一种基于数字孪生的高层建筑施工全过程智能监测方法

本发明涉及数字孪生，具体为一种基于数字孪生的高层建筑施工全过程智能监测方法。

背景技术：

1、数字孪生作为解决智能制造信息物理融合难题和践行智能制造理念与目标的关键使能技术，得到了学术界的广泛关注和研究，并被工业界引入到越来越多的领域进行落地应用。

2、高层建筑施工是一项非常复杂且危险的工作，存在着多种安全问题，包括施工人员高空坠落、起重设备事故、高空物体下落伤害地面工人、火灾和爆炸等事故，因此建设者和工作人员需要高度重视安全问题，采取一系列措施加强安全管理，保障每一位现场工人的安全。

3、数字孪生模型可以帮助建筑施工现场安全管理，它是一种将实际建筑物数字化的技术；数字孪生模型可以模拟建筑物的各个方面，包括设备、电气、管道、结构、环境等；通过数字孪生模型，可以在建筑施工现场进行虚拟测试，以发现和解决安全问题；例如，可以通过模拟振动和结构变形来预估况事发生的可能性；数字孪生模型还可以与现场工作人员交互，此外，数字孪生模型还可以提供自动化和人工智能的支持，协助现场工作人员管理和监控安全情况。

4、为此，本发明提供了一种基于数字孪生的高层建筑施工全过程智能监测方法。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对高层建筑施工常出现的安全隐患，本发明提供了一种基于数字孪生的高层建筑施工全过程智能监测方法。

3、(二)技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于数字孪生的高层建筑施工全过程智能监测方法；具体为：

5、通过数据采集模块对建筑施工时的高层建筑安全相关数据进行采集，数据采集模块：包括监测点位、数据采集平面分布站点、数据采集楼层站点和数据采集子站，具体为：

6、监测点位主要是具体构件层次的监测设备的布设，其中，监测点位的设备包括应力应变传感器、风速/风压测试传感器、楼层垂直度测试、竖向位移测量和水平位移测量仪，对施工现场建筑物结构的承重性、稳定性和安全性等方面的数据进行实时监测，其中包括：基坑强度值、地基深度值、地下水上位线数据、地下管线数量和走向、土体物理力学性质、抗震等级以及建筑材料抗形变等级数据进行实时检测；

7、进一步的，使用数据存储模块对通过数据采集模块采集的建筑施工时的高层建筑安全相关数据进行存储和预处理，具体步骤为:

8、使用oracl数据库及其数据库可视化设计工具来对采集的数据进行存储、处理和数据库的可视化集成开发环境管理，包括：

9、通过oracle database designer生成sql脚本来快速部署数据到oracle数据库服务器上；

10、进一步的，使用oracle data modeler管理、重构和重新设计oracle数据库的可视化集成开发环境ide；更有效的管理数据库元数据，同时根据业务需求重构数据库结构，避免管理工作重复耗费资源；

11、进一步的，利用oracle data vault管理和分发oracle数据库实例文件；快速准确的获取oracle数据库实例信息，并通过可配置界面来保护数据安全性。

12、进一步的，按照时间增量△t采集物理实体的运动数据，即分别在时刻t0、t0+△t、t0+△t*2、…、t0+△t*n采集物理实体的n组运动数据，不同的时刻即是采集到的数据的时间戳，设定限位信号；

13、所述的限位信号来源于对高层建筑各项安全数据的阈值界定，告警系统安装在监测信息告警模块，用于限定建筑各项安全数据的变化上限，当建筑的安全数据到达设定阈值，则触发信息告警系统，限位信号有效，向数字孪生监控平台发送施工现场异常出具告警信号；

14、限位信号有效时停止该次数据采集，将数字孪生平台的该次系列动作记为序列一，并将采集到的数据和对应的时间戳存储在缓存中；

15、进一步的，继续采集建筑施工现场建筑物结构的承重性、稳定性和安全性数据，并比较两次采集的数据间的差值，当该差值小于等于设定值时，即认为数据并无明显变化，施工处于安全状态，并持续记录等待的时间，该等待的时间即为序列间的等待时间；否则，认为数字孪生平台开始执行另一个序列；

16、进一步的，继续采集和存储物理实体的数据、时间戳，直到在一个检测周期内，施工的所有序列完成；

17、进一步的，对于最终采集到的所有数据，将每个缓存中的同一时序的数据按照时间戳去除最大值和最小值，并对剩下的数据求均值；

18、若一级缓存存储了j次工序一的数据和时间戳，偏移地址0处存储了第一次采集到的时序一的时间戳t0、偏移地址1处存储了第一次采集到的时序一的数据data2，偏移地址k处存储了第二次采集到的时序一的时间戳t0、偏移地址k+1处存储了第二次采集到的工序一的数据偏移地址(j-1)×k处存储了第j次采集到的时序一的时间戳t0、偏移地址(j-1)×k+1处存储了第j次采集到的时序一的数据则按照时间戳t0搜索数据其中j＝1,2,...,j，去除这些数据中的最大值和最小值，并对剩下的数据求取平均值；

19、进一步的，将最终得到的所有数据重新组合成一帧数据并发送给虚拟模型数据库进行存储，作为该虚拟模型的数字孪生行为模型数据来源。

20、进一步的，按照数学模型和采集到的建筑模型数据和描述信息，将这些数据进行数据清洗、数据归一化、特征提取和序列化工作；

21、进一步的，基于处理得到的数据集，采用建筑模型、计算流体力学模型的多种数学模型技术，建立准确、高效的数字高层建筑施工模型，对高层建筑的最大层间变形、最大竖向变形、最大顶层加速度等参数进行模拟预测。

22、进一步的，根据建立的数学模型进入模型驱动模块，具体为：

23、运行数学模型，将模型与实际系统的实时数据进行对比，以验证数学模型的准确性；模型将生成关于实际系统运行状态的数据和预测信息；

24、进一步的，使用模型驱动模块建立的数学模型进行施工过程模拟，包括：

25、获取框架柱、伸臂桁架、斜撑、腰桁架应力应变峰值点；

26、获取核心筒墙体、框架柱的竖向位移峰值和位移峰值点，分析核心筒和外框架之间的沉降压缩变形差异；

27、输入结构施工过程中的荷载作用下的最大层间变形、最大竖向变形、最大顶层加速度；

28、若监测数据超过性能指标即可进行预警。

29、进一步的，监测信息计算模块对数据采集模块获取的数据根据施工参数安全阈值计算公式进行处理，具体为：

30、使用金属应力损伤量d表示建筑组件应力损伤的严重程度，其计算公式为：

31、

32、d＝f(σ,σth,t,t,ph,c,···)

33、其中，参数意义为：σ为材料所承受的应力水平，σth为应力腐蚀门槛值，由合金与环境组合类型和环境参数决定，应力水平σ低于该门槛值时将不发生应力腐蚀破裂；t为作用时间，t为环境温度，ph为施工环境的ph值，c为环境介质浓度，γ、β、α均为非负的合金-环境响应参数；σth为应力腐蚀门槛值，这些参数都可通过试验得到；有效应力σe＝σ(1-d)，根据应变等效原理计算；

34、当金属应力损伤量d超过安全阈值时，则通过安全告警模块出施工危险告警信号；

35、进一步的，使用施工环境适应程度tq表示施工时室外环境对高层建筑施工的影响强度，其计算公式为：

36、

37、其中：q1为在有风的情况下，风力扬尘的产生量，其计算公式为：

38、

39、其中，参数意义为：v50为距地面50米处风速，单位为m/s；v0为起尘风速，单位为：m/s；w为尘粒的函数率，单位为：％；

40、q2为配装施工环境中风速对组件位移的影响量，其计算公式为：

41、q2＝1.35×10-5·u2.05·h1.23·β

42、其中，参数意义为：h为装卸落差，u为平均风速，β为实验系数，与动作强度等有关；

43、q3为工地车辆行驶扬尘量，其计算公式为：

44、q3＝0.123(v/5)(w/6.8)0.83(p/0.5)0.75

45、其中，参数意义为：v是汽车速度，单位为：km/h；w为汽车装载量，单位为t；p为道路表明粉尘量，单位为kg/m2；

46、当施工环境适应程度tq超过安全阈值时，则通过安全告警模块向发出施工危险告警信号。

47、进一步的，步骤七、使用安全告警模块对危险信号进行实时预警，具体为：

48、将告警信息通过接口实时调用的方式发送给数字孪生的前端页面，通过项目管理系统中的图像显示模块和预警模块将图片/文本信息将简单直观、内存小的有效信息借助gsm模块以短信和微信的形式发送给与项目施工监测模块，实现安全预警和信息共享。

49、(三)有益效果

50、本发明提供了一种基于数字孪生的高层建筑施工全过程智能监测方法，具备以下有益效果：

51、通过数字孪生技术，在虚拟空间中创建高层建筑的三维模型，模拟整个建筑物在不同施工阶段的各种情况，并对其中可能出现的安全隐患进行分析和评估，在数字孪生技术的帮助下，安全监测系统可以与数字孪生模型进行联动，实时监测高层建筑施工现场的安全状况和工人的操作情况，对任何违规行为或安全隐患进行实时预警和监控，及时发出警报并采取危险清除或人员疏散等应对措施；帮助管理者制订更加准确、全面的安全计划。