工程全生命周期的健康监测是一个跨学科、多领域融合的行业,北京云庐科技有限公司致力于通过对全过程的监测数据分析,及时发现工程中可能出现的问题,避免或减少工程质量和安全事故的发生。本文揭示了云庐科技如何携手华为云,打造全球领先的结构健康监测物联网大数据平台,用新的技术守护工程安全。
工程安全事关重大
众所周知,安全事故事关重大,无论是智慧城市还是智慧交通,都离不开工程安全的保障,而工程事故有可能是发生在运维的阶段,也有可能是发生在施工期。目前,世界上多个国家把基础设施的灾变机理、预测方法等,纳入到未来的重要规划中。同时,基础设施灾害的发生,往往既有自然因素的影响,也有人为因素的影响。天灾可以通过对环境的预测,如气象、水文、地质灾害来预报,人祸可以通过法规、设计和在线监测系统来避免。
云庐科技希望打造贯穿于工程全生命周期的健康监测系统,通过对施工过程的监测数据分析,及时发现工程中可能出现的问题,避免或减少工程质量和安全事故的发生。通过对运维阶段的监测数据分析,可以有效掌控运维期间结构的使用情况和发展趋势,为养护决策部门提供数据的决策支撑。而对施工期的监测和运维期检测数据的分析,又可以为设计阶段提供很好的借鉴作用。
顾名思义,结构健康监测和医学上的健康监测有点接近,都是通过采集数据进行分析,最后给出诊断和治疗的结论。结构健康监测已经发展了20多年,目前大部分应用还处于利用传统的传感器,收集、采集数据的水平,无法对数据进行正确有效的分析。
这个行业是一个跨学科、多领域融合的行业。首先,我们需要有传感器、网络、云平台以及系统集成等技术支持,也需要计算力学,以及建筑、桥梁、水利等专业技术的支撑配合。另外,我们还需要对数据建模,进行大数据分析,以及基于人工智能的数据挖掘。同时,我们要得出有效的结构损伤识别情况、结构刚度矩阵修正与重分析,还要进行结构的寿命预测等。
云庐安全监测平台守护安全
云庐科技结合华为云EI开发的系统,可以通过分析和识别,及时发现安全隐患,在结构可能发生危险的萌芽状态提前预警,为施工和运维部门提供数据与信息的支撑。我们大概采用了华为云50余项平台开发模块,所有的服务都是基于华为云服务运行。我们使用了包括数据存储服务在内的中间件,以及ModelArts的机器学习、深度学习、图象识别等各种平台。
具体来讲,云庐科技基于华为云EI开发了五大应用场景。
场景一:数据采集
场景一是数据采集,例如可以采用一个光纤传感器,将数据传输到采集设备,再接到现场主机,传到云上,整个部署非常麻烦而且成本高昂。随着万物互联趋势的不断加深,我们采用华为的IoT模块可以使其接入更加便捷。我们还采用华为的边缘计算模块,使数据得到及时处理。而且,我们通过华为的边缘端还可以接入多种传感器的数据,一机多用。
随着边、端和云的协同,整个设备的成本下降70%以上,系统响应速度提高了2倍。我们通过华为的边缘计算模块,可以使无效的数据量传输减少三分之二,使有效的数据量传输提高50%以上。
场景二:确保数据的一致性
场景二是确保数据的一致性。数据采集的整个过程中,参与的部门众多,人员复杂,工程生命周期长,而且面临频繁的各种变更,怎么保证数据信息和实物信息的一致性,是大家面对的共同挑战。我们基于华为区块链平台,将图纸、合同等通过区块链统一分发,使从业主、规划、设计、施工到运维等各环节的数据和内容保持统一。
场景三:结构健康预测
场景三是结构健康预测,这其中,我们最想利用的是及时得到建筑物的信息,如果某个建筑物有坏点,我们希望及时更换,以避免事故的发生。所以,我们需要对建筑物的寿命和健康状况进行有效预测,正如人不能两次踏入同一条河流,建筑物的承载力也是随着时间的变化而变化的。
基于实测的环境荷载,如风、温度等,结合结构真实的响应情况,进行刚度矩阵的修正。这个过程可以以系统的总体矩阵为修正的对象,也可以以设计参数,如密度、弹性模量、约束条件等作为对象,得到建筑物当前承载能力的真实状态。我们再通过能预测得到的,如风速、风压、温度等因素,就可以对建筑物的结构响应进行真正意义上的预测。我们在华为云机器学习工程师的帮助下,可实现预测准确度接近90%。
场景四:施工规范自动监测
场景四是施工规范自动监测。随着建筑工业化的发展,现在有很多新型建筑形式产生,比如我们称为住宅产业化的结构。它是一种装配式的,不在现场进行浇筑,把构件运到现场进行现场拼装。住宅产业化是现在比较成熟的产业,已经在很多发达国家进行了应用。我国已明确提出到2020年,装配建筑占新建建筑的比例要达到20%以上,2025年要达到50%以上。这个行业会有突飞猛进的发展,蕴藏着巨大的市场商机,也肯定会有一些急需解决的技术难题。
比如,怎么保证上下楼板在贯通的过程中得到强度的保证,这就要求所有的灌浆孔都要灌满,以前对现场的照片要人来识别,效率非常低,我们基于华为云ModelArts的深度学习图象识别模块,可以对灌浆孔的图片进行有效的识别,判断出哪些是灌满的、哪些是未灌满的、哪些是穿线管道。通常,上传一百张现场图片就可以进行有效的识别,有效识别率接近80%,这种工作可以使检查部门的效率提升50%以上,同时使施工的差错率降低30%。
场景五:结构损伤识别
场景五是结构损伤识别。以一个体育场馆的建筑为例,随着时间的发展,它会受到疲劳、腐蚀以及老化的影响,这个建筑不可避免地会产生一些损伤点。我们怎么找到这些损伤的部位,并且定义出损伤的情况,是比较重要的任务。另外,在建筑物上布设传感器,只是布设了一部分。这是因为传感器布设不能影响结构物原有的结构性能,而且出于经济的考虑不可能布设得特别多。所以,我们需要布置尽可能少的传感器,又要尽可能得到真实的建筑物性能情况,这要求我们对数据进行力学反演和损伤识别。
以前的应用大部分都是针对几根杆件或者几块板识别,通过华为云ModelArts,我们现在可以识别相对复杂的损伤。基于华为云的EI平台,我们可以使力学仿真效率提升100倍,真正实现从数据到本质、从局部到整体、从监测到预测的整个过程的识别。
在未来,我们希望拓展低能耗、低成本的物联网应用,以提升运维管理的效率和降低成本;我们希望开发合理的结构健康监测平台,将安全隐患消灭于初期,为智慧城市和智慧交通的发展添砖加瓦;我们希望打造工程健康监测领域的大数据平台,促进整个产业链的共同发展。概括而言,云庐科技希望携手华为云EI共同守护美好安全的生活。
文章来源华为《营赢》杂志,文/云庐科技CEO王长欣
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