本發(fā)明屬于地基沉降監(jiān)測(cè)，尤其涉及一種基于bim的地基沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、地基沉降是指地基土層在附加應(yīng)力作用下壓密而引起的地基表面下沉，地基沉降可能引起地面塌陷、建筑物結(jié)構(gòu)破壞，降低建筑物壽命等重大事故的發(fā)生，因此在建筑施工、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域均需要對(duì)地基沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)?；赽im的地基沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)被證明具有很好的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值，bim即建筑信息模型，是以建筑項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)的模型，能夠應(yīng)用于建筑工程項(xiàng)目規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維、地表監(jiān)測(cè)、地基沉降等多個(gè)方面。已經(jīng)公開(kāi)的申請(qǐng)?zhí)枮?02010724135的專利技術(shù)中通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)表層沉降、分層沉降、地下水位和孔隙水壓力等數(shù)據(jù)，再基于上述數(shù)據(jù)建立bim模型中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)的預(yù)警線進(jìn)行對(duì)比實(shí)現(xiàn)的地基沉降的可視化監(jiān)測(cè)；申請(qǐng)?zhí)枮?02111310753的專利技術(shù)中通過(guò)獲取目標(biāo)建筑的設(shè)計(jì)圖紙信息及三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)從而建立目標(biāo)建筑三維模型，然后獲取傳感器節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息并映射為目標(biāo)建筑的位移信息，將目標(biāo)建筑的位移信息與歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析生成位移偏差率，再根據(jù)上述位移偏差率確定是否進(jìn)行地基沉降報(bào)警；申請(qǐng)?zhí)枮?02410524817的專利技術(shù)中構(gòu)建bim可視化地基模型，然后利用邊緣檢測(cè)算法對(duì)所述bim可視化地基模型進(jìn)行識(shí)別來(lái)輸出地基沉降區(qū)域，再根據(jù)地基沉降預(yù)測(cè)模型對(duì)所述地基沉降區(qū)域進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)，輸出地基沉降風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，最后基于上述地基沉降風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)生成沉降預(yù)警信息。然而現(xiàn)有技術(shù)中的地基沉降監(jiān)測(cè)或預(yù)測(cè)方法，需要依賴大量的高精度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（例如gnss）、insar系統(tǒng)或者gis系統(tǒng)，上述系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)資源占用率高，并且上述系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)之間的交互復(fù)雜；使用上述精度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、insar系統(tǒng)或者gis系統(tǒng)也會(huì)導(dǎo)致地基沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的綜合成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于bim的地基沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中利用高精度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、insar系統(tǒng)或者gis系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)交互復(fù)雜且占用計(jì)算資源嚴(yán)重的問(wèn)題以及地基沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的成本問(wèn)題，減輕計(jì)算資源壓力。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：一種基于bim的地基沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，具體包括如下步驟：s1：獲取目標(biāo)建筑物的設(shè)計(jì)信息，對(duì)所述設(shè)計(jì)信息進(jìn)行特征提取，從而構(gòu)建目標(biāo)建筑物的bim模型，然后隨機(jī)選擇bim模型中的某個(gè)傳感器，并獲取該傳感器的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置；s2：監(jiān)測(cè)傳感器坐標(biāo)位置隨時(shí)間的變化情況并作為待監(jiān)測(cè)的地基沉降位移信息；s3：利用數(shù)據(jù)擬合的方法，對(duì)上述待監(jiān)測(cè)的地基沉降位移信息進(jìn)行擬合，得到地基沉降擬合曲線；s4：基于所述地基沉降擬合曲線，進(jìn)行地基沉降預(yù)警。

3、進(jìn)一步地，所述s2中將某一時(shí)刻的傳感器坐標(biāo)位置與該時(shí)刻作為一個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行記錄，進(jìn)而獲取包含多個(gè)時(shí)刻的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合，將該二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合作為待監(jiān)測(cè)的地基沉降位移信息。

4、進(jìn)一步地，所述s3中利用數(shù)據(jù)擬合的方法，對(duì)上述待監(jiān)測(cè)的地基沉降位移信息進(jìn)行擬合，具體為：

5、s31：計(jì)算二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合中的均值點(diǎn)pmean，其中pmean（xmean，ymean）=(，)，xmean和ymean分別為均值點(diǎn)pmean的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，xi表示第i個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)，yi表示第i個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)的縱坐標(biāo)，n表示二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合中點(diǎn)的總個(gè)數(shù)；

6、s32：利用最小二乘擬合所述二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合中的所有數(shù)據(jù)，得到初始擬合曲線f1(x,y)，f1(x,y)=ax+by+c；其中a表示初始擬合曲線的第一參數(shù)，b表示初始擬合曲線的第二參數(shù)，c表示初始擬合曲線的第三參數(shù)，x和y分別為初始擬合曲線的函數(shù)變量；

7、s33：計(jì)算二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合中各個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)與所述均值點(diǎn)pmean之間的距離ep(x,y)，以及各個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)與所述初始擬合曲線之間的距離ef1(x,y)；

8、；

9、s34：將所有二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合中更靠近初始擬合曲線f1(x,y)的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)劃分為第一子集rsub1，將所有二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合中更靠近均值點(diǎn)pmean的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)劃分為第二子集rsub2；如果存在某個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)與初始擬合曲線f1(x,y)和均值點(diǎn)pmean的距離相同，則刪除該二維數(shù)據(jù)點(diǎn)；

10、s35：更新初始擬合曲線的第一參數(shù)a、第二參數(shù)b、第三參數(shù)c、均值點(diǎn)pmean的橫坐標(biāo)xmean和縱坐標(biāo)ymean；

11、s36：基于更新后的第一參數(shù)aupd、第二參數(shù)bupd、第三參數(shù)cupd、均值點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)獲取最優(yōu)參數(shù)，并基于所述最優(yōu)參數(shù)得到擬合曲線函數(shù)，作為地基沉降擬合曲線。

12、進(jìn)一步地，所述步驟s36中獲取最優(yōu)參數(shù)，具體包括如下步驟：

13、s361：基于更新前的第一參數(shù)a、第二參數(shù)b、第三參數(shù)c、均值點(diǎn)pmean的橫坐標(biāo)xmean和縱坐標(biāo)ymean，計(jì)算代價(jià)函數(shù)的第一函數(shù)值；基于更新后的第一參數(shù)aupd、第二參數(shù)bupd、第三參數(shù)cupd、均值點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，計(jì)算代價(jià)函數(shù)的第二函數(shù)值；取上述第一函數(shù)值和第二函數(shù)值的較小值對(duì)應(yīng)的第一參數(shù)、第二參數(shù)、第三參數(shù)、均值點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，作為中間最優(yōu)參數(shù)；

14、s362：返回步驟s35，再次更新初始擬合曲線的第一參數(shù)、第二參數(shù)、第三參數(shù)、均值點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，基于再次更新的上述第一參數(shù)、第二參數(shù)、第三參數(shù)、均值點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，計(jì)算代價(jià)函數(shù)的第三函數(shù)值，取上述第一函數(shù)值、第二函數(shù)值和第三函數(shù)值中的較小值對(duì)應(yīng)的第一參數(shù)、第二參數(shù)、第三參數(shù)、均值點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，更新中間最優(yōu)參數(shù)；

15、s363：設(shè)置更新次數(shù)上限值，當(dāng)達(dá)到更新次數(shù)上限值時(shí)停止對(duì)于第一參數(shù)、第二參數(shù)、第三參數(shù)、均值點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)的更新，并將當(dāng)前中間最優(yōu)參數(shù)作為最優(yōu)參數(shù)。

16、進(jìn)一步地，所述s35中更新初始擬合曲線的第一參數(shù)a，具體為：

17、；

18、其中，aupd表示更新后的第一參數(shù)，γ和μ均為調(diào)節(jié)系數(shù)，xi1表示第i1個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)橫坐標(biāo)，yi1表示第i1個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)縱坐標(biāo)，i1表示第一子集rsub1中的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)，n1表示第一子集rsub1中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)，i2表示第二子集rsub2中的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)，n2表示第二子集rsub2中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)，n表示所有二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)。

19、進(jìn)一步地，所述s35中更新初始擬合曲線的第二參數(shù)b，具體為：

20、；

21、其中，bupd表示更新后的第二參數(shù)，γ和μ均為調(diào)節(jié)系數(shù)，xi1表示第i1個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)橫坐標(biāo)，yi1表示第i1個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)縱坐標(biāo)，i1表示第一子集rsub1中的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)，n1表示第一子集rsub1中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)，i2表示第二子集rsub2中的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)，n2表示第二子集rsub2中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)，n表示所有二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)。

22、進(jìn)一步地，所述s35中更新初始擬合曲線的第三參數(shù)c，具體為：

23、；

24、其中，cupd表示更新后的第三參數(shù)，γ和μ均為調(diào)節(jié)系數(shù)，xi1表示第i1個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)橫坐標(biāo)，yi1表示第i1個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)縱坐標(biāo)，i1表示第一子集rsub1中的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)，n1表示第一子集rsub1中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)，i2表示第二子集rsub2中的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)，n2表示第二子集rsub2中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)，n表示所有二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)。

25、進(jìn)一步地，所述s35中更新均值點(diǎn)pmean的橫坐標(biāo)xmean，具體為：

26、；

27、其中，表示更新后均值點(diǎn)的橫坐標(biāo)，γ和μ均為調(diào)節(jié)系數(shù)，xi1表示第i1個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)橫坐標(biāo)，yi1表示第i1個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)縱坐標(biāo)，i1表示第一子集rsub1中的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)，n1表示第一子集rsub1中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)，i2表示第二子集rsub2中的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)，n2表示第二子集rsub2中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)，n表示所有二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)。

28、進(jìn)一步地，所述s35中更新均值點(diǎn)pmean的縱坐標(biāo)ymean，具體為：

29、；

30、其中，表示更新后均值點(diǎn)的縱坐標(biāo)，γ和μ均為調(diào)節(jié)系數(shù)，xi1表示第i1個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)橫坐標(biāo)，yi1表示第i1個(gè)二維數(shù)據(jù)點(diǎn)縱坐標(biāo)，i1表示第一子集rsub1中的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)，n1表示第一子集rsub1中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)，i2表示第二子集rsub2中的二維數(shù)據(jù)點(diǎn)序號(hào)，n2表示第二子集rsub2中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)，n表示所有二維數(shù)據(jù)點(diǎn)集合中二維數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)。

31、進(jìn)一步地，所述s4中基于所述地基沉降擬合曲線，進(jìn)行地基沉降預(yù)警，具體包括如下步驟：s41：對(duì)未來(lái)一個(gè)時(shí)段tr內(nèi)的地基沉降擬合曲線進(jìn)行采樣，計(jì)算沉降變化量斜率r：

32、；

33、其中，r表示沉降變化量斜率，i3表示時(shí)段tr內(nèi)的采樣點(diǎn)序號(hào)，i3=1、2、……、n3，n3表示時(shí)段tr內(nèi)的采樣點(diǎn)總數(shù)，si3表示第i3個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣值，ti3表示第i3個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，?t表示時(shí)段tr內(nèi)的時(shí)刻均值，?s表示時(shí)段tr內(nèi)的時(shí)刻采樣點(diǎn)均值；s42：判斷沉降變化量斜率r是否大于閾值rth，當(dāng)判斷結(jié)果為大于時(shí)，進(jìn)行地基沉降預(yù)警。

34、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供一種基于bim的地基沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，包括bim模型構(gòu)建模塊、傳感器監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和預(yù)警模塊，所述bim模型構(gòu)建模塊、傳感器監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和預(yù)警模塊依次連接，所述bim模型構(gòu)建模塊用于獲取目標(biāo)建筑物的設(shè)計(jì)信息，對(duì)所述設(shè)計(jì)信息進(jìn)行特征提取，從而構(gòu)建目標(biāo)建筑物的bim模型；所述傳感器監(jiān)測(cè)模塊用于隨機(jī)選擇bim模型中的某個(gè)傳感器，并獲取該傳感器的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置，并監(jiān)測(cè)傳感器坐標(biāo)位置隨時(shí)間的變化情況；所述數(shù)據(jù)處理模塊用于得到地基沉降擬合曲線；所述預(yù)警模塊用于根據(jù)地基沉降擬合曲線進(jìn)行地基沉降預(yù)警；所述地基沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)被配置為能夠執(zhí)行前文所述的地基沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。

35、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益技術(shù)效果在于：

36、（1）僅需要單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)據(jù)擬合方法，就能實(shí)現(xiàn)地基沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警，降低監(jiān)測(cè)預(yù)警的系統(tǒng)綜合成本；

37、（2）傳感器結(jié)合數(shù)據(jù)擬合方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)中高精度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（例如gnss）、insar系統(tǒng)或者gis系統(tǒng)等與預(yù)警系統(tǒng)之間的交互復(fù)雜、占用計(jì)算機(jī)資源嚴(yán)重的問(wèn)題，減輕了計(jì)算資源壓力。