基于AI与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生系统及方法与流程

基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生系统及方法
技术领域
1.本发明属于桥梁技术领域，尤其涉及一种基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.桥梁的设计、施工、运营、养护、维修加固、拆除等各个阶段是相互独立的，导致各个阶段之间信息不能共享，当一个阶段发生问题时，不能快速高效的掌握实际情况及提供解决方案。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生系统及方法，其目的在于减少桥梁从设计到拆除的人力消耗，每个阶段出现问题时不能及时获取的问题情况，不能快速提供解决方案的问题，本发明能够为使用者及时发现各种问题，提供分析报告、解决方案。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.本发明的第一个方面提供一种基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生系统。
7.基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生系统，包括：分析模块，以及均与分析模块连接的采集模块、设计模块和可视化模块，所述可视化模块均与采集模块和设计模块连接；
8.采集模块，用于分别获取航船流量和车流量；
9.分析模块，用于根据航船流量，分析出流量最低时间段，将此时间段定为水下机器人巡检工作时间段，向采集模块发送巡检指令，以使水下机器人进行巡检，并在可视化模块展示；用于根据路面行车流量，分析出车流量最低时间段，将此时间段定为无人机巡检时间段，以使无人机按照设定飞行逻辑对桥梁路面进行裂缝及坑洞检查，并在可视化模块展示；
10.设计模块，设置bim软件接口，其用于接收三维正向设计数据，将设计模块传输的设计参数转换成有限元模型，将有限元分析结果发送至可视化模块。
11.本发明的第二个方面提供一种基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生方法。
12.基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生方法，采用第一个方面所述的基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生系统，包括：
13.在设计阶段，利用bim软件进行正向设计，通过设计模块的bim软件接口，向设计模块输入桥梁各项设计参数，参数信息发送到可视化模块进行三维模型重建及可视化直观展示，可视化模块通过读取桥梁设计信息自动生成带有坐标的三维模型，同时，设计信息发送到分析模块，分析模块对桥梁模型进行有限元分析，出具有限元分析结果，并通过可视化模块展示；
14.在施工阶段，在现场搭建局域网络，布置监测仪器和设备，仪器设备连接局域网络，监测数据带有编码标识，通过网络实时上传到孪生系统的采集模块，采集模块将数据发送到分析模块，分析模块将数据进行加工并返回到可视化模块，可视化模块将数据呈现展示；
15.在运营维护阶段，在桥梁安装监测设备，对车辆流量、重量、风速、湿度和挠度进行实时监控，引入无人机和水下机器人，实现日常巡检，监测数据通过网络上传至分析模块和可视化模块，分析模块将接收的监测数据和设计阶段中的有限元分析结果进行对比，对比结果发送到可视化模块；分析模块根据现有桥梁监测数据和有限元分析结果，对现有病害问题提供解决方案，对未来可能发生的病害问题进行预警；
16.在维修加固阶段，分析模块针对出现的问题从维修加固方案库里选择多种维修加固方案，针对桥梁类型、跨度和材料，自动分析适合的数种方案，并分析各种方案材料用量、施工期，利用接口连接有限元分析软件，分析加固方案实施后的桥梁安全性能，出具维修加固方案报告；
17.在拆除阶段，分析模块根据桥梁服役年限、监测数据和预警系统，判断桥梁是否进入拆除阶段，判定拆除后，分析模块根据历史数据智能分析出建筑垃圾体量和工期，结果上传到可视化模块。
18.本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
19.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第二个方面所述的基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生方法中的步骤。
20.本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
21.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第二个方面所述的基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生方法中的步骤。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.本发明的目的在于减少桥梁从设计到拆除的人力消耗，每个阶段出现问题时不能及时获取的问题情况，不能快速提供解决方案的问题，通过基于ai与多源信息融合对桥梁全生命周期进行管理，本发明将桥梁自身状态与周边环境反应在系统的可视化模块上，本发明利用采集模块内置的无人设备巡检逻辑实现自动采集数据，利用分析模块内置的各个单元对桥梁现状态及未来变化趋势做出评估，给出并判定所需维修加固和拆除方案，并进行造价评估。本发明减少了桥梁从设计到拆除的人力消耗，系统运行时能够为使用者及时发现各种问题，提供分析报告、解决方案。
24.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
25.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
26.图1是本发明实施例以示出的基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生系统的框架图。
具体实施方式
27.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
28.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
29.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
30.需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
31.实施例一
32.本实施例提供了一种基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生系统。
33.如图1所示，基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生系统，包括：设计模块、采集模块、分析模块和可视化模块。
34.其中，采集模块包括无人设备巡检、传感器实时采集和图像采集。其中，传感器实时采集包括应力应变传感器实时采集应力应变数据。
35.分析模块包括有限元分析单元、维修加固方案库、对比分析处理单元、工程造价单元和ai图像识别单元。
36.设计模块，设置bim软件接口，其用于接收三维正向设计数据，设计模块接收的数据通过转换模块发送到分析模块和可视化模块。
37.采集模块采用多源数据采集形式，包括无人机、机器人、各类型传感器、各类型摄像头，用于监测航船流量、人流和车流、风速、河床冲刷情况、桥墩侵蚀情况，将桥梁自身状态及周边环境呈现出来。
38.采集模块使用定期检测方法实行运营维护，在桥梁底部设置无人设备站。
39.无人设备站包括水下机器人、无人机、充电设备、楼梯和存放平台，无人检测设备按照设定的巡检逻辑进行桥梁检测。
40.无人设备的巡检逻辑，分析模块依据采集模块接收的轮船航行流量，依据历史监测记录统计分析出流量最低时间段，分析模块将此时间段定为水下机器人巡检工作时间段，分析模块向使用者及航运管理系统发送暂封航道时间段，分析模块向采集模块发送巡检指令，水下机器人进行巡检，水下机器人工作实时位置及工作时间发送到可视化模块展示。
41.无人设备巡检逻辑，分析模块智能分析路面行车流量，依据历史监测数据统计分析出车流量最低时间段，分析模块将此时间段定为无人机巡检时间段，分析模块向使用者及公路管理人员发送暂时封路信息，无人机按照设定飞行逻辑，对桥梁路面进行裂缝及坑洞检查，采集图像实时发送到分析模块。
42.分析模块在接收无人巡检设备图像后，ai图像识别单元识别坑洞及裂缝并进行统计后出具结果报告发送到可视化模块。
43.采集模块，设置网络接口，通过有线、无线传输技术接收传感器数据、视频画面和车辆称重数据。
44.分析模块，用于将设计模块传输的设计参数转换成有限元模型，将有限元分析结果发送到可视化模块。
45.分析模块自动将有限元分析结果和桥梁实时监测结果进行对比，在可视化模块进行展示。
46.分析模块可以将采集模块数据通过内置的分析逻辑，自动读取桥梁实时传回的数据，经过计算分析后向可视化模块发送数据。
47.分析模块，内置维修加固方案库，针对桥梁类型、跨度、材料，自动分析适合的数种方案，维修加固方案库分为维修和加固两大子方案库，对于维修方案库，采集模块的无人采集设备采集混凝土表面图像并将混凝土一定厚度表面扫描成三维实体，对比分析处理单元计算此厚度下的体积，与设计参数下的此部分体积取差值即可得到混凝土缺陷体积，工程造价单元以此为依据给出修补材料用量，根据人工每日工作量和工人数量给出施工期。
48.对于加固方案库，内设增大截面加固法、体外预应力加固法、粘贴加固法、增加辅助构件加固法、改变结构体系加固法。所述方案均调用有限元分析软件实行，加固方案库主要指令有增加钢筋数量、增加混凝土截面面积、增设体外预应力拉杆、混凝土外粘贴钢板、钢筋。加固方案库向有限元分析软件发送指令，根据不同方案添加不同材料和尺寸的加固材料，提取关键截面应力，根据在有限元软件中设置好的临界安全值，判断加固方案是否达到安全性能要求。工程造价单元以此为依据给出修补材料用量，根据人工每日工作量和工人数量给出施工期。
49.利用接口连接有限元分析软件，分析加固后的桥梁安全性能，使用者可随时对有限元分析模型进行适当检查修改，操作步骤随时记录到分析模块，分析模块动态调整维修加固方案。
50.分析模块根据桥梁服役年限达到规范要求或者维修加固方案库给出的方案不能实行时，则判断桥梁进入拆除阶段，判定拆除后，分析模块根据现有可视化模型计算出混凝土、钢筋、加固材料体积和重量，添加参与拆除的人工机具后，给出工期。
51.可视化模块，是用于将数据采集模块传回的数据和经过数据分析的结果通过适当的图表和三维立体桥梁图实时呈现出来。
52.实施例二
53.本实施例提供了一种基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生方法，本实施例以该方法应用于服务器进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于终端，还可以应用于包括终端和服务器和系统，并通过终端和服务器的交互实现。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云
服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务器、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务cdn、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、智能音箱、智能手表等，但并不局限于此。终端以及服务器可以通过有线或无线通信方式进行直接或间接地连接，本技术在此不做限制。本实施例中，该方法包括以下步骤：
54.步骤一，在设计阶段，设计人员利用bim软件进行正向设计，通过设计模块的bim软件接口，向设计模块输入桥梁各项设计参数，参数信息发送到可视化模块进行三维模型重建及可视化直观展示，可视化模块通过读取桥梁设计信息自动生成带有坐标的三维模型，同时，设计信息发送到分析模块，分析模块对桥梁模型进行有限元分析，出具分析报告，并通过可视化模块展示。
55.步骤二，在施工阶段，从搭建场地到完工交付，在现场搭建局域网络，布置监测仪器和设备，仪器设备连接局域网络，监测数据带有编码标识，通过网络实时上传到孪生系统的采集模块，采集模块将数据发送到分析模块，分析模块将数据进行加工并返回到可视化模块，可视化模块将数据呈现展示。
56.步骤三，在运营维护阶段，在桥梁安装监测设备，对车辆流量、重量、风速、湿度、挠度进行实时监控，引入无人机和水下机器人，实现日常巡检，监测数据通过网络上传分析模块和可视化模块，分析模块将接收的监测数据和步骤一中的有限元分析结果进行对比，对比结果发送到可视化模块。分析模块根据现有桥梁监测数据和有限元分析结果，对现有病害问题提供解决方案，对未来可能发生的病害问题进行预警。
57.步骤四，在维修加固阶段，分析模块针对出现的问题从方案库里选择数种维修加固方案，针对桥梁类型、跨度、材料，自动分析适合的数种方案，并分析各种方案材料用量、施工期，利用接口连接有限元分析软件，分析加固方案实施后的桥梁安全性能，出具维修加固方案报告，供使用者参考。
58.步骤五，在拆除阶段，分析模块根据桥梁服役年限、监测数据、预警系统，判断桥梁是否进入拆除阶段，判定拆除后，分析模块根据历史数据智能分析出建筑垃圾体量、工期，结果上传到可视化模块。
59.实施例三
60.本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例二所述的基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生方法中的步骤。
61.实施例四
62.本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例二所述的基于ai与多源信息融合的桥梁智慧时变孪生方法中的步骤。
63.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
64.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程
图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
65.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
66.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
67.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random accessmemory，ram)等。
68.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。