CN112381674A - 一种基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测***，包括数据感知***，信息交换***和运维监控***，其中，数据感知***包括布置在待监测建筑物之上的传感器和数据采集器；信息交换***为数据感知***和运维监控***的中间连接层，用于数据感知***和运维监控***之间的数据传输及交互；运维监控***包括建筑物数字模型程序模块，监测数据管理程序模块，监测数据分析与处理程序模块，三维可视化程序模块及信息共享与预警程序模块。
Description
技术领域
本发明涉及建筑物健康监测领域，尤其涉及基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测。
背景技术
建筑行业在国民经济中扮演着不可或缺的重要角色，而建筑物本身作为人们生活和工作的基础保障，其安全性关乎人们的生命及财产。因此有必要对建筑物进行全生命周期的健康状况监测，包括基本工程结构监测以及环境监测。传统的建筑物健康监测主要采用人工定时巡检的方式，人工消耗大，监测不及时。近年来，一些建筑物健康监测采用基于传感器的远程监测方法，这种方法在一定程度上减少了人力损耗，使得监测过程自动化程度高，监测更加实时高效。但是，基于传感器的监测***只限于数据采集、保存和分析，欠缺在监测信息与结构信息可视化、与管理者交互等方面的功能。对于我国建筑物众多且结构多样化的现状，亟需监测实时、可视化程度高、维修改进周期短、管理者参与度高的智能高效的监测***。
数字孪生技术的出现为上述功能的实现提供了契机。数字孪生的定义为充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生技术采用数字化的方式创建物理实体在数字空间的实时镜像，通过物理实体和数字模型的信息交互可对物理实体在现实物理环境中的状态和行为进行模拟、监控、诊断和控制。因此如何基于数字孪生平台构建智能高效的建筑物健康监测***是急需解决的问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何基于数字孪生平台构建智能高效的建筑物健康监测***。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测***，包括数据感知***，信息交换***和运维监控***，其中，数据感知***包括布置在待监测的建筑物之上的传感器和数据采集器；信息交换***为数据感知***和运维监控***的中间连接层，用于数据感知***和运维监控***之间的数据传输及交互；运维监控***包括建筑物数字模型程序模块，监测数据管理程序模块，监测信息分析与处理程序模块，三维可视化程序模块及信息共享与预警程序模块。
进一步地，传感器包括结构负荷类传感器和环境监测类传感器。
进一步地，信息交换***包括有线网络或无线网络或者有线和无线网络的结合。
进一步地，建筑物数字模型程序模块用于根据建筑物现场传感器的布置情况，在建筑物数字模型中实现相应位点的加载。
进一步地，监测数据管理程序模块包括建筑物的全生命周期监测信息数据库。
进一步地，监测信息分析与处理程序模块用于对监测信息进行去噪处理，并将处理后的数据再次存回数据库。
进一步地，三维可视化程序模块用于将监测信息显示在可视化界面上，可视化界面包括监测信息页面和监测数据页面。
进一步地，其中，在监测信息页面上，用户可对结构负荷类传感器和环境监测类传感器进行选择。
进一步地，在监测数据页面上，查看所选定传感器的实时数据，并实现数据的实时去噪与图形化显示。
进一步地，信息共享与预警程序模块用于遍历监测数据库中构件的监测值，将监测值与阈值进行比较，如果监测值高于设定阈值则在可视化界面上提示预警信息。
本发明的有益效果在于：提升了建筑物监测***的可视化程度与友好交互性，实现运维监控阶段条理清晰。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例中的***层次图；
图2是本发明的一个较佳实施例中的总体框架图；
图3是本发明的一个较佳实施例中的运维监控层的模块化构建图；
图4是本发明的一个较佳实施例中的监测信息页面示意图；
图5是本发明的一个较佳实施例中的监测数据页面示意图；
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
如图1所示，根据本发明的基于数字孪生平台的建筑物健康监测***，包括数据感知层S1、信息交换层S2以及运维监控层S3。本发明中所提出监测***的总体框架图如图2所示，根据待监测建筑物的结构形貌以及外部环境特征，合理布置传感器网络节点，有效建立传感器、数据采集器、监测终端之间的数据通信；使用建筑物数字模型构建技术基于Revit软件以及数据交换接口，建立待监测建筑物的信息模型；根据建筑物现场传感器的布置情况，在建筑物信息模型中实现相应位点的加载；建立待监测建筑物全生命周期的大型数据，对监测数据进行实时更新与分析处理；改善监测***的可交互性和可视化程度，提供监测信息可视化与共享界面，实现建筑物的实时监测与长久运维的需求。
数据感知层主要由各类传感器以及数据采集器构成，用于获取建筑物的结构信息和环境信息：传感器根据采集信息的不同可分为结构负荷类和环境监测类，所述结构负荷类的传感器主要包括：工程裂缝传感器、倾角传感器、应力应变传感器、振动传感器、位移传感器等。所诉环境监测类传感器主要包括：温湿度传感器、风速仪、雨量计等。数据采集器主要用于将传感器采集到的电信号转化为可传输的数字信号并将数据传输给监测信息存储管理及分析与处理***。
信息交换层由有线及无线传输网络组成，作为数据感知层和运维监控层的中间连接层，用于传感网络感知数据的传输与融合并与运维监控层进行交互。有线传输技术相对成熟，组建容易，相应的配套设施比较完善。相比较于有线传输近年来无线传输显示出较强的优越性，无线传输无需布线，人工成本低，扩展性强且更新换代容易。常用的无线传输技术有ZigBee技术等。由于建筑物结构的多样性，数据传输宜采用有线与无线传输相结合的方式，提高传感数据传输的效率。
如图3所示，运维监控层由建筑物数字模型、监测数据管理模块、监测信息分析与处理模块、三维可视化模块、信息共享与预警模块构成，是图2中基于数字孪生平台建筑物健康监测***的关键组成部分。运维监控层的整体构建基于Revit软件，Revit系列软件是专为建筑信息模型构建的应用软件，能够有效建立三维数字化模型，Revit现已获取IFC支持可实现与数据库软件如Oracle、数据分析与处理软件如Matlab以及Windows***软件等友好交互。提供了可视化，可开发的友好界面，能够有效实现监测***的运维与监控。
运维监控层的具体构建步骤如下：
(1)基于Revit软件建立建筑物的三维模型，实现在数字模型中传感器的建立与布置；
使用建筑物数字模型构建技术基于Revit软件以及数据交换接口，建立待监测建筑物的数字模型，根据建筑物现场传感器的布置情况，在建筑物数字模型中实现相应位点的加载。
(2)Oracle数据库与Revit相结合建立建筑物的全生命周期监测信息数据库，实现监测数据的存储、更新与可视化；
利用有线与无线传感网络，将传感器获取的监测数据存储至Oracle数据库中，利用Revit开放的API与ADO.NET数据访问体系实现对Oracle数据库中数据的调用，并利用相应控件实现监测数据的可视化。
(3)利用数据分析软件Matlab实现对监测数据的分析与处理(如监测数据小波去噪等)
Matlab调用数据库存储的监测数据表，利用小波去燥等数据处理方法将噪声巨大的监测信息进行去噪处理，并将处理后的数据再次存回数据库。
(4)实现监测信息可视化
如图4、5所示，为监测信息可视化界面设计图，可视化界面共分为两个可选页面：监测信息页面(图4)和监测数据页面(图5)。由于传感器网络中传感器的类型为结构负荷类和环境监测类，两种传感器需要提供的共享信息不同，在界面下方提供两类传感器的选择按钮。对于结构负荷类传感器，由于建筑物构件种类数目众多，因此想要对特定构件进行监测，需要构件类别、构件ID以及构件位置等三方面信息来进行约束锚定，从而尽快确定待监测的构件。根据建筑物的组成结构，建筑物构件大致上主要分为板、梁、柱等三大类，不同类别的构件安装在不同的部位且需要关注的结构信息不一致，因此在***程序中根据先验信息预先设定不同类别构件所需要的传感器类别。而对于环境监测类传感器，传感器的数目往往少于结构负荷类，但是由于所监测的位置如潮湿的地下室、迎风口等对传感器具有一定腐蚀性，因此环境监测类传感器还应注重使用的年限。同结构负荷类传感器一样，需要类别、ID以及位置等信息来确定传感器的位置。
获取基本的监测信息后，为实现监测信息的可视化，可以在监测数据界面查看所选定传感器的实时数据，并利用数据库和Matlab的数据接口实现数据的实时去燥处理与图形化显示，使得监测数据条目清晰，可读性与交互性强。
(5)信息共享与预警
根据已有规范和指导文件对建筑物结构的响应参数的设定，标准化建筑物预警***中构件的安全阈值，通过遍历监测数据库中构件的监测值，将监测值与阈值进行比较，如果监测值高于设定阈值则在监测信息可视化界面提示预警信息，输出构件ID与实时监测信息，并在数字模型中高亮出危险的构件。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测***，其特征在于，包括数据感知***，信息交换***和运维监控***，其中，
所述的数据感知***包括布置在待监测的建筑物之上的传感器和数据采集器；
所述的信息交换***为所述数据感知***和所述运维监控***的中间连接层，用于所述的数据感知***和所述运维监控***之间的数据传输及交互；
所述的运维监控***包括建筑物数字模型程序模块，监测数据管理程序模块，监测信息分析与处理程序模块，三维可视化程序模块及信息共享与预警程序模块。
2.如权利要求1所述的基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测***，其中，所述的传感器包括结构负荷类传感器和环境监测类传感器。
3.如权利要求2所述的基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测***，其中，所述的信息交换***包括有线网络或无线网络或者有线和无线网络的结合。
4.如权利要求3所述的基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测***，其中，建筑物数字模型程序模块用于根据建筑物现场传感器的布置情况，在建筑物数字模型中实现相应位点的加载。
5.如权利要求4所述的基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测***，其中，所述监测数据管理程序模块包括建筑物的全生命周期监测信息数据库。
6.如权利要求5所述的基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测***，其中，所述监测信息分析与处理程序模块用于对监测信息进行去噪处理，并将处理后的数据再次存回数据库。
7.如权利要求6所述的基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测***，其中，所述的三维可视化程序模块用于将监测信息显示在可视化界面上，所述的可视化界面包括监测信息页面和监测数据页面。
8.如权利要求7所述的基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测***，其中，在所述的监测信息页面上，用户可对结构负荷类传感器和环境监测类传感器进行选择。
9.如权利要求8所述的基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测***，其中，在所述的监测数据页面上，查看所选定传感器的实时数据，并实现数据的实时去噪与图形化显示。
10.如权利要求9所述的基于数字孪生平台的模块化建筑物健康监测***，其中，信息共享与预警程序模块用于遍历监测数据库中构件的监测值，将监测值与阈值进行比较，如果监测值高于设定阈值则在可视化界面上提示预警信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210219 |