CN107010542B - 一种装配式建筑智能吊装方法 - Google Patents

一种装配式建筑智能吊装方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种装配式建筑智能吊装系统及方法，该系统包括平行系统模块、施工现场信息模块、路径平行规划模块和智能吊装模块。采用了平行理论，将吊装过程中复杂路径规划问题在三维虚拟现实模型中予以完成，保证了吊装任务完成的快速性及安全性；三维虚拟现实模型实时更新，保证了吊装过程中吊装路径规划的合理性；充分利用了物联网技术中的RFID模块，实现了装配现场和装配过程的信息化，有利于实现装配式建筑吊装全过程的自动化与智能化。

Description

一种装配式建筑智能吊装方法
技术领域
本发明涉及一种装配式建筑智能吊装系统，具体涉及一种装配式建筑智能吊装系统及方法。属于智能建筑技术领域。
背景技术
节能减排是推进经济结构调整、转变发展方式、实现经济和社会可持续发展的必然要求。装配式建筑是发展节能减排，降低能源消耗，促进我国经济可持续发展的一种新方式。装配式建筑是用预制的工件在工地装配而成的建筑，由于预制件是根据市场和用户需求提前制作出来，所以具有建筑速度快、成本小、受气候天气影响较小、节约劳动力、降低施工现场的工作量和复杂度并且可以提高建筑质量等一系列优点。目前装配式建筑在我国建筑工程建设中被越来越多的采用。
装配式建筑在目前的发展推广中也有着一系列的困难和误区，其吊装施工过程中需要准备的工作量有所增加，预制件测量错误、吊装方法不规范、工程管理混乱等因素会影响吊装的准确度，从而使建筑工期延长，影响了装配式建筑的施工安全，降低了装配式建筑的质量，使装配式建筑的发展和推广受到制约。所以有必要开发新型的装配式建筑智能吊装方法，来提高装配式建筑的效率，提高建筑质量，缩短工期。
现有技术往往在施工现场才开始着手现场及预制件数据的采集，且相关数据的获取操作复杂，没有充分利用新兴信息技术，无法实现装配式建筑建造的全过程自动化；另一方面，在施工现场预制件吊装过程中，未考虑最佳吊装路径获取问题，因此，存在吊装的准确性、协调性、安全性等问题。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种装配式建筑智能吊装系统。
本发明还提供了上述系统对应的一种装配式建筑智能吊装方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种装配式建筑智能吊装系统，包括：
平行系统模块：用于生成和更新装配式建筑三维虚拟现实模型，并与施工现场信息模块、路径平行规划模块和智能吊装模块通信；
施工现场信息模块：用于存储施工现场预制件信息，并与平行系统模块及智能吊装模块通信；
路径平行规划模块：用于获取具体需要吊装的预制件信息，同时与平行系统模块通信，在实时的三维虚拟现实模型基础上，通过差分进化算法进行吊装路径的规划，获取可行吊装路径集，并进行平行实验，得出装配式建筑预制件的最佳吊装路径；
智能吊装模块：与平行系统模块通信决定起吊的预制件，获取相关信息后与路径平行规划模块通信；根据路径平行规划模块反馈回的吊装路径进行吊装，吊装完成后与平行系统模块通信，并获取下一步任务。
上述系统对应的一种装配式建筑智能吊装方法，包括步骤：
(1)根据装配式建筑的设计图纸和初始装配式建筑三维虚拟现实模型设计预制件，预制件内嵌RFID标签和GPS模块，平行系统模块与施工现场信息模块实时通信，获取每个预制件的现场信息，并将其在施工现场的情况更新于三维虚拟现实模型中。同时，平行系统模块与智能吊装模块通信，获取吊具的实时信息以及装配式建筑的完成情况，并在三维虚拟现实模型中进行更新；
(2)在施工现场，扫描现场所有预制件的RFID标签，获取储存在RFID标签中关于预制件的各种信息，通过无线接收模块接收预制件的GPS定位信息，构建现场所有预制件的信息库，并将其反馈给智能吊装模块以及平行系统模块；
(3)路径平行规划模块与智能吊装模块通信，获取具体需要吊装的预制件信息，同时与平行系统模块进行通信，在实时的三维虚拟现实模型基础上，通过差分进化算法进行吊装路径的规划，获取可行吊装路径集，并进行平行实验，得出装配式建筑预制件的最佳吊装路径；
(4)智能吊装模块与平行系统模块通信决定起吊的预制件，获取相关信息后与路径平行规划模块通信，根据路径平行规划模块反馈回的吊装路径进行吊装，吊装完成后与平行系统模块通信，并获取下一步任务。
作为优选技术方案之一，步骤(1)中的预制件还内嵌发送GPS模块定位信息的无线发射模块，RFID标签含有预制件的所有数据参数，通过GPS模块能够准确确定预制件的位置。
作为优选技术方案之一，步骤(1)中的RFID标签包括：编号、类型、大小、重量以及合适位置。
作为优选技术方案之一，三维虚拟现实模型的构建方法如下：
(11)前期准备：对装配式建筑的设计图纸进行详细分析，获取每一个要构造的三维虚拟现实模型的详细参数，确定场景数据库；
(12)模型建立：通过MultiGen Creator软件绘制装配式建筑三维虚拟现实模型；
(13)后期处理：优化三维虚拟现实模型，去除装配式建筑三维虚拟现实模型的冗余面，降低场景复杂度。
作为优选技术方案之一，步骤(11)中对设计图纸的分析内容包括：装配式建筑各预制件、装配式建筑整体、装配式建筑吊装现场的施工环境(如吊具位置、高度等)、装配式建筑所在地形地貌。
作为优选技术方案之一，步骤(12)的具体方法是：首先，对装配式建筑吊装现场的地形地貌进行场景构建；然后，分区完成装配式建筑各预制件的三维虚拟现实模型以及装配式建筑吊装现场的三维虚拟模型，每个模型所描述的物体形状通过各个多边形、三角形和顶点来确定；最后，通过各预制件三维虚拟现实模型和吊装现场的三维虚拟模型的汇总完成对整个装配式建筑三维虚拟现实模型的构建。
作为优选技术方案之一，步骤(3)的具体方法是：
(31)根据装配式建筑三维虚拟现实模型确定预制件吊装路径的取值范围，生成n条不同的初始路径，设初始吊装路径集为X；
(32)对初始吊装路径集X进行变异与交叉操作，并将不符合边界约束条件的吊装路径通过可行域中随机产生的参数替代；变异操作后的吊装路径集Xmi为
其中，为当前吊装路径集中适值最佳的路径，与是互不相同的经过t次变异迭代的随机吊装路径，i＝1,2,…,n，n为大于2的整数，i为在初始n条吊装路径中的第i 条吊装路径，t为变异迭代次数，λ、β分别为附加控制变量和缩放因子，设定λ＝β＝0.5；交叉操作后的吊装路径集XTij为：
其中，j为交叉迭代的次数，取j＝1,2,…,D，D为最大迭代次数，Xmij为经过j次交叉迭代的吊装路径集，为经过t次变异迭代，又经过j次交叉迭代之后的第i条吊装路径，rand 为[0,1]之间均匀分布的随机数，Cr为交叉概率因子，取Cr＝0.1；
(33)对于初始吊装路径集X和变异与交叉后的吊装路径集XT，采用基于轮盘赌的比例选择法和最优保存策略选出含有N条路径的吊装路径集X′；
(34)重复步骤(32)到步骤(34)直至吊装路径集不再发生改变或达到最大迭代次数，从而，输出可行的预制件吊装路径集。
(35)预制件吊装路径集得出后，在装配式建筑三维虚拟现实模型中进行平行实验，也就是将基于差分进化算法得到的吊装路径集在构建好的装配式建筑三维虚拟现实模型中运行，用于模拟实际施工环境，充分考虑预制件吊装中可能遇到的问题，包括预制件路径安全性、吊装效率、吊装路径中可能跟障碍物产生的碰撞、安装难易程度、吊装装置对于规划路径吊装的可行性(如吊装死角)等现场施工类问题，根据路径最优、安装便捷度最优、安全性最优等指标选出预制件最佳吊装路径。
作为优选技术方案之一，步骤(4)的具体方法是：
(41)与平行系统模块通信决定起吊的预制件，同时与施工现场信息模块通信，获取所吊装模块的准确定位等信息，并将预制件的位置信息发送给吊装装置；
(42)吊装装置根据装配式建筑预制件目前所在位置，以及在装配式建筑设计图纸和装配式建筑三维虚拟现实模型中该预制件的设计位置，与路径规划模块通信获取该预制件的最佳吊装路径；
(43)根据步骤(41)中需吊装的预制件的位置，吊臂转至该预制件位置将其起吊；吊装装置按照设计好的预制件吊装路径将该预制件吊装至设计位置，完成该预制件吊装。
(44)与平行系统模块通信，更新装配式建筑三维虚拟现实模型，将在装配式建筑中已安装好的该预制件在装配式建筑三维虚拟现实模型中表现出来，同时获取下一需要吊装的预制件信息，直至完工。
本发明的有益效果：
本发明通过平行理论及虚拟现实技术实现装配式建筑预制件的制作、三维虚拟现实模型的构建，并在三维虚拟现实模型中基于差分进化算法及平行实验进行吊装路径的规划，得到预制件最佳吊装路径，进而完成预制件智能吊装，保证装配式建筑吊装全过程的自动化及智能化，提高装配式建筑吊装的准确性、协调性、安全性。具体如下：
1)采用了平行理论，将吊装过程中复杂路径规划问题在三维虚拟现实模型中予以完成，保证了吊装任务完成的快速性及安全性。
2)三维虚拟现实模型实时更新，保证了吊装过程中吊装路径规划的合理性。
3)充分利用了物联网技术中的RFID模块，实现了装配现场和装配过程的信息化，有利于实现装配式建筑吊装全过程的自动化与智能化。
附图说明
图1是本发明的整体流程图；
图2是三维虚拟现实模型构建流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例：
如图1所示，一种装配式建筑智能吊装系统，包括：
平行系统模块：用于生成和更新装配式建筑三维虚拟现实模型，并与施工现场信息模块、路径平行规划模块和智能吊装模块通信；
施工现场信息模块：用于存储施工现场预制件信息，并与平行系统模块及智能吊装模块通信；
路径平行规划模块：用于获取具体需要吊装的预制件信息，同时与平行系统模块通信，在实时的三维虚拟现实模型基础上，通过差分进化算法进行吊装路径的规划，获取可行吊装路径集，并进行平行实验，得出装配式建筑预制件的最佳吊装路径；以及
智能吊装模块：与平行系统模块通信决定起吊的预制件，获取相关信息后与路径平行规划模块通信，根据路径规划模块反馈回的吊装路径进行吊装，吊装完成后与平行系统模块通信，并获取下一步任务。
上述系统对应的一种装配式建筑智能吊装方法，包括步骤：
(1)根据装配式建筑的设计图纸和初始装配式建筑三维虚拟现实模型设计预制件，预制件内嵌RFID标签和GPS模块，平行系统模块与施工现场信息模块实时通信，获取每个预制件的现场信息，并将其在施工现场的情况更新于三维虚拟现实模型中。同时，平行系统模块与智能吊装模块通信，获取吊具的实时信息以及装配式建筑的完成情况，并在三维虚拟现实模型中进行更新。
预制件还内嵌发送GPS模块定位信息的无线发射模块，RFID标签含有预制件的所有数据参数，通过GPS模块能够准确确定预制件的位置。
RFID标签包括：编号、类型、大小、重量以及合适位置。
如图2所示，三维虚拟现实模型的构建方法如下：
(11)前期准备：对装配式建筑的设计图纸进行详细分析，获取每一个要构造的三维虚拟现实模型的详细参数，确定场景数据库；
(12)模型建立：通过MultiGen Creator软件绘制装配式建筑三维虚拟现实模型；
(13)后期处理：优化三维虚拟现实模型，去除装配式建筑三维虚拟现实模型的冗余面，降低场景复杂度。
步骤(11)中对设计图纸的分析内容包括：装配式建筑各预制件、装配式建筑整体、装配式建筑吊装现场的施工环境(如吊具位置、高度等)、装配式建筑所在地形地貌。
步骤(12)的具体方法是：首先，对装配式建筑吊装现场的地形地貌进行场景构建；然后，分区完成装配式建筑各预制件的三维虚拟现实模型以及装配式建筑吊装现场的三维虚拟模型，每个模型所描述的物体形状通过各个多边形、三角形和顶点来确定；最后，通过各预制件三维虚拟现实模型和吊装现场的三维虚拟模型的汇总完成对整个装配式建筑三维虚拟现实模型的构建。
(2)在施工现场，扫描现场所有预制件的RFID标签，获取储存在RFID标签中关于预制件的各种信息，通过无线接收模块接收预制件的GPS定位信息，构建现场所有预制件的信息库，并将其反馈给智能吊装模块以及平行系统模块。
(3)路径平行规划模块与智能吊装模块通信，获取具体需要吊装的预制件信息，同时与平行系统模块进行通信，在实时的三维虚拟现实模型基础上，通过差分进化算法进行吊装路径的规划，获取可行吊装路径集，并进行平行实验，得出装配式建筑预制件的最佳吊装路径。
具体方法是：
(31)根据装配式建筑三维虚拟现实模型确定预制件吊装路径的取值范围，生成n条不同的初始路径，设初始吊装路径集为X；
(32)对初始吊装路径集X进行变异与交叉操作，并将不符合边界约束条件的吊装路径通过可行域中随机产生的参数替代；变异操作后的吊装路径集Xmi为
其中，为当前吊装路径集中适值最佳的路径，与是互不相同的经过t次变异迭代的随机吊装路径，i＝1,2,…,n，n为大于2的整数，i为在初始n条吊装路径中的第i 条吊装路径，t为变异迭代次数，λ、β分别为附加控制变量和缩放因子，设定λ＝β＝0.5；交叉操作后的吊装路径集XTij为：
其中，j为交叉迭代的次数，取j＝1,2,…,D，D为最大迭代次数，Xmij为经过j次交叉迭代的吊装路径集，为经过t次变异迭代，又经过j次交叉迭代之后的第i条吊装路径，rand 为[0,1]之间均匀分布的随机数，Cr为交叉概率因子，取Cr＝0.1；
(33)对于初始吊装路径集X和变异与交叉后的吊装路径集XT，采用基于轮盘赌的比例选择法和最优保存策略选出含有N个路径的吊装路径集X′；
(34)重复步骤(32)到步骤(34)直至吊装路径集不再发生改变或达到最大迭代次数，从而，输出可行的预制件吊装路径集。
(35)预制件吊装路径集得出后，在装配式建筑三维虚拟现实模型中进行平行实验，也就是将基于差分进化算法得到的吊装路径集在构建好的装配式建筑三维虚拟现实模型中运行，模拟实际施工环境，充分考虑预制件吊装中可能遇到的问题，包括预制件路径安全性、吊装效率、吊装路径中可能跟障碍物产生的碰撞、安装难易程度、吊装装置对于规划路径吊装的可行性(如吊装死角)等现场施工类问题，根据路径最优、安装便捷度最优、安全性最优等指标选出预制件最佳吊装路径。
(4)智能吊装模块与平行系统模块通信决定起吊的预制件，获取相关信息后与路径平行规划模块通信，根据路径平行规划模块反馈回的吊装路径进行吊装，吊装完成后与平行系统模块通信，并获取下一步任务。
具体方法是：
(41)与平行系统模块通信决定起吊的预制件，同时与施工现场信息模块通信，获取所吊装模块的准确定位等信息，并将预制件的位置信息发送给吊装装置；
(42)吊装装置根据装配式建筑预制件目前所在位置，以及在装配式建筑设计图纸和装配式建筑三维虚拟现实模型中该预制件的设计位置，与路径规划模块通信获取该预制件的最佳吊装路径；
(43)根据步骤(41)中需吊装的预制件的位置，吊臂转至该预制件位置将其起吊；吊装装置按照设计好的预制件吊装路径将该预制件吊装至设计位置，完成该预制件吊装。
(44)与平行系统模块通信，更新装配式建筑三维虚拟现实模型，将在装配式建筑中已安装好的该预制件在装配式建筑三维虚拟现实模型中表现出来，同时获取下一需要吊装的预制件信息，直至完工。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种装配式建筑智能吊装方法，其特征在于，包括步骤：
(1)根据装配式建筑的设计图纸和初始装配式建筑三维虚拟现实模型设计预制件，预制件内嵌RFID标签和GPS模块，平行系统模块与施工现场信息模块实时通信，获取每个预制件的现场信息，并将其在施工现场的情况更新于三维虚拟现实模型中，同时，平行系统模块与智能吊装模块通信，获取吊具的实时信息以及装配式建筑的完成情况，并在三维虚拟现实模型中进行更新；
(2)在施工现场，扫描现场所有预制件的RFID标签，获取储存在RFID标签中关于预制件的各种信息，通过无线接收模块接收预制件的GPS定位信息，构建现场所有预制件的信息库，并将其反馈给智能吊装模块以及平行系统模块；
(3)路径平行规划模块与智能吊装模块通信，获取具体需要吊装的预制件信息，同时与平行系统模块进行通信，在实时的三维虚拟现实模型基础上，通过差分进化算法进行吊装路径的规划，获取可行吊装路径集，并进行平行实验，得出装配式建筑预制件的最佳吊装路径；
(4)智能吊装模块与平行系统模块通信决定起吊的预制件，获取相关信息后与路径平行规划模块通信，根据路径平行规划模块反馈回的吊装路径进行吊装，吊装完成后与平行系统模块通信，并获取下一步任务。
2.根据权利要求1所述的装配式建筑智能吊装方法，其特征在于，步骤(1)中的预制件还内嵌发送GPS模块定位信息的无线发射模块，RFID标签含有预制件的所有数据参数，通过GPS模块能够准确确定预制件的位置。
3.根据权利要求1所述的装配式建筑智能吊装方法，其特征在于，三维虚拟现实模型的构建方法如下：
(11)前期准备：对装配式建筑的设计图纸进行详细分析，获取每一个要构造的三维虚拟现实模型的详细参数，确定场景数据库；
(12)模型建立：通过MultiGen Creator软件绘制装配式建筑三维虚拟现实模型；
(13)后期处理：优化三维虚拟现实模型，去除装配式建筑三维虚拟现实模型的冗余面，降低场景复杂度。
4.根据权利要求3所述的装配式建筑智能吊装方法，其特征在于，步骤(12)的具体方法是：首先对装配式建筑吊装现场的地形地貌进行场景构建，然后分区完成装配式建筑各预制件的三维虚拟现实模型以及装配式建筑吊装现场的三维虚拟模型，每个模型所描述的物体形状通过各个多边形、三角形和顶点来确定，最后通过各预制件三维虚拟现实模型和吊装现场的三维虚拟模型的汇总完成对整个装配式建筑三维虚拟现实模型的构建。
5.根据权利要求1所述的装配式建筑智能吊装方法，其特征在于，步骤(3)的具体方法是：
(31)根据装配式建筑三维虚拟现实模型确定预制件吊装路径的取值范围，生成n条不同的初始路径，设初始吊装路径集为X；
(32)对初始吊装路径集X进行变异与交叉操作，并将不符合边界约束条件的吊装路径通过可行域中随机产生的参数替代；变异操作后的吊装路径集Xmi为
其中，为当前吊装路径集中适值最佳的路径，与是互不相同的经过t次变异迭代的随机吊装路径，i＝1,2,…,n，n为大于2的整数，i为在初始n条吊装路径中的第i条吊装路径，t为变异迭代次数，λ、β分别为附加控制变量和缩放因子，设定λ＝β＝0.5；
交叉操作后的吊装路径集XTij为：
其中j为交叉迭代的次数，取j＝1,2,…,D，D为最大迭代次数Xmij为经过j次交叉迭代的吊装路径集为经过t次变异迭代，又经过j次交叉迭代之后的第i条吊装路径，rand为[0,1]之间均匀分布的随机数，Cr为交叉概率因子，取Cr＝0.1；
(33)对于初始吊装路径集X和变异与交叉后的吊装路径集XT，采用基于轮盘赌的比例选择法和最优保存策略选出含有N个路径的吊装路径集X′；
(34)重复步骤(32)到步骤(34)直至吊装路径集不再发生改变或达到最大迭代次数，从而，输出可行的预制件吊装路径集；
(35)预制件吊装路径集得出后，在装配式建筑三维虚拟现实模型中进行平行实验，也就是将基于差分进化算法得到的吊装路径集在构建好的装配式建筑三维虚拟现实模型中运行，模拟实际施工环境，充分考虑预制件吊装中可能遇到的问题，根据路径最优、安装便捷度最优、安全性最优指标选出预制件最佳吊装路径。
6.根据权利要求1所述的装配式建筑智能吊装方法，其特征在于，步骤(4)的具体方法是：
(41)与平行系统模块通信决定起吊的预制件，同时与施工现场信息模块通信，获取所吊装模块的准确定位信息，并将预制件的位置信息发送给吊装装置；
(42)吊装装置根据装配式建筑预制件目前所在位置，以及在装配式建筑设计图纸和装配式建筑三维虚拟现实模型中该预制件的设计位置，与路径规划模块通信获取该预制件的最佳吊装路径；
(43)根据步骤(41)中需吊装的预制件的位置，吊臂转至该预制件位置将其起吊；吊装装置按照设计好的预制件吊装路径将该预制件吊装至设计位置，完成该预制件吊装；
(44)与平行系统模块通信，更新装配式建筑三维虚拟现实模型，将在装配式建筑中已安装好的该预制件在装配式建筑三维虚拟现实模型中表现出来，同时获取下一需要吊装的预制件信息，直至完工。
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