一种基于物联网的三维可视化大数据监控和预警系统的制作方法

1.本发明属于大数据处理领域，具体涉及一种基于物联网的三维可视化大数据监控和预警系统。


背景技术：

2.随着国家经济和基础设施能力的不断提升，基建工程大规模发展，其中，地面基础设施建设、地下隧道采矿和挖掘等工程等等作为主要的基础设施的建设，更是呈现出明显的增长趋势。传统的施工过程仅仅依靠二维平面的超前地质预报、监测数据等信息，结合实际开挖过程中的地质描述，在现场及时作出决策，迅速改变施工方法或与业主、设计等单位研讨，调整支护结构，以适应地质条件的变化。
3.传统管理模式会导致如下问题：传统的地面基础设施建设、地下隧道采矿和挖掘等施工过程难以追根溯源、信息传递效率低下且易失真、工程中产生的海量的异构生产数据如地质数据等仍需人工进行统计、记录、分析、反馈、跟踪，并且无法通过直观的三维方式呈现，导致安全隐患增加、工作量与成本费用的大幅增加等问题。鉴于此，如何充分挖掘生产过程中的海量异构数据，实现有效的融合与联动，并能够通过三维可视化的方式进行展现是当前施工管理模式急需解决的诟病。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种基于物联网的三维可视化大数据监控和预警系统，该系统包括：系统底层架构单元和智能预警管控单元，所述底层架构模块包括：用户层模块、客户端层模块、服务层模块、数据层模块；所述客户端层模块基于三维场景模型构建，并为用户提供智能预警管控单元的前端视图、界面和三维场景电子地图的展现；
5.所述服务层模块包括服务器、数据接收解析模块以及数据库；
6.智能预警管控单元包括场景切换模块、工程概况模块、进度信息模块、预警推送模块、三维场景模块、数据采集模块；
7.所述数据采集模块用于实时采集所述现场采集设备的数据，将采集的数据实时在所述三维场景电子地图上显示预警和/或将预警发送给预警推送模块；
8.所述现场采集设备通过iot通信接口设备、数据传输模块与数据采集模块连接；所述现场采集设备包括：通风监测模块、视频监控模块、人员和设备定位模块、
9.所述预警推送模块用于根据所述现场设备的数据生成并推送预警信息。
10.特别地，所述三维场景模型包括三维结构模型、三维地质模型、地理信息模型，以及倾斜摄影模型。
11.特别地，所述通风监测模块包括风速检测仪，设置于施工现场的作业面，实时获得现场的风速流量并预警；
12.所述视频监控模块包括摄像头、录像机,其设置于现场的重点施工区域或危险区域，用于采集实时监测画面；
13.所述人员和设备定位模块包括人员佩戴的定位标签和设备上安装的定位标签，用于实时检测人员和设备的定位及轨迹。
14.特别地，施工现场位于隧道内时，所述现场采集设备还包括：有毒有害气体监测模块、超员预警模块、安全步距模块、监控量测模块、超前地质预报模块。
15.特别地，所述有毒有害气体监测模块包括用于检测有毒有害气体浓度的传感器和数字显示报警箱；所述数字显示报警箱实时显示传感器数据，并安装有声光报警器；
16.所述超员预警模块包括：根据用户层模块设置的危险区域的电子围栏，根据所述危险区域的电子围栏区域，检测进入区域的人员数量和人员的具体位置；
17.所述安全步距模块用于施工工序之间安全距离监测，检测关联施工工序与机械设备的位置，并将施工工序与机械设备相关联；
18.监控量测模块全站仪、水准仪，用于对隧道内拱顶沉降、水平收敛进行监测和预警；
19.所述超前地质预报模块用于隧道实际施工过程中，对隧道内掌子面进行地质信息描述，探测掌子面前方不良地质信息。
20.特别地，所述数据采集模块实时采集所述现场采集设备的数据，并根据阈值区间生成两级预警。
21.特别地，其中所述场景切换模块用于根据工程的工点划分，在不同工点间之间切换，实现可视化监控和预警。
22.有益效果：
23.(1)本发明以bim+gis技术，构建三维工程结构模型、工程地质模型、周边地理信息模型等，通过物联网技术集成定位装置、有害气体监测装置、通风监测装置、摄像头等设备生产数据，将隧道施工过程中安全管理动作信息进行存储、整合，通过数据库调用、处理数据。
24.(2)本发明系统的功能充分基于项目一线实际需求，支持可视、动态、交互管理，做到线上线下结合与联动，增加预警系统的实用性、合理性，具体来说，考虑到现场各工点环境错综复杂及实际生产中一些不可控因素而设置了人员设备定位模块、掌子面超员预警模块、有毒有害气体监测模块、通风监测模块、视频监控模块等，并执行预警推送机制，指导施工。
25.(3)本发明系统中设置红、黄两级预警阈值、机制，可对工程中出现的状况按照危急程度分级别展现，实现隧道安全预警智能管控。
26.(4)本发明系统的原始数据来源，均出自现场施工工序中对应管理动作，统计分析现场安装的硬件设备，判断传输协议、数据类型、输出接口是否与底层平台相匹配，做到自动感知、采集、传输、分析，摒弃传统人工填报、手工记录，实现数据流动态管控。
27.(5)本发明系统通过三维可视化地图的形式显示，且根据不同场景以可交互的方式进行切换呈现，高效全面对工程动态的管控。
附图说明
28.图1是本发明基于物联网的三维可视化大数据监控和预警系统的组成模块图；
29.图2是本发明基于物联网的三维可视化大数据监控和预警系统的功能模块图。
具体实施方式
30.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述，本实施例中以对隧道内的工程为例，进行基于物联网的三维可视化大数据监控和预警系统的描述。
31.本发明提供了一种基于物联网的三维可视化大数据监控和预警系统，如图1所示，该系统包括：系统底层架构单元和智能预警管控单元，所述底层架构模块包括：用户层模块、客户端层模块、服务层模块、数据层模块；所述客户端层模块基于三维场景模型构建，并为用户提供智能预警管控单元的前端视图、界面和三维场景电子地图的展现；
32.用户层模块根据系统面向人群预先设定组织架构树匹配项目、人员关系，为集团、公司、项目部各业务管理人员用于安全、质量、进度、物料、技术等管理活动的分析和决策；客户端层主要为处理http请求,将json参数转换为对象，并对请求进行身份验证，从而将其传输至客户端层各业务模块；服务层包括服务器、数据接收解析模块以及数据库。
33.其中客户端层模块用于通过前端语言和ui界面为用户展现系统内容，具体而言，ui界面架构的功能模块如图2所示，包括：
34.用户登录模块，主要用于用户登录，并根据预先设定的组织架构树匹配组织关系，自行选择项目登录。
35.首页模块包括工点选择、工程概况、进度信息、预警推送、三维场景；
36.工点选择用于场景切换、显示区域信息，包括
“××
隧道”工点新增、编辑、删除；
37.工程概况用于呈现项目概况、线路走向；
38.进度信息用于呈现项目开挖、初支、二衬段实际进度、总进度；
39.预警推送用于项目管理活动设置预警阈值，一旦某项监测指标超出阈值，系统后台自动记录预警数据，包括累计预警、当前预警、信息推送；所述累计、当前预警均为展示预警项目、预警信息、预警时间、操作(处理、未处理)；信息推送，根据项目管理岗位职责及管理动作，以web端及微信小程序的形式，将预警信息推送相关人员；
40.掌子面超员预警模块：区域设定、条件设定、预警管理；
41.有毒有害气体监测模块：气体类型、工点列表、气体监测、查询分析、预警管理；
42.通风监测模块：工点列表、风速监测、查询分析、预警管理；
43.视频监控模块：工点列表、实时画面；
44.安全步距模块：实时步距信息、查询分析、预警管理；
45.超前地质预报模块：地质素描、设计不良地质信息、实际不良地质信息、三维预警；
46.监控量测模块：拱顶沉降、水平收敛、查询分析、预警管理。
47.其中，三维场景用于呈现工程三维结构模型、三维地质模型、地理信息模型，以及倾斜摄影模型，模型融合项目信息，包括项目标签、测量信息、拓展操作；项目标签即在模型中添加隧道名称、里程、工序、施工方向、设计不良地质预报、进度、人员、设备信息；测量信息包括项目经度、纬度、海拔、方向、系统俯仰角、系统视高；拓展操作包括视角拖曳、边框收缩、首页快捷键、恢复场景视角、沉浸模式开启/关闭、环绕模式开启/关闭、地下模式开启/关闭、深度检测开启/关闭、快速定位开启/关闭。
48.所述服务层模块包括服务器、数据接收解析模块以及数据库；
49.智能预警管控单元包括场景切换模块、工程概况模块、进度信息模块、预警推送模块、三维场景模块、数据采集模块；
50.所述数据采集模块用于实时采集所述现场采集设备的数据，将采集的数据实时在所述三维场景电子地图上显示预警和/或将预警发送给预警推送模块；
51.预警推送模块用于根据所述现场设备的数据生成并推送预警信息。
52.所述现场采集设备通过iot通信接口设备、数据传输模块与数据采集模块连接；所述现场采集设备包括：通风监测模块、视频监控模块、人员和设备定位模块。当施工现场位于隧道内时，所述现场采集设备还包括：有毒有害气体监测模块、超员预警模块、安全步距模块、监控量测模块、超前地质预报模块。
53.其中，人员和设备定位模块主要用于进入隧道的人员、设备实时定位监测及轨迹回放；进隧道人员、设备佩戴定位装置(标签)，洞内部署读卡器、定位基站、中继网桥，定位数据由基站以无线传输形式引至隧道外，通过数字地图可直观查看定位动态；
54.人员定位是通过iot通信接口设备对接外部的定位接口，将数据处理后发送到统一的定位数据处理接口；定位设备数据传送的位置信息是距离洞口的值，通过将隧道按照10m一段的距离纵向分割，计算转换为隧道洞口距离进行计算，定位距离根据差值的计算落在某一个10m的范围内，根据两点经纬度平均值来确定定位到点的经纬度，将计算好的定位数据通过websockeet推送到前端页面以标注在地图上，前端用户交互界面，按照使用要求自行添加标签样式；具体的算法可通过如下代码展示：
55.//取中间点的下标值
56.integer i＝距离d％10；
57.//多出来的距离是多少
58.double many＝d
–
10*(i+1)；
59.//多出来的一截占用的比例是多少
60.double scale＝many/10；
61.//坐标值
62.double x＝(points.get(i+1).x-points.get(i).x)*scale+points.get(i).x；
63.double y＝((points.get(i+1).y-points.get(i).y)*scale+points.get(i).y；
64.double height＝((points.get(i+1).h-points.get(i).h)/2+points.get(i).h
65.本实施例超员预警模块主要用于隧道内危险区域/非危险区域的电子围栏警示，后台设定区域条件，并进行相应预警管理；现场硬件可与人员设备定位装置同用；
66.设定要求为台阶法施工段，掌子面作业人员不超过9人，全断面施工段，掌子面作业人员限定13～15人，通过定位装置在数字地图上直观反映；
67.运算过程：添加掌子面起点和终点的标记值以及限制人数，转换为距离洞口的距离保存到数据库中，开启虚拟电子围栏后通过任务来统计开启的电子围栏范围内的人员是否超过人数限制，超过人数限制后将结果通过websocket推送到前端展示。
68.本实施例有毒有害气体监测模块主要用于洞内气体(一氧化碳、甲烷、硫化氢、氧气)含量实时监测，以列表及折线图实时展示监测数据，并进行相应预警管理；现场安装防爆型氧气传感器、防爆型甲烷传感器(含混合可燃物)、防爆型二氧化硫传感器、防爆型一氧化碳传感器，以及数字显示报警箱(带声光报警器、可实时显示各传感器数据，提供基于json数据格式的http/tcp接口)；
69.运算过程：通过iot通信接口设备对接外部的数据接口或数据库中的数据，将数据
处理后发送至统一的有毒有害气体数据处理接口，通过维护有毒有害气体的预警范围来判断数据是否预警，预警的数据打上一个标记，前端数据展示的预警记录标记不同颜色区分。
70.本实施例通风监测模块主要用于洞内风速流量实时监测，以列表及折线图实时展示监测数据，并进行相应预警管理；现场安装风速检测仪，具体位置以当前作业面为准；
71.运算过程：通过iot通信接口设备对接外部的数据接口或数据库中的数据，将数据处理后发送至统一的通风数据处理接口，通过维护通风的预警范围来判断数据是否预警，预警的数据打上一个标记，前端数据展示的预警记录标记不同颜色区分。
72.本实施例视频监控模块主要用于隧道内重点施工区域或危险区域的实时画面监控，以实时视频流画面为展示内容，现场安装摄像头、录像机，具体位置以项目自行拟定重点关注区域或危险区域为准；
73.运算过程：将摄像头按照区域位置不同进行现场安装，在前端展示不同命名，并提供视频流的直播地质以便在浏览器播放视频，若无法提供浏览器直接预览的地址，需使用ffmepg工具拉取摄像头的rtsp流并转换成hls格式，推送至流媒体服务器中，浏览器访问流媒体服务器播放视频。
74.本实施例安全步距模块主要用于施工工序之间安全距离监测，关联施工工序与机械设备关系，掌子面工序以三臂凿岩台车、二衬工序以衬砌台车、仰拱工序以仰拱栈桥设备定位获取当前里程位置，与设备定位同理；
75.按预警推送管理，执行红、黄两级预警机制，根据围岩等级不同，设定不同条件；
[0076]ⅲ级围岩黄色预警：掌子面-仰拱80m、掌子面-二衬110m；
[0077]ⅲ级围岩红色预警：掌子面-仰拱100m、掌子面-二衬130m；
[0078]ⅳ级围岩黄色预警：掌子面-仰拱35m、掌子面-二衬90m；
[0079]ⅳ级围岩红色预警：掌子面-仰拱44m、掌子面-二衬100m；
[0080]
ⅴ
级围岩黄色预警：掌子面-仰拱29m、掌子面-二衬60m；
[0081]
ⅴ
级围岩红色预警：掌子面-仰拱40m、掌子面-二衬80m；
[0082]
某段运行算法如下所示：
[0083]
//掌子面-二衬
[0084]
distance＝math.abs(commonutil.format2d(zzm-erc))；
[0085]
if(zhangzmwkt.length()》ercwkt.length()){
[0086]
wkt＝ercpoint+zhangzmwkt.replace(ercwkt,"")+","+zhangzmpoint；
[0087]
wkt＝zhangzmpoint+ercwkt.replace(zhangzmwkt,"")+","+ercpoint；
[0088]
if(yg.compareto(0d)＝＝0){
[0089]
//掌子面-仰拱
[0090]
distance＝math.abs(commonutil.format2d(zzm-yg))；
[0091]
if(zhangzmwkt.length()》ygwkt.length()){
[0092]
wkt＝ygpoint+zhangzmwkt.replace(ygwkt,"")+","+zhangzmpoint；
[0093]
wkt＝zhangzmpoint+ygwkt.replace(zhangzmwkt,"")+","+ygpoint；
[0094]
本实施例超前地质预报模块主要用于隧道不良地质信息探测及与预警管理，包括地质素描、设计不良地质信息、实际不良地质信息、三维预警；具体探测设备参考项目设计不良地质信息，并对结果进行预警管理；
[0095]
运算过程：将数据保存至数据库中，将位置信息转换成进隧道口的距离值，当掌子面的位置距离超前地质预报数据一定距离的时候产生预警信息，发生预警后将数据通过websocket推送至前端显示。
[0096]
本实施例监控量测模块主要用于对洞内拱顶沉降、水平收敛进行监测及预警管理，现场主要采用全站仪、水准仪等测量仪器，其它设备可根据项目实际情况定夺；
[0097]
运算过程：通过后台维护页面上传监控量测数据，读取excel中数据后进行相关公式处理，以预警值来判断每一条数据是否超过阈值，并标记超出阈值数据，将每条数据中的位置标记转成为经纬度标记在数字地图中；
[0098]
单次变形量＝累计收敛值-相对上次收敛值；
[0099]
变形速率＝单次变形量/时间间隔；
[0100]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0101]
对于本领域技术人员而言，显然本发明实施例不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明实施例的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明实施例。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明实施例内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统、装置或终端权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由同一个单元、模块或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
[0102]
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。