CN116090989A - 一种基于数字孪生的暴露试验站管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于数字孪生的暴露试验站管理系统，包括：数字孪生模块，用于生成暴露试验站的三维数字化模型；在站试件管理模块，用于对暴露试验站内的暴露试验试件进行信息化管理；平台管理模块，用于对暴露试验站的空间进行运营管理；安全管理模块，用于对暴露试验站的施工作业安全和结构健康安全进行监控和预警；试验站维护模块，用于对暴露试验站的维护方案进行决策分析；可视化模块，用于对暴露试验站内部所有区域进行可视化显示。本发明实现对暴露试验站及在站试件的三维可视化、实时、动态的空间管理，能最大程度的提升暴露试验站的空间利用率，相较于普通的文字或是台账式的暴露试验站管理，提高管理的效率，节约人员的成本。

Description

一种基于数字孪生的暴露试验站管理系统

技术领域

本发明属于暴露试验技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的暴露试验站管理系统。

背景技术

现场暴露试验是一种通过建立暴露试验站，将制作的试件长期暴露于天然环境中使其自然劣化发展的一种试验方法。通过建立海洋暴露试验站并开展现场暴露试验研究已成为耐久性领域的广泛共识。目前，国内外已针对不同目的建立了各种海洋暴露试验站，我国在20世纪80年代在华东、华北、东北和华南等较为典型的海域就建立了一批具有代表性的暴露试验站，所积累的数据年份超过36年。

然而，暴露试验持续时间长，面临着经费不足、人员流动和地区规划等难题，导致部分试件丢失，直接影响原始数据的采集；且现场数据的采集花费大量时间、财力、人力和物力，持续性跟踪面临着较大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的暴露试验站管理系统，以解决现有技术中存在的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于数字孪生的暴露试验站管理系统，包括：

数字孪生模块，用于生成暴露试验站的三维数字化模型；

在站试件管理模块，用于对暴露试验站内的暴露试验试件进行信息化管理；

平台管理模块，用于对暴露试验站的空间进行运营管理；

安全管理模块，用于对暴露试验站的施工作业安全和结构健康安全进行监控和预警；

试验站维护模块，用于对暴露试验站的维护方案进行决策分析；

可视化模块，用于对暴露试验站内部所有区域进行三维可视化显示。

进一步地，所述数字孪生模型包括模型构建单元和环境信息单元，所述模型构建单元用于根据暴露试验站的信息构建BIM数字模型；所述环境信息单元用于采集暴露试验站的实时环境信息并进行分析。

进一步地，所述在站试件管理模块包括试件信息采集单元和暴露试验管理单元，所述试件信息采集单元用于对暴露试验试件的制备信息和暴露试验过程中的检测信息进行采集和存档，并传输至BIM数字模型；所述暴露试验管理单元用于对暴露试验试件的暴露试验方案、存放位置和起止时间进行采集和存档，并传输至BIM数字模型。

进一步地，所述平台管理模块包括已投放空间管理单元和可投放空间管理单元，所述已投放空间管理单元用于对暴露试验站内的暴露试验试件的数量、存放位置、所占空间及在站时间进行数据采集和分析；所述可投放空间管理单元用于在暴露试验试件进站和出站后对暴露试验站内剩余可用暴露试验空间进行实时更新。

进一步地，所述安全管理模块包括施工安全监控单元和结构安全监控单元，所述施工安全监控单元用于对暴露试验试件的投放和取放施工作业进行安全管理；所述结构安全监控单元用于对暴露试验站在运营过程中的结构健康状态进行监控和预警。

进一步地，所述试验站维护模块包括维护方案单元和维护记录单元，所述维护方案单元用于收集分析结构安全监控单元监控的结构健康状态，并根据预先设置的结构健康状态与维护方案的对应关系提供对应的维护方案；所述维护记录单元用于记录暴露试验站的设计、建造、检测评估、维护记录的信息。

进一步地，还包括用于对试验人员的危险行为进行监控的危险行为监控模块，所述危险行为监控模块包括路径监控单元、判断单元和第一预警单元，所述路径监控单元用于对试验人员的所在位置进行监控识别，所述判断单元用于判断试验人员的所在位置是否在预先标记的危险区域内，若在危险区域内，则获取试验人员的权限级别和危险区域对应的权限级别，判断试验人员权限级别是否能进入危险区域，所述预警单元用于将判断单元的判断结果反馈至试验人员以及管理人员。

进一步地，还包括人员识别模块，所述人员识别模块包括身份获取单元、存储单元和对比预警单元，所述身份获取单元用于获取进入暴露试验站的试验人员的身份信息，所述存储单元用于存储能够进入暴露试验站的试验人员的身份信息，所述对比预警单元用于将门禁单元获取身份信息与存储单元中的身份信息进行对比，当门禁单元获取的身份信息在存储单元中有匹配的身份信息时，该试验人员能够进入暴露试验站；当门禁单元获取的身份信息在存储单元中没有匹配的身份信息时，该试验人员不能进入暴露试验站，并发出预警提示信号。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)采用数字孪生模块、在站试件管理模块、平台管理模块、安全管理模块、试验站维护模块和可视化模块实现了基于三维数字化模型的暴露试验站的三维可视化、实时、动态的空间管理，能最大程度的提升暴露试验站的空间利用率，实现可见即所得的管理，避免长期暴露试验因人员流动等原因导致部分暴露试验试件丢失、原始数据采集缺失等管理混乱问题，相较于普通的文字或是台账式的暴露试验站管理，提高管理的效率，节约人员的成本；

(2)在站试件管理模块实现暴露试验试件的实时盘点、统计和试验数据信息化，实现对暴露试验试件的动态掌握的，提高了管理的效率和准确性；

(3)安全管理模块生动而形象地实现暴露试验站的安全管理，确保暴露试验的作业安全和试验站在危险情况下、极端天气情况下和高潮水位情况下的安全管理，为暴露试验站的安全运营提供保障；

(4)试验站维护模块实现暴露试验站全寿命周期维护的信息化管理，提高了暴露试验在维护管理的效率和准确性，节约人员的成本和管理的成本。

附图说明

图1为本发明基于数字孪生的暴露试验站管理系统的模块示意图。

图中，10-数字孪生模块，11-模型构建单元，12-环境信息单元，20-在站试件管理模块，21-试件信息采集单元，22-暴露试验管理单元，30-平台管理模块，31-已投放空间管理单元，32-可投放空间管理单元，40-安全管理模块，41-施工安全监控单元，42-结构安全监控单元，50-试验站维护模块，51-维护方案单元，52-维护记录单元，60-可视化模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1，图1为本发明基于数字孪生的暴露试验站管理系统的模块示意图。一种基于数字孪生的暴露试验站管理系统，包括：数字孪生模块10，用于生成暴露试验站的三维数字化模型；在站试件管理模块20，用于对暴露试验站内的暴露试验试件进行信息化管理；平台管理模块30，用于对暴露试验站的空间进行运营管理；安全管理模块40，用于对暴露试验站的施工作业安全和结构健康安全进行监控和预警；试验站维护模块50，用于对暴露试验站的维护方案进行决策分析；可视化模块60，用于对暴露试验站内部所有区域进行可视化显示。

数字孪生模块10将整个暴露试验站映射到虚拟空间中，使得暴露试验站转化为三维数字化模型，可以实现对暴露试验站的数据化管理，反映暴露试验站的运营周期全过程，对于暴露试验站的管理更加的规范。在一实施例中，数字孪生模型包括模型构建单元11和环境信息单元12，模型构建单元11用于根据暴露试验站的信息构建BIM数字模型。例如通过暴露试验站的设计图纸和施工图纸生成BIM数字模型。BIM数字模块是指对将暴露试验站的所有信息集中到三维几何模型中，并给三维几何模型附上暴露试验的设备、管道和线缆等数字模型，并对该数字几何模型附上各类型参数。并基于BIM技术的空间管理将暴露试验站根据海水中腐蚀环境类别划分为水下区暴露平台、水变区暴露平台、浪溅区暴露平台和大气区暴露平台这四类暴露平台，暴露试验站的所有信息包括暴露试验站的四类暴露平台的建筑信息、健康状态、运营状态等，具体地如建筑的尺寸、材质、建筑时间、几何形态、地理信息等信息。

环境信息单元12用于采集暴露试验站的实时环境信息并进行分析。例如环境信息单元12包括温度传感器、湿度传感器、氯离子传感器、流速计和潮位传感器等，同时通过国家气象信息中心收集暴露试验站所在地的气象、水温信息等，环境信息包括温度、湿度、氯离子浓度、水流流速、水温、波高、周期、潮位中的一种或多种，综合分析采集到的环境信息，分别绘制水下区暴露平台、水变区暴露平台、浪溅区暴露平台和大气区暴露平台的以上各环境参数随时间的变化和趋势，建立暴露试验站时间与空间的4维环境信息并管理至BIM数字模型中，为各暴露平台的暴露试验研究提供环境数据参考。

在站试件管理模块20负责暴露试验站内的暴露试验试件进行信息化管理，实现暴露试验试件在暴露试验过程中的全过程的数字化管理。在一实施例中，在站试件管理模块20包括试件信息采集单元21和暴露试验管理单元22，试件信息采集单元21用于对暴露试验试件的制备信息和暴露试验过程中的检测信息进行采集和存档，并传输至BIM数字模型；暴露试验管理单元22用于对暴露试验试件的暴露试验方案、存放位置和起止时间进行采集和存档，并传输至BIM数字模型。将暴露试验试件的制备信息、试验信息和检测数据录入，并同时将暴露试验试件的暴露试验空间位置和在站试件等信息关联至平台管理模块30中，并建立对应关系，实现暴露试验的动态4维管理。

平台管理模块30负责暴露试验站空间的运营管理，实现追踪暴露试验站的空间使用情况。在一实施例中，平台管理模块30包括已投放空间管理单元31和可投放空间管理单元32，已投放空间管理单元31用于对暴露试验站内的暴露试验试件的数量、存放位置、所占空间及在站时间进行数据采集和分析；例如暴露试验试件的存放位置可采用射频识别技术和超宽带室内定位技术来实现，暴露试验试件的所占空间由暴露试验试件的制作尺寸来确定，在站时间由暴露试验管理单元22采集。可投放空间管理单元32用于在暴露试验试件进站和出站后对暴露试验站内剩余可用暴露试验空间进行实时更新。例如在暴露试验站建设时期制定的规划和实际空间容量，在暴露试验试件进站和出站后，根据暴露试验试件的所占空间，及时更新暴露试验站的剩余空间，便于及时反映和显示暴露试验站的空间使用情况，实现更加合理的分配、规划暴露试验站的空间，避免各暴露平台的空间浪费。

安全管理模块40保障暴露试验站的安全运营。在一实施例中，安全管理模块40包括施工安全监控单元41和结构安全监控单元42，施工安全监控单元41用于对暴露试验试件的投放和取放施工作业进行安全管理；例如施工安全监控单元41包括浸水识别系统、烟火识别系统、安全帽识别系统等识别系统，具体地，安全帽识别系统用于识别进入暴露试验站现场作业人员必须戴安全帽和穿救生衣；作业时要注意试验站地形及周围环境，避免高空坠物或跌落，保证人员、仪器设备安全；实时监控暴露试验站作业环境，避免极端天气等威胁作业人员施工安全。浸水识别系统实时监控水变区暴露平台作业时潮位变化，避免出现人员溺水风险；在水下区暴露平台进行潜水作业时，实时监控潜水员的作业安全。烟火识别系统用于施工区域内的烟、火进行识别，保证人员、仪器设备安全。结构安全监控单元42用于对暴露试验站在运营过程中的结构健康状态进行监控和预警。例如结构安全单元包括应变计、位移计、测斜仪等安全监控设备，以对暴露试验站结构的劣化和突发事件等威胁暴露试验站结构安全的监控和暴露试验站结构超出安全控制值的预警，结构的劣化指混凝土中嵌入金属的腐蚀、化学侵蚀、碱骨料反应性、磨蚀、塑性收缩、干缩、超载影响等结构损伤和性能退化，突发事件指啸、地震和船舶或车辆的撞击等，结构超出安全控制值指由结构劣化或突发情况引起的受力变大、应变超限、变形变大等。安全管理模块40通过安全监控设备和各识别系统对暴露试验站的结构安全和试验安全实施24小时全天候动态监控。将结构安全监测信息与BIM数字模型进行关联与绑定，根据暴露试验站结构设计要求，当应变计、位移计、测斜仪等监测到的结构安全监控指标达到预警值则立刻向管理人员发送预警信号，BIM数字模型同步标识预警项目和预警位置。

试验站维护模块50依托于BIM数字模型，与安全管理模块40对接，针对暴露试验站的实际健康状态制定维护方案，并对BIM数字模型进行动态实时地记录和更新，进一步保障暴露试验站的安全运营。在一实施例中，试验站维护模块50包括维护方案单元51和维护记录单元52，维护方案单元51用于收集分析结构安全监控单元42监控的结构健康状态，并根据预先设置的结构健康状态与维护方案的对应关系提供对应的维护方案；例如在建造暴露试验站的时候，根据结构特征和规范条文，根据不同的健康状态预先指定相应的维护方案，然后在暴露试验站运营时，即可根据结构安全监控单元42监控的结构健康状态，选择相应的维护方案。维护记录单元52用于记录暴露试验站的设计、建造、检测评估、维护记录的信息。实现暴露试验站全寿命周期维护过程的信息化管理，为维护方案单元51实现更准确有效的维护管理提供关键信息，实现暴露试验站的设计、建造、维护维修、日常保养等全生命周期运维信息一体化。

可视化模块60基于BIM数字模型，包括若干视频监控设备，视频监控设备安装在各暴露平台、暴露试验站入口和暴露试验站内的过道，用于收集各暴露平台、暴露试验试件、施工作业及进入暴露试验站的试验人员进行全程监控。

在一实施例中，本发明基于数字孪生的暴露试验站管理系统还包括用于对试验人员的危险行为进行监控的危险行为监控模块，危险行为监控模块包括路径监控单元、判断单元和第一预警单元，路径监控单元用于对试验人员的所在位置进行监控识别，判断单元用于判断试验人员的所在位置是否在预先标记的危险区域内，若在危险区域内，则获取试验人员的权限级别和危险区域对应的权限级别进行对比，判断试验人员权限级别是否能进入危险区域，预警单元用于将判断单元的判断结果反馈至试验人员以及管理人员。事先将暴露试验站按照人员权限和区域划分为：针对不同区域针对不同类型的人员，有不同的权限和安全级别。根据暴露试验试件的定位，利用BIM技术形成试验过程中试验人员的行动路径，结合暴露试验站的危险区域标记，计算并判断该人员是否处于危险区域范围内，如水浸区、洞口和邻边等危险区域。当系统发现试验人员处于危险区域标记范围时，根据试验人员的属性、权限和危险区域的级别，依据暴露试验站既定的安全标准，判定该人员权限级别，并根据不同的预警模式向相关的试验作业人员和管理人员发送相应的预警信号。具体地，通过试验人员的权限判别是否可进入水下区暴露平台作业，只有权限为潜水员可以进入水下区暴露平台进行作业，没有潜水员权限的试验人员，即未持有潜水证的试验人员不得进行水下作业，若判断单元判断试验人员的权限与危险区域的权限级别不匹配，则预警单元将判断单元的判断结果反馈至试验人员以及管理人员，以进行预警提醒；另外试验人员对暴露试件进行投放和取放操作时，可以根据其投放取放方案，判断试验人员是否在其指定位置作业，如其处于其他区域或是试验站的洞口、爬梯、邻边等存在安全风险的位置时，及时预警。

在一实施例中，本发明基于数字孪生的暴露试验站管理系统还包括人员识别模块，人员识别模块包括身份获取单元、存储单元和对比预警单元，身份获取单元用于获取进入暴露试验站的试验人员的身份信息，存储单元用于存储能够进入暴露试验站的试验人员的身份信息，对比预警单元用于将门禁单元获取身份信息与存储单元中的身份信息进行对比，当门禁单元获取的身份信息在存储单元中有匹配的身份信息时，试验人员能够进入暴露试验站，当门禁单元获取的身份信息在存储单元中没有匹配的身份信息时，试验人员不能进入暴露试验站，并发出预警提示信号。依据人员进入门禁系统时使用的员工账户、门禁卡或人脸识别，身份获取单元获取该人员的身份信息，然后将获取的身份信息与存储单元中的身份信息进行对比，判断该人员是否符合进入暴露试验站，降低安全事故发生率。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)采用数字孪生模块10、在站试件管理模块20、平台管理模块30、安全管理模块40、试验站维护模块50和可视化模块60实现了基于三维数字化模型的暴露试验站的三维可视化、实时、动态的空间管理，能最大程度的提升暴露试验站的空间利用率，实现可见即所得的管理，相较于普通的文字或是台账式的暴露试验站管理，提高管理的效率，节约人员的成本；

(2)在站试件管理模块20实现暴露试验试件的实时盘点、统计和试验数据信息化，实现对暴露试验试件的动态掌握的，提高了管理的效率和准确性；

(3)安全管理模块40生动而形象地实现暴露试验站的安全管理，确保暴露试验的作业安全和试验站在危险情况下、极端天气情况下和高潮水位情况下的安全管理，为暴露试验站的安全运营提供保障；

(4)试验站维护模块50实现暴露试验站全寿命周期维护的信息化管理，提高了暴露试验在维护管理的效率和准确性，节约人员的成本和管理的成本。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于数字孪生的暴露试验站管理系统，其特征在于，包括：

数字孪生模块，用于生成暴露试验站的三维数字化模型；

在站试件管理模块，用于对暴露试验站内的暴露试验试件进行信息化管理；

平台管理模块，用于对暴露试验站的空间进行运营管理；

安全管理模块，用于对暴露试验站的施工作业安全和结构健康安全进行监控和预警；

试验站维护模块，用于对暴露试验站的维护方案进行决策分析；

可视化模块，用于对暴露试验站内部所有区域进行三维可视化显示。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的暴露试验站管理系统，其特征在于，所述数字孪生模型包括模型构建单元和环境信息单元，所述模型构建单元用于根据暴露试验站的信息构建BIM数字模型；所述环境信息单元用于采集暴露试验站的实时环境信息并进行分析。

3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的暴露试验站管理系统，其特征在于，所述在站试件管理模块包括试件信息采集单元和暴露试验管理单元，所述试件信息采集单元用于对暴露试验试件的制备信息和暴露试验过程中的检测信息进行采集和存档，并传输至BIM数字模型；所述暴露试验管理单元用于对暴露试验试件的暴露试验方案、存放位置和起止时间进行采集和存档，并传输至BIM数字模型。

4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的暴露试验站管理系统，其特征在于，所述平台管理模块包括已投放空间管理单元和可投放空间管理单元，所述已投放空间管理单元用于对暴露试验站内的暴露试验试件的数量、存放位置、所占空间及在站时间进行数据采集和分析；所述可投放空间管理单元用于在暴露试验试件进站和出站后对暴露试验站内剩余可用暴露试验空间进行实时更新。

5.根据权利要求1所述的基于数字孪生的暴露试验站管理系统，其特征在于，所述安全管理模块包括施工安全监控单元和结构安全监控单元，所述施工安全监控单元用于对暴露试验试件的投放和取放施工作业进行安全管理；所述结构安全监控单元用于对暴露试验站在运营过程中的结构健康状态进行监控和预警。

6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的暴露试验站管理系统，其特征在于，所述试验站维护模块包括维护方案单元和维护记录单元，所述维护方案单元用于收集分析结构安全监控单元监控的结构健康状态，并根据预先设置的结构健康状态与维护方案的对应关系提供对应的维护方案；所述维护记录单元用于记录暴露试验站的设计、建造、检测评估、维护记录的信息。

7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的暴露试验站管理系统，其特征在于，还包括用于对试验人员的危险行为进行监控的危险行为监控模块，所述危险行为监控模块包括路径监控单元、判断单元和第一预警单元，所述路径监控单元用于对试验人员的所在位置进行监控识别，所述判断单元用于判断试验人员的所在位置是否在预先标记的危险区域内，若在危险区域内，则获取试验人员的权限级别和危险区域对应的权限级别进行对比，判断试验人员权限级别是否能进入危险区域，所述预警单元用于将判断单元的判断结果反馈至试验人员以及管理人员。

8.根据权利要求1所述的基于数字孪生的暴露试验站管理系统，其特征在于，还包括人员识别模块，所述人员识别模块包括身份获取单元、存储单元和对比预警单元，所述身份获取单元用于获取进入暴露试验站的试验人员的身份信息，所述存储单元用于存储能够进入暴露试验站的试验人员的身份信息，所述对比预警单元用于将门禁单元获取身份信息与存储单元中的身份信息进行对比，当门禁单元获取的身份信息在存储单元中有匹配的身份信息时，该试验人员能够进入暴露试验站；当门禁单元获取的身份信息在存储单元中没有匹配的身份信息时，该试验人员不能进入暴露试验站，并发出预警提示信号。

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