[0001] 本发明涉及桥梁维护管理技术领域，尤其涉及一种基于GIS与BIM的桥梁群数字化巡检与维护系统及方法。

[0002] 在传统的桥梁巡检与维护工作中，主要依赖于人工巡检和纸质记录，这种方式不仅效率低下，而且难以全面、准确地掌握桥梁的实际状况，随着信息技术的不断发展，尤其是地理信息系统(GIS)与建筑信息模型(BIM)技术的日益成熟，为桥梁巡检与维护带来了新的解决方案。

[0003] 然而，当前市场上虽然存在一些基于GIS或BIM技术的桥梁管理系统，但它们往往只侧重于单一技术的应用，未能充分发挥GIS与BIM技术的互补优势，GIS技术擅长于地理空间数据的存储、管理与展示，能够直观地呈现桥梁的地理位置、周边环境及交通网络；而BIM技术则专注于建筑信息的数字化建模，能够详细展示桥梁的几何形状、结构组成及材料属性。

[0004] 因此，为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于GIS与BIM的桥梁群数字化巡检与维护系统，旨在通过集成GIS与BIM技术，实现桥梁群的全面数字化管理，提升桥梁管理的效率与精准度，确保桥梁的长期安全运行。

[0085] 下面结合附图和实施例对本发明进一步地进行说明。

[0086] 请参阅图1，本发明提供一种实施例：一种基于GIS与BIM的桥梁群数字化巡检与维护系统，包括有：

[0087] 数据采集与集成模块，用于利用搭建的传感器网络和相关数据采集设备收集桥梁的各种数据，包括结构健康监测数据、环境数据和交通流量数据；

[0088] GIS空间信息管理模块，用于利用GIS技术存储、管理和展示桥梁的地理位置信息、周边环境信息以及交通网络；

[0089] BIM模型构建与管理模块，用于基于BIM技术构建桥梁的三维模型，包括桥梁的几何形状、结构组成和材料属性；

[0090] 数据分析与预警模块，用于对采集到的数据进行处理和分析，识别桥梁的潜在问题和风险，并当桥梁状态达到预设的预警阈值时，自动触发预警机制，提醒管理人员采取相应措施；

[0091] 巡检计划与维护管理模块，用于根据桥梁的实际情况和数据分析结果，制定科学合理的巡检计划和维护策略，并提供巡检路线的规划、导航和记录功能，支持巡检人员高效地完成巡检任务；

[0092] 用户权限与安全管理模块，用于管理系统的用户账户、角色和权限，确保不同用户只能访问其权限范围内的信息，并提供数据加密、备份和恢复等功能，保障系统数据的安全性和完整性，同时记录用户的操作日志，便于追踪和审计；

[0093] 应急响应与处理模块，用于在桥梁发生突发事件时，提供应急响应方案和处理流程，并利用GIS和BIM技术快速定位事故现场，评估事故影响范围，调度应急资源，同时记录应急处理过程和结果，为后续应急管理和改进提供参考。

[0094] 如上述内容所述，本发明通过集成GIS与BIM技术，实现了桥梁群的数字化巡检与维护，显著提升了桥梁管理的效率与精准度，它不仅能够实时采集并分析桥梁的各类数据，及时发现潜在风险并预警，还能科学规划巡检路线与维护策略，确保巡检工作的高效执行，同时，严格的用户权限与安全管理机制保障了数据的安全性与完整性，而应急响应与处理模块的加入，则进一步增强了桥梁突发事件的应对能力，为桥梁的长期安全运行提供了有力保障。

[0095] 作为优选，数据采集与集成模块包括有：

[0096] A11：传感器网络，由多种类型的传感器组成，用于实时采集桥梁的结构健康状态数据，包括有应力传感器、位移传感器、温度传感器和湿度传感器；

[0097] A12：无人机巡检系统，用于通过搭载了高清摄像头以及传感器的无人机设备，通过图像采集的方式对桥梁的外观和细节进行采集；

[0098] A13：人工巡检记录系统，通过人工巡检的方式对桥梁的病害位置以及病害程度信息进行录入；

[0099] A14：数据集成与处理中心，用于接收传感器网络、无人机巡检系统和人工巡检记录系统的数据，并进行整合以及预处理，得到完整的数据集。

[0100] 如上述内容所述，本发明通过构建包含传感器网络、无人机巡检系统、人工巡检记录系统和数据集成与处理中心的数据采集与集成模块，实现了桥梁健康状态数据的多元化、全方位采集，传感器网络能够实时监测桥梁的关键结构参数，无人机巡检系统则以高清图像和传感器数据捕捉桥梁的外观细节，人工巡检记录系统则补充了病害位置与程度的详细信息，数据集成与处理中心则整合了这些来源的数据，经过预处理后形成完整的数据集，为后续的分析与决策提供坚实基础，这一技术方案显著提高了桥梁健康监测的准确性和全面性，为桥梁的安全运行提供了有力保障。

[0101] 作为优选，数据集成与处理中心在接收传感器网络、无人机巡检系统和人工巡检记录系统的数据，并进行预处理，得到完整的数据集时，采用的整合以及预处理方法包括有：

[0102] A21：传感器数据融合算法，包括有加权平均法和卡尔曼滤波法，其中，加权平均法的原理公式为：

[0103]

[0104] 其中，Dfused为融合后的数据，Di是第i个传感器的数据，wi是第i个传感器的权重，且

[0105] A22：图像识别与处理技术，包括有对图像进行边缘检测、特征提取和图像分割，以识别出目标物体和目标特征；

[0106] A23：数据清洗与整合算法，用于去除重复、错误和无效的数据，并将不同来源的数据进行合并；

[0107] A24：标准化算法，将不同来源、不同格式的数据转换为统一的格式和单位，以确保后续分析的一致性和准确性，包括有数据归一化处理和数据缩放，其中，数据归一化处理的原理公式为：

[0108]

[0109] 其中，Xnormalized是归一化后的数据，X是原始数据，Xmin和Xmax分别是数据的最小值和最大值；

[0110] 数据缩放处理的原理公式为：

[0111]

[0112] 其中，Xscaled是缩放后的数据，X是原始数据，μ是数据的均值，σ是数据的标准差。

[0113] 如上述内容所述，本发明通过采用传感器数据融合算法、图像识别与处理技术、数据清洗与整合算法以及标准化算法，实现了对来自传感器网络、无人机巡检系统和人工巡检记录系统的多元化数据的高效整合与预处理，传感器数据融合算法提升了数据的准确性和可靠性，图像识别与处理技术有效提取了桥梁的关键特征信息，数据清洗与整合算法确保了数据的纯净性和一致性，而标准化算法则实现了数据的统一格式和单位，为后续分析提供了高质量的数据基础，这一系列预处理措施显著提高了桥梁健康监测数据的综合利用率和分析准确性，为桥梁的安全管理决策提供了有力支持。

[0114] 作为优选，GIS空间信息管理模块在利用GIS技术存储、管理和展示桥梁的地理位置信息、周边环境信息以及交通网络时，包括有以下步骤：

[0115] S11：数据接收与处理，从数据采集与集成模块接收采集到的数据，并对接收到的数据进行预处理，确保数据的完整性、准确性和一致性，其中，采用的数据预处理方法包括有数据清洗。数据转换和数据整理；

[0116] S12：数据储存与管理，根据GIS空间信息管理模块的需求，设计合理的数据库结构，并将预处理后的数据导入到设计好的数据库中，确保数据的正确存储和高效访问，同时定期对数据库中的数据进行更新和维护，以确保数据的时效性和准确性；

[0117] S13：利用GIS软件或工具，根据数据库中的数据制作电子地图，并提供一系列浏览功能；

[0118] S14：利用GIS的空间分析功能，对桥梁与周边环境的相互影响进行评估，并将空间分析的结果以可视化形式进行展示，以便用户直观地了解桥梁与周边环境的相互影响情况。

[0119] 如上述内容所述，本发明通过GIS空间信息管理模块，实现了桥梁地理位置、周边环境及交通网络信息的全面存储、高效管理与直观展示，通过数据预处理确保数据质量，合理设计数据库结构保障数据的高效访问与更新维护，利用GIS软件制作电子地图并提供浏览功能，同时借助GIS空间分析功能评估桥梁与周边环境的相互影响，并以可视化形式呈现，极大地提升了桥梁管理决策的科学性和效率。

[0120] 作为优选，BIM模型构建与管理模块在基于BIM技术构建桥梁的三维模型时，包括有以下步骤：

[0121] S21：项目初始化与规划，确定BIM模型构建的目标、范围和精度要求，并收集桥梁的设计图纸、技术规范以及材料清单资料；

[0122] S22：根据设计图纸和技术规范，逐步构建桥梁的各个部分，并在模型中整合桥梁的几何形状、结构组成、材料属性信息，从而创建桥梁的三维模型；

[0123] S23：对构建好的三维模型进行验证，确保模型的准确性和完整性，根据验证结果对模型进行优化，修正错误和不合理之处；

[0124] S24：模型管理与更新，提供模型浏览功能，使用户能够方便地查看桥梁的三维模型，并提供模型编辑功能，允许用户对模型进行修改和更新，同时建立模型版本控制机制，确保模型的更新和修改有序进行。

[0125] 如上述内容所述，本发明通过BIM模型构建与管理模块，实现了桥梁三维模型的精确构建与高效管理，从项目初始化到模型验证与优化，确保了模型的高精度和完整性；通过模型管理与更新功能，不仅提供了便捷的模型浏览与编辑服务，还建立了模型版本控制机制，保障了模型数据的持续更新与准确性，为桥梁的设计、施工及后期维护提供了强有力的支持。

[0126] 作为优选，BIM模型构建模块在对构建好的三维模型进行验证，确保模型的准确性和完整性，根据验证结果对模型进行优化，修正错误和不合理之处时采用的验证方法包括有：

[0127] A31：轴对齐边界盒碰撞检测，将物体表示为一个轴对齐的矩形框，通过比较两个轴对齐的矩形框在各轴上的最小值和最大值来实现碰撞检测；

[0128] A32：包围球碰撞检测，将物体表示为一个球体，球心的位置和半径是球体的两个关键参数，碰撞检测时，计算两个球体之间的距离，并判断该距离是否小于两个球体的半径之和；

[0129] A33：层次包围体碰撞检测，将物体表示为一个由多个包围体组成的层次结构，碰撞检测时，从根节点开始，逐层比较两个BVH的包围体，直到确定不发生碰撞为止；

[0130] A34：空间分割算法，将空间划分为多个子空间，每个子空间包含多个物体，碰撞检测时，通过遍历这些子空间并比较其中的物体来判断是否发生碰撞。

[0131] 如上述内容所述，本发明通过采用轴对齐边界盒碰撞检测、包围球碰撞检测、层次包围体碰撞检测以及空间分割算法等多种验证方法，对构建好的桥梁三维模型进行全面而精确的验证，这些方法不仅有效提升了模型的准确性和完整性，还能及时发现并修正模型中的错误和不合理之处，确保了BIM模型在桥梁设计、施工及维护过程中的可靠性和实用性。

[0132] 作为优选，数据分析与预警模块在对采集到的数据进行处理和分析，识别桥梁的潜在问题和风险，并当桥梁状态达到预设的预警阈值时，自动触发预警机制，提醒管理人员采取相应措施时，包括有以下步骤：

[0133] S31：从数据采集与集成模块、GIS空间信息管理模块以及BIM模型构建与管理模块获取桥梁的数据，并对数据进行进一步的处理，增加数据的质量；

[0134] S32：运用统计学方法和机器学习算法对处理后的数据进行深入分析，提取梁状态的关键特征，桥梁状态的关键特征包括有变形速率、应力水平和振动模式；

[0135] S33：基于提取的特征，利用机器学习以及深度学习技术建立桥梁健康监测模型，利用建立的桥梁健康监测模型预测桥梁在未来一段时间内的状态变化；

[0136] S34：根据桥梁健康监测模型预测的结果，设定合理的预警阈值，当桥梁状态达到以及超过预警阈值时，触发预警机制，向管理人员发送预警信息。

[0137] 如上述内容所述，本发明通过综合运用数据处理、统计分析、机器学习与深度学习技术，从多源数据中提取桥梁状态的关键特征，构建精准的桥梁健康监测模型，实现对桥梁未来状态的预测，通过设定合理的预警阈值，当桥梁状态达到或超过预警标准时，自动触发预警机制，及时提醒管理人员采取相应措施，有效提升了桥梁安全管理的智能化水平和响应速度。

[0138] 作为优选，数据分析与预警模块在利用机器学习以及深度学习技术建立桥梁健康监测模型时，建立的桥梁健康监测模型包括有：

[0139] A41：自回归模型，自回归模型假设当前值与前n个历史值有关，其中，自回归模型的原理公式为：

[0140] yt＝φ1yt‑1+φ2yt‑2+……+φnyt‑n+∈t；

[0141] 其中，φn是自回归系数，∈t是误差项，yt‑n是第n个历史值；

[0142] A42：移动平均模型，移动平均模型假设当前误差与前m个误差项有关，其原理公式为：

[0143] yt＝μ+∈t+θ1∈t‑1+θ2∈t‑2+……+θm∈t‑m；

[0144] 其中，μ是均值，θm是移动平均系数；

[0145] A43：震动监测模型，其原理公式为：

[0146] [M]u¨+[C]u˙+[K]u＝F(t)；

[0147] 其中，M、C和K分别是质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，u¨、u˙和u分别是加速度、速度和位移向量，F(t)是外部激励。

[0148] 如上述内容所述，本发明通过构建自回归模型、移动平均模型及震动监测模型等桥梁健康监测模型，充分利用了历史数据和当前误差信息，结合桥梁的动力学特性，实现了对桥梁健康状态的全面监测与预测，这些模型不仅提高了桥梁健康评估的准确性和时效性，还为桥梁的安全预警和维护决策提供了科学依据，有效提升了桥梁管理的智能化水平。

[0149] 作为优选，巡检计划与维护管理模块在根据桥梁的实际情况和数据分析结果，制定科学合理的巡检计划和维护策略时，包括有以下步骤：

[0150] S41：根据桥梁的实际情况，以及数据分析结果，制定详细的巡检计划；

[0151] S42：利用GIS空间信息管理模块，为巡检人员提供最优的巡检路线规划；

[0152] S43：记录维护过程和结果，形成完整的维护档案，维护完成后，对维护结果进行评估和记录，形成完整的维护档案，为后续桥梁管理提供参考。

[0153] 如上述内容所述，本发明通过综合考虑桥梁实际状况与数据分析结果，科学制定巡检计划，并利用GIS技术优化巡检路线，确保巡检工作的高效执行，同时，详细记录维护过程与结果，形成完整维护档案，为后续桥梁管理提供了宝贵的数据支持与决策依据，显著提升了桥梁维护管理的系统化与智能化水平。

[0154] 作为优选，应急响应与处理模块在桥梁发生突发事件时，提供应急响应方案和处理流程，并利用GIS和BIM技术快速定位事故现场，评估事故影响范围，调度应急资源，同时记录应急处理过程和结果，为后续应急管理和改进提供参考时，包括有以下步骤：

[0155] S51：接收突发事件报告，当桥梁发生突发事件时，该模块首先接收来自监测设备、巡检人员以及公众的报告；

[0156] S52：启动应急响应方案，根据接收到的突发事件报告，自动启动相应的应急响应方案；

[0157] S53：利用GIS和BIM技术快速定位事故现场，利用GIS空间信息管理模块提供地理空间数据支持，帮助确定事故发生的地理位置，利用BIM模型构建与管理模块提供桥梁的三维模型，帮助了解桥梁的结构特点和潜在风险点；

[0158] S54：评估事故影响范围，结合GIS和BIM技术，进一步评估事故的影响范围；

[0159] S55：调度应急资源，根据评估结果，自动调度应急资源；

[0160] S56：实施现场处理，应急资源到达现场后，指导救援队伍和抢修人员按照预定的处理流程进行作业；

[0161] S57：记录与反馈，在整个应急响应和处理过程中，记录关键信息。

[0162] 如上述内容所述，本发明通过集成GIS和BIM技术，实现了桥梁突发事件的高效应急响应与处理，从接收报告到启动预案，再到快速定位、评估影响、调度资源、现场处理及记录反馈，全链条管理确保了应急响应的迅速与精准，有效降低了事故损失，同时积累了宝贵的应急管理经验，为后续改进提供了坚实的数据支撑。

[0163] 请参阅图2，本发明提供一种实施例：一种基于GIS与BIM的桥梁群数字化巡检与维护方法，包括有以下步骤：

[0164] S61：利用搭建的传感器网络和相关数据采集设备，全面收集桥梁的各种数据；

[0165] S62：利用GIS技术，对桥梁的地理位置信息、周边环境信息以及交通网络进行存储、管理和展示；

[0166] S63：基于BIM技术，构建桥梁的三维模型，详细展示桥梁的几何形状、结构组成和材料属性；

[0167] S64：采集到的数据进行深入处理和分析，运用先进的算法和模型识别桥梁的潜在问题和风险；

[0168] S65：根据桥梁的实际情况和数据分析结果，制定科学合理的巡检计划和维护策略。

[0169] 如上述内容所述，本发明通过集成GIS与BIM技术，实现了桥梁群数据的全面采集、精准定位与可视化展示，以及基于深入数据分析的潜在问题识别与风险预警，在此基础上，科学合理地制定了巡检计划与维护策略，显著提升了桥梁群数字化巡检与维护的效率和精准度，为桥梁的长期安全运行提供了有力保障。

[0170] 上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。