一种监测市政工程地下管道系统安全服役性能的方法

1.本发明涉及市政工程技术领域，特别涉及一种监测市政工程地下管道系统安全服役性能的方法。


背景技术：

2.城市地下管线是指城市范围内供水、排水、燃气、热力、电力、通信、广播电视、工业等管线及其附属设施，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。地下管线对于一个城市而言非常重要，其对城市的稳步发展与延续起到了关键的作用。地下管线的发展直接涉及到城市的整体发展水平、社会稳定以及城市化的发展进程，因此城市地下管线管理已成为城市建设中的一项重要措施。
3.庞大的城市供排水管网系统在高速建设发展的同时，也面临诸多问题与挑战，尤其是其安全运行形势严峻，城市供排水管网日常运行中发生泄漏、爆管、塌陷、服务中断及系统瘫痪等问题突出，同时，管网系统一旦遭遇极端天气变化、外界第三方活动和地震、冰冻等自然灾害，管网系统将会发生严重的问题甚至影响整个城市运行安全，因此监测诊断管道健康状态具有十分重要的现实意义和应用价值。在现有地下管道健康监测技术过程中，普遍需要大量的人力到检查井处进行监测。例如采用cctv(中央控制工业管道内窥摄像)技术对管线进行影像拍摄时，需要打开两侧井口后操作管道cctv检测系统对管道内部进行影像拍摄。不仅流程繁琐，并且管道cctv检测设备有较强的专业性，需要专业人员操作。更有些管道需要人员下井检查，费时费力，有的情况还需要开挖检查，成本过大。
4.利用混合现实技术监测市政工程中地下管道系统安全服役性能，不仅操作简便，而且可适应多种工程情况，减少日常监测成本。因此，开发一种设计流程清晰、基于混合现实优势、操作工艺简单、成本低和可以城市级开展使用的市政工程中地下管道系统安全服役性能的井上便捷式监测方法具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种监测市政工程地下管道系统安全服役性能的方法，以解决现有地下管道健康监测技术普遍需要大量的人力到检查井处进行监测，流程繁琐，费时费力，有的情况还需要开挖检查，成本过大的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
7.一方面，本发明提供了一种监测市政工程地下管道系统安全服役性能的方法，该监测市政工程地下管道系统安全服役性能的方法包括：
8.在市政工程地下管道图纸设计阶段，对管道系统进行三维建模，得到管道系统模型，并对管道系统进行信息标记，将标记信息存入信息库；
9.在地下管道的施工阶段，以管道系统的各个组成部分为对象，按中轴线方向沿管壁布置方位传感器，然后按照图纸与实际埋设位置进行标定后埋管；
10.对所述管道系统模型基于游戏引擎进行交互式开发，使其具备空间计算能力，得
到混合现实交互式模型；
11.基于所述信息库，将所述混合现实模型锚定到真实的管道系统；
12.将所述传感器所采集的数据上传至云计算平台进行计算和处理，将头戴式混合现实空间计算机连接到云计算平台，按单位时间(秒)内的数据量加载传感器数据，并展现混合现实的管道形态，实现地上工作者对地下管道安全服役性能的实时监测。
13.进一步地，所述标记信息包括管道系统各组成部分的编号、尺寸、材质以及位置信息；其中，所述管道系统各组成部分包括管道，检查井以及连接件。
14.进一步地，所述管道系统模型通过bim_revit或者3dsmax软件建立。
15.进一步地，所述信息库采用mysql或mongodb数据库构建。
16.进一步地，所述按中轴线方向沿管壁布置方位传感器，包括：
17.按管道中轴线方向每隔30cm～80cm沿管壁布置等间隔30
°
～60
°
环形方位传感器4～8个；所述传感器包括温度传感器、光敏传感器和压电传感器中的一种或多种的组合。
18.进一步地，对所述管道系统模型进行模型的交互式开发，包括：
19.将所述管道系统模型以标准格式导入游戏开发引擎，在添加材质和模型轻量化后，基于c#编程语言的混合现实工具包进行模型的交互式开发。
20.进一步地，所述标准格式包括fbx和ifc两种文件格式；
21.所述游戏开发引擎利用unity或unreal engine进行开发。
22.进一步地，基于所述信息库，将混合现实模型锚定到真实的管道系统，包括：
23.将所述混合现实交互式模型与所述信息库进行校核，在保证误差处于预设误差范围内的情况下，确定实际空间位置，并将所述混合现实模型锚定到真实的管道系统；其中，所述预设误差范围为5mm～15mm。
24.进一步地，所述头戴式混合现实空间计算机与云计算平台使用socket套接字通信方式连接。
25.进一步地，混合现实空间计算机以每秒500～1000值进行数据提取与计算加载。
26.再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
27.又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现上述方法。
28.本发明提供的监测市政工程地下管道系统安全服役性能的方法在云计算的基础上利用多维的和先进的混合现实开发技术与传感器物联网对市政工程地下管道在投入使用后，进行实时现场监测与空间交互，为地下管道的检查方面提供了一种新的非开挖或下井式监测技术支持。其带来的有益效果至少包括：
29.1、本发明的工艺流程简单易懂，成本低，实用性高，维护性强，推广潜力大，可大规模使用，实现产业化。
30.2、本发明的地下管道监测技术与现有技术相比，可以实现非开挖或下井式实时监测的功能，减少工作人员的工作负担，并且在工作人员不下井检查的前提下，提高工作人员的健康保障。
31.3、本发明在传感器布置方面，数量少于满布式传感器布置方式，由于管道具有明显的应变场，使得本发明传感器布置方式所得数据结果更加精准，减少施工成本。
32.4、本发明提供的工艺可以为地下空间不可视结构的多维感知提供启发。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
34.图1是本发明实施例提供的监测市政工程地下管道系统安全服役性能的方法的执行流程示意图；
35.图2是本发明实施例提供的监测市政工程地下管道系统安全服役性能的方法的管道传感器布置示意图；其中，(a)为管壁环形传感器布置(横截面)示意图，(b)为管道内外传感器布置(俯视)示意图；
36.图3是本发明实施例提供的传感器数据与混合现实模型的数字孪生机理图；
37.图4是本发明实施例提供的监测市政工程地下管道系统安全服役性能的方法的现场应用图。
38.附图标记说明：
39.1、光纤采集仪接口；2、应变片；3、光纤传感器；
40.4、地下管道监测系统的混合现实数据显示面板；
41.5、混合现实的检查井内部结构模型；6、真实的市政工程检查井。
具体实施方式
42.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
43.本发明提供了一种利用混合现实技术监测市政工程中地下管道系统安全服役性能的方法，该方法可以由电子设备实现，其执行流程如图1所示，包括：
44.s1，在市政工程地下管道图纸设计阶段，对管道系统进行三维建模，得到管道系统模型，并对管道系统进行信息标记，将标记信息存入信息库；
45.其中，标记信息包括管道系统各组成部分的编号、尺寸、材质以及位置信息；其中，所述管道系统各组成部分包括管道，检查井以及连接件。
46.管道系统模型通过bim_revit或者3dsmax软件建立。
47.信息库采用mysql或mongodb数据库构建。
48.所述地下管道为任意一种或几种具有排水，排污和排气能力的地下管道。
49.s2，在地下管道的施工阶段，以管道系统各组成部分为对象，按中轴线方向沿管壁布置方位传感器，然后按照图纸与实际埋设位置进行标定后埋管；
50.具体地，按中轴线方向沿管壁布置环形方位传感器为：按管道中轴线方向每隔30cm～80cm沿管壁布置等间隔30
°
～60
°
环形方位传感器4～8个，并在埋管前调试传感器的灵敏度；其中，传感器包括温度传感器、光敏传感器和压电传感器。
51.s3，对所述管道系统模型基于游戏引擎进行交互式开发，使其具备空间计算能力，得到混合现实交互式模型；
52.具体地，对管道系统模型进行模型的交互式开发为：将所述管道系统模型以标准格式导入游戏开发引擎，在添加材质和模型轻量化后，基于c#编程语言的混合现实工具包进行模型的交互式开发。其中，所述标准格式包括fbx和ifc两种文件格式；所述游戏开发引擎利用unity或unreal engine进行开发。
53.s4，基于所述信息库，将所述混合现实模型锚定到真实的管道系统；
54.具体地，上述s4为：将所述混合现实交互式模型与所述信息库进行校核，在保证误差处于预设误差范围内的情况下，确定实际空间位置，并将所述混合现实模型锚定到真实的管道系统；其中，所述预设误差范围为5mm～15mm。
55.s5，将传感器所采集的数据上传至云计算平台进行计算和处理，将头戴式混合现实空间计算机连接到云计算平台，按每秒的数据量加载传感器数据，并展现混合现实的管道形态，实现地上工作者对地下管道安全服役性能的实时监测。
56.其中，所述头戴式混合现实空间计算机与云计算平台使用socket套接字通信方式连接。混合现实空间计算机以每秒500～1000值进行数据提取与计算加载。
57.管道沿管壁内外布置传感器如图2所示。
58.传感器数据与混合现实模型的数字孪生机理如图3所示。
59.本发明现场应用如图4所示。
60.下面以具体实施例对本发明方法的实施过程进行详细说明。
61.实施例1
62.s1，在市政工程地下管道图纸设计阶段，利用bim技术进行管道系统建模与信息的标记，标记内容包括：管道、检查井和连接件的编号、尺寸和材质；
63.s2，在地下管道的施工阶段，按中轴线方向每隔30cm沿管壁布置等间隔30
°
环形方位4个等间距传感器，并在埋管前调试传感器的灵敏度，按照图纸与实际埋设位置进行标定后埋管；
64.s3，将s1中的模型信息以标准模型fbx格式导入unity或者unreal engine游戏开发引擎，在添加材质和模型轻量化后，基于c#编程语言的混合现实工具包进行模型交互式开发，使其具备空间计算能力；
65.s4，将s3中的混合现实交互式模型与s1中的信息库进行校核，在合理误差范围(15mm)内确定实际空间位置并将混合现实模型锚定到真实的管道系统；
66.s5、将s2中传感器所采集的数据上传至云端服务器进行计算和处理，通过socket数据通信接口将头戴式混合现实空间计算机连接到云计算平台，加载传感器数据，以每秒500个值进行数据提取，并展现混合现实的管道形态，实现地上工作者对地下管道安全服役性能的实时监测。
67.实施例2
68.s1，在市政工程地下管道图纸设计阶段，利用bim技术进行管道系统建模与信息的标记，标记内容包括：管道、检查井和连接件的编号、尺寸和材质；
69.s2，在地下管道的施工阶段，按中轴线方向每隔50cm沿管壁布置等间隔45
°
环形方位传感器6个，并在埋管前调试传感器的灵敏度，按照图纸与实际埋设位置进行标定后埋管；
70.s3，将s1中的模型信息以标准模型ifc格式导入unity或者unreal engine游戏开
发引擎，在模型轻量化后，基于c#编程语言的混合现实工具包进行模型交互式开发，使其具备空间计算能力；
71.s4，将s3中的混合现实交互式模型与s1中的信息库进行校核，在合理误差范围(10mm)内确定实际空间位置并将混合现实模型锚定到真实的管道系统；
72.s5，将s2中传感器所采集的数据，上传至云端服务器进行计算和处理，通过socket数据通信接口将头戴式混合现实空间计算机连接到云计算平台，加载传感器数据，以每秒800个值进行数据提取，并展现混合现实的管道形态，实现地上工作者对地下管道安全服役性能的实时监测。
73.实施例3
74.s1，在市政工程地下管道图纸设计阶段，利用3dsmax加数据库技术进行管道系统建模与信息的标记，标记内容包括：管道、检查井和连接件的编号、尺寸和材质；
75.s2，在地下管道的施工阶段，按中轴线方向每隔80cm沿管壁布置等间隔60
°
环形方位传感器8个，并在埋管前调试传感器的灵敏度，按照图纸与实际埋设位置进行标定后埋管；
76.s3，将s1中的模型信息以标准模型fbx格式导入unity或者unreal engine游戏开发引擎，在添加材质和模型轻量化后，基于c#编程语言的混合现实工具包进行模型交互式开发，使其具备空间计算能力；
77.s4，将s3中的混合现实交互式模型与s1中的信息库进行校核，在合理误差范围(5mm)内确定实际空间位置并将混合现实模型锚定到真实的管道系统；
78.s5，将s2中传感器所采集的数据，上传至云端服务器进行计算和处理，通过socket数据通信接口将头戴式混合现实空间计算机连接到云计算平台，加载传感器数据，以每秒1000个值进行数据提取，并展现混合现实的管道形态，实现地上工作者对地下管道安全服役性能的实时监测。
79.综上，本发明提供了一种新型的地下管道系统安全服役性能的监测技术，而且从地下管道的设计阶段到施工阶段再到使用阶段的服役监测开发了一种新的施工工艺，为地下管道监测技术的发展提供了新的观点和启发，也为地下空间结构的监测提供了一种新的方法。具有较好的实用性和经济性。
80.再一方面，本发明还提供了一种电子设备，其包括处理器和存储器；其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，cpu)和一个或一个以上的存储器，其中，存储器中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行上述方法。
81.又一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行，以实现上述方法。其中，该计算机可读存储介质可以是rom、随机存取存储器、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。其内存储的指令可由终端中的处理器加载并执行上述方法。
82.此外，需要说明的是，本发明可提供为方法、装置或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例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
储介质上实施的计算机程序产品的形式。
83.本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(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、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端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终端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。
84.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终端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。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终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端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终端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。
85.还需要说明的是，在本文中，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、物品或者终端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、物品或者终端设备所固有的要素。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、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
86.最后需要说明的是，以上所述是本发明优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。