(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111467500.2 (22)申请日 2021.12.0 3 (71)申请人 武汉工程大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区雄楚大 街693号 申请人 大连理工大 学 (72)发明人 蒋欣　张周煜　陈旭勇　曹旗　 胡小弟　顾箭峰　刘杰　黄敏　 (74)专利代理 机构 湖北武汉 永嘉专利代理有限 公司 42102 代理人 崔友明 (51)Int.Cl. G06Q 10/00(2012.01) G06Q 10/06(2012.01) G06Q 50/08(2012.01)G06K 9/00(2022.01) G06N 3/08(2006.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种基于BIM的公路桥梁管养PHM系统和方 法 (57)摘要 本发明提供了一种基于BIM的公路桥梁 管养 PHM系统和方法， 依托BIM技术整合桥梁各阶段信 息， 实现桥梁资料可视化、 标准化、 信息化； 实现 了对桥梁、 环境的综合监测与检查； 基于公路桥 梁病害库对桥梁病害进行诊断预测， 实现了指导 公路桥梁的长期维护的功能。 本发 明实现了信息 分类存储、 综合分析 以及病害诊断预警功能， 关 联和储存设计、 施工、 运营及维护信息， 通过对道 路、 桥梁、 环境的综合监测及检查信息开展大数 据处理， 实现了对桥梁病害的诊断与预测以及健 康状况的评估， 为公路桥梁维护提供决策依据。 本发明是一种综合健康监测和人工巡检的多角 度、 多参数、 多源数据的大数据分析方法， 具有 直 观、 准确、 高效的特点， 符合公路桥梁管理的要 求。 权利要求书3页 说明书8页 附图3页 CN 114169548 A 2022.03.11 CN 114169548 A 1.一种基于BIM的公路桥梁管养PHM系统， 其特征在于： 包括基于BIM的信息集成模块、 数据库模块、 监测与检查模块、 诊断与预测模块、 桥梁管养模块； 信息集成模块包括三维实 体BIM模型， 信息集成模块的输出端连接数据库模块的输入端， 用于录入包括桥梁几何信 息、 设计建设阶段信息、 服役阶段信息， 集 成、 归类、 整合各阶段的桥梁信息， 关联BIM模 型与 多源监测数据及管养信息； 数据库模块用于存储、 整理桥梁 结构设计、 施工、 竣工验收、 开通 运营阶段的多源数据与资料； 监测与检查模块与 数据库模块双向连接， 用于从数据库模块中调取历史数据并存入实 时的监测与检查数据； 监测与检查模块包括在线监测模块和人工巡检模块； 在线监测模块 包括布设在桥梁桥址环境、 桥梁主体结构及关键构件的各类传感器， 用于获取上述结构的 实时监测数据； 人工巡检模块包括基于BIM的人机交互模块， 用于协助巡检人员精确定位病 害， 实现对桥梁主体结构及附属设施的外观检查结果的快速存档； 诊断与预测模块的输入端连接监测与检查模块的输出端， 用于根据在线监测模块与 人 工巡检模块的监测检查数据进 行实时的桥梁病害诊断预测及状态评估； 诊断与预测模块包 括预处理模块、 数据分析模块、 阈值分析模块、 诊断预警模块； 预处理模块用于提取监测信 号的特征信息， 实现信号去噪； 数据分析模块用于识别结构响应， 并上传记录； 阈值分析模 块用于对比桥梁实时结构响应与健康状态的历史数据， 若超出设定的阈值则将预警信息输 入诊断预警模块； 诊断预警模块用于处理阈值分析模块与人工巡检模块的信息， 并根据 处 理结果进行桥梁病害 诊断与预警； 桥梁管养模块的输入端连接诊断与 预测模块的输出端， 用于根据诊断预测结果维护桥 梁； 桥梁管养模块的输出端连接数据库模块输入端， 用于将维护结果存入数据库模块； 桥梁 管养模块包括视情维护模块和周期性维护模块。 2.根据权利 要求1所述的一种基于BIM的公路桥梁管养PHM系统， 其特征在于： 桥梁 几何 信息包括 桥梁构件的几何尺寸和材 料信息； 设计建设阶段信息包括桥梁设计信息、 桥梁施工信息、 有限元模型信息和成桥荷载试 验信息； 服役阶段信 息包括健康监测信息、 管理养护信 息； 健康监测信 息包括传感器监测信号、 人工巡检上传的病害信息； 数据库模块包括基础数据库、 档案数据库、 病害数据库、 预警数据库、 养护维修数据库。 3.根据权利 要求1所述的一种基于BIM的公路桥梁管养PHM系统， 其特征在于： 在线监测 模块包括上部结构监测模块、 下部结构监测模块、 关键 部位监测模块、 桥址环境 监测模块； 上部结构监测模块用于监测桥梁上部结构的动力响应和挠度， 通过对信号进行时频域 分析来判断桥梁的工作状态； 监测的结构动力特性参数包括固有频率、 阻尼、 振型、 冲击系 数； 下部结构监测模块用于监测桥墩、 桥台与基础； 监测的参数包括桥墩与桥台的偏位、 倾 斜与沉降、 支座偏位、 冲刷与撞击； 关键部位监测模块用于监测包括梁端伸缩装置的桥梁关键构件的性能； 关键部位监测 模块包括视频传感器， 用于补充监测桥梁的整体结构、 关键 部位、 路面状态、 道路标志标识； 桥址环境监测模块包括设置在桥梁周边的风速传感器、 温度传感器、 水文传感器， 用于 预警自然环境的灾害； 桥址环境监测模块还包括设置在桥梁支座的受力传感器、 设置在路权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114169548 A 2面的视频传感器， 用于监测超载 车辆， 保证桥梁的交通环境良好。 4.根据权利 要求1所述的一种基于BIM的公路桥梁管养PHM系统， 其特征在于： 人工巡检 模块包括经常检查模块、 定期检查模块、 特殊检查模块； 经常检查模块用于对桥面设施、 上 部结构、 下部结构及附属设施的技术状况进 行检查， 检查周期为每月不少于一次， 其中对桥 面设施的检查包括检查和判断桥面铺装层横纵坡是否顺适、 伸缩缝是否有异常变形、 栏杆 和护栏有无损坏错位、 桥面排水是否顺畅、 桥上交通信号、 标志和照明设施是否损坏或失 效； 定期检查模块用于评定桥梁的使用功能， 为制定管理养护计划提供基本数据， 检查周期 为每三年不少于一次； 特殊检查模块用于在出现病害时确定桥梁技 术状况。 5.一种基于权利要求1至4中任意一项所述的基于BIM的公路桥梁管养PHM系统的管养 方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： S1： 将桥梁 的各阶段资料输入基于BIM的信息集成模块， 经过预处理后， 存入数据库模 块； S2： 监测与检查模块通过在线监测模块获取桥梁的实时监测数据， 通过人工巡检模块 获取定期输入的桥梁外观检查与评估数据； S3： 诊断与预测模块采用模态识别方法、 小波变换方法、 神经网络方法对在线监测模块 与人工巡检模块的多源监测检查数据开展分析， 提取与结构健康状况相关的特征信息； 对 提取的结构响应进行阈值分析， 诊断并定位桥梁的特征病害， 通过建立的桥梁服役性能评 估模型判断桥梁整体结构和 局部构件的健康状况及劣化趋势； S4： 桥梁管养模块 根据诊断预测结果维护桥梁， 并将维护记录存 入数据库模块。 6.根据权利要求5所述的管养方法， 其特征在于： 所述的步骤S2中， 在线监测模块获取 数据的具体步骤为： S21： 运行损伤识别程序分析在线监测模块获取的数据， 一旦识别结构损伤， 则运行模 型修正程序和阈值分析程序； S22： 若损伤持续存在， 且确认存在安全危险， 则由预警程序发出报警信息并安排巡检 人员对损伤进 行排查和维护， 并将巡检记录上传至数据库模块的预警数据库与养护维修数 据库； 若损伤信息一段时间后自然消失或阈值分析程序认为损伤在安全限值内， 则将损伤 上传至数据库模块的病害数据库。 7.根据权利要求5所述的管养方法， 其特征在于： 人工巡检模块获取数据的具体步骤 为： S23： 巡检人员对桥梁主体结构及关键部位进行周期性外观检查与评估， 对包括梁端伸 缩装置、 桥梁支座与桥 面铺装的病害易发区域及关键结构或构件开展重点检查； S24： 借助BIM模型快速定位病害位置； 通过BIM模型关联各阶段的桥梁信息， 实现巡检 人员快速查看并调用统计分析信息， 包括桥梁伸缩缝病害、 支 座病害、 螺栓的断裂、 锈蚀、 梁 体开裂的病害信息和监测检查数据； S25： 现场录入病害信息且后续确认后， 按照现行规范或规则分层 分级进行桥梁结构或 构件的劣化评估， 实现桥梁可靠度健康状况的标准 化评价； S26： 保存包括巡检的时间、 人员、 使用机具以及结构部位的信息， 并上传至数据库模块 的养护维修数据库， 为后续养护和下一次检查 提供指导与参 考。 8.根据权利要求5所述的管养方法， 其特征在于： 所述的步骤S3中， 模态识别方法的具权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114169548 A 3