一种基于数字孪生的路面检测方法、系统及其构建方法

allin2022-08-01  146



1.本发明属于道路路面养护技术领域,具体涉及一种基于数字孪生驱动的路面检测系统及其构建方法。


背景技术:

2.随着经济快速发展,道路运输已经成为最主要的运输方式之一。巨大的交通量给道路设施带来了很大的压力,而路面作为直接接触车辆的部分经常遭到破坏,例如裂缝、车辙、坑槽等。这些路面破坏不仅减少路面使用寿命,还会降低道路运输效率、不能满足经济发展对交通的需求。因此,及时地进行路面检测和采取适时、正确的养护措施对于路面使用有重要的意义。
3.传统的路面检测存在以下问题:(1)检测周期长、耗费大量人力物力;(2)检测设备产生的数据普遍存在误差;(3)不能提前预测、判断是否会出现路面破坏现象;(4)由历史数据建立的路面检测静态模型随着路面投入使用会不断降低准确性,最后完全失效。


技术实现要素:

4.为解决现有道路检测方法误差大、周期长的问题,顺应智慧交通的趋势,实现实时路面信息更新、提前破坏预测的目标,本发明提供一种基于数字孪生技术的解决方案。数字孪生技术利用实时信息反馈结果和内在孪生体的计算信息进行比对,对路面可能出现的状况进行预测,及时采取恰当的养护措施,提高路面使用寿命,更好的适应经济发展对交通的要求。
5.为实现上述发明目的,本发明首先提供一种基于数字孪生的路面检测方法,其特征在于包括如下步骤:构建路面特征的数字孪生模型;利用物联网技术,根据实时路面信息自动更新数字孪生模型中的孪生路面信息;将实时路面信息和孪生路面信息对比,通过路面规则属性分析,预测出现路面破坏现象的可能性及路面破坏程度。
6.上述基于数字孪生的路面检测方法进一步可以包括如下步骤:基于可视化孪生服务显示实时路面信息及孪生路面信息显示实时路面信息及孪生路面信息。
7.本发明还提供了一种基于数字孪生的路面检测系统,其特征在于包括路面数字模块、路面状况更新模块、路面破坏预测模块、路面信息可视化模块;其中,所述路面数字模块用于构建路面特征的数字孪生模型;所述路面状况更新模块利用物联网技术,根据实时路面信息自动更新数字孪生模型中的孪生路面信息;所述路面破坏预测模块将实时路面信息
和孪生路面信息对比,通过规则属性分析,预测出现路面破坏现象的可能性及路面破坏程度;所述路面信息可视化模块提供可视化孪生服务,用于显示实时路面信息及孪生路面信息。
8.本发明还提供了上述基于数字孪生的路面检测系统的构建方法,其特征在于包括如下步骤:第一步,建立路面数字模块:利用道路设计cad图纸中的道路几何信息建立反映路面空间状况的路面几何特征模型;利用路面力学研究成果,借助建模软件对道路力学性质和道路对不同水温条件适应性进行动态的数学近似模拟,建立反映路面物理力学特征的路面物理特征模型;基于历史关联数据总结出来的规律,包括道路交通领域的标准与准则,建立路面规则属性模型;第二步,建立路面状况更新模块:建立数据在线更新模块,运用传感器物联网技术,在路面预设置传感器,并将检测到的信息通过物联网上传至系统中,实时更新系统数据;建立数字孪生模型更新模型,基于上述传感器上传的实时信息数据,孪生体更正数字孪生模型的数据;第三步,建立路面破坏预测模块:建立实时路面信息与孪生路面信息对比机制,将路面传感器采集的实时路面信息和孪生路面信息进行对比,如果对比分析结果是现实路面出现了预期的破坏,进一步分析路面在未来可能出现的破坏类型和严重程度;第四步:建立路面信息可视化模块:运用传感器和物联网技术,将传感器的数据、虚拟实体运行数据、路面信息对比机制结论以及给出的养护方案打包上传到pc软件端口,以简洁生动的形式进行展示,由此建立路面信息可视化模块,帮助专业人员方便快速准确地获取信息。
9.本发明有益效果:1、运用数字化手段,包括物联网、建模等手段来把实体道路的属性映射到虚拟空间孪生体中。
10.2、让路面检测更加全面,检测包括物理实体的属性、参数和运行状态等各方面,只有全面检测才能够精准分析和优化养护策略。相比之下,传统的测量方法成本高,效果也不够好。而使用数字孪生技术就能够快速检测,大量数据可以直接通过传感器采集,大大提升了测量的效率。
11.3、拥有更全面的分析和预测能力。本发明能够通过物联网的数据采集以及大数据处理来实现当前路面状态的分析和诊断,并且推断路面未来发展趋势,这样对于未来的道路养护决策能够提供有价值的参考数据。
附图说明
12.图1为本发明实施例二的路面检测数字孪生系统示意图;图2为本发明实施例二的路面检测数字孪生系统的规则属性中的路面相关专业先
验知识。
具体实施方式
13.实施例一一种基于数字孪生的路面检测方法,包括如下步骤:构建路面特征的数字孪生模型;利用物联网技术,根据实时路面信息自动更新数字孪生模型中的孪生路面信息;将实时路面信息和孪生路面信息对比,通过路面规则属性分析,预测出现路面破坏现象的可能性及路面破坏程度。
14.上述基于数字孪生的路面检测方法进一步可以包括如下步骤:基于可视化孪生服务显示实时路面信息及孪生路面信息显示实时路面信息及孪生路面信息。
15.其中,构建路面特征的数字孪生模型包括:利用建模软件根据道路设计cad图纸中的道路几何信息建立路面数字模块,用于反映路面空间状况;利用描述路面基本力学性质的模型组成路面物理特征模型,用于反映路面物理力学特征;根据道路交通领域相关理论和国家规范建立路面规则属性模型,用于反映路面规则属性,为路面规则属性分析提供理论支撑。
16.实施例二如图1所示,本实施例提供一种基于数字孪生的路面检测系统,包括路面数字模块、路面状况更新模块、路面破坏预测模块、路面信息可视化模块。其中,所述路面数字模块用于构建路面特征的数字孪生模型;所述路面状况更新模块利用物联网技术,根据实时路面信息自动更新数字孪生模型中的孪生路面信息;所述路面破坏预测模块将实时路面信息和孪生路面信息对比,通过路面规则属性分析,预测出现路面破坏现象的可能性及路面破坏程度;所述路面信息可视化模块提供可视化孪生服务,用于显示实时路面信息及孪生路面信息。
17.所述路面数字模块包含路面几何特征模型、路面物理特征模型、路面规则属性模型。其中,所述路面几何特征模型利用建模软件根据道路设计cad图纸中的道路几何信息建立,包含道路剖面组成、中央隔离带形态、路拱横坡、最小圆曲线半径、最小纵坡、最大坡长等指标,用于反映路面空间状况;所述路面物理特征模型由描述路面基本力学性质的模型组成,包括路面弯沉、沥青面层层底的拉应力、基层的层低拉应力、回弹弯沉值作等力学指标,用于反映路面物理力学特征;所述路面规则属性模型根据道路交通领域相关理论和国家规范建立,包括路面疲劳理论、路面相关国家规范标准、路面养护理论等理论知识,由这些先验知识为路面规则属性分析提供理论支撑。
18.路面数字模块是整个系统的基础,将实体路面的形状、力学特性以及未来可能出现的破坏现象进行数字化,在虚拟实体中投影出实体所有特性。本模块具有高还原、高精度的特点,从而可靠地还原道路实体。相较于传统模型,本模块依托传感器实现了虚实之间的交互,能实现动态变化,从保证实时地对实体道路的动态映射。
19.所述路面破坏预测模块根据路面传感器实时上传到系统中的实时路面信息及孪生体依据路面规则属性对孪生路面信息的超前发展,预测出实体路面未来可能出现的破坏情况及破坏程度。
20.所述路面规则属性模型由先验知识组成,包括路面疲劳性能分析、路面破坏现象分析、路面相关国家规范、路面养护相关理论。它的作用是为系统分析路面未来可能出现的病害提供理论支撑。
21.实施例三本实施例提供实施例二所述基于数字孪生的路面检测系统的构建方法,包括如下步骤:第一步骤,建立路面数字模块,利用道路设计图纸作为路面数字模块的数据来源,地面遥感数据作为后期监控的主要数据源。具体方法如下:首先建立反映路面空间状况的路面几何特征模型。利用道路设计cad图纸中的道路几何信息,如路面高程、平纵横信息来构建路面几何模型,另外可以用city engine中的cga贴图技术区分沥青和水泥两种路面类型。在路面几何特征模型建立后,利用地面遥感数据作为模型更新的数据源,保证虚拟模型与实体路面几何模型时刻保持一致。其次建立反映路面物理力学特征的路面物理特征模型,利用已经取得的路面力学研究成果,借助建模软件对道路力学性质和道路对不同水温条件适应性进行动态的数学近似模拟,建立反映路面物理力学特征的路面物理特征模型。
22.最后建立路面规则属性模型,该模型属于先验知识模块,它是基于历史关联数据总结出来的规律,包括道路交通领域的相关标准与规范,如路面疲劳性能分析、路面破坏现象分析、路面工程相关国家规范、路面养护相关理论等先验知识(附图2)。另外,赋予规则属性模型人工智能的功能,随着道路使用时间增加而自学习、自演化,能够自主总结路面破坏经验,并将经验增加到模型中去,为后面实现检测路面实际状况、预测路面破坏的模块打下基础。
23.第二步骤,建立路面状况更新模块,方法如下:首先建立数据在线更新模块,运用传感器物联网技术,在路面预设置传感器。传感器能真实、准确地实时检测实时路面信息如应力、应变、位移等,并将检测到的信息通过物联网上传至系统中,实时更新系统数据。
24.其次,建立数字孪生模型更新模型。基于路面传感器上传的实时路面信息,实时更新数字孪生模型的数据。同时,上传的实时路面信息输入路面数字模块中的路面规则属性模型,所述实时路面信息包括路面沥青混合料稳定度、路面平整度、路面车辙深度、路基路面的回弹模量等路面状况实体检测指标,路面规则属性模型将路面状况实体检测指标与孪生体运算得到的对应的虚拟实体指标进行对比,如果路面状况实体检测指标与对应的虚拟实体指标相差较大,触发路面规则属性模型运用路面疲劳理论、路面相关国家规范标准、路面养护理论等先验知识进行分析,准确评估实体道路状况和修正虚拟实体运行程序,将数字孪生模型中之前运算有误或者已经失效的数据删除,并同时上传新的实体检测指标。
25.由此路面状况更新模块建立,形成路面检测系统逻辑闭环。第三步骤,建立路面破坏预测模块,方法如下:首先将路面传感器检测的信息上传到孪生体中,其次,通过路面数字模块中的路
面规则属性模型建立实时路面信息与孪生路面信息对比机制。系统将实时信息和孪生信息进行对比,当出现路面性能指标与同步运行的虚拟实体中运行的指标不同时,触发路面破坏预测模块中的规则属性对比机制。如果对比分析结果是现实路面出现了预期的破坏,系统介入分析出路面在未来可能出现的破坏类型和严重程度。如果是虚拟实体运行数据出现错误,系统人工智能会重新调整虚拟实体运行参数并提醒工作人员校准系统参数。
26.第四步骤,建立路面信息可视化模块,方法如下:运用传感器和物联网技术,将传感器的数据、虚拟实体运行数据、路面信息对比机制结论以及给出的养护方案打包上传到pc软件端口,以简洁生动的形式如运行动画、动态图表等进行展示,帮助专业人员方便快速准确地获取信息。本模块作为一种孪生服务帮助专业人员对路况实时监测,对路面状况未来发展有更准确的判断;其次当规则模型由于各种原因发生孪生系统误判,由专业人员及时校正系统,更新规则模型、加强对比机制的科学性、提高系统运行结果的有效性。

技术特征:
1.一种基于数字孪生的路面检测方法,其特征在于包括如下步骤:构建路面特征的数字孪生模型;利用物联网技术,根据实时路面信息自动更新数字孪生模型中的孪生路面信息;将实时路面信息和孪生路面信息对比,通过路面规则属性分析,预测出现路面破坏现象的可能性及路面破坏程度。2.如权利要求1所述的基于数字孪生的路面检测方法,其特征在于还包括如下步骤:基于可视化孪生服务显示实时路面信息及孪生路面信息显示实时路面信息及孪生路面信息。3.一种基于数字孪生的路面检测系统,其特征在于包括路面数字模块、路面状况更新模块、路面破坏预测模块、路面信息可视化模块;其中,所述路面数字模块用于构建路面特征的数字孪生模型;所述路面状况更新模块利用物联网技术,根据实时路面信息自动更新数字孪生模型中的孪生路面信息;所述路面破坏预测模块将实时路面信息和孪生路面信息对比,通过路面规则属性分析,预测出现路面破坏现象的可能性及路面破坏程度;所述路面信息可视化模块提供可视化孪生服务,用于显示实时路面信息及孪生路面信息。4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的路面检测系统,其特征在于所述路面数字模块包含路面几何特征模型、路面物理特征模型及路面规则属性模型;其中,所述路面几何特征模型利用建模软件根据道路设计cad图纸中的道路几何信息建立,用于反映路面空间状况;所述路面物理特征模型由描述路面基本力学性质的模型组成,用于反映路面物理力学特征;所述路面规则属性模型根据道路交通领域的相关标准与规范建立,用于反映路面规则属性。5.根据权利要求3所述的基于数字孪生的路面检测系统,其特征在于所述路面破坏预测模块根据路面传感器实时上传至系统中的实时路面信息及孪生体依据路面规则属性对孪生路面信息的超前发展,预测出实体路面未来可能出现的破坏情况及破坏程度。6.根据权利要求4所述的基于数字孪生的路面检测系统,其特征在于所述路面规则属性模型由先验知识组成,用于提供基于历史关联数据总结出来的规律,包括道路交通领域的相关标准与规范。7.如权利要求3所述基于数字孪生的路面检测系统的构建方法,其特征在于包括如下步骤:第一步,建立路面数字模块:利用道路设计cad图纸中的道路几何信息建立反映路面空间状况的路面几何特征模型;利用路面力学研究成果,借助建模软件对道路力学性质和道路对不同水温条件适应性进行动态的数学近似模拟,建立反映路面物理力学特征的路面物理特征模型;基于历史关联数据总结出来的规律,包括道路交通领域的标准与准则,建立路面规则属性模型;第二步,建立路面状况更新模块:建立数据在线更新模块,运用传感器物联网技术,在路面预设置传感器,并将传感器检测到的实时路面信息通过物联网上传至系统中,实时更新系统数据;建立数字孪生模型更新模型,基于传感器上传的实时路面信息,实时更新数字孪生模
型的数据;第三步,建立路面破坏预测模块:建立实时路面信息与孪生路面信息对比机制,将实时路面信息和孪生路面信息进行对比,根据孪生体依据路面规则属性对孪生路面信息的超前发展,判断实体路面是否会出现预期的破坏,如果会出现预期的破坏,则进一步分析实体路面在未来可能出现的破坏类型和严重程度;第四步:建立路面信息可视化模块:运用传感器和物联网技术,将实时路面信息数据、孪生路面信息数据、实时路面信息与孪生路面信息对比机制产生的结论打包上传到pc软件端口,以简洁生动的形式进行展示,由此建立路面信息可视化模块,帮助专业人员方便快速准确地获取信息。8.如权利要求7所述基于数字孪生的路面检测系统的构建方法,其特征在于当所述路面规则属性模型由于各种原因发生孪生系统误判,由专业人员及时校正系统。9.如权利要求7所述基于数字孪生的路面检测系统的构建方法,其特征在于所述路面规则属性模型具有人工智能功能,随着道路使用时间增加而自学习、自演化,自主总结路面破坏经验,并将经验增加到模型中去。10.如权利要求7所述基于数字孪生的路面检测系统的构建方法,其特征在于当实体路面信息与孪生路面信息不同时,触发规则属性对比机制,将路面传感器实时上传的实体路面信息与孪生路面信息进行对比,当路面状况实体检测指标与孪生体运算得到的对应的虚拟实体指标出现较大差异时,运用先验知识进行分析,评估实体道路状况和修正虚拟实体运行程序,形成路面检测系统逻辑闭环。

技术总结
本发明公开一种基于数字孪生的路面检测方法、系统及其构建方法,所述路面检测系统包括路面数字模块、路面状况更新模块、路面破坏预测模块、路面信息可视化模块。路面数字模块:用于构建路面的几何特征、物理特征、先验经验的数字孪生模块。路面信息实时更新模块:运用路面传感器的物联网技术,自动更新路面的几何、物理特征等动态信息。道路破坏预测模块:获取最新的数据后利用路面规则特征进行计算处理,判断数字孪生模型的计算值与实时路面信息是否一致,预测是否会出现路面破坏现象及其破坏程度。路面信息可视化模块:属于孪生服务,在pc软件端口实时显示路面动态信息及道路孪生模块输出的数据,辅助专业人员人工修正道路破坏预测模块可能出现的误判,提高整个系统检测的准确率。的准确率。的准确率。


技术研发人员:尹宇锋 尹朝恩
受保护的技术使用者:南京工业大学
技术研发日:2022.03.23
技术公布日:2022/7/5
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