CN112394667A - 一种基于数字孪生的施工过程安全监控方法 - Google Patents

一种基于数字孪生的施工过程安全监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的施工过程安全监控方法。它包括施工过程安全数字孪生模型和基于数字孪生模型的施工过程安全监控方法；所述施工过程安全数字孪生模型包括施工过程物理实体PPE，施工过程安全虚拟实体PVE，施工过程安全孪生数据PDD，安全控制服务SCS和模型连接CN；所述施工过程物理实体PPE为现实世界中待监控的施工过程；所述施工过程安全虚拟实体PVE通过虚拟建模方式来数字化表达现实世界施工过程中各工作步执行的安全状态；所述施工过程安全孪生数据PDD为施工过程安全虚拟实体PVE相关的参数化数据；所述模型连接CN为所述施工过程安全数字孪生模型各组分的互联，作为模型各组分间的数据和信息沟通的渠道。本发明具有实现施工过程安全监控的优点。

Description

一种基于数字孪生的施工过程安全监控方法
技术领域
本发明涉及施工安全技术领域，更具体地说它是一种基于数字孪生的施工过程安全监控方法。
背景技术
大型建设工程施工涉及大量高风险性，复杂流程逻辑`和安全技术要求的施工过程(如起重机械安拆，TBM组装等)，对该类施工过程进行安全监控是现场安全管理的重要一环。在施工现场多源风险耦合和动态环境作用下，传统人工巡检方式因实时性和准确性的局限，无法对施工活动的工艺流程、安全技术参数和风险等进行动态控制。
基于物联传感技术能够实时感知施工过程的特定参数，据此判断特定实体(如工作步)是否满足安全阈值，但施工过程包含大量流程逻辑规则和技术参数关联关系，现有技术无法感知和判断时空维度下施工过程系统的整体行为和属性(如工序进程、动态风险等)，难以实现对施工过程整体的安全控制，制约了施工过程安全的智慧监控。
因此，现亟需开发一种能实现对施工过程整体的安全控制的监控方法。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于数字孪生的施工过程安全监控方法，实现施工过程安全监控，能够有效降低施工过程中的安全风险，预防事故发生、降低人员伤亡，能大幅度提升生产安全性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于数字孪生的施工过程安全监控方法，其特征在于：包括施工过程安全数字孪生模型和基于数字孪生模型的施工过程安全监控方法；
基于数字孪生模型的施工过程安全监控方法采用所述施工过程安全数字孪生模型；
所述施工过程安全数字孪生模型包括施工过程物理实体PPE，施工过程安全虚拟实体PVE，施工过程安全孪生数据PDD，安全控制服务SCS和模型连接CN；
所述施工过程物理实体PPE为现实世界中待监控的施工过程；
所述施工过程安全虚拟实体PVE通过虚拟建模方式来数字化表达现实世界施工过程中各工作步执行的安全状态；
所述施工过程安全孪生数据PDD为施工过程安全虚拟实体PVE相关的参数化数据；
所述安全控制服务SCS为施工过程中依据各工作步执行情况对施工作业工人和机械设备开展安全预警和控制服务；
所述模型连接CN为所述施工过程安全数字孪生模型各组分的互联，作为模型各组分间的数据和信息沟通的渠道。
在上述技术方案中，所述施工过程安全虚拟实体PVE包含施工过程模型RV和安全行为模型BV；
所述施工过程模型RV以参数化方式表达施工过程的工序层级(施工任务、施工活动、工作步)、工作步之间的逻辑流程、工作步关联的安全技术要求和潜在安全风险；
所述安全行为模型BV对施工过程模型RV实时仿真来表达执行施工过程中的安全行为状态，如当前执行的工作步和逻辑流程、各工作步的安全技术要求完成情况以及当前潜在安全风险。
在上述技术方案中，所述施工过程安全孪生数据PDD包括施工过程模型RV的属性数据DRV以及安全行为模型BV得到的行为数据DBV；
其中，属性数据DRV包含施工过程的工作步、工艺流程、安全技术参数和安全预警指标等；
行为数据DBV包括监测数据、模型仿真的输入输出数据和过程数据等。
在上述技术方案中，所述模型连接CN包括PPE与PVE之间的连接CN1、PPE与PDD之间的连接CN2、PVE与PDD的连接CN3、PDD与SCS的连接CN4、PPE与SCS的连接CN5、PVE与SCS的连接CN6。
在上述技术方案中，连接CN1为标准化建模；
连接CN2为物联网采集信息；
连接CN3为PVE与PDD的数据存储与调用，一方面将PVE产生的数据实时存储，另一方面读取PDD的数据驱动PVE动态仿真；
连接CN4为PDD与SCS的数据的存取与调用，一方面实时读取PDD以支持SCS运行，一方面将SCS运行信息实时存储；
连接CN5为安全指令下达和反馈；
连接CN6为数据与信息同步。
在上述技术方案中，所述基于数字孪生模型的施工过程安全监控方法，包括如下步骤：
步骤一：确定现实世界中待监控的施工过程；根据施工工艺和安全技术要求，对施工过程安全操作进行标准化，分析施工过程的工序层级(工序层级包括施工任务、施工活动、工作步)和工作步间的逻辑流程、工作步关联的安全技术要求和潜在安全风险，建立施工过程物理实体PPE；
步骤二：对施工过程物理实体PPE进行标准化建模，建立施工过程模型RV，得到属性数据DRV(其中，属性数据DRV包含工作步、逻辑流程、工作步关联的安全技术参数和安全预警指标)；
步骤三：将属性数据DRV中的安全技术参数和安全预警指标作为监测指标，在施工过程物理实体PPE上布设物联网传感装置，执行施工过程时动态获取监测指标的数据；
步骤四：建立安全行为模型BV，利用步骤三中的监测数据作为输入，对施工过程模型RV进行实时仿真，同步输出施工过程物理实体PPE的实时行为、作为安全行为模型BV的行为数据DBV；
步骤五：在施工过程物理实体PPE上布设预警设备和执行装置，实时调取行为数据DBV，建立安全控制服务SCS，依据施工过程中各工作步的安全执行情况对施工作业工人和机械设备开展安全预警和控制服务；
当施工作业工人和机械设备的施工操作符合安全控制服务SCS的控制标准时，进行下一步操作；
当施工作业工人和机械设备的施工操作不符合安全控制服务SCS标准时，则发出警报并调整施工操作，直至施工操作满足控制标准。
在上述技术方案中，步骤三中的物联网传感装置包括传感器、嵌入式系统、数据采集卡等；其中，物联网传感装置为现有技术；
在步骤四中，PPE的实时行为包括当前执行的工作步、工作步的安全技术参数要求和进展情况、工作步的安全警情状态。
在上述技术方案中，在步骤五中，预警设备为声光电的报警设备；执行装置为制动器等；其中，预警设备和执行装置均为现有技术。
在上述技术方案中，在步骤四中，利用有限状态机(Finite State Machine FSM)的建模方法进行安全行为模型BV的创建；
安全行为模型BV的创建方法具体为：
在施工过程模型RV基础上，将工作步作为FSM的状态元素，以工作步的逻辑流程和安全技术参数建立状态转移函数，以工作步关联的安全预警指标建立输出函数，安全技术参数为输入事件，安全预警指标为输出动作；
当监测数据触发有限状态机的特定输入事件时，驱动有限状态机进行状态转移并执行输出动作，实现对施工过程模型RV的实时仿真。
在上述技术方案中，在步骤五中，所述安全控制服务SCS包含工作步前馈控制和工作步反馈控制；
其中，工作步前馈控制指执行工作步前，将工作步的安全技术要求作为控制指令提前分发至施工现场，以明确下一工作步控制目标，及时调整施工操作(输入)；
工作步反馈控制指在执行工作步时，持续监测现实世界工作步关联的过程参数和安全警情状态，调取行为数据DBV，实时将安全技术参数偏差和安全风险偏差作为控制指令反馈至现场，以调整施工操作，直至当前工作步满足控制目标后再继续执行下一工作步。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明提供的施工过程安全数字孪生模型，明确了现实世界中施工过程安全的管理要素以及虚拟世界中施工过程本身及安全行为的数字化表达方式，为施工过程安全的虚实双向交互、数据融合和安全智慧监控提供了途径，有助于提高施工安全管理的信息化水平，推动数字孪生技术在施工安全领域的落地实施；
(2)本发明提供的基于数字孪生模型的施工过程安全监控方法，能够以施工过程的工作步为尺度，以施工安全管理方法和数字孪生技术为手段，对施工活动的工艺流程、安全技术参数和风险等进行动态管控；
(3)本发明对于危险性较大的施工过程安全管理有重大意义，提供一种信息化和智慧化的施工过程安全监控方法，能够有效降低施工过程中的安全风险，预防事故发生、降低人员伤亡，能大幅度提升生产安全性。
附图说明
图1是本发明实施例中塔吊顶升过程安全数字孪生模型图。
图2是本发明实施例中基于数字孪生模型的塔吊顶升过程安全监控流程图。
图3是本发明实施例中塔吊顶升安全行为模型的有限状态机建模图。
图4为本发明工艺流程图。
在图3中，s0表示开始；se表示结束；
e1、e2、…、e9表示当前各输入事件(即安全技术参数)，其中，e1表示第一步输入事件、e2表示第二步输入事件、……、e9表示第九步输入事件；
job1、job2、…、job9表示当前各有限状态机FSM的状态元素(即工作步)，其中，job1表示第一步的状态元素、job2表示第二步的状态元素、……、job9表示第九步的状态元素；
O1、O2、…、O9表示当前各输出动作(即安全预警指标)，其中，O1表示第一步输出动作、O2表示第二步输出动作、……、O9表示第九步输出动作；
其中，……表示省略号。
具体实施方式
下面结合附图及实施例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
数字孪生(Digital Twin)以数字化的方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等，为实现施工过程安全的智慧监控提供了有效手段。本发明公开了一种基于数字孪生的施工过程安全监控方法(如图4所示)。
实施例
以下实施例为基于数字孪生的塔吊顶升施工过程安全监控。
实施例1
本实施例为塔吊顶升过程安全数字孪生模型(如图1所示)，包含塔吊顶升过程物理实体1、塔吊顶升安全虚拟实体4、塔吊顶升安全孪生数据7、塔吊顶升安全控制服务10。
其中，塔吊顶升安全虚拟实体4由安全行为模型5和施工过程模型6组成，塔吊顶升安全孪生数据7由属性数据8和行为数据9组成。塔吊顶升过程物理实体1与塔吊顶升安全虚拟实体4的连接为标准化建模3，塔吊顶升过程物理实体1与塔吊顶升安全孪生数据7的连接为物联网采集信息2，塔吊顶升过程物理实体1与塔吊顶升安全控制服务10的连接为安全指令下达和反馈13。塔吊顶升安全虚拟实体4与塔吊顶升安全孪生数据7的连接为安全数据的存储和调用11，塔吊顶升安全虚拟实体4与塔吊顶升安全控制服务10的连接为数据与信息同步12。塔吊顶升安全控制服务10与塔吊顶升安全孪生数据7的连接为控制数据的存储和调用14。
塔吊顶升过程物理实体1为现实世界中待监控的施工塔吊顶升过程。塔吊顶升安全虚拟实体4为塔吊顶升过程在虚拟世界的数字孪生，以数字化方式表达现实世界塔吊顶升过程中各工作步执行的安全状态，施工过程模型6为塔吊顶升过程物理实体1通过标准化建模3得到，以参数化方式表达施工过程的工序层级(施工任务、施工活动、工作步)，工作步间的逻辑流程，工作步关联的安全技术要求和潜在安全风险；安全行为模型5通过安全数据的存储和调用11获取塔吊顶升过程物理实体1的特定信息，安全行为模型5通过有限状态机对施工过程模型6实时仿真来表达现实世界塔吊顶升过程的安全行为状态，包含当前执行的工作步和逻辑流程、各工作步的安全技术参数进展情况以及当前安全风险。
塔吊顶升安全孪生数据7为塔吊顶升安全虚拟实体4包含的参数化数据，包括属性数据8和行为数据9。属性数据8包含塔吊顶升过程的工作步、工艺流程、安全技术参数和安全预警指标等；行为数据9包括塔吊顶升过程的监测数据、安全行为模型5仿真的输入输出数据和仿真过程的中间数据等。塔吊顶升安全孪生数据7对外提供连接的接口，分别是物联网采集信息2、安全数据的存储和调用11和控制数据的存储和调用14。
塔吊顶升安全控制服务10通过数据与信息同步12、控制数据的存储和调用14和安全指令下达和反馈13建立监控系统，塔吊顶升安全控制服务10以塔吊顶升过程安全为受控对象，驱动塔吊顶升安全虚拟实体4实时仿真，依据塔吊顶升安全孪生数据7判定塔吊顶升过程安全状态、开展安全预警和控制服务，向现实世界塔吊顶升过程物理实体1的操作工人下达控制指令，驱动工人实时调整工作步的执行情况。
结论：本实施例明确了现实世界中施工过程安全的管理要素以及虚拟世界中施工过程本身及安全行为的数字化表达方式，为施工过程安全的虚实双向交互、数据融合和安全智慧监控提供了途径，有助于提高施工安全管理的信息化水平，推动数字孪生技术在施工安全领域的落地实施。
实施例2
本实施例提供了一种基于数字孪生模型的塔吊顶升过程安全监控方法，采用实施例1中的塔吊顶升过程安全数字孪生模型；
监控方法包含以下步骤：
S1、确定现实世界中待监控的塔吊顶升过程，根据施工工艺和安全技术要求，对顶升过程安全操作进行标准化，分析塔吊顶升过程的工序层级(施工任务、施工活动、工作步)，工作步间的逻辑流程，工作步关联的安全技术要求和潜在安全风险，建立塔吊顶升过程物理实体1(见表1所示)；其中，工作步间为串联流程。
表1塔吊顶升过程物理实体1的建立流程表
Figure BDA0002796038440000081
Figure BDA0002796038440000091
S2、依据塔吊顶升过程物理实体1进行标准化建模，建立施工过程模型6，得到属性数据8包含塔吊顶升过程的工作步、逻辑流程、工作步关联的安全技术参数和安全预警指标，如表2所示；
表2施工过程模型6的建立流程表
Figure BDA0002796038440000092
S3、依据属性数据8中的安全技术参数和安全预警指标设立监测指标，在塔吊顶升过程物理实体1上布设物联网传感装置，执行施工过程时动态获取安全技术参数和安全预警指标的监测数据，如表3所示。
表3塔吊顶升过程物理实体1上布设物联网传感装置的流程表
Figure BDA0002796038440000093
Figure BDA0002796038440000101
S4、采用有限状态机FSM的建模方法建立安全行为模型5，如图3所示。在图3中，节点表示不同状态和特定状态的输出动作结果，箭头表示以输入事件为基础的状态转换条件。利用S3中安全技术参数作为输入事件ei，将工作步作为FSM的状态元素jobi，安全预警指标为输出动作Oi。以工作步的逻辑流程和安全技术参数作为状态转移条件，建立状态转移函数T(jobi，ei)＝jobj，以判别工作步关联的安全预警指标作为输出动作结果，建立输出函数W(jobi)＝Oi，(i，j＝1，2，...，9)。
当S3中的监测数据输入有限状态机触发特定输入事件ei时(如表4所示)，有限状态机发生状态转移并执行输出动作，实现对施工过程模型6的实时仿真，实时输出塔吊顶升过程物理实体1当前执行的工作步、安全技术参数进展情况和安全警情状态，获取行为数据9。
表4输入事件和监测数据的对应关系表
Figure BDA0002796038440000102
Figure BDA0002796038440000111
S5、在塔吊顶升过程物理实体1上布设现场广播设备，建立塔吊顶升安全控制服务10，驱动S4中的安全行为模型5实时仿真，存储和调取行为数据9，判定塔吊顶升过程物理实体1当前执行的工作步，实时将安全技术参数偏差和安全风险偏差作为控制指令通过现场广播设备播报，驱动工人实时调整自身的施工操作行为，完成每一步工作步，最终实现塔吊顶升过程安全监控。
结论：本实施例以塔吊顶升施工过程的工作步为尺度，以塔吊顶升施工安全管理方法和数字孪生技术为手段，对塔吊顶升施工活动的工艺流程、安全技术参数和风险等进行动态管控；本实施例能够有效降低塔吊顶升施工过程中的安全风险，预防事故发生、降低人员伤亡，能大幅度提升生产安全性。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的施工过程安全监控方法，其特征在于：包括施工过程安全数字孪生模型和基于数字孪生模型的施工过程安全监控方法；
基于数字孪生模型的施工过程安全监控方法采用所述施工过程安全数字孪生模型；
所述施工过程安全数字孪生模型包括施工过程物理实体PPE，施工过程安全虚拟实体PVE，施工过程安全孪生数据PDD，安全控制服务SCS和模型连接CN；
所述施工过程物理实体PPE为现实世界中待监控的施工过程；
所述施工过程安全虚拟实体PVE通过虚拟建模方式来数字化表达现实世界施工过程中各工作步执行的安全状态；
所述施工过程安全孪生数据PDD为施工过程安全虚拟实体PVE相关的参数化数据；
所述安全控制服务SCS为施工过程中依据各工作步执行情况对施工作业工人和机械设备开展安全预警和控制服务；
所述模型连接CN为所述施工过程安全数字孪生模型各组分的互联，作为模型各组分间的数据和信息沟通的渠道。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的施工过程安全监控方法，其特征在于：所述施工过程安全虚拟实体PVE包含施工过程模型RV和安全行为模型BV；
所述施工过程模型RV以参数化方式表达施工过程的工序层级、工作步之间的逻辑流程、工作步关联的安全技术要求和潜在安全风险；
所述安全行为模型BV对施工过程模型RV实时仿真来表达执行施工过程中的安全行为状态。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的施工过程安全监控方法，其特征在于：所述施工过程安全孪生数据PDD包括施工过程模型RV的属性数据DRV以及安全行为模型BV得到的行为数据DBV；
其中，属性数据DRV包含施工过程的工作步、工艺流程、安全技术参数和安全预警指标；
行为数据DBV包括监测数据、模型仿真的输入输出数据和过程数据。
4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的施工过程安全监控方法，其特征在于：所述模型连接CN包括PPE与PVE之间的连接CN1、PPE与PDD之间的连接CN2、PVE与PDD的连接CN3、PDD与SCS的连接CN4、PPE与SCS的连接CN5、PVE与SCS的连接CN6。
5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的施工过程安全监控方法，其特征在于：连接CN1为标准化建模；
连接CN2为物联网采集信息；
连接CN3为PVE与PDD的数据存储与调用，将PVE产生的数据实时存储，且读取PDD的数据驱动PVE动态仿真；
连接CN4为PDD与SCS的数据的存取与调用，实时读取PDD以支持SCS运行，且将SCS运行信息实时存储；
连接CN5为安全指令下达和反馈；
连接CN6为数据与信息同步。
6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的施工过程安全监控方法，其特征在于：所述基于数字孪生模型的施工过程安全监控方法，包括如下步骤：
步骤一：确定现实世界中待监控的施工过程；根据施工工艺和安全技术要求，对施工过程安全操作进行标准化，分析施工过程的工序层级和工作步间的逻辑流程、工作步关联的安全技术要求和潜在安全风险，建立施工过程物理实体PPE；
步骤二：对施工过程物理实体PPE进行标准化建模，建立施工过程模型RV，得到属性数据DRV；
步骤三：将属性数据DRV中的安全技术参数和安全预警指标作为监测指标，在施工过程物理实体PPE上布设物联网传感装置，执行施工过程时动态获取监测指标的数据；
步骤四：建立安全行为模型BV，利用步骤三中的监测数据作为输入，对施工过程模型RV进行实时仿真，同步输出施工过程物理实体PPE的实时行为、作为安全行为模型BV的行为数据DBV；
步骤五：在施工过程物理实体PPE上布设预警设备和执行装置，实时调取行为数据DBV，建立安全控制服务SCS，依据施工过程中各工作步的安全执行情况对施工作业工人和机械设备开展安全预警和控制服务；
当施工作业工人和机械设备的施工操作符合安全控制服务SCS的控制标准时，进行下一步操作；
当施工作业工人和机械设备的施工操作不符合安全控制服务SCS标准时，则发出警报并调整施工操作，直至施工操作满足控制标准。
7.根据权利要求6所述的基于数字孪生的施工过程安全监控方法，其特征在于：步骤三中的物联网传感装置包括传感器、嵌入式系统、数据采集卡；
在步骤四中，PPE的实时行为包括当前执行的工作步、工作步的安全技术参数要求和进展情况、工作步的安全警情状态。
8.根据权利要求7所述的基于数字孪生的施工过程安全监控方法，其特征在于：在步骤五中，预警设备为声光电的报警设备；执行装置为制动器。
9.根据权利要求8所述的基于数字孪生的施工过程安全监控方法，其特征在于：在步骤四中，利用有限状态机的建模方法进行安全行为模型BV的创建；
安全行为模型BV的创建方法具体为：
在施工过程模型RV基础上，将工作步作为FSM的状态元素，以工作步的逻辑流程和安全技术参数建立状态转移函数，以工作步关联的安全预警指标建立输出函数，安全技术参数为输入事件，安全预警指标为输出动作；
当监测数据触发有限状态机的特定输入事件时，驱动有限状态机进行状态转移并执行输出动作，实现对施工过程模型RV的实时仿真。
10.根据权利要求9所述的基于数字孪生的施工过程安全监控方法，其特征在于：在步骤五中，所述安全控制服务SCS包含工作步前馈控制和工作步反馈控制；
其中，工作步前馈控制指执行工作步前，将工作步的安全技术要求作为控制指令提前分发至施工现场，以明确下一工作步控制目标，及时调整施工操作；
工作步反馈控制指在执行工作步时，持续监测现实世界工作步关联的过程参数和安全警情状态，调取行为数据DBV，实时将安全技术参数偏差和安全风险偏差作为控制指令反馈至现场，以调整施工操作，直至当前工作步满足控制目标后再继续执行下一工作步。
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