CN116862719B - 基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统及应用方法，系统包括：信息存储模块，BIM模型构建模块，用于构建BIM模型；GIS模型构建模块，用于搭建GIS模型；定位模块，用于对用户的位置进行实时定位，并上传定位数据；交互模块，通常设置在移动端，可供用户使用，用户上传数据；临边防护模块，用于在BIM模型中对风险源及临边信息进行标识建模，同时输出报警联动信号驱动相关的设备动作；综合信息处理模块。本申请通过临边防护模块在BIM模型中对风险源及临边进行标识建模，同时输出报警联动信号驱动相关的设备动作，联动综合信息处理模块，并在BIM模型中进行展示与监测，实现现场危险区域防护状态的实时监测与预警。

Description

基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统及应用方法

技术领域

本发明属于建筑技术领域，具体是涉及到一种基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统及应用方法。

背景技术

随着社会的不断进步和城市化进程的快速发展，政府越来越重视民生，安全生产的概念也已经深入人心，这对建设工程的质量、安全、文明施工的监管提出了更高的要求。以太原武宿国际机场T3航站楼项目为例，太原武宿国际机场T3航站楼项目具有超大平面，超大空间、大量的立体交叉作业等特点，因此施工作业带来大量的安全隐患，安全管理难度较大。如何提高对风险源、临边地带等的安全防护；完善施工现场管理，控制事故发生频率，是本项目施工的头等大事。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统及应用方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是，提供一种基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统及应用方法，系统包括：

信息存储模块，用于存储设备描述信息、设备维护信息、设备历史数据以及与设备描述信息相对应的GIS数据；

BIM模型构建模块，用于基于所述设备描述信息、所述设备维护信息以及所述设备历史数据对应各设备构建BIM模型；

GIS模型构建模块，用于录入GIS数据，根据所述GIS数据搭建GIS模型；

定位模块，用于对用户的位置进行实时定位，并上传定位数据；

交互模块，通常设置在移动端，可供用户使用，用户通过所述交互模块读取所述GIS模型数据和所述BIM模型数据，并将风险源信息、临边信息匹配对应的设备描述信息并实时上传至储存模块中，形成上传数据；

临边防护模块，用于在所述BIM模型中对风险源及临边信息进行标识建模，同时输出报警联动信号驱动相关的设备动作；

综合信息处理模块，根据所述定位数据和所述上传数据对所述交互模块发出指令并展示在所述GIS模型和所述BIM模型中。

其中，所述临边防护模块，包括红外线探测器，所述红外线探测器与所述综合信息处理模块模块连接，从而在所述BIM模型中对风险源及临边信息进行标识建模，同时向所述综合信息处理模块输出报警联动信号。

其中，还包括报警提示模块，包括声光报警主机，与所述综合信息处理模块连接，所述综合信息处理模块接收到报警联动信号时驱动所述报警提示模块动作。

其中，所述综合信息处理模块包括：

展示模块，用于展示所述GIS模型和所述BIM模型；

控制模块，用于对交互模块提交的所述上传数据进行处理，并向所述交互模块发出交互指令。

其中，所述定位模块包括：

LBS定位模块，用于对用户或设备的位置进行实时定位，并按处理模块的要求提供位置信息以及相关服务；

视频采集模块，用于对用户当前所处环境进行视频采集，并将视频信号传输至所述综合信息处理模块中。

所述LBS定位模块具体包括：

装载了微惯导传感器的LBS定位设备，通过通过感知和测量用户的加速度和角速度等信息，获得实时的运动状态；

数据处理模块，通过融合微惯导测量数据和参考位置信息，使用卡尔曼滤波算法进行位置估计和更新。

所述综合信息处理模块还包括：

轨迹地图地形匹配模块，包含各楼层地图信息，根据所述定位数据定位不同楼层中不同的设备；

图像识别轨迹修正模块，对视频信号进行图像识别，对应不同楼层中不同的环境进行匹配，从而对用户的实时轨迹进行修正处理。

所述BIM模型构建模块所提供的模型数据和GIS模型构建模块所提供的GIS数据通过cesium结合，实现建筑空间信息与周围地理环境共享。

可选的，所述交互模块还包括：

暂存模块，用于暂时储存所述定位数据，所述交互模块判定处于网络较差环境中时，所述定位数据储存在所述暂存模块中；

所述交互模块判定处于网络较优环境中时，所述暂存模块将所述定位数据上传至所述综合信息处理模块中。

本申请还提供一种基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统的应用方法，适用于上述的基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统中，方法包括：

收集并储存GIS数据、BIM模型数据以及上传数据，所述BIM模型数据包括设备信息、设备维护信息以及设备历史数据；

根据GIS数据构建GIS模型；

根据BIM模型数据构建BIM模型；

对用户的位置进行实时定位；

通过交互模块读取所述GIS模型数据和所述BIM模型数据，并将风险源信息、临边信息以及设备信息等实时上传至储存模块中，形成上传数据；

在所述BIM模型中对风险源及临边信息进行标识建模，同时输出报警联动信号驱动相关的设备动作；

根据所述定位数据和所述上传数据对所述交互模块发出指令并展示在所述GIS模型和所述BIM模型中。

本发明的有益效果是，通过BIM模型构建模块对目标项目进行精细化建模，实现模型与现场一比一的还原，同时通过GIS模型构建模块将数据连接到地图，将位置数据（事物所在位置）与所有类型的描述性信息（事物在该位置的情况）集成到一起；将BIM模型按实际坐标与GIS采集数据相结合，实现建筑空间信息与其周围地理环境共享，辅助现场安全进行管理，通过临边防护模块在BIM模型中对风险源及临边进行标识建模，同时输出报警联动信号驱动相关的设备动作，联动综合信息处理模块，并在BIM模型中进行展示与监测，实现现场危险区域防护状态的实时监测与预警。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统的结构示意图；

图2为本发明提供的一种基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统的应用方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平” 、“顶”、“ 底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或维护工具不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或维护工具固有的其它步骤或单元。

如附图1所示，本发明提供一种基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统，其特征在于，包括：

信息存储模块100，用于存储设备描述信息、设备维护信息、设备历史数据以及与设备描述信息相对应的GIS数据；BIM模型构建模块200，用于基于所述设备描述信息、所述设备维护信息以及所述设备历史数据对应各设备构建BIM模型；GIS模型构建模块300，用于录入GIS数据，根据所述GIS数据搭建GIS模型；定位模块400，用于对用户的位置进行实时定位，并上传定位数据；交互模块500，通常设置在移动端，可供用户使用，用户通过所述交互模块读取所述GIS模型数据和所述BIM模型数据，并将风险源信息、临边信息匹配对应的设备描述信息并实时上传至储存模块中，形成上传数据；临边防护模块600，用于在所述BIM模型中对风险源及临边信息进行标识建模，同时输出报警联动信号驱动相关的设备动作；综合信息处理模块700，根据所述定位数据和所述上传数据对所述交互模块发出指令并展示在所述GIS模型和所述BIM模型中。

其中，信息存储模块用于存储各类信息，BIM模型构建模块200为基于WebGL技术实现的BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）模型，实现BIM模型的浏览器端三维渲染和查询浏览。包括BIM模型渲染、三维场景浏览、模型要素拾取、专题图表展现、要素属性展示和BIM信息更新等功能，基于WebGL技术实现BIM模型的浏览器端三维可视化，在轻量化的前提下达到更好的模型展示效果。

BIM模型构建模块200采用了3D Tiles规范建立BIM数据的金字塔模型和调度BIM分层分块数据。

3D Tiles是用于流式传输大规模异构3D地理空间数据集的开放规范。为了扩展Cesium的地形和图像流，3D Tiles将用于流式传输3D内容，包括建筑物，树木，点云和矢量数据。

3D Tiles 是在glTF的基础上，加入了分层LOD的概念，专门为流式传输和渲染海量 3D 地理空间数据而设计的，例如倾斜摄影、3D 建筑、BIM/CAD、实例化要素集和点云。它定义了一种数据分层结构和一组切片格式，用于渲染数据内容。3D Tiles 没有为数据的可视化定义明确的规则，客户可以按照自己合适的方式来可视化 3D 空间数据。同时，3DTiles 也是 OGC 标准规范成员之一，可用于在台式机、Web端和移动应用程序中实现与海量异构3D地理空间数据的共享、可视化、融合以及交互功能。

GIS（Geographic Information System或 Geo－Information system，地理信息系统）模型构建模块300，如采用ArcGIS——模型构建器构建GIS模型，通过输入各数据以及变量即可生成对应的GIS模型。

定位模块400包括LBS定位模块，用于对用户或设备的位置进行实时定位，并按处理模块的要求提供位置信息以及相关服务；和视频采集模块，用于对用户当前所处环境进行视频采集，并将视频信号传输至所述综合信息处理模块中。其中，LBS微惯导室内定位技术是一种结合了LBS（Location-Based Service）和微惯导（Micro-Inertial Navigation）的技术，用于实现在室内环境下的精确定位。

其中，LBS定位模块具体包括：装载了微惯导传感器的LBS定位设备，通过通过感知和测量用户的加速度和角速度等信息，获得实时的运动状态；数据处理模块，通过融合微惯导测量数据和参考位置信息，使用卡尔曼滤波算法进行位置估计和更新。

传统的LBS技术主要依赖于GPS、基站定位和Wi-Fi定位等信号，这些信号在室内环境下往往受到阻挡和多路径效应的影响，导致定位的不准确性。微惯导在无网络连接的情况下，是利用微小的惯性传感器（如加速度计和陀螺仪）来测量和推断物体的运动状态和方向的技术，具有实时性和高精度的特点。

在定位过程中，使用装载了微惯导传感器的“LBS定位设备“通过感知和测量自身的加速度和角速度等信息，获得实时的运动状态。

然后，通过融合微惯导测量数据和参考位置信息，使用卡尔曼滤波算法进行位置估计和更新。微惯导提供了实时的相对定位能力，而参考位置信息提供了绝对位置参考，可以校正微惯导的漂移和累积误差，从而实现室内定位的高精度和稳定性。

在微惯导室内定位技术中，常常结合使用三轴加速度计和三轴陀螺仪来提供更准确的定位和导航能力。

三轴加速度计（Accelerometer）和三轴陀螺仪（Gyroscope）都是惯性传感器，可以测量设备的动态运动。它们在微惯导室内定位中的作用如下：

三轴加速度计：加速度计测量设备在三个轴向上的加速度值，提供设备的线性加速度信息。通过积分加速度数据，可以计算出设备的速度和位置。加速度计的数据可以用于监测设备的移动、步态分析和速度估计。然而，由于积分操作的误差累积，单独使用加速度计容易导致定位漂移。

三轴陀螺仪：陀螺仪可以测量设备在三个轴向上的角速度（旋转速率），提供设备的角度变化信息。通过对陀螺仪数据进行积分，可以获得设备的姿态变化，即设备相对于初始方向的旋转角度。陀螺仪的数据可以用于姿态估计、方向感知和旋转补偿。

将三轴加速度计和三轴陀螺仪的数据进行融合可以提供更准确的室内定位结果。常用的融合算法是基于卡尔曼滤波器（Kalman Filter）或惯性导航算法（InertialNavigation）。这些算法可以校正加速度计和陀螺仪的误差，并结合其他传感器数据（如磁力计、地磁传感器）和先验信息（如室内地图）进行位置和姿态的估计和更新。

通过结合三轴加速度计和三轴陀螺仪的测量数据，并进行融合和处理，微惯导室内定位系统能够获得更为准确和稳定的设备位置和导航信息，提供高精度的室内定位服务。

交互模块500通常以移动端APP的形式实现，使用者直接通过电脑或者手机等对项目进行管理、上传及查看等操作。

临边防护模块600用于在所述BIM模型中对风险源及临边信息进行标识建模，同时输出报警联动信号驱动相关的设备动作，从而实现现场危险区域防护状态的实时监测与预警。

综合信息处理模块700包括：展示模块，用于展示所述GIS模型和所述BIM模型；控制模块，用于对交互模块提交的所述上传数据进行处理，并向所述交互模块发出交互指令。为了实现与LBS定位模块的匹配效果，保证定位的准确性，可选的，综合信息处理模块700还包括：轨迹地图地形匹配模块，包含各楼层地图信息，根据所述定位数据定位不同楼层中不同的设备；图像识别轨迹修正模块，对视频信号进行图像识别，对应不同楼层中不同的环境进行匹配，从而对用户的实时当质量员在施工现场某位置发现质量问题，通过手机APP录入问题点后会自动关联质量员所在位置信息并同步到BIM中进行显示。

示例性的，当质量员在施工现场某位置发现质量问题，通过手机APP录入问题点后会自动关联质量员所在位置信息并同步到BIM中进行显示。当需要维护或更换设备时，使用BIM和GIS可以快速准确地定位设备所在的位置，并获取相关设备的维护信息和历史数据。

又或者，在施工阶段使用BIM和GIS将建筑模型与地理数据相叠加，帮助施工人员准确确定施工位置和材料供应点，并通过图像识别轨迹修正模块对轨迹进行修正处理，确保定位的准确性。

本发明的有益效果在于，通过BIM模型构建模块200对目标项目进行精细化建模，实现模型与现场一比一的还原，同时通过GIS模型构建模块300将数据连接到地图，将位置数据（事物所在位置）与所有类型的描述性信息（事物在该位置的情况）集成到一起；将BIM模型按实际坐标与GIS采集数据相结合，实现建筑空间信息与其周围地理环境共享，辅助现场安全进行管理，通过临边防护模块600在BIM模型中对风险源及临边进行标识建模，同时输出报警联动信号驱动相关的设备动作，联动综合信息处理模块700，并在BIM模型中进行展示与监测，实现现场危险区域防护状态的实时监测与预警。

其中，所述临边防护模块600包括红外线探测器，所述红外线探测器与所述综合信息处理模块700连接，从而在所述BIM模型中对风险源及临边信息进行标识建模，同时向所述综合信息处理模块输出报警联动信号。

为了实现报警提示功能，相应的，还包括报警提示模块，包括声光报警主机，与所述综合信息处理模块700连接，所述综合信息处理模块700接收到报警联动信号时驱动所述报警提示模块动作，从而完成预警。

其中，所述BIM模型构建模块所提供的模型数据和GIS模型构建模块所提供的GIS数据通过cesium结合，实现建筑空间信息与周围地理环境共享。

在上述实施例中，可选的，所述交互模块500还包括：暂存模块，用于暂时储存所述定位数据，所述交互模块判定处于网络较差环境中时，所述定位数据储存在所述暂存模块中；所述交互模块判定处于网络较优环境中时，所述暂存模块将所述定位数据上传至所述综合信息处理模块中。

如图2所示，本申请还提供一种基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统的应用方法，适用于上述的基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统，方法包括：

S100、收集并储存GIS数据、BIM模型数据以及上传数据，所述BIM模型数据包括设备信息、设备维护信息以及设备历史数据；

S200、根据GIS数据构建GIS模型；

S300、根据BIM模型数据构建BIM模型；

S400、对用户的位置进行实时定位；

S500、通过交互模块读取所述GIS模型数据和所述BIM模型数据，并将风险源信息、临边信息以及设备信息等实时上传至储存模块中，形成上传数据；

S600、在所述BIM模型中对风险源及临边信息进行标识建模，同时输出报警联动信号驱动相关的设备动作；

S700、根据所述定位数据和所述上传数据对所述交互模块发出指令并展示在所述GIS模型和所述BIM模型中。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的保护范围限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入本申请的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统，其特征在于，包括：

信息存储模块，用于存储设备描述信息、设备维护信息、设备历史数据以及与设备描述信息相对应的GIS数据；

BIM模型构建模块，用于基于所述设备描述信息、所述设备维护信息以及所述设备历史数据对应各设备构建BIM模型；

GIS模型构建模块，用于录入GIS数据，根据所述GIS数据搭建GIS模型；

定位模块，用于对佩戴设备人员进行实时定位，并上传定位数据；

交互模块，通常设置在移动端，可供佩戴设备人员使用，佩戴设备人员通过所述交互模块读取GIS模型数据和BIM模型数据，并将风险区域信息、临边位置信息匹配对应的设备描述信息并实时上传至信息储存模块中，形成上传数据；

临边防护模块，用于在所述BIM模型中对风险区域及临边位置进行标识建模，同时输出报警联动信号；

综合信息处理模块，匹配所述BIM模型和所述GIS模型，根据所述定位数据和所述上传数据将所述交互模块展示在所述GIS模型和所述BIM模型中，当所述定位数据位于风险区域或临边位置时，所述综合信息处理模块控制所述临边防护模块输出报警联动信号。

2.如权利要求1所述的基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统，其特征在于，所述临边防护模块包括红外线探测器，所述红外线探测器与所述综合信息处理模块连接，从而在所述BIM模型中对风险源及临边信息进行标识建模，同时向所述综合信息处理模块输出报警联动信号。

3.如权利要求2所述的基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统，其特征在于，还包括报警提示模块，包括声光报警主机，与所述综合信息处理模块连接，所述综合信息处理模块接收到报警联动信号时驱动所述报警提示模块动作。

4.如权利要求1所述的基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统，其特征在于，所述综合信息处理模块包括：

展示模块，用于展示所述GIS模型和所述BIM模型；

控制模块，用于对交互模块提交的所述上传数据进行处理，并向所述交互模块发出交互指令。

5.如权利要求1所述的基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统，其特征在于，所述定位模块包括：

LBS定位模块，用于对用户或设备的位置进行实时定位，并按处理模块的要求提供位置信息以及相关服务；

视频采集模块，用于对用户当前所处环境进行视频采集，并将视频信号传输至所述综合信息处理模块中。

6.如权利要求5所述的基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统，其特征在于，所述LBS定位模块具体包括：

装载了微惯导传感器的LBS定位设备，通过感知和测量用户的加速度和角速度，获得实时的运动状态；

数据处理模块，通过融合微惯导测量数据和参考位置信息，使用卡尔曼滤波算法进行位置估计和更新。

7.如权利要求6所述的基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统，其特征在于，所述综合信息处理模块还包括：

轨迹地图地形匹配模块，包含各楼层地图信息，根据所述定位数据定位不同楼层中不同的设备；

图像识别轨迹修正模块，对视频信号进行图像识别，对应不同楼层中不同的环境进行匹配，从而对用户的实时轨迹进行修正处理。

8.如权利要求1所述的基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统，其特征在于，所述BIM模型构建模块所提供的模型数据和GIS模型构建模块所提供的GIS数据通过cesium结合，实现建筑空间信息与周围地理环境共享。

9.如权利要求1所述的基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统，其特征在于，所述交互模块还包括：

暂存模块，用于暂时储存所述定位数据，所述交互模块判定处于网络较差环境中时，所述定位数据储存在所述暂存模块中；

所述交互模块判定处于网络较优环境中时，所述暂存模块将所述定位数据上传至所述综合信息处理模块中。

10.一种基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统的应用方法，其特征在于，适用于权利要求1-9中任一项所述的基于智慧建造的空间环境安全监测管理系统中，方法包括：

收集并储存GIS数据、BIM模型数据以及上传数据，所述BIM模型数据包括设备信息、设备维护信息以及设备历史数据；

根据GIS数据构建GIS模型；

根据BIM模型数据构建BIM模型；

对用户进行实时定位；

通过交互模块读取所述GIS模型数据和所述BIM模型数据，并将风险源信息、临边信息以及设备信息实时上传至储存模块中，形成上传数据；

在所述BIM模型中对风险源及临边信息进行标识建模，同时输出报警联动信号驱动相关的设备动作；

根据所述定位数据和所述上传数据对所述交互模块发出指令并展示在所述GIS模型和所述BIM模型中。