基于数字孪生的城市轨道交通工程监测系统及方法与流程

本发明涉及城市轨道交通工程监测，尤其是涉及基于数字孪生的城市轨道交通工程监测系统及方法。

背景技术：

1、城市轨道交通工程是城市重要节点，城市轨道交通工程监测技术规范旨在规范城市轨道交通工程的监测活动，确保工程建设和运营过程中的安全性、可靠性和效益。本规范适用于城市轨道交通工程监测的各个环节，包括施工监测、运营监测和维修监测。

2、目前，城市轨道交通工程监测可以采用多种方法和技术手段进行。根据不同的监测内容和要求，可以选择适当的监测方法。常用的监测方法包括以下几种：

3、传感器监测：使用传感器和测量仪器进行实时监测，如加速度计、温度传感器等；

4、数据处理和分析：通过采集的数据进行处理和分析，得出相关指标和结论；

5、图像监测：使用摄像机等图像采集设备对工程进行实时图像监测。

6、信号监测：对各个信号进行监测，包括通信信号、安全信号等。

7、无论是哪种监测手段，其只能实现固定式的监测，工作人员只能通过数据和画面自行判断城市轨道交通工程是否出现异常。

8、因此如何将数字孪生技术应用在城市轨道交通工程监测领域，构建一个与城市轨道交通物理世界相同的数字世界，与真实场景同步仿真运行，实时向工作人员动态展示城市轨道交通工程的监测系统是亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供基于数字孪生的城市轨道交通工程监测系统及方法。采用如下的技术方案：

2、基于数字孪生的城市轨道交通工程监测系统，包括用于测量城市轨道交通工程基准监测点的变形测量单元、用于拍摄交通信号灯实时画面的交通信号灯视觉画面获取单元、用于与交管部门通信交互的交通信号灯控制信号的交通信号灯控制指令获取单元、监测数据分析单元、数字孪生模型生成单元和基于数字孪生的交互显示单元，每个城市轨道交通目标建筑物均设有多个形变检测点，变形测量单元包括多个位置传感器、测绘无人机和基于芯片的测量控制器，多个位置传感器分别对准多个形变检测点，测量控制器控制测绘无人机按照设定巡检周期对目标建筑物进行视觉巡检，多个位置传感器和测绘无人机的数据输出端分别与监测数据分析单元通信连接交互监测数据，交通信号灯视觉画面获取单元和交通信号灯控制指令获取单元分别与监测数据分析单元通信连接，监测数据分析单元基于多个位置传感器和测绘无人机的监测数据生成多个目标建筑物的数字模型数据和形变检测点数据；监测数据分析单元根据交通信号灯视觉画面获取单元的交通信号灯实时画面数据和位置数据生成实际交通信号灯数字模型数据，根据交通信号灯控制指令获取单元的交通信号灯控制信号生成控制端交通信号灯数字模型数据，若控制端交通信号灯数字模型数据与实际交通信号灯数字模型数据一致，则向数字孪生模型生成单元输出校验后交通信号灯数字模型数据，反之输出实际交通信号灯数字模型数据，并在实际交通信号灯数字模型数据上增加交通信号灯异常提示数据；

3、数字孪生模型生成单元与监测数据分析单元交互数据，并生成城市轨道交通工程全局数字孪生模型，城市轨道交通工程全局数字孪生模型设有多个监测变化点，交互显示单元与数字孪生模型生成单元通信交互城市轨道交通工程全局数字孪生模型，并基于多个监测变化点进行动态展示。

4、通过采用上述技术方案，具体的，采用变形测量单元的测绘无人机获得目标城市轨道交通工程的各个建筑物及交通信号灯的初始物理实体三维数据，再通过测绘无人机的周期性巡检，例如每隔12小时进行巡检，来获取目标城市轨道交通工程的整体物理实体三维数据，监测数据分析单元会对物理实体三维数据的变化进行分析，从而在生成数字孪生模型时进行参数化的变动，但是从空中进行三维扫描存在很多盲区，采用多个位置传感器来一对一地分别多个形变检测点来进行更加精细的数据测量，能为后续的数字孪生模型提供更加精准的多个形变检测点数据，对于多个形变检测点的选择一般是采用人工选择的方式，例如火车站的形变检测点可以是大厅支撑柱的顶部和底部、站台的支撑柱顶部和底部等位置，这些形变检测点的数据可以后续直接标注在数字孪生模型上，或者通过触控显示，使工作人员更加清楚地了解这些重点部分的形变；

5、对于交通信号灯这个城市轨道交通工程的重要元素，采用两种渠道获取数据，一是交通信号灯视觉画面获取单元采用视觉的方式直接拍摄画面，可以得到交通信号灯的信号灯显示数据，二是通过交通信号灯控制指令获取单元与交管部门通信获得交通信号灯的控制指令，若出现信号灯显示与控制指令不符，则应当在后续的数字孪生模型上显示实际的交通信号灯模拟画面，同时进行交通信号灯异常提示数据的提示，能够使工作人员迅速了解目标城市轨道交通工程中信号灯的异常情况。

6、可选的，测量控制器包括控制芯片、存储器和多路测量数据采集器，所述控制芯片分别控制多个位置传感器和测绘无人机的执行动作，多路测量数据采集器分别与多个位置传感器通信连接，当测绘无人机降落时通过数据线与多路测量数据采集器通信连接，多路测量数据采集器的数据输出端与存储器通信连接，存储器与监测数据分析单元通信连接。

7、通过采用上述技术方案，测量控制器主要基于控制芯片的控制指令集实现，多路测量数据采集器可以实现多路数据采集，能对多个位置传感器和测绘无人机的数据采集并存储在存储器。

8、可选的，交通信号灯视觉画面获取单元包括多个视觉相机和多个支架，所述多个视觉相机分别通过多个支架安装在交通信号灯正前方，拍摄交通信号灯的实时画面，并与监测数据分析单元交互交通信号灯的实时画面数据。

9、通过采用上述技术方案，交通信号灯视觉画面获取单元直接采用一对一的视觉相机拍摄来获得交通信号灯的画面，通过该画面可以后续采用简单的视觉识别算法就可以实现对交通信号灯状态的识别。

10、可选的，交通信号灯控制指令获取单元是网络通信模块，与城市轨道交通工程所在地交管部门通信交互交通信号灯控制指令。

11、通过采用上述技术方案，通常有权限对城市轨道交通工程进行监测的单位属于管理单位，因此可以与城市轨道交通工程所在地交管部门交互交通信号灯控制指令，不存在权限问题，获取交通信号灯控制指令可以作为交通信号灯状态是否正常的检测标准。

12、可选的，监测数据分析单元包括视觉分析芯片、数据分析芯片、数据存储器和模型数据生成计算机，所述数据存储器分别与存储器、多个视觉相机和交通信号灯控制指令获取单元通信连接，所述视觉分析芯片、数据分析芯片和模型数据生成计算机分别与数据存储器通信连接。

13、通过采用上述技术方案，监测数据分析单元采用视觉分析芯片进行视觉分析，采用数据分析芯片对大量参数进行数据处理分析，模型数据生成计算机对处理后的数据生成数字模型数据。

14、可选的，数字孪生模型生成单元是数字孪生ai服务器，数字孪生模型生成单元预装建模与仿真软件。

15、通过采用上述技术方案，数字孪生ai服务器可以实现基于高效数字模型数据和动态显示数据高效地生成目标城市轨道交通工程全局数字孪生模型；

16、数字孪生ai服务器可以是基于nvidia omniverse所开发的创新数字孪生平台ai服务器。

17、可选的，交互显示单元是触控显示器。

18、通过采用上述技术方案，触控显示器可以显示目标城市轨道交通工程全局数字孪生模型，同时提供基于多个监测变化点的触控显示点，工作人员可以触控进行更加细致的参数显示。

19、基于数字孪生的城市轨道交通工程监测方法，采用基于数字孪生的城市轨道交通工程监测系统对目标城市轨道交通工程进行监测，包括以下步骤：

20、步骤1，控制芯片控制测绘无人机对目标城市轨道交通工程的多个目标建筑物和多个交通信号灯进行初次三维扫描，获得物理实体三维数据；

21、步骤2，根据目标建筑物的设计数据，在目标建筑物的物理实体三维数据上人工标注多个形变检测点，并在多个形变检测点处分别设置多个位置传感器；

22、步骤3，控制芯片控制测绘无人机每隔12小时，对目标城市轨道交通工程的多个目标建筑物和多个交通信号灯进行巡检扫描，得到巡检扫描数据，多个视觉相机拍摄多个交通信号灯的实际画面数据；

23、步骤4，监测数据分析单元基于步骤1的物理实体三维数据和步骤的多个形变检测点生成多个目标建筑物的数字模型数据和形变检测点数据，基于多个交通信号灯的实际画面数据生成多个交通信号灯数字模型数据；

24、根据交通信号灯控制指令获取单元的交通信号灯控制信号生成控制端交通信号灯数字模型数据；

25、将控制端交通信号灯数字模型数据与实际交通信号灯数字模型数据进行信号灯状态比对，若控制端交通信号灯数字模型数据与实际交通信号灯数字模型数据信号灯状态一致则向数字孪生模型生成单元输出校验后交通信号灯数字模型数据；反之输出实际交通信号灯数字模型数据，并在实际交通信号灯数字模型数据上增加交通信号灯异常提示数据；

26、步骤5，数字孪生模型生成单元实时生成目标城市轨道交通工程的数字模型；

27、步骤6，交互显示单元基于多个监测变化点进行动态数字孪生模型展示。

28、可选的，步骤4中，交通信号灯异常提示数据包括采用虚线标红显示的控制端交通信号灯数字模型数据和信号灯时间差值数据。

29、可选的，步骤6中动态数字孪生模型展示的监测变化点包括多个形变检测点参数的变化展示和交通信号灯异常提示数据变化展示。

30、综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

31、本发明能提供基于数字孪生的城市轨道交通工程监测系统及方法，采用变形测量单元的测绘无人机获得目标城市轨道交通工程的各个建筑物及交通信号灯的初始物理实体三维数据，再通过测绘无人机的周期性巡检，来获取目标城市轨道交通工程的整体物理实体三维数据，监测数据分析单元对物理实体三维数据的变化进行分析，从而在生成数字孪生模型时进行参数化的变动，采用多个位置传感器来一对一地分别多个形变检测点来进行更加精细的数据测量，为后续的数字孪生模型提供更加精准的多个形变检测点数据，对使工作人员更加清楚地了解这些重点部分的形变；

32、对于交通信号灯采用两种渠道获取数据，一是交通信号灯视觉画面获取单元采用视觉的方式直接拍摄画面得到交通信号灯的信号灯显示数据，二是通过交通信号灯控制指令获取单元与交管部门通信获得交通信号灯的控制指令，若出现信号灯显示与控制指令不符，则应当在后续的数字孪生模型上显示实际的交通信号灯模拟画面，同时进行交通信号灯异常提示数据的提示，能够使工作人员迅速了解目标城市轨道交通工程中信号灯的异常情况；

33、旨在将数字孪生技术应用在城市轨道交通工程监测领域，构建一个与城市轨道交通物理世界相同的数字世界，与真实场景同步仿真运行。通过研发一套基于数字孪生技术的城市轨道交通工程智能化监测系统，并开展示范应用与成果转化，实现对地铁线路、车站、地层、结构、周边环境等全对象全过程全要素的数字映射、智能模拟、前瞻预演，及时发现问题、优化调度，最终达到安全风险提前发现、预警提前发布、方案提前制定、措施提前实施的目的，为城市轨道交通工程建设与运维提供智能化、科学化、精细化的安全保障。