CN117332494A - 沉井施工状态实时数字孪生的方法、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及沉井施工监控技术领域,尤其涉及一种沉井施工状态实时数字孪生的方法、设备及存储介质,其中方法包括:搭建沉井施工环境并构建环境模型;基于勘查结果构建土层模型,并将土层模型与环境模型进行整合;沉井结构可视化操作;基于预设监测点进行力学监测可视化操作;沉井姿态可视化操作并基于沉井的下沉姿态对下沉量进行预测。本申请能够动态分析沉井状态,依据辅助决策系统进行提供决策参考,及时发布各项指令,控制沉井下沉关键参数。
Description
技术领域
本申请涉及沉井施工监控技术领域,尤其涉及一种沉井施工状态实时数字孪生的方法、设备及存储介质。
背景技术
近年来,随着经济水平和交通建设的不断发展,我国桥梁规划、建设数量不断增多,桥梁跨度不断刷新世界纪录。沉井基础具有承载力高、整体性好、刚度大、占地面积小等优点,在大型桥梁建设中应用日益广泛。
沉井基础是井筒状的结构物,通过从井内挖土并依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到标高,最后采用混凝土封底并填充井孔,成为桥梁墩台或者其他建筑物的基础。
然而目前沉井下沉施工大多仍依靠工程经验,下沉阻力变化规律不明确,下沉过程可控性差,下沉过程中系统性的监测、直观展示、数据之间的相关性较差,控制的方法和手段缺失,沉井下沉过程研究亟待加强。仅依靠工程经验进行大型沉井取土下沉已严重影响沉井施工的安全性和沉井结构的可靠性。
发明内容
本申请提供了一种沉井施工状态实时数字孪生的方法、设备及存储介质,能够动态分析沉井状态,依据辅助决策系统进行提供决策参考,及时发布各项指令,控制沉井下沉关键参数。本申请提供如下技术方案:
第一方面,本申请提供一种沉井施工状态实时数字孪生的方法,所述方法包括:
搭建沉井施工环境并构建环境模型;
基于勘查结果构建土层模型,并将土层模型与环境模型进行整合;
沉井结构可视化操作;
基于预设监测点进行力学监测可视化操作;
沉井姿态可视化操作并基于沉井的下沉姿态对下沉量进行预测。
在一个具体的可实施方案中,所述基于勘查结果构建土层模型包括:
将勘探点的土层分层数据分解成三维点数据,并使用CIVIL3D软件将每一层的三维点数据形成曲面,再由曲面将每一层土质单独生成三维实体,从而完成土层模型的构建以及工程地质的可视化操作。
在一个具体的可实施方案中,所述将土层模型与环境模型进行整合包括:
首先使用3DMAX打开环境模型,并将其转换成dwg格式;
随后再使用CIVIL3D打开dwg文件,提取环境模型的边界;
将提取出来的边界导入土层模型中,以环境模型的边界对土层模型进行边界切割;
然后对切割后的模型逐一生成三维实体;
最后将生成的实体导入Revit,再由Revit生成fbx文件。
在一个具体的可实施方案中,所述基于勘查结果构建土层模型,并将土层模型与环境模型进行整合还包括:
根据沉井孔的尺寸、位置,将土层模型中的对应位置切割出来,再分别放入沉井结构的环境模型的对应孔中。
在一个具体的可实施方案中,所述沉井结构可视化操作包括:
使用Three.js中的loader方法载入沉井结构的BIM模型;
沉井当前建造层的内部结构可实时观测,沉井特殊结构可交互后聚焦观测施工状态中沉井的某一层,钢筋搭建与增加模板的过程将根据实时的数据输入来进行更新和展示;
对于每一层的钢筋与模板,将在每完成一层沉井建造工作时更新下一层的钢筋模型,对于每一处的模板将进行编号,并使用后台代码进行实时控制其增减;
沉井特殊结构可通过前端的交互按钮将摄像机聚焦到设定好的点位对该结构进行观测。
在一个具体的可实施方案中,所述基于预设监测点进行力学监测可视化操作包括:
获取预设点位置,并从预设点位获取压力传感值,以类似于热度图的形式将压力传感值根据不同阈值标注为不同颜色并在页面中以贴图形式进行实时显示;
监测点的位置通过相对坐标索引至结构对应的位置,其读数的绝对和相对大小通过云图或柱状图等形式进行展示。
在一个具体的可实施方案中,所述沉井姿态可视化操作包括:
根据现场数据设计算法并获取倾斜角度,随后计算沉井在需观测的时间段内的时间跨度和倾斜率,再使用Three.js的Tween动画库来实现倾斜过程的动画实现,动画结束后的展示同样为实时渲染;
采用二维分视图的方式,且考虑放大系数的方法对沉井进行可调节展示。
在一个具体的可实施方案中,所述基于沉井的下沉姿态对下沉量进行预测包括:
分别基于CNN与3D-CNN建立预测模型,提取沉井下沉过程中结构应力监测数据的空间特征与时空特征,预测沉井下沉快慢类别与沉井下沉速度值。
第二方面,本申请提供一种电子设备,所述设备包括处理器和存储器;所述存储器中存储有程序,所述程序由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至8任一项所述的一种沉井施工状态实时数字孪生的方法。
第三方面,本申请提供一种计算机可读存储介质,所述存储介质中存储有程序,所述程序被处理器执行时用于实现如权利要求1至8任一项所述的一种沉井施工状态实时数字孪生的方法。
综上所述,本申请的有益效果至少包括:
(1)根据沉井孔的尺寸、位置,将土层模型中的对应位置切割出来,再分别放入沉井结构的环境模型的对应孔中。由于需要展示每个孔中土层的实时高度,所以每个孔中的土层模型是独立的,并且每个土层模型的每一层也是独立的,这样保证了在后期对土层模型进行调用(显示或透明)时,每个土层模型能够相对独立,每个土层模型的每一层也相对独立,能够更好的展示当前每个孔下沉到哪一种土质。
(2)通过GNSS系统进行姿态的实时监测,辅以人工精密监测进行定期校核,结合泥面标高的测量结果,初步推算沉井井壁及隔墙底部的支撑状态,根据底部土压力计的数值反馈,定性的评价沉井底部的土体支撑状态,若发现异常情况,可以通过水下三维声呐进行探明。此工况下由于浇筑混凝土的量和接高段沉井自重可以精准获得,沉井的下沉量及土压力变化值也可以全过程监测,是较好的反演计算分析的工况,可以获得此阶段的P-S曲线,对修正土体参数有重要意义并为深部土力学的研究提供依据。
通过以沉井基础钢结构井壁及混凝土为载体,针对不同的监测类目布置针对性的监测传感器进行组网,利用通信及网络技术进行传输、存储,结合BIM技术把采集的数据的与对应的结构、环境进行关联与映射。基于数字孪生技术,搭建沉井下沉施工场景,通过人工激活或钝化相关结构构件,实现监测数据与施工工况的关联。根据沉井下沉施工过程中智能感知的数据,动态分析沉井状态,依据辅助决策系统进行提供决策参考,及时发布各项指令,控制沉井下沉关键参数。可以解决仅依靠工程经验进行大型沉井取土下沉已严重影响沉井施工的安全性和沉井结构的可靠性的问题。
上述说明仅是本申请技术方案的概述,为了能够更清楚了解本申请的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本申请一个实施例提供的沉井施工状态实时数字孪生的方法的流程示意图。
图2是本申请一个实施例提供的土层模型与环境模型整合的流程示意图。
图3是本申请一个实施例提供的沉井数字孪生平台的整体架构设计图。
图4是本申请一个实施例提供的沉井施工状态实时数字孪生的电子设备的框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本申请的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请,但不用来限制本申请的范围。
参照图1,是本申请一个实施例提供的沉井施工状态实时数字孪生的方法的流程示意图,该方法至少包括以下几个步骤:
步骤101、搭建沉井施工环境并构建环境模型。
具体的,通过航拍视频以及清障管理系统对沉井施工环境进行场景搭建,随后使用C4D软件构建沉井施工环境的环境模型,从而实现施工环境的可视化操作。
步骤102、基于勘查结果构建土层模型,并将土层模型与环境模型进行整合。
具体的,将勘探点的土层分层数据分解成三维点数据,并使用CIVIL3D软件将每一层的三维点数据形成曲面,再由曲面将每一层土质单独生成三维实体,从而完成土层模型的构建以及工程地质的可视化操作。
在实施中,还需要根据沉井孔的尺寸、位置,将土层模型中的对应位置切割出来,再分别放入沉井结构的环境模型的对应孔中。由于需要展示每个孔中土层的实时高度,所以每个孔中的土层模型是独立的,并且每个土层模型的每一层也是独立的,这样保证了在后期对土层模型进行调用(显示或透明)时,每个土层模型能够相对独立,每个土层模型的每一层也相对独立,能够更好的展示当前每个孔下沉到哪一种土质。
参照图2,为土层模型与环境模型整合的流程示意图,首先使用3DMAX打开环境模型,并将其转换成dwg格式,随后再使用CIVIL3D打开dwg文件,提取环境模型的边界。将提取出来的边界导入土层模型中,以环境模型的边界对土层模型进行边界切割,然后对切割后的模型逐一生成三维实体(dwg格式),最后将生成的实体导入Revit,再由Revit生成fbx文件。
步骤103、沉井结构可视化操作。
具体的,沉井的整体结构采取实时渲染的方式,根据当前已建造好的层数展示整体部分的沉井,这部分沉井将不会展示内部具体结构。
在实施中,使用Three.js中的loader方法载入沉井结构的BIM模型。沉井当前建造层的内部结构(例如钢筋、模板等)可实时观测。沉井特殊结构(刃脚、隔墙处钢壳单元)可交互后聚焦观测施工状态中沉井的某一层,钢筋搭建与增加模板的过程将根据实时的数据输入来进行更新和展示。对于每一层的钢筋与模板,将在每完成一层沉井建造工作时更新下一层的钢筋模型,对于每一处的模板将进行编号,并使用后台代码进行实时控制其增减。
可选地,沉井特殊结构可通过前端的交互按钮将摄像机聚焦到设定好的点位对该结构进行观测。具体的,使用json格式的数据存储对应结构合适的摄像机位置,并对交互按钮绑定对应的监听事件,以达到聚焦视角的效果。
S104、基于预设监测点进行力学监测可视化操作。
首先获取预设点位置,并从预设点位获取压力传感值,以类似于热度图的形式将压力传感值根据不同阈值标注为不同颜色并在页面中以贴图形式进行实时显示。
可选地,监测点的位置通过相对坐标索引至结构对应的位置,其读数的绝对和相对大小通过云图或柱状图等形式进行展示。
在实施中,侧壁摩阻力直接测量的设备较少,且适用范围为混凝土段。传统方法为测量井壁法向压力,结合不同土层与井壁之间的摩擦系数进行计算,转换为摩阻力。此种方法对于土体沿高度方向对沉井结构的“嵌固”作用体现较为直观。井孔内的泥面地形通过安装在龙门吊吊钩钢丝绳上的位移计和压力传感器以及吸泥机底部的“伸缩尺”进行综合测量,通过钢丝绳上力传感器的变化来表征此处是否触及泥面,实现泥面标高的自动化监测。不同工况下泥面地形的变化量即为取土量。
S105、沉井姿态可视化操作并基于沉井的下沉姿态对下沉量进行预测。
具体的,根据现场数据设计算法并获取倾斜角度,随后计算沉井在需观测的时间段内的时间跨度和倾斜率,再使用Three.js的Tween动画库来实现倾斜过程的动画实现,动画结束后的展示同样为实时渲染。
可选地,沉井基础姿态偏位处于公分级别,与沉井结构本身的米级别存在较大差异,为了直观的展示,采用二维分视图的方式,且考虑放大系数的方法进行可调节展示。
此外,在沉井的井壁混凝土浇筑及接高阶段,此阶段主要关注沉井的姿态与沉井底部的支撑状态,可以通过GNSS系统进行姿态的实时监测,辅以人工精密监测进行定期校核,结合泥面标高的测量结果,初步推算沉井井壁及隔墙底部的支撑状态,根据底部土压力计的数值反馈,定性的评价沉井底部的土体支撑状态,若发现异常情况,可以通过水下三维声呐进行探明。此工况下由于浇筑混凝土的量和接高段沉井自重可以精准获得,沉井的下沉量及土压力变化值也可以全过程监测,是较好的反演计算分析的工况,可以获得此阶段的P-S曲线,对修正土体参数有重要意义并为深部土力学的研究提供依据。
可选地,取土下沉阶段土压力转移规律如下:
(1)井孔内取土造成取土区域沉井刃脚处土压力下降,随着取土厚度深度增大,取土区域刃脚土压力下降幅度增加。与此同时,土体压应力向周边转移,尚未取土区域的刃脚土压力增加。
(2)在取土过程中,刃脚土压力向外井孔刃脚区域转移,导致外井壁和外隔墙区域刃脚土压力逐渐增大,直至达到其极限承载力(即外井壁和外隔墙刃脚区域土体进入塑形状态),沉井出现明显下沉。
(3)沉井下沉过程中,宜通过数值模拟分析结果初步确定分步与分区取土计划,然后根据刃脚土压力实测数据佐证或调整取土方案,控制沉井缓慢下沉,掌控沉井下沉姿态。
在实施中,需要根据沉井的下沉姿态对下沉量预测,具体的,分别基于CNN与3D-CNN建立预测模型,提取沉井下沉过程中结构应力监测数据的空间特征与时空特征,预测沉井下沉快慢类别与沉井下沉速度值。依托常泰长江大桥主塔沉井基础工程,验证了所构建模型的预测精度与可靠性,并进一步分析了预测模型的实用性以及下沉速度预测时提取应力时空特征的必要性,主要研究结论包括:
(1)所构建的CNN模型和3D-CNN模型可以有效识别沉井结构应力特征,实现了沉井下沉速度预测,实际应用时,可根据需要灵活选用:仅关注下沉快慢情况时,可采用CNN模型预测下沉快慢类别;如需精确获取下沉速度大小,则可采用3D-CNN模型预测下沉速度值。
(2)沉井下沉快慢预测时,各数据集的准确率均高于86%,模拟取土过程中沉井下沉快慢预测的准确率为85.4%,沉井下沉快慢预测模型的准确率高、实用性强。
(3)利用3D-CNN模型进行下沉速度单步预测时,测试集RMSE为0.413,R2=0.908,预测结果与实际下沉速度非常接近。
(4)3D-CNN模型进行下沉速度多步预测精度较高,预测步长为1~5时,测试集RMSE均小于0.42,R2均大于0.90,模型预测精度不随预测步长增加而降低,表现出很强的超前预测能力。
(5)结构应力的时空特征对于模型预测具有重要影响,模型考虑结构应力时空特征时,预测精度显著高于仅考虑应力空间特征。
综上所述,按照勘察结果建立地层模型,可以反映沉井下沉范围内不同土层的空间分布与起伏情况。然后将环境模型等比例与地层模型融合,沉井结构模型内按照实际安装位置关联各个监测元器件,并链接实时采集的数据,能够实现沉井模型在地层模型中的动态下沉模拟,各压力传感器与地层对应关系也随之变化。根据顶部的GNSS可以动态解析沉井的空间姿态,此姿态可以作为沉井顶部布置设备(例如门吊、塔吊等)使用状态安全评价的指标,并实现分级预警,且可以作为泥面标高数据修正的依据(吸泥机始终竖直,沉井可能倾斜)。
本申请是以沉井基础钢结构井壁及混凝土为载体,针对不同的监测类目布置针对性的监测传感器进行组网,利用通信及网络技术进行传输、存储,结合BIM技术把采集的数据的与对应的结构、环境进行关联与映射。基于数字孪生技术,搭建沉井下沉施工场景,通过人工激活或钝化相关结构构件,实现监测数据与施工工况的关联。根据沉井下沉施工过程中智能感知的数据,动态分析沉井状态,依据辅助决策系统进行提供决策参考,及时发布各项指令,控制沉井下沉关键参数。参照图3,为沉井数字孪生平台的整体架构设计图,该数字孪生平台形成了一套具备智能实时感知结构状态与响应、实时参数识别、分析评估及分级预警等功能的系统,由包括感知层、汇聚层、应用层、数据权限控制层构成。
图4是本申请一个实施例提供的电子设备的框图。该设备至少包括处理器401和存储器402。
处理器401可以包括一个或多个处理核心,比如:4核心处理器、8核心处理器等。处理器401可以采用DSP(Digital Signal Processing,数字信号处理)、FPGA(Field-Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array,可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器401也可以包括主处理器和协处理器,主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器,也称CPU(Central ProcessingUnit,中央处理器);协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中,处理器401可以在集成有GPU(Graphics Processing Unit,图像处理器),GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中,处理器401还可以包括AI(Artificial Intelligence,人工智能)处理器,该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。
存储器402可以包括一个或多个计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器402还可包括高速随机存取存储器,以及非易失性存储器,比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。在一些实施例中,存储器402中的非暂态的计算机可读存储介质用于存储至少一个指令,该至少一个指令用于被处理器401所执行以实现本申请中方法实施例提供的沉井施工状态实时数字孪生的方法。
在一些实施例中,电子设备还可选包括有:外围设备接口和至少一个外围设备。处理器401、存储器402和外围设备接口之间可以通过总线或信号线相连。各个外围设备可以通过总线、信号线或电路板与外围设备接口相连。示意性地,外围设备包括但不限于:射频电路、触摸显示屏、音频电路、和电源等。
当然,电子设备还可以包括更少或更多的组件,本实施例对此不作限定。
可选地,本申请还提供有一种计算机可读存储介质,计算机可读存储介质中存储有程序,程序由处理器加载并执行以实现上述方法实施例的沉井施工状态实时数字孪生的方法。
可选地,本申请还提供有一种计算机产品,该计算机产品包括计算机可读存储介质,计算机可读存储介质中存储有程序,程序由处理器加载并执行以实现上述方法实施例的沉井施工状态实时数字孪生的方法。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种沉井施工状态实时数字孪生的方法,其特征在于,所述方法包括:
搭建沉井施工环境并构建环境模型;
基于勘查结果构建土层模型,并将土层模型与环境模型进行整合;
沉井结构可视化操作;
基于预设监测点进行力学监测可视化操作;
沉井姿态可视化操作并基于沉井的下沉姿态对下沉量进行预测。
2.根据权利要求1所述的沉井施工状态实时数字孪生的方法,其特征在于,所述基于勘查结果构建土层模型包括:
将勘探点的土层分层数据分解成三维点数据,并使用CIVIL3D软件将每一层的三维点数据形成曲面,再由曲面将每一层土质单独生成三维实体,从而完成土层模型的构建以及工程地质的可视化操作。
3.根据权利要求1所述的沉井施工状态实时数字孪生的方法,其特征在于,所述将土层模型与环境模型进行整合包括:
首先使用3DMAX打开环境模型,并将其转换成dwg格式;
随后再使用CIVIL3D打开dwg文件,提取环境模型的边界;
将提取出来的边界导入土层模型中,以环境模型的边界对土层模型进行边界切割;
然后对切割后的模型逐一生成三维实体;
最后将生成的实体导入Revit,再由Revit生成fbx文件。
4.根据权利要求1所述的沉井施工状态实时数字孪生的方法,其特征在于,所述基于勘查结果构建土层模型,并将土层模型与环境模型进行整合还包括:
根据沉井孔的尺寸、位置,将土层模型中的对应位置切割出来,再分别放入沉井结构的环境模型的对应孔中。
5.根据权利要求1所述的沉井施工状态实时数字孪生的方法,其特征在于,所述沉井结构可视化操作包括:
使用Three.js中的loader方法载入沉井结构的BIM模型;
沉井当前建造层的内部结构可实时观测,沉井特殊结构可交互后聚焦观测施工状态中沉井的某一层,钢筋搭建与增加模板的过程将根据实时的数据输入来进行更新和展示;
对于每一层的钢筋与模板,将在每完成一层沉井建造工作时更新下一层的钢筋模型,对于每一处的模板将进行编号,并使用后台代码进行实时控制其增减;
沉井特殊结构可通过前端的交互按钮将摄像机聚焦到设定好的点位对该结构进行观测。
6.根据权利要求1所述的沉井施工状态实时数字孪生的方法,其特征在于,所述基于预设监测点进行力学监测可视化操作包括:
获取预设点位置,并从预设点位获取压力传感值,以类似于热度图的形式将压力传感值根据不同阈值标注为不同颜色并在页面中以贴图形式进行实时显示;
监测点的位置通过相对坐标索引至结构对应的位置,其读数的绝对和相对大小通过云图或柱状图等形式进行展示。
7.根据权利要求1所述的沉井施工状态实时数字孪生的方法,其特征在于,所述沉井姿态可视化操作包括:
根据现场数据设计算法并获取倾斜角度,随后计算沉井在需观测的时间段内的时间跨度和倾斜率,再使用Three.js的Tween动画库来实现倾斜过程的动画实现,动画结束后的展示同样为实时渲染;
采用二维分视图的方式,且考虑放大系数的方法对沉井进行可调节展示。
8.根据权利要求1所述的沉井施工状态实时数字孪生的方法,其特征在于,所述基于沉井的下沉姿态对下沉量进行预测包括:
分别基于CNN与3D-CNN建立预测模型,提取沉井下沉过程中结构应力监测数据的空间特征与时空特征,预测沉井下沉快慢类别与沉井下沉速度值。
9.一种电子设备,其特征在于,所述设备包括处理器和存储器;所述存储器中存储有程序,所述程序由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至8任一项所述的一种沉井施工状态实时数字孪生的方法。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述存储介质中存储有程序,所述程序被处理器执行时用于实现如权利要求1至8任一项所述的一种沉井施工状态实时数字孪生的方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202311400780.4A CN117332494A (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 沉井施工状态实时数字孪生的方法、设备及存储介质 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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CN202311400780.4A CN117332494A (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 沉井施工状态实时数字孪生的方法、设备及存储介质 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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CN117332494A true CN117332494A (zh) | 2024-01-02 |
Family
ID=89290201
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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CN202311400780.4A Pending CN117332494A (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 沉井施工状态实时数字孪生的方法、设备及存储介质 |
Country Status (1)
Country | Link |
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CN (1) | CN117332494A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN117627077A (zh) * | 2024-01-15 | 2024-03-01 | 广东大禹水利建设有限公司 | 一种透水层沉井施工智能监测方法 |
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2023
- 2023-10-26 CN CN202311400780.4A patent/CN117332494A/zh active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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