CN109063973A - 基于人工智能的建设工程建造方法 - Google Patents
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Abstract
基于人工智能的建设工程建造方法，包括以下步骤：勘察测量：通过勘察测量设备及软件形成勘察测量数据文件并传输至云端；BIM设计：形成BIM数据文件并传输至云端，供工程各参与方随时调用；施工组织模拟：施工部门根据勘察测量数据文件及BIM数据文件进行模拟施工实施；人工智能施工执行：由环境感知系统、设备监测系统、规划决策系统和电控系统协作执行；人工智能验收：由检测机器人完成人工智能检测验收工作。该建造方法将人工智能技术植入建造过程各步骤中，并将各步骤系统整合，采用BIM技术进行建设工程设计，由人工智能施工执行工程机械的操作，建造过程以数字化参数施工，将会是工程界一项革命性的举措。
Description
技术领域
本发明涉及建设工程方面技术领域，特别涉及基于人工智能的建设工程建造方法。
背景技术
人工智能（Artificial Intelligence），英文缩写为AI。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。 人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能从诞生以来，理论和技术日益成熟，应用领域也不断扩大，可以设想，未来人工智能带来的科技产品，将会是人类智慧的“容器”。人工智能可以对人的意识、思维的信息过程的模拟。人工智能不是人的智能，但能像人那样思考、也可能超过人的智能。人工智能是一门极富挑战性的科学，从事这项工作的人必须懂得计算机知识，心理学和哲学。人工智能是包括十分广泛的科学，它由不同的领域组成，如机器学习，计算机视觉等等，总的说来，人工智能研究的一个主要目标是使机器能够胜任一些通常需要人类智能才能完成的复杂工作。
随着各项理论、技术及设备的日益完善，将人工智能应用于建设工程不再只是梦想，已经具备落地实施的条件，研发建设工程人工智能技术及工作方法具有十分重要的意义，将人工智能与建设相结合，将会是工程界一项革命性的举措。
传统的建设工程实施方法为人工操作，存在需要大量的工作人员、工作人员容易受伤、效率偏低、人工操作误差大、工作范围有限等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是为了实现建设工程人工智能化，利用人工智能技术实施建设工程，采用BIM技术进行建设工程设计，由人工智能施工执行工程机械的操作，整个建造过程以数字化参数施工，从而减少误差率、提高工程质量、提升工作效率、改善工作环境、尽量避免人身伤亡与经济损失。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于人工智能的建设工程建造方法，该建造方法以数字化参数进行施工，包括勘察测量、BIM设计、施工组织模拟、人工智能施工执行和人工智能验收；
建造方法包括以下步骤：
（1）勘察测量：通过勘察测量设备及软件形成勘察测量数据文件并传输至云端；
（2）BIM设计：由设计部门根据勘察测量数据文件采用BIM技术进行建设工程设计，形成BIM数据文件并传输至云端，供工程各参与方随时调用；
（3）施工组织模拟：施工部门根据勘察测量数据文件及BIM数据文件进行模拟施工实施，形成可供工程机械读取的施工组织模拟数据文件，传输至云端；
（4）人工智能施工执行：由环境感知系统、设备监测系统、规划决策系统和电控系统协作执行；环境感知系统包括若干传感器；通过安装在工程机械上的传感器来获取数据，形成工程机械操作所需的观测数据文件；设备监测系统是通过安装在工程机械内部的传感器和分析仪器对施工的工程机械进行运转监测，并能实时调整工程机械的工作状态；规划决策系统通过对观测数据文件、BIM数据文件和施工组织模拟数据文件进行计算分析，配合高精度地图及卫星导航技术，对工程机械的操作行为进行规划决策，形成操作指令传输至电控系统对工程机械进行操作；电控系统包括控制器和执行器，通过电子或电气的方式对工程机械的动力、位置、速度和加速度进行有效控制，完成施工；
（5）人工智能验收：由配备有传感器及人工智能操作模块的检测机器人，根据设计部门的BIM数据文件完成人工智能检测验收工作。
勘察测量
作为优选方案，所述勘察测量设备采用无人机及其搭载的传感器，对目标区域进行扫描，采集数据，然后通过软件生成勘察测量数据文件。
作为优选方案，无人机也可搭载若干台摄像机，可通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理，将成果影像导入到软件中，通过计算机图形计算，生成点云，点云构成三维网格，可形成高度、长度、面积、角度、坡度等量测数据，同时三维网格结合照片可生成三维实景模型。
作为优选方案，所述勘察测量设备采用无人机搭载激光雷达，以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到地面的建筑物上，引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，脉冲激光不断地扫描目标物，得到目标物上全部目标点的数据，通过计算机数据处理生成点云及三维数据。
BIM设计
BIM设计是由设计部门根据勘察测量数据文件采用BIM技术进行建设工程设计，形成BIM数据文件并传输至云端，供工程各参与方随时调用。
BIM设计的核心是将工程项目在全生命周期中各个不同阶段的工程信息、过程和资源集成在一个模型中，方便被工程各参与方使用。通过三维数字技术模拟建设工程所具有的真实信息，为工程设计和施工提供相互协调、内部一致的信息模型，使该模型达到设计施工的一体化，各专业协同工作，利用创建好的BIM模型提升设计质量，减少设计错误，获取、分析工程量成本数据，并为施工建造全过程提供技术支撑，为项目参建各方提供基于BIM的协同平台，有效提升协同效率。确保建设工程在全生命周期中能够按时、保质、安全、高效、节约完成，并且具备责任可追溯性。
BIM是英文术语缩写，即“Building Information Model”。可以译为“建筑信息模型”。“建筑信息模型”（模型）是对一个设施的实体和功能特性的数字化表达方式。建筑信息模型是建筑学、工程学及土木工程的新工具，是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。BIM设计数据文件八个特点：
（1）可视化：BIM可视化是一种能够同构件之间形成互动性和反馈性的可视，在BIM建筑信息模型中，由于整个过程都是可视化的，所以可视化的结果不仅可以用来效果图的展示及报表的生成，更重要的是，项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行。
（2）协调性：BIM建筑信息模型可在建筑物建造前期对各碰撞问题进行反应与协调。
（3）模拟性：模拟性并不是只能模拟设计出的建筑物模型，还可以模拟不能够在真实世界中进行操作的事物。在设计阶段，BIM可以对设计上需要进行模拟的一些东西进行模拟实验，例如：节能模拟、紧急疏散模拟、日照模拟、热能传导模拟等；在招投标和施工阶段可以进行4D模拟（三维模型加项目的发展时间），也就是根据施工的组织设计模拟实际施工，从而来确定合理的施工方案来指导施工。同时还可以进行5D模拟（基于3D模型的造价控制），从而来实现成本控制；后期运营阶段可以模拟日常紧急情况的处理方式的模拟，例如地震人员逃生模拟及消防人员疏散模拟等。
（4）优化性：①项目方案优化：把项目设计和投资回报分析结合起来，设计变化对投资回报的影响可以实时计算出来；这样业主对设计方案的选择就不会主要停留在对形状的评价上，而更多的可以使得业主知道哪种项目设计方案更有利于自身的需求。②特殊项目的设计优化：例如裙楼、幕墙、屋顶、大空间到处可以看到异型设计，这些内容看起来占整个建筑的比例不大，但是占投资和工作量的比例和前者相比却往往要大得多，而且通常也是施工难度比较大和施工问题比较多的地方，对这些内容的设计施工方案进行优化，可以带来显著的工期和造价改进。
（5）可出图性：以往设计沟通都是靠二维的平面图，传统2D图面无法直观于脑海中呈现3D图像，参与者需重复耗时读图，且因每个人专业不同而解读不同，而且将不同专业的平面图互相套图，检查设计及碰撞问题时，不容易一目了然，当设计图面更加复杂时，势必使疑义点不易察觉，产生认知差异与沟通高风险性，因此利用BIM软件进行三维设计，可以很具体的看到土木基础、梁、柱、支撑、设备器材配置及相关管道配管、电缆线槽等可视化3D设计图像，在对于机电设计来说，就可以避开有可能发生碰撞或有错误的地方，事先侦测并做预防性应变处理，或者可以以动画或虚拟现场场景模拟方式讨论未来现场安装工法，减少后续施工阶段的设计变更及降低重新施作机率，并可加速施工界面整合，大大提升设计质量。
（6）一体化性：基于BIM技术可进行从设计到施工再到运营贯穿了工程项目的全生命周期的一体化管理。BIM的技术核心是一个由计算机三维模型所形成的数据库，不仅包含了建筑的设计信息，而且可以容纳从设计到建成使用，甚至是使用周期终结的全过程信息。
（7）参数化性：参数化建模指的是通过参数而不是数字建立和分析模型，简单地改变模型中的参数值就能建立和分析新的模型；BIM中图元是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的，参数保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息。
（8）信息完整性：信息完备性体现在BIM技术可对工程对象进行3D几何信息和拓扑关系的描述以及完整的工程信息描述。
施工组织模拟
作为优选方案，施工组织模拟阶段可通过计算机软件进行三维模型加项目发展时间的4D模拟，如进行选择机械种类、安排机械数量、划定每台机械施工现场范围、指派施工任务等工作，也就是根据施工的组织设计模拟实际施工，从而确定合理的施工方案来指导施工。例如：土方挖掘模拟、运输模拟、钢筋绑扎模拟、混凝土浇筑模拟、砌砖模拟、贴砖模拟、抹灰模拟、涂料施工组织模拟等。
人工智能施工执行
作为优选方案，所述传感器包括摄像头、雷达、红外线传感器、GPS及陀螺仪等。传感器相当于人的感知器官，可采集位置、高度、温度等工况数据，是机械人工智能操作中不可或缺的重要组成部分。
作为优选方案，所述工程机械包含：房屋建造建机器人、装修机器人、人工智能挖掘机械、人工智能运输机械、人工智能起重机械、人工智能压实机械、人工智能钢筋混凝土机械、人工智能路面机械、人工智能凿岩机械和人工智能架桥机等。
人工智能验收
运用人工智能验收模块依照技术规范标准对施工项目进行全面考核，检查是否依照设计要求及工程质量，取得验收合格资料、数据、凭证，为后续验收报告提供参考依据；有试运行要求的，应按规定进行试运行，确认正常后，方可投入使用。
作为优选方案，本申请中涉及的勘察测量、BIM设计、施工组织模拟、人工智能施工执行和人工智能验收都可以通过设置人工智能设备深度学习建设工程数据库（建设工程数据库为整理归档的建设工程实例的勘查测量、设计、施工和验收资料），通过输入目标参数的方式，由人工智能设备选择优选方案并实施。
本发明的有益效果是：
1、本申请基于人工智能的建设工程建造方法，通过将人工智能技术植入建造过程各步骤中，并将各步骤系统整合，可使建造过程的各个环节高效衔接，大量减少工作人员需求量及受伤机率，大幅提升工作效率，降低操作误差，大幅提升工作效率；
2、本申请基于人工智能的建设工程建造方法，采用无人机航拍测绘搭配AI智能的工程机械，实现实时数据互联，三维地形将为机械提供参考依据，为后续施工提供数据保障；
3、本申请基于人工智能的建设工程建造方法，利用BIM技术通过三维数字技术模拟建筑物所具有的真实信息，结合人工智能后，可以极大地降低设计师工作负担；
4、本申请基于人工智能的建设工程建造方法，结合人工智能后，通过人工智能的学习能力，设计人员只需要输入设计主要参数，即可完成相关图纸设计工作；
5、本申请基于人工智能的建设工程建造方法，搭配AI智能的工程机械，通过系统自学习能力及相关传感器，进行全自动化施工，根据现场工况寻找最佳施工方式，解放人工劳动力。
6、人工智能工程机械集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，本申请基于人工智能的建设工程建造方法，利用人工智能工程机械进行施工，在建设工程领域上具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施步骤图；
图2为本发明人工智能施工执行流程图。
具体实施方式
为更清楚地表明本专利的应用和技术路线，下面将结合附图对本专利进行详细的解释说明。
如图1、2所示，基于人工智能的建设工程建造方法，该建造方法以数字化参数进行施工，包括勘察测量、BIM设计、施工组织模拟、人工智能施工执行和人工智能验收；
建造方法包括以下步骤：
（1）勘察测量：通过勘察测量设备及软件形成勘察测量数据文件并传输至云端；
（2）BIM设计：由设计部门根据勘察测量数据文件采用BIM技术进行建设工程设计，形成BIM数据文件并传输至云端，供工程各参与方随时调用；
（3）施工组织模拟：施工部门根据勘察测量数据文件及BIM数据文件进行模拟施工实施，形成可供工程机械读取的施工组织模拟数据文件，传输至云端；
（4）人工智能施工执行：由环境感知系统、设备监测系统、规划决策系统和电控系统协作执行；环境感知系统包括若干传感器；通过安装在工程机械上的传感器来获取数据，形成工程机械操作所需的观测数据文件；设备监测系统是通过安装在工程机械内部的传感器和分析仪器对施工的工程机械进行运转监测，并能实时调整工程机械的工作状态；规划决策系统通过对观测数据文件、BIM数据文件和施工组织模拟数据文件进行计算分析，配合高精度地图及卫星导航技术，对工程机械的操作行为进行规划决策，形成操作指令传输至电控系统对工程机械进行操作；电控系统包括控制器和执行器，通过电子或电气的方式对工程机械的动力、位置、速度和加速度进行有效控制，完成施工；
（5）人工智能验收：由配备有传感器及人工智能操作模块的检测机器人，根据设计部门的BIM数据文件完成人工智能检测验收工作。
勘察测量设备采用无人机及其搭载的传感器，对目标区域进行扫描，采集数据，然后通过软件生成勘察测量数据文件。
无人机也可搭载多台摄像机，可通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理，将成果影像导入到软件中，通过计算机图形计算，生成点云，点云构成三维网格，可形成高度、长度、面积、角度、坡度等量测数据，同时三维网格结合照片可生成三维实景模型。
勘察测量设备采用无人机搭载激光雷达，以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到地面的建筑物上，引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，脉冲激光不断地扫描目标物，得到目标物上全部目标点的数据，通过计算机数据处理生成点云及三维数据。
BIM设计将工程项目在全生命周期中各个不同阶段的工程信息、过程和资源集成在一个模型中，方便被工程各参与方使用。通过三维数字技术模拟建设工程所具有的真实信息，为工程设计和施工提供相互协调、内部一致的信息模型，使该模型达到设计施工的一体化，各专业协同工作，利用创建好的BIM模型提升设计质量，减少设计错误，获取、分析工程量成本数据，并为施工建造全过程提供技术支撑，为项目参建各方提供基于BIM的协同平台，有效提升协同效率。确保建设工程在全生命周期中能够按时、保质、安全、高效、节约完成，并且具备责任可追溯性。
施工组织模拟阶段可通过计算机软件进行三维模型加项目发展时间的4D模拟，如进行选择机械种类、安排机械数量、划定每台机械施工现场范围、指派施工任务等工作，也就是根据施工的组织设计模拟实际施工，从而确定合理的施工方案来指导施工。例如：土方挖掘模拟、运输模拟、钢筋绑扎模拟、混凝土浇筑模拟、砌砖模拟、贴砖模拟、抹灰模拟、涂料施工组织模拟等。
传感器包括有摄像头、雷达、红外线传感器、GPS及陀螺仪等的一种或多种结合。
工程机械包括房屋建造建机器人、装修机器人、人工智能挖掘机械、人工智能运输机械、人工智能起重机械、人工智能压实机械、人工智能钢筋混凝土机械、人工智能路面机械、人工智能凿岩机械和人工智能架桥机等。
运用人工智能验收模块依照技术规范标准对施工项目进行全面考核，检查是否依照设计要求及工程质量，取得验收合格资料、数据、凭证，为后续验收报告提供参考依据；有试运行要求的，应按规定进行试运行，确认正常后，方可投入使用。
应用实例：
以下列举两类工程机械人工智能操作过程及特点：
人工智能运输机械是土方施工现场不可缺少的工程机械，配备完备的环境感知系统、设备监测系统、规划决策系统及电子控制系统，可根据BIM设计数据、施工组织模拟数据由人工智能执行模块完成自动装载、行驶、转向、停车、卸载等一系列动作。作为集高智能化、高自动化、高精准度、高安全性等特点于一身的智能运输机械，该机械能够自动规划行驶轨迹、自动检测障碍物避障、自动监测装载状态及灯光系统，满足不同工况的作业需求。通过搭载精准强大的环境感知系统及先进的人工智能控制模块，智能运输机械能对复杂作业环境进行精准感知和识别，保障运输机械作业的安全可靠。未来，施工现场将不需要大量的卡车司机，智能化的运输车将担当重要作用。
人工智能贴砖机是建筑装饰工程必要的机械，采用红外定位、自动传感、自动升降、自动控制给灰量、自动调整垂直度与平整度误差，这些都是人工所无法达到的。人工智能贴砖机拥有六大特点：
利用红外线定位、省去传统粘砖挂线立线测水平的烦琐程序
操作方便简单，可根据瓷砖大小宽度任意调整，无需瓦工操作。
解决了人工粘砖出现的空鼓、垂直平整度误差大的难题，可达到空鼓、垂直平整度都为零的最高水平。
一台智能贴砖机一天的粘砖面积是职业粘砖瓦工的四倍以上。
适应性广泛，市面的瓷砖大小都可使用任意调整。
效率高、牢固，贴砖后不需再次勾缝，墙面美观漂亮、平整光洁，普遍适用于墙面装修。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程交换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.基于人工智能的建设工程建造方法，其特征在于，该建造方法将人工智能技术植入建造过程各步骤中，并将各步骤系统整合，采用BIM技术进行建设工程设计，由人工智能施工执行工程机械的操作，建造过程以数字化参数施工，包括勘察测量、BIM设计、施工组织模拟、人工智能施工执行和人工智能验收；
建造方法包括以下步骤：
（1）勘察测量：通过勘察测量设备及软件形成勘察测量数据文件并传输至云端；
（2）BIM设计：由设计部门根据勘察测量数据文件采用BIM技术进行建设工程设计，形成BIM数据文件并传输至云端，供工程各参与方随时调用；
（3）施工组织模拟：施工部门根据勘察测量数据文件及BIM数据文件进行模拟施工实施，形成可供工程机械读取的施工组织模拟数据文件，传输至云端；
（4）人工智能施工执行：由环境感知系统、设备监测系统、规划决策系统和电控系统协作执行；环境感知系统包括若干传感器；通过安装在工程机械上的传感器来获取数据，形成工程机械操作所需的观测数据文件；设备监测系统是通过安装在工程机械内部的传感器和分析仪器对施工的工程机械进行运转监测，并能实时调整工程机械的工作状态；规划决策系统通过对观测数据文件、BIM数据文件和施工组织模拟数据文件进行计算分析，配合高精度地图及卫星导航技术，对工程机械的操作行为进行规划决策，形成操作指令传输至电控系统对工程机械进行操作；电控系统包括控制器和执行器，通过电子或电气的方式对工程机械的动力、位置、速度和加速度进行有效控制，完成施工；
（5）人工智能验收：由配备有传感器及人工智能操作模块的检测机器人，根据设计部门的BIM数据文件完成人工智能检测验收工作。
2.根据权利要求1所述基于人工智能的建设工程建造方法，其特征在于：所述施工组织模拟阶段通过计算机软件进行三维模型加项目发展时间的4D模拟，包括选择机械种类、安排机械数量、划定每台机械施工现场范围和指派施工任务，并根据施工的组织设计模拟实际施工，确定合理的施工方案来指导施工；模拟施工的方式包括：土方挖掘模拟、运输模拟、钢筋绑扎模拟、混凝土浇筑模拟、砌砖模拟、贴砖模拟、抹灰模拟和涂料施工组织模拟。
3.根据权利要求1所述基于人工智能的建设工程建造方法，其特征在于：所述工程机械环境感知系统的传感器包括摄像头、雷达、红外线传感器、GPS和陀螺仪；传感器能够采集工程机械包括位置、高度和温度的工况数据。
4.根据权利要求1所述基于人工智能的建设工程建造方法，其特征在于：所述工程机械包括房屋建造建机器人、装修机器人、人工智能挖掘机械、人工智能运输机械、人工智能起重机械、人工智能压实机械、人工智能钢筋混凝土机械、人工智能路面机械、人工智能凿岩机械和人工智能架桥机。
5.根据权利要求1所述基于人工智能的建设工程建造方法，其特征在于：所述人工智能验收模块依照技术规范标准对施工项目进行全面考核，检查是否依照设计要求及工程质量，取得验收合格资料、数据、凭证，为后续验收报告提供参考依据；有试运行要求的，应按规定进行试运行，确认正常后，方可投入使用。
6.根据权利要求1所述基于人工智能的建设工程建造方法，其特征在于：本申请中涉及的勘察测量、BIM设计、施工组织模拟、人工智能施工执行和人工智能验收都能通过设置人工智能设备深度学习建设工程数据库，再通过输入目标参数的方式，由人工智能设备选择方案并实施。
7.根据权利要求6所述基于人工智能的建设工程建造方法，其特征在于：所述建设工程数据库为整理归档的建设工程实例的勘查测量、设计、施工和验收资料。
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