设计的隧道是否可行；
输出模块，与中央控制模块连接，用于输出通过验证的隧道。
进一步，所述基于大数据与AI的隧道设计系统还包括：
地质数据采集模块，与中央控制模块连接，用于基于大数据采集待设计隧道所处区域的地质相关数据；
管道配件数据采集模块，与中央控制模块连接，用于采集待设计隧道所处位置的地下水管、电缆、通信光缆或其他管道及线路数据；
中央控制模块，与地质数据采集模块、管道配件数据采集模块、数据处理模块、数据验证模块、图像数据采集模块、图像数据处理模块、三维模型构建模块、基于AI的隧道设计模块、模拟验证模块以及输出模块；用于利用单片机或控制器控制各个模块正常工作；
数据处理模块，与中央控制模块连接，用于对采集的相应地质、管道配件数据进行处理；
数据验证模块，与中央控制模块连接，用于对采集处理的数据的准确性进行验证。
进一步，所述数据验证模块对采集处理的数据的准确性进行验证；
(1)对采集处理的数据根据预设规则进行包括数据自身错误、数据虚假性、数据上报频率是否符合预设频率在内的数据验证；
(2)根据所述数据验证的结果判断所述数据的虚假性；
(3)对数据验证错误的数据进行过滤，得到通过验证的数据。
进一步，所述对采集处理的数据根据预设规则进行包括数据自身错误、数据虚假性、数据上报频率是否符合预设频率在内的数据验证包括：
对数据进行包括数据缺少必填字段、时间格式错误、数据类型错误、数据范围错误、数据多传字段、数据长度错误、上报数据与点位数据不匹配、名称错误在内的自身错误验证；
对自身正确的数据，判断是否为虚构数据；
判断不是虚构数据的相应数据的数据上报频率是否存在上传频率过慢、记录上传频率过快。
进一步，所述三维模型构建模块基于处理后的相应数据以及图像进行三维模型的构建包括：
获取待设计隧道的区域的三维激光点云数据及若干个二维图像，将所有二维图像进行畸变校正，将校正后的二维图像进行球面投影，同时将二维图像中像素点的RGB信息直接赋予至相同角度的三维激光点云数据处，直接拼接所有二维图像，构建出待设计隧道的区域三维模型。
进一步，所述所有二维图像可拼接成待设计隧道的区域的全景图。
进一步，所述将所有二维图像进行畸变校正包括：
利用全标定方法对相机进行内部参数标定，进行相机标定获得镜头畸变参数；
采用除法镜头畸变模型，对采集到的二维图像进行镜头畸变校正。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明能够基于自动化的数据采集、处理进行隧道设计数据的获取，同时基于图像的采集构建三维模型，并基于采集的数据基于人工智能进行智能化的隧道设计，并基于构建的三维模型验证所设计的隧道是否合适，有效的提高了隧道的设计的速度、准确性以及有效性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于大数据与AI的隧道设计系统结构示意图；
图中：1、地质数据采集模块；2、管道配件数据采集模块；3、中央控制模块；4、数据处理模块；5、数据验证模块；6、图像数据采集模块；7、图像数据处理模块；8、三维模型构建模块；9、基于AI的隧道设计模块；10、模拟验证模块；11、输出模块。
图2是本发明实施例提供的数据验证模块对采集处理的数据的准确性进行验证的方法流程图。
图3是本发明实施例提供的对采集处理的数据根据预设规则进行包括数据自身错误、数据虚假性、数据上报频率是否符合预设频率在内的数据验证的方法流程图。
图4是本发明实施例提供的三维模型构建模块基于处理后的相应数据以及图像进行三维模型的构建的方法流程图。
图5是本发明实施例提供的将所有二维图像进行畸变校正的方法流程图。
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。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于大数据与AI的隧道设计系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于大数据与AI的隧道设计系统包括：
地质数据采集模块1、管道配件数据采集模块2、中央控制模块3、数据处理模块4、数据验证模块5、图像数据采集模块6、图像数据处理模块7、三维模型构建模块8、基于AI的隧道设计模块9、模拟验证模块10以及输出模块11；
地质数据采集模块1，与中央控制模块3连接，用于基于大数据采集待设计隧道所处区域的地质相关数据；
管道配件数据采集模块2，与中央控制模块3连接，用于采集待设计隧道所处位置的地下水管、电缆、通信光缆或其他管道及线路数据；
中央控制模块3，与地质数据采集模块1、管道配件数据采集模块2、数据处理模块4、数据验证模块5、图像数据采集模块6、图像数据处理模块7、三维模型构建模块8、基于AI的隧道设计模块9、模拟验证模块10以及输出模块11；用于利用单片机或控制器控制各个模块正常工作；
数据处理模块4，与中央控制模块3连接，用于对采集的相应地质、管道配件数据进行处理；
数据验证模块5，与中央控制模块3连接，用于对采集处理的数据的准确性进行验证；
图像数据采集模块6，与中央控制模块3连接，用于进行待设计隧道所处区域的图像数据的采集；
图像数据处理模块7，与中央控制模块3连接，用于对采集的相应区域的图像数据进行处理；
三维模型构建模块8，与中央控制模块3连接，用于基于处理后的相应数据以及图像进行三维模型的构建；
基于AI的隧道设计模块9，与中央控制模块3连接，用于基于采集的数据进行隧道设计；
模拟验证模块10，与中央控制模块3连接，用于基于构建的三维模型验证设计的隧道是否可行；
输出模块11，与中央控制模块3连接，用于输出通过验证的隧道。
如图2所示，本发明实施例提供的数据验证模块对采集处理的数据的准确性进行验证包括：
S101，对采集处理的数据根据预设规则进行包括数据自身错误、数据虚假性、数据上报频率是否符合预设频率在内的数据验证；
S102，根据所述数据验证的结果判断所述数据的虚假性；对数据验证错误的数据进行过滤，得到通过验证的数据。
如图3所示，本发明实施例提供的对采集处理的数据根据预设规则进行包括数据自身错误、数据虚假性、数据上报频率是否符合预设频率在内的数据验证包括：
S201，对数据进行包括数据缺少必填字段、时间格式错误、数据类型错误、数据范围错误、数据多传字段、数据长度错误、上报数据与点位数据不匹配、名称错误在内的自身错误验证；
S202，对自身正确的数据，判断是否为虚构数据；判断不是虚构数据的相应数据的数据上报频率是否存在上传频率过慢、记录上传频率过快。
本发明实施例提供的对采集的相应区域的图像数据进行处理包括：
利用采用加权方法的混合模型进行图像降噪处理，通过权衡PM和TV模型得到能量函数，通过最小化能量函数降低噪声，能量泛函的表达式为：
Figure BDA0003121731490000071
Figure BDA0003121731490000072
其中k0、L是常数，Δt是步长，N为迭代次数，对应的参数表达式是：
Figure BDA0003121731490000073
对应的欧拉方程为：
Figure BDA0003121731490000074
根据梯度下降流法，混合模型如下：
Figure BDA0003121731490000075
如图4所示，本发明实施例提供的三维模型构建模块基于处理后的相应数据以及图像进行三维模型的构建包括：
S301，获取待设计隧道的区域的三维激光点云数据及若干个二维图像，将所有二维图像进行畸变校正；
S302，将校正后的二维图像进行球面投影，同时将二维图像中像素点的RGB信息直接赋予至相同角度的三维激光点云数据处；
S303，直接拼接所有二维图像，构建出待设计隧道的区域三维模型。
本发明实施例提供的所有二维图像可拼接成待设计隧道的区域的全景图。
如图5所示，本发明实施例提供的将所有二维图像进行畸变校正包括：
S401，利用全标定方法对相机进行内部参数标定，进行相机标定获得镜头畸变参数；
S402，采用除法镜头畸变模型，对采集到的二维图像进行镜头畸变校正。
以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于大数据与AI的隧道设计系统，其特征在于，所述基于大数据与AI的隧道设计系统包括：
地质数据采集模块、管道配件数据采集模块、中央控制模块、数据处理模块、数据验证模块、图像数据采集模块、图像数据处理模块、三维模型构建模块、基于AI的隧道设计模块、模拟验证模块以及输出模块；
图像数据采集模块，与中央控制模块连接，用于进行待设计隧道所处区域的图像数据的采集；
图像数据处理模块，与中央控制模块连接，用于对采集的相应区域的图像数据进行处理；
所述对采集的相应区域的图像数据进行处理包括：
利用采用加权方法的混合模型进行图像降噪处理，通过权衡PM和TV模型得到能量函数，通过最小化能量函数降低噪声，能量泛函的表达式为：
Figure FDA0003507061610000011
Figure FDA0003507061610000012
其中k0、L是常数，Δt是步长，n为迭代次数，对应的参数表达式是：
Figure FDA0003507061610000013
对应的欧拉方程为：
Figure FDA0003507061610000014
根据梯度下降流法，混合模型如下：
Figure FDA0003507061610000015
三维模型构建模块，与中央控制模块连接，用于基于处理后的相应数据以及图像进行三维模型的构建；
基于AI的隧道设计模块，与中央控制模块连接，用于基于采集的数据进行隧道设计；
模拟验证模块，与中央控制模块连接，用于基于构建的三维模型验证设计的隧道是否可行；
输出模块，与中央控制模块连接，用于输出通过验证的隧道。
2.如权利要求1所述基于大数据与AI的隧道设计系统，其特征在于，所述基于大数据与AI的隧道设计系统还包括：
地质数据采集模块，与中央控制模块连接，用于基于大数据采集待设计隧道所处区域的地质相关数据；
管道配件数据采集模块，与中央控制模块连接，用于采集待设计隧道所处位置的地下水管、电缆、通信光缆或其他管道及线路数据；
中央控制模块，与地质数据采集模块、管道配件数据采集模块、数据处理模块、数据验证模块、图像数据采集模块、图像数据处理模块、三维模型构建模块、基于AI的隧道设计模块、模拟验证模块以及输出模块连接；用于利用单片机或控制器控制各个模块正常工作；
数据处理模块，与中央控制模块连接，用于对采集的相应地质、管道配件数据进行处理；
数据验证模块，与中央控制模块连接，用于对采集处理的数据的准确性进行验证。
3.如权利要求1所述基于大数据与AI的隧道设计系统，其特征在于，所述数据验证模块对采集处理的数据的准确性进行验证；
(1)对采集处理的数据根据预设规则进行包括数据自身错误、数据虚假性、数据上报频率是否符合预设频率在内的数据验证；
(2)根据所述数据验证的结果判断所述数据的虚假性；
(3)对数据验证错误的数据进行过滤，得到通过验证的数据。
4.如权利要求3所述基于大数据与AI的隧道设计系统，其特征在于，所述对采集处理的数据根据预设规则进行包括数据自身错误、数据虚假性、数据上报频率是否符合预设频率在内的数据验证包括：
对数据进行包括数据缺少必填字段、时间格式错误、数据类型错误、数据范围错误、数据多传字段、数据长度错误、上报数据与点位数据不匹配、名称错误在内的自身错误验证；
对自身正确的数据，判断是否为虚构数据；
判断不是虚构数据的相应数据的数据上报频率是否存在上传频率过慢、记录上传频率过快。
5.如权利要求1所述基于大数据与AI的隧道设计系统，其特征在于，所述三维模型构建模块基于处理后的相应数据以及图像进行三维模型的构建包括：
获取待设计隧道的区域的三维激光点云数据及若干个二维图像，将所有二维图像进行畸变校正，将校正后的二维图像进行球面投影，同时将二维图像中像素点的RGB信息直接赋予至相同角度的三维激光点云数据处，直接拼接所有二维图像，构建出待设计隧道的区域三维模型。
6.如权利要求5所述基于大数据与AI的隧道设计系统，其特征在于，所述所有二维图像可拼接成待设计隧道的区域的全景图。
7.如权利要求5所述基于大数据与AI的隧道设计系统，其特征在于，所述将所有二维图像进行畸变校正包括：
利用全标定方法对相机进行内部参数标定，进行相机标定获得镜头畸变参数；
采用除法模型，对采集到的二维图像进行镜头畸变校正。
8.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求1-7任意一项所述基于大数据与AI的隧道设计系统。
9.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机应用如权利要求1-7任意一项所述基于大数据与AI的隧道设计系统。
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