隧道结构健康管理大数据平台研发及应用.pdf
《隧道结构健康管理大数据平台研发及应用.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《隧道结构健康管理大数据平台研发及应用.pdf(13页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、引用格式:王华,路耀邦,冯国峰,等.隧道结构健康管理大数据平台研发及应用J.隧道建设(中英文),2023,43(8):1425.WANG Hua,LU Yaobang,FENG Guofeng,et al.Development and application of big data platform for tunnel structure health managementJ.Tunnel Construction,2023,43(8):1425.收稿日期:2023-01-03;修回日期:2023-07-03第一作者简介:王华(1977),男,江西萍乡人,2010 年毕业于西南交通大学,地
2、质工程专业,博士,教授级高级工程师,现从事地质勘察、隧道超前地质预报及隧道设计管理工作。E-mail:whua97 。隧道结构健康管理大数据平台研发及应用王 华1,2,3,路耀邦4,冯国峰1,2,3,王百泉1,2,3,林春刚1,2,3,闫 贺1,2,3(1.中铁隧道局集团有限公司,广东 广州 511458;2.广东省隧道结构智能监控与维护企业重点实验室,广东 广州 511458;3.中铁隧道勘察设计研究院有限公司,广东 广州 511458;4.中铁云网信息科技有限公司,北京 100160)摘要:为有效提高隧道管养效率,在总结提炼隧道内部与表观病害类型的基础上,采用 Spring Boot+My
3、Batis Plus 架构,应用分布式的 Redis 和 MySQL 部署开发技术研发隧道结构健康管理大数据平台,并从设备管理、病害管理、大数据智能分析处理等方面进行现场应用。结果表明:1)研发出的隧道结构健康管理大数据平台能够满足对常见病害数据进行管理展示的功能要求,且界面简洁友好、使用简单方便,实现了隧道病害由传统的依据经验判断到依托数据进行科学决策的转变;2)该平台基于神经网络模型,实现了隧道表观病害的智能识别,减小了病害识别方面对人工的依赖;3)该平台支持通过 PC 端或移动端对病害信息进行多维度查询,解决了以前隧道病害信息获取滞后且查阅不便的问题。关键词:铁路隧道;病害检测;大数据平
4、台;病害预测DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.08.017文章编号:2096-4498(2023)08-1425-13中图分类号:U 45 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):D De ev ve el lo op pm me en nt t a an nd d A Ap pp pl li ic ca at ti io on n o of f B Bi ig g D Da at ta a P Pl la at tf fo or rm m f fo or r T Tu un nn ne el l S St tr ru uc ct tu ur r
5、e e H He ea al lt th h MMa an na ag ge em me en nt t WANG Hua1,2,3,LU Yaobang4,FENG Guofeng1,2,3,WANG Baiquan1,2,3,LIN Chungang1,2,3,YAN He1,2,3(1.China Railway Tunnel Group Co.,Ltd.,Guangzhou 511458,Guangdong,China;2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Intelligent Monitoring and Maintenance of T
6、unnel Structure,Guangzhou 511458,Guangdong,China;3.China Railway Tunnel Consultants Co.,Ltd.,Guangzhou 511458,Guangdong,China;4.CREC CloudNet Information Technology Co.,Ltd.,Beijing 100160,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To effectively improve tunnel management and maintenance efficiency,the internal
7、 and apparent tunnel diseases are summarized and a tunnel structure health management big data platform is established using Spring Boot with MyBatis-Plus architecture and Redis and MySQL distributed deployment.Additionally,the field application is conducted through equipment management,disease mana
8、gement,and big data analysis.Consequently,the results reveal that(1)the big data platform for tunnel structural health management can meet the functional requirements of common disease data management and display,and the interface is simple and friendly,realizing the scientific decision-making of tu
9、nnel diseases;(2)based on the neural network model,the platform achieves the intelligent recognition of apparent tunnel disease and reduces the dependence on manual disease recognition;and(3)the platform supports multidimensional queries of disease information via personal computers and mobile termi
10、nals,thereby solving the problem of delayed and inconvenient access to tunnel disease information.K Ke ey yw wo or rd ds s:railway tunnel;disease detection;big data platform;disease forecast隧道建设(中英文)第 43 卷0 引言我国从 1888 年开始修建第 1 条隧道至今,已有130 余年的隧道修建史。据不完全统计,截至 2022 年底,中国铁路营业里程达到 15.5 万 km,其中,投入运营的铁路隧道
11、17 873 座,总长 21 978 km,我国已成为世界上修建隧道数量最多、建设规模最大、发展速度最快的隧道大国1-3。由于隧道修建的特殊性,受地质、地形、气候,以及设计、施工、运营等不利因素的影响,在隧道建设及运营期会出现裂缝、渗漏水、剥落掉块等病害,加上我国隧道建设目前“重建设、轻管理”的现状4-5,在给隧道运维带来极大挑战的同时,严重威胁到隧道内车辆和行人的安全。当前,隧道病害检测仍以人工为主、设备为辅,各运营单位积累了大量的病害数据,并呈指数式增长6-7。隧道病害数据具有与时间相关、信息量大、利用率低等特点,如何高效利用这些病害信息显得尤为重要。1986 年,日本国有铁道研发的专家系
12、统(TIMES-1)可依据隧道的病害特征、运营环境、设计资料等推断出病害成因。2001 年,美国 Gannett Fleming 公司开发的隧道管理系统可判断隧道病害的发展情况,定性评价隧道安全等级。2004 年,长崎大学开发了公路隧道病害管养系统,可随时查询病害信息和安全状况,预测病害发展情况,并给出处治建议,但该系统仅适用于公路隧道,且其设计依据和规范不适用于中国。1990年,关宝树研发的 TDD 系统可按照现有资料推测病害成因、提醒详检项目、制定处治措施。1994 年,陕西交通厅首次引入 GIS 技术,开发了地市级公路数据库管理系统,实现病害查询、输出图表。2003 年,福建省交通科学技
13、术研究所联合开发出隧道管理系统,实现查询隧道信息、输出检查报告。罗鑫8在总结前人研究的基础上,对公路、铁路等隧道健康诊断及评价进行研究,满足了隧道病害检测要求,并预测隧道未来运营状况。胡建华等9开发了基于 GIS 的隧道病害管理系统,可以地图形式直观查看病害空间位置,实现病害数据的采集、查询等功能,但该平台不具备时空数据分析功能,不能自动提出病害处治建议。方恩权10基于Web Service 搭建了地铁隧道结构调查管理系统,实现了病害信息获取和信息化同步,其时效性与准确性得到提高。乐弋舟等11基于 PHP 开发了隧道衬砌裂缝信息查询系统,实现病害信息添加、更新、删除和查询功能。张云龙等12、朱
14、德庆等13分别针对公路和铁路隧道开发了隧道病害可视化管理软件,直观展示了隧道病害信息。孙中秋等14基于 BIM 对山岭隧道施工进行了信息化管理系统研发与应用设计研究。孙振川等15针对隧道掘进机工程研发了大数据管理平台。潘良波等16针对空间信息三维可视化研发了一套城市地下空间信息集成管理与服务平台。此外,各省市也逐步开始搭建隧道管养平台,实现隧道病害的信息化管理。综上所述,随着我国隧道从大规模建设向运营管理的过渡和转变,隧道病害问题逐渐突出,各隧道运营单位虽积累了一定的病害数据,但仍然存在以下问题:1)在隧道结构病害检测领域,现有的平台针对的隧道病害数据种类单一,只是对某一特定的病害进行简单的查
15、询、展示、统计等工作,囊括的病害种类较少。2)现有的隧道病害存储管理平台只是将数据进行简单的存储管理,并未对数据价值进行深入挖掘。3)数据展示手段单一,现有的数据管理平台对隧道的病害展示可视性差,失真较为严重,不能真实地反映病害在隧道中的分布情况,不利于隧道安全状况的评定;且大部分平台只考虑了电脑端平台,对移动端平台的考虑不足,大多数数据平台未考虑移动平台的展示模块。4)国外一些系统的设计依据和规范与国内的隧道病害实际情况有不少差距,使这些系统只具有一定的参考意义,而不能满足国内隧道病害管理需要。为解决上述问题,本文在调研现有大数据平台的基础上,基于当前自行研制的系列智能化隧道病害采集设备,如
16、:隧道智能综合检测车、轨行式三维激光扫描系统、表观检测系统等进行健康数据采集,基于人工智能、大数据等技术研发了具备设备管理、病害管理、大数据智能分析与病害预警等功能的隧道结构健康管理大数据平台,通过建立隧道病害健康“档案馆”,辅助专业人员掌握隧道病害发育规律,预测隧道病害发展趋势,为科学制定隧道病害维修养护计划提供参考,提高隧道运营管理效率,降低隧道运营维护成本,确保隧道运营安全。1 系统平台总体方案设计 该大数据平台使用由隧道智能综合检测车搭载的病害采集设备,对隧道的内部病害和表观病害进行全面的采集;在采集到数据后,部分数据可通过检测车部署的移动处理工作站进行处理,其余原始病害数据在提交至隧
17、道病害存储系统,对病害数据进行清洗,去掉原始数据中的重复数据、错误数据、无关数据后,采用训练好的神经网络模型进行识别分析,按照平台提供的数据导入模板将病害数据入库。系统方案设计如图1 所示。基于本平台开展隧道病害数据的管理和应用,可帮助相关技术人员全面掌握隧道结构安全状态,为后期隧道运维提供数据支撑。6241第 8 期王 华,等:隧道结构健康管理大数据平台研发及应用图 1 系统方案设计Fig.1 System scheme design 下文从数据采集、数据分析、数据展示、服务器 4大模块对该平台进行介绍。1.1 数据采集模块 在本系统中,原始数据的采集依托于现有的智能采集设备,如隧道智能综合
18、检测车、轨行式三维激光扫描系统、表观检测系统等。数据源包括静态数据、检测数据与车载系统数据,具体数据类型可分为如下几种:1)静态数据。隧道基础数据(名称、长度、分类、里程桩号、维护单位等)、隧道管养知识、隧道病害数据、隧道空间分布数据、用户权限数据以及元数据(描述流程、信息和对象的数据)等。2)检测数据。激光扫描检测系统获取的原始点云数据,处理成果(检测报表、灰度影像等);探地雷达检测系统获取的原始雷达数据,处理成果(图像、检测报表等)。3)车载系统数据。里程数据、惯导数据、GPS 数据等。数据类型包括流式数据、空间数据、图像数据、文档数据与结构化的业务数据等。根据数据的结构类型和使用方式,平
19、台将不同类型、不同数据结构、不同分辨率以及不同粒度的多源异构数据进行汇聚,通过建立标准并高效方便的病害数据库,解决隧道病害建库问题。1.2 数据分析模块 基于构建的病害库,利用机器学习中的随机森林算法,对病害数据进行挖掘,实现隧道病害大数据智能化分析,实现由传统经验的评价诊断向数据化决策方向转变;基于深度学习的 YoLoV4 架构,开发了隧道病害智能识别模型,并整合至数据处理软件,可将部分隧道病害数据进行智能识别后上传到大数据平台进行统一管理。1.3 数据展示模块 该大数据平台的信息展示终端包括大屏端、移动端、电脑端。其中:大屏端用于在显示看板的屏幕上展示所述目标数据、移动端用于在移动终端的应
20、用程序上展示所述目标数据;电脑端用于在计算机的网页浏览器上展示所述目标数据。移动端可方便使用人员随时随地查看到检测设备工作状态、健康状态、地理位置等各项信息,方便检测设备的管理维护,为维护和调度检测设备提供数据支撑。1.4 服务器模块 服务器端包括数据存储模块、分析处理模块。其中:数据存储模块包括 Redis 存储单元、MySQL 存储单元、Kafka 存储单元和 Minio 存储单元。Redis 存储单元用于存储缓存数据,所述分析处理模块通过 Redis Client 接口调用所述缓存数据;MySQL 存储单元用于存储业务数据,分析处理模块通过 JDBC 接口调用所述业务数据;Kafka 存
21、储单元用于存储通知、事件数据,分析处理模块通过 Kafka Client 接口调用所述通知、事件数据;Minio 存储单元用于存储图像、视频数据,分析处理模块通过 Minio 接口调用所述图像、视频数据。服务器端可在网页上对各项隧道病害信息进行图表化展示,包括在网页上展示隧道各个区段的病害数量柱状图、病害类型饼状图、各等级病害的数量表、病害集中区段 TopN(N1)统计数据和病害档案列表。其中:病害档案列表包括每处病害的病害类型、病害等级、首次检出时间、最近检测时间、检测次数、所在区段和位置、所述病害的发育变化折线图等。2 系统平台总体技术架构2.1 总体技术架构设计 架构设计是隧道结构健康管
22、理大数据平台能否成功实施的关键环节,本平台采用 Spring Boot+MyBatis Plus 架构,应用分布式的 Redis 和 MySQL 部署开发技术研发了隧道结构健康管理大数据平台。本平台前端采用 B/S 架构,后端采用分层架构设计。总体技术架构如图 2 所示,可分为硬件层、架构层、功能层、应用层4 个层次。1)硬件层。提供平台运行的硬件资源,包括服务器、显示器、大屏端以及部署在服务器上的数据库等。2)架构层。提供主机管理、网络管理、数据管理、接口管理等功能,是功能层和硬件层的纽带和桥梁。3)功能层。根据实际业务需求开发平台需要的功能模块,并建立功能模块之间的逻辑关系、数据关系和接口
23、。4)应用层。用户通过 PC 端或移动端输入需求,应用层则将功能层单一的功能模块组装成满足实际业务需求的完整功能,呈现给用户,供用户使用。7241隧道建设(中英文)第 43 卷图 2 平台技术架构图Fig.2 Platform technical architecture2.2 数据库设计 数据库设计是隧道结构健康管理大数据平台的核心,也是平台开发中最重要的一部分,它既有隧道病害信息查询、统计、分析、存储的功能,又有数据传递的作用。因此,在需求分析的基础上,本平台采用 MySQL数据库管理病害档案,Redis 处理平台中的非关系型数据,确保了提取信息的准确性、及时性和完整性。建立隧道病害信息所
24、涉及的数据库信息表,通过病害检测、处治之间的逻辑关系,对数据库表进行归类整理,并建立信息之间的关联,形成数据信息表之间的关系图。内部病害数据信息表如表 1 所示,大数据平台的各病害数据库关系如图 3 所示。表 1 内部病害数据信息表Table 1 Tunnel internal disease data information 字段数据类可否为空说明idintNOTNULLIDdisease_idvarcharNOTNULL病害 IDdisease_typechar病害类型disease_gradechar病害等级disease_lengthdouble病害长度disease_depthdou
25、ble病害深度subway_linesvarchar线路sectionsvarchar区段locationvarchar位置anglevarchar角度measured_valuevarchar病害实测值design_valuevarchar病害设计值collection_timedatetimeNOTNULL采集时间3 系统平台业务功能研发及应用3.1 总体业务功能架构 基于隧道结构健康管理大数据平台的需求分析和开发目的,对系统的业务功能进行了梳理,最终得到如图 4 所示的平台业务功能设计框架。本平台支持移动端、大屏端、PC web 端数据展示,本文以 PC 端为例,对各功能模块进行简单介绍
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 隧道 结构 健康 管理 数据 平台 研发 应用
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。