本發(fā)明屬于建筑施工，特別涉及一種既有空間鋼結構變形量化評估系統(tǒng)及方法。

背景技術：

1、鋼結構在長期使用過程中可能會因為載荷、環(huán)境侵蝕、疲勞或其他因素而發(fā)生變形。這種變形如果不被及時發(fā)現(xiàn)和處理，可能會影響結構的完整性和安全性，甚至導致結構失效。為了確保鋼結構的健康和安全，定期進行變形檢測是至關重要的。變形檢測的目的在于識別和量化結構部件，特別是節(jié)點和桿件的幾何變化。這些變化可能表明結構正在經歷一些不利的影響，需要采取維修或加固措施。傳統(tǒng)的變形檢測方法往往依賴于人工測量，這不僅耗時耗力，而且準確性受限于測量人員的技術和經驗。此外，傳統(tǒng)的人工測量方法沒有整體評價變形的能力，通常只能提供局部的變形信息，這可能導致對結構整體性能的評估不足。

2、因此，如何提供一種既有空間鋼結構變形量化評估系統(tǒng)及方法，是本領域技術人員亟需解決的技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、針對傳統(tǒng)鋼結構變形人工檢測的問題，本發(fā)明提出了一種既有空間鋼結構變形量化評估系統(tǒng)及方法，自動提取桿件截面特征信息和節(jié)點坐標，實現(xiàn)對桿件尺寸變形和空間鋼結構整體位移的定量評價，解決了傳統(tǒng)人工操作存在的不足，提高了鋼結構變形檢測和評價的高效性、時效性和準確性。

2、為解決以上技術問題，本發(fā)明包括如下技術方案：

3、一種既有空間鋼結構變形量化評估系統(tǒng)，包括：

4、點云預處理系統(tǒng)，所述點云預處理系統(tǒng)包括點云采集模塊和點云分割模塊，所述點云采集模塊用于使用三維掃描儀采集既有結構的點云數(shù)據(jù)，將點云數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗，將清洗后數(shù)據(jù)傳輸至點云分割模塊；所述點云分割模塊用于采用分割算法將結構點云模型分割成節(jié)點點云模型和桿件點云模型兩類，將分割后的桿件點云和節(jié)點點云分別傳輸至截面特征提取系統(tǒng)和節(jié)點定位系統(tǒng)；

5、截面特征提取系統(tǒng)，所述截面特征提取系統(tǒng)包括特征方向定位模塊、正平行投影模塊和截面形心提取模塊，所述特征方向定位模塊采用最佳平方逼近法擬合三維直線公式，得到各桿件的特征直線方向向量；所述正平行投影模塊用于根據(jù)桿件的特征直線方向為法向量的平面進行正平行投影；截面形心提取模塊基于密度檢測直線算法，檢測截面直線；

6、節(jié)點定位系統(tǒng)，所述節(jié)點定位系統(tǒng)包括桿件特征直線提取模塊和節(jié)點三維中心提取模塊；所述特征直線穿過桿件，所述桿件特征直線提取模塊根據(jù)空間解析幾何由截面形心確定桿件的特征直線；所述節(jié)點三維中心提取模塊根據(jù)節(jié)點處各個桿件的特征直線，求解特征直線的最小二乘解；

7、變形評估系統(tǒng)，所述變形評估系統(tǒng)包括局部變形評估系統(tǒng)和整體變形評估系統(tǒng)，所述局部變形評估系統(tǒng)用于計算各桿件的截面尺寸誤差，整體變形評估系統(tǒng)用于計算各節(jié)點的位置誤差。

8、進一步地，所述特征方向定位模塊擬合三維直線的方法：假設有一個數(shù)據(jù)集{(x1,y1,z1),?(x2,y2,z2),?...,?(xn,yn,zn)}，想要找到一個三維直線方程形式為z=ax+by+c，使得擬合直線與數(shù)據(jù)點之間的誤差平方和最小化；

9、步驟s1、定義殘差為擬合直線與每個數(shù)據(jù)點之間的差值，即：ei=zi-(ax+by+c)，目標是最小化殘差的平方和：s=σ(ei2)=σ(zi-(ax+by+c))2；為了找到最佳的斜率a、b和截距c，需要對s進行最小化，通過對s分別對a、b和c求導，并令導數(shù)等于零，即

10、對于?a?的導數(shù)：?s/?a=?-2σ(xi(zi-(ax+by+c)))=0；

11、對于?b?的導數(shù)：?s/?b=?-2σ(yi(zi-(ax+by+c)))=0；

12、對于?c?的導數(shù)：?s/?c=?-2σ(zi-(ax+by+c))=0

13、通過求解上述三個方程，得到最佳的斜率a、b和截距c的值，使得擬合直線與數(shù)據(jù)點之間的誤差平方和最小化；將上述三個公式展開計算得到：

14、σxi(zi-(ax+by+c))=0；

15、σyi(zi-(ax+by+c))=0；

16、σzi-aσxi-bσyi-nc=0；

17、其中，n是數(shù)據(jù)點的數(shù)量，

18、通過整理和求解這三個方程，得到最佳的斜率a、b和截距c的表達式：

19、a=(nσxiyi-σxiσyi)/(nσx2-(σx)2)；

20、b=(nσxiyi-σxiσzi)/(nσy2-(σy)2)；

21、c=(σzi-aσxi-bσyi)/n；

22、通過計算，得到擬合直線與數(shù)據(jù)點之間的最佳擬合，取擬合直線的方向向量，即得到各桿件的特征直線方向向量。

23、進一步地，所述正平行投影模塊包括：

24、首先，獲得一組坐標系轉換關系實現(xiàn)坐標變換，以桿件三維各軸均值點為變換坐標原點，以桿件特征直線方向向量?為法向量的平面作為投影面，同時此法向量的方向也是變換坐標系的z軸方向，則投影平面在原坐標系下的方程為：；

25、接著，選取平面上x方向相同的兩點?，?，代入平面方程后求得3d坐標?，?，以為變換坐標系x方向，x與z取外積?，即得到變換坐標系正平行投影變換矩陣，取正平行坐標變換后的xoy面坐標點，得到截面正平行投影。

26、進一步地，所述密度檢測直線算法包括：

27、步驟s1、離散化區(qū)間：將二維點集分為x方向、y方向兩個方向，以一定的閾值長度來對x區(qū)間范圍與y區(qū)間范圍進行劃分；其中，閾值長度需要根據(jù)點集的特性確定，如果點集的分布較密集，閾值長度可能需要設置得較小，以便更精細地捕捉點的分布；如果點集分布較為稀疏，閾值長度可以設置得較大，以減少區(qū)間的數(shù)量，簡化計算。

28、步驟s2、計數(shù)：將二維點集分x、y兩個獨立的方向分別在所劃分的長度區(qū)間中計數(shù)，即計算每個區(qū)間所落得點數(shù)；

29、步驟s3、根據(jù)每個區(qū)間落下的點數(shù)直方圖，選擇點數(shù)最多的前10%的區(qū)間，這些區(qū)間含有反應截面幾何特征的直線，對區(qū)間內點取均值處理得到反應幾何特征的直線，根據(jù)截面直線信息，通過積分計算獲得截面形心。

30、進一步地，所述桿件特征直線提取模塊用于桿件特征直線提取方法，桿件特征直線提取方法包括：桿件特征直線提取模塊用于得到截面形心，截面形心反映了變換坐標系后桿件在xoy面上投影形心，丟失了z方向的深度信息，但是由于，z軸是xoy的法向量，可以假設桿件空間形心的z坐標為0，則相對坐標系下形心坐標為?，法向量為變換坐標系z軸的方向（直線特征直線的方向），即確定了桿件的特征直線（該特征直線穿過桿件）。

31、進一步地，所述求解特征直線的最小二乘解包括：

32、步驟s1、確定兩條直線的參數(shù)方程，假設第一直線的參數(shù)方程為：

33、；

34、第二直線的參數(shù)方程為：

35、；

36、其中，?和?是直線上的已知點，?和?是直線的方向向量，t和s是參數(shù)化變量;

37、步驟s2、將第一直線的參數(shù)方程代入第二直線的參數(shù)方程，得到一個關于t和s的方程組：

38、;

39、將方程組進行整理，得到一個線性方程組的形式：

40、;

41、步驟s3、使用最小二乘法求解線性方程組,將方程組轉化為矩陣形式：?，其中，

42、;

43、最小二乘解可以通過以下公式計算：

44、;

45、其中，?表示a的轉置，?表示?的逆矩陣,計算得到的解x中的t和s值，代入第一直線或第二直線的參數(shù)方程中，得到最小二乘交點的坐標；

46、步驟s4、將各桿件的特征直線兩兩結合，求出最小二乘解，在對得到所有解進行求和均值處理，即得到節(jié)點關鍵點。

47、本發(fā)明還提供了一種既有空間鋼結構變形量化評估方法，包括：

48、步驟s1、采用所述既有空間鋼結構變形量化評估系統(tǒng)；

49、步驟s2、采集點云數(shù)據(jù)，將空間鋼結構點云模型的節(jié)點和桿件分割開；

50、步驟s3、自動提取桿件截面尺寸和截面形心；

51、步驟s4、根據(jù)提取到的桿件的特征直線，找到與節(jié)點相連的兩兩桿件特征直線的交點坐標均值作為該節(jié)點的中心，得到節(jié)點中心坐標；

52、步驟s5、根據(jù)桿件截面尺寸和節(jié)點中心坐標，計算各桿件截面與初始設計截面的尺寸誤差和結構各節(jié)點中心坐標的位置誤差，用于評估結構的局部變形和整體變形。

53、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果：

54、本發(fā)明提供一種基于人工智能的既有空間鋼結構變形量化評估系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括點云預處理系統(tǒng)、截面特征提取系統(tǒng)、節(jié)點定位系統(tǒng)和變形評估系統(tǒng)。其中點云預處理系統(tǒng)包括點云采集模塊和點云分割模塊；截面特征提取系統(tǒng)包括特征方向定位模塊、正平行投影模塊和截面形心提取模塊；節(jié)點定位系統(tǒng)系統(tǒng)包括桿件特征直線提取模塊和節(jié)點三維中心提取模塊；變形評估系統(tǒng)包括局部變形評估系統(tǒng)和整體變形評估系統(tǒng)。該既有空間鋼結構變形量化評估方法，首先，采集點云數(shù)據(jù)，將空間鋼結構點云模型的節(jié)點和桿件分割開；接著，自動提取桿件截面尺寸和截面形心；然后，根據(jù)提取到的桿件的特征直線，找到與節(jié)點相連的兩兩桿件特征直線的交點坐標均值作為該節(jié)點的中心；最后，根據(jù)桿件截面尺寸和節(jié)點中心坐標，計算各桿件截面與初始設計截面的尺寸誤差和結構各節(jié)點中心坐標的位置誤差，用于評估結構的局部變形和整體變形。

55、相比于傳統(tǒng)既有空間鋼結構變形檢測與評估工作，本發(fā)明的有益效果主要有以下幾點：

56、（1）自動化檢測：自動提取桿件截面特征信息和節(jié)點坐標，減少了對人工操作的依賴，提高了檢測的客觀性和一致性。

57、（2）效率增強：自動化的數(shù)據(jù)采集和處理大幅度減少了檢測時間，使得檢測過程更加高效。

58、（3）全面性評估：不僅能評估局部變形，還能進行整體結構的位移分析，提供了更全面的結構性能評估。