CN116911522A - 一种基于数字孪生的现场施工人员管控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于数字孪生的现场施工人员管控系统及方法，针对现有管理系统无法实时管控动态目标及施工进度的问题。它包括数据采集模块、工程项目信息模块、施工人员信息模块、施工任务编排模块、模型管理模块和分析与警示模块，施工现场BIM模型与扫描模型合成轻量化BIM模型，并加载施工人员实时定位和健康数据，以及工程项目信息，施工任务编排模块对施工任务进行编排，分析与警示模块实时对比工作轨迹并预警违规行为。方法：生成轻量化BIM模型，将穿戴设备和摄像头绑定于模型，定期抽取施工人员及工程项目信息，对施工任务进行编排，并生成项目计划及作业指令；对违规行为频次、健康程度、行走范围进行阈值设定，超出阈值则预警。

Description

一种基于数字孪生的现场施工人员管控系统及方法

技术领域

本发明涉及数字化施工管理技术领域，特别涉及一种基于数字孪生的现场施工人员管控系统及方法。

背景技术

目前，施工项目管理系统主要是通过建立三维模型，并结合定期上传的施工进度等数据形成三维可视化的管理系统，其中，与现场施工人员相关的基本功能如下：与政府监管平台对接的人员身份实名制、技术培训、合同及工资、门禁及考勤、工地教育等；此外，一些智慧工地管理系统中还增加了人员定位、人员轨迹，并且可通过智能穿戴设备对人员健康数据(如体温、心率等)进行监控。但是，上述管理系统主要是将建筑三维模型与录入的各类数据进行整合，动态目标相关信息的获取具有滞后性，无法真正对工程项目的施工进度、人员健康及安全的管控起到积极作用。例如施工人员工作职责不清、擅自调换工种、在工作区域外随意走动、逗留等；而且，管理者难以摸清现场施工人员分布情况、工作编排是否合理、施工进度能否按计划完成。

发明内容

针对现有施工项目管理系统无法准确、实时获知动态目标、工作编排及施工进度的管控情况的问题。本发明的目的是提供一种基于数字孪生的现场施工人员管控系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于数字孪生的现场施工人员管控系统，它包括：数据采集模块、工程项目信息模块、施工人员信息模块、施工任务编排模块、模型管理模块和分析与警示模块；

数据采集模块用于实时采集现场施工人员的数据，它包含了安装于施工现场的各类用于行为识别的摄像头、穿戴设备、传感器及存储器；

工程项目信息模块用于存储工程项目的施工技术信息，它包含了施工组织设计、工程施工进度计划；

施工人员信息模块用于存储施工现场所有人员的信息，包含了人员基本信息、工种岗位信息、操作的车辆及机械设备、人员生物识别信息、人员所绑定的穿戴设备识别的行为信息；

施工任务编排模块包含了施工团队以及施工任务的编排，还限定了工作任务指定的工作区域、工作时长、特殊工种的违规行为；

模型管理模块包含了由施工现场BIM模型与三维扫描模型合成的轻量化BI M模型、所述数据采集模块接收的施工人员的数据、所述施工任务编排模块输出的当前施工任务的数据；

分析与警示模块包括智能化计算模块以及消息网关，智能化计算模块根据摄像头、穿戴设置和传感器采集的图像数据，对施工人员的违规行为进行计算，并将施工人员的健康预警信息、人员违规信息输出到相应的消息网关进行发送。

本发明的基于数字孪生的现场施工人员管控系统，包括数据采集模块、工程项目信息模块、施工人员信息模块、施工任务编排模块、模型管理模块和分析与警示模块，施工现场BIM模型与三维扫描模型合成的轻量化BIM模型存储于模型管理模块，并加载数据采集模块获取的现场施工人员的实时定位和健康数据，以及工程项目信息模块获取的信息，施工任务编排模块根据施工任务的工作量及进度，项目管理者对施工团队以及施工任务进行编排，分析与警示模块实时对比施工人员的工作轨迹以及施工进度，并对违规行为发出预警信息。本发明至少具有如下有益效果：

(1)该基于数字孪生的现场施工人员管控系统，采用依据项目施工既定目标建立的轻量化BIM模型，能够根据施工任务的编排和作业指令，在轻量化BI M模型内对划分的每个空间展示相关的作业信息、涉及的人员、设备、车辆信息；而且，由于轻量化BIM模型中还加载了穿戴设备、摄像头等行为识别设备的信息，能够把施工人员的状态信息、空间人数信息、人员定位及路径信息、环境信息等数据融合于模型，从而实现施工现场三维空间与时间的可视化展现；

(2)该基于数字孪生的现场施工人员管控系统通过构建施工现场的轻量化BIM模型并制定人员管控策略，利用数据采集模块获取实时的、可视化的人员信息，通过分析与警示模块对实时信息中的违规行为进行计算并预警；通过将施工场地BIM模型、施工人员信息、工程项目信息同时融合于一个轻量化模型中，打通了三种不同种类数据信息之间的信息壁垒，通过一个轻量化模型实现动态信息的共享，便于管理人员全面、实时掌控现场施工人员的情况；而且，通过在管控系统中制定人员的活动范围、行为规范，并结合传感设备的检测，能够约束现场施工人员的各类违规行为，一旦发生预警，管理人员能够快速、准确地定位预警源头并分析预警原因，从而实现对现场施工人员的健康和行为进行实时管控，保证了施工人员的健康及安全；

(3)该基于数字孪生的现场施工人员管控系统，由于轻量化BIM模型还加载了工程项目信息，及施工任务编排等信息，管理人员能够在轻量化BIM模型中快速定位某施工任务所对应的施工场所或位置，作为施工任务具备可视化功能的基础数据，便于管理人员实时查看项目施工进度，有利于工程项目管理中施工任务的高效调配，从而提升了施工效率。

进一步的，它还包括数据展示模块，数据展示模块包括显示器和轻量化服务器，施工现场的轻量化BIM模型通过轻量化服务器转换后，通过显示器显示模型图像、划分空间、人员信息、施工作业信息及项目施工进度。

另外，本发明还提供了一种基于数字孪生的现场施工人员管控方法，步骤如下：

S1:建立施工现场BIM模型，定期获取施工场地的三维扫描模型，将三维扫描模型和施工现场BIM模型匹配合成并生成轻量化BIM模型，对轻量化BIM模型中的建筑、结构、设施、设备、车辆进行标识及编码，对施工现场进行空间划分，并定期更新模型和数据；

S2:将数据采集模块的穿戴设备和摄像头绑定于轻量化BIM模型，在每次轻量化BIM模型更新后，对穿戴设备和摄像头获取的施工人员的行为识别数据进行更新；

S3:定期抽取施工人员信息模块的数据，以及工程项目信息模块中与施工任务相关的数据，对施工任务进行编排，设置时间、场地和规范，并生成项目计划和时间表，以及施工作业指令；

S4：根据施工作业规范及现场人员管理制度，对施工人员的违规行为频次、健康程度、行走范围进行阈值设定，超出阈值将根据级别进行预警。

本发明的基于数字孪生的现场施工人员管控方法，利用无人机的三维扫描图像和反映建筑内部空间结构的施工现场BIM模型进行合成，并根据施工作业的实际需要对施工空间进行划分，形成一个某阶段的静态的轻量化BIM模型；轻量化BIM模型加载了施工场地内摄像头、穿戴设备等行为识别设备，使得轻量化BIM模型能够与动态实时数据相结合，形成实时更新的施工现场数字孪生模型；由于工程项目信息和施工人员信息均绑定于轻量化BIM模型，在施工过程中，项目管理者能够通过不同入口，如作业任务、施工人员、施工区域等，实时查看工程项目情况、人员信息及行为；与传统使用Project软件进行施工管理的方法不同的是，把施工场地和工作时间作为重点信息同时编排进施工任务中，能够实现在轻量化BIM模型中快速定位某施工任务所对应的施工场所或位置，即三维模型中所划分的空间，作为施工任务具备可视化功能的基础数据。该基于数字孪生的现场施工人员管控方法是一种将施工人员、施工任务、工作时间、工作区域等元素结合并能够体现实时工况的管控方法，提升了工程项目管理的智能化水平。

进一步的，所述步骤S4中，对施工人员的违规行为识别包括：违规攀爬、跳跃行为识别、在非指定工作区域的越界作业行为、长时间徘徊、逗留与长期聚众行为识别；高危区域内不按指定规划路径行走的行为识别；

所述分析与警示模块根据识别的人员健康异常或违规行为生成预警信息并及时发送到相应级别的通信网关，并将预警信息定位至轻量化BIM模型中。

附图说明

图1为本发明的基于数字孪生的现场施工人员管控系统一实施例的框架图；

图2为本发明的基于数字孪生的现场施工人员管控系统一实施例的示意图；

图3和图4为本发明的基于数字孪生的现场施工人员管控方法一实施例的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

结合图1和图2说明本发明的基于数字孪生的现场施工人员管控系统，它包括：数据采集模块、工程项目信息模块、施工人员信息模块、施工任务编排模块、模型管理模块和分析与警示模块；

数据采集模块用于实时采集现场施工人员的数据，它包含了安装于施工现场的各类用于行为识别的摄像头、穿戴设备、传感器及存储器；其中，穿戴设备为可定位的安全帽、健康手环等；

工程项目信息模块用于存储工程项目的施工技术信息，它包含了施工组织设计、工程施工进度计划等；

施工人员信息模块用于存储施工现场所有人员的信息，包含了人员基本信息、工种岗位信息、操作的车辆及机械设备、人员生物识别信息(如人脸、指纹等)、人员所绑定的穿戴设备识别的行为信息；

施工任务编排模块根据施工任务的工作量及进度，项目管理者对施工团队以及施工任务进行编排，除了安排指定的工作任务之外，还限定了工作任务指定的工作区域、工作时长、特殊工种的违规行为；

模型管理模块包含了由施工现场BIM模型与无人机三维扫描模型合成的轻量化BIM模型、所述数据采集模块接收的施工人员的数据(如施工人员的健康状况、行为、定位)、所述施工任务编排模块输出的当前施工任务的数据；

分析与警示模块包括智能化计算模块以及消息网关，智能化计算模块根据摄像头、穿戴设置和传感器采集的图像数据，对施工人员的越界、脱岗、聚集、超员、逗留、徘徊等违规行为进行计算，并将施工人员的健康预警信息、人员违规信息输出到相应的消息网关进行发送。

本发明的基于数字孪生的现场施工人员管控系统，包括数据采集模块、工程项目信息模块、施工人员信息模块、施工任务编排模块、模型管理模块和分析与警示模块，施工现场BIM模型与三维扫描模型合成的轻量化BIM模型存储于模型管理模块，并加载数据采集模块获取的现场施工人员的实时定位和健康数据，以及工程项目信息模块获取的信息，施工任务编排模块根据施工任务的工作量及进度，项目管理者对施工团队以及施工任务进行编排，分析与警示模块实时对比施工人员的工作轨迹以及施工进度，并对违规行为发出预警信息。本发明至少具有如下有益效果：

(1)该基于数字孪生的现场施工人员管控系统，采用依据项目施工既定目标建立的轻量化BIM模型，能够根据施工任务的编排和作业指令，在轻量化BI M模型内对划分的每个空间展示相关的作业信息、涉及的人员、设备、车辆信息；而且，由于轻量化BIM模型中还加载了穿戴设备、摄像头等行为识别设备的信息，能够把施工人员的状态信息、空间人数信息、人员定位及路径信息、环境信息等数据融合于模型，从而实现施工现场三维空间与时间的可视化展现；

(2)该基于数字孪生的现场施工人员管控系统通过构建施工现场的轻量化BIM模型并制定人员管控策略，利用数据采集模块获取实时的、可视化的人员信息，通过分析与警示模块对实时信息中的违规行为进行计算并预警；通过将施工场地BIM模型、施工人员信息、工程项目信息同时融合于一个轻量化模型中，打通了三种不同种类数据信息之间的信息壁垒，通过一个轻量化模型实现动态信息的共享，便于管理人员全面、实时掌控现场施工人员的情况；而且，通过在管控系统中制定人员的活动范围、行为规范，并结合传感设备的检测，能够约束现场施工人员的各类违规行为，一旦发生预警，管理人员能够快速、准确地定位预警源头并分析预警原因，从而实现对现场施工人员的健康和行为进行实时管控，保证了施工人员的健康及安全；

(3)该基于数字孪生的现场施工人员管控系统，由于轻量化BIM模型还加载了工程项目信息，及施工任务编排等信息，管理人员能够在轻量化BIM模型中快速定位某施工任务所对应的施工场所或位置，作为施工任务具备可视化功能的基础数据，便于管理人员实时查看项目施工进度，有利于工程项目管理中施工任务的高效调配，从而提升了施工效率。

本发明的基于数字孪生的现场施工人员管控系统，它还包括数据展示模块，数据展示模块包括显示器和轻量化服务器，施工现场的轻量化BIM模型通过轻量化服务器转换后，能够在浏览器上渲染3D图像，并通过显示器直观显示出模型3D图像、划分空间、人员信息、施工作业信息及项目施工进度等数据。所述轻量化服务器是能够快速搭建且易于管理的轻量级云服务器。

结合图3和图4说明本发明的基于数字孪生的现场施工人员管控方法，具体步骤如下：

S1:建立施工现场各阶段BIM模型，定期利用无人机测绘获取施工场地地形的三维扫描模型，将三维扫描模型和施工现场BIM模型通过三点定位进行匹配合成并生成最新的轻量化BIM模型，对轻量化BIM模型中的建筑、结构、设施、设备、车辆进行标识及编码，并保存到模型数据库中，对施工现场进行空间划分，并定期更新模型和数据；

S2:将数据采集模块的穿戴设备和摄像头绑定于轻量化BIM模型，在每次轻量化BIM模型更新后，对穿戴设备和摄像头获取的施工人员的行为识别数据进行更新；

S3:定期抽取施工人员信息模块的数据，以及工程项目信息模块中施工技术、规范等与施工任务相关的数据，对施工任务进行编排，设置时间、场地和规范等限制，并生成项目计划和时间表，以及施工作业指令，施工作业指令包含人员(团队)、作业内容、时间范围、作业空间区域等信息；

S4：根据施工作业规范及现场人员管理制度，对施工人员的违规行为频次、健康程度、行走范围进行阈值设定，超出阈值将根据级别进行预警。

本发明的基于数字孪生的现场施工人员管控方法，利用无人机的三维扫描图像和反映建筑内部空间结构的施工现场BIM模型进行合成，并根据施工作业的实际需要对施工空间进行划分，形成一个某阶段的静态的轻量化BIM模型；轻量化BIM模型加载了施工场地内摄像头、穿戴设备等行为识别设备，使得轻量化BIM模型能够与动态实时数据相结合，形成实时更新的施工现场数字孪生模型；由于工程项目信息和施工人员信息均绑定于轻量化BIM模型，在施工过程中，项目管理者能够通过不同入口，如作业任务、施工人员、施工区域等，实时查看工程项目情况、人员信息及行为；与传统使用Project软件进行施工管理的方法不同的是，把施工场地和工作时间作为重点信息同时编排进施工任务中，能够实现在轻量化BIM模型中快速定位某施工任务所对应的施工场所或位置，即三维模型中所划分的空间，作为施工任务具备可视化功能的基础数据。该基于数字孪生的现场施工人员管控方法是一种将施工人员、施工任务、工作时间、工作区域等元素结合并能够体现实时工况的管控方法，提升了工程项目管理的智能化水平。

所述步骤S4中，

对施工人员的健康指标识别包括：人员：体温、心率、血氧量、呼吸次数等数据；

对施工人员的违规行为识别包括：违规攀爬、跳跃等行为识别、在非指定工作区域的越界作业行为、长时间徘徊、逗留与长期聚众行为识别；高危区域内不按指定规划路径行走的行为识别；

分析与警示模块根据识别的人员健康异常或违规行为生成预警信息并及时发送到相应级别的通信网关，一旦发生人员健康报警以及上述违规行为，可将文字预警信息即时通过管控系统快速定位至可视化的轻量化BIM模型中。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求范围。

Claims (4)

1.一种基于数字孪生的现场施工人员管控系统，其特征在于，包括：数据采集模块、工程项目信息模块、施工人员信息模块、施工任务编排模块、模型管理模块和分析与警示模块；

数据采集模块用于实时采集现场施工人员的数据，它包含了安装于施工现场的各类用于行为识别的摄像头、穿戴设备、传感器及存储器；

工程项目信息模块用于存储工程项目的施工技术信息，它包含了施工组织设计、工程施工进度计划；

施工人员信息模块用于存储施工现场所有人员的信息，包含了人员基本信息、工种岗位信息、操作的车辆及机械设备、人员生物识别信息、人员所绑定的穿戴设备识别的行为信息；

施工任务编排模块包含了施工团队以及施工任务的编排，还限定了工作任务指定的工作区域、工作时长、特殊工种的违规行为；

模型管理模块包含了由施工现场BIM模型与三维扫描模型合成的轻量化BI M模型、所述数据采集模块接收的施工人员的数据、所述施工任务编排模块输出的当前施工任务的数据；

分析与警示模块包括智能化计算模块以及消息网关，智能化计算模块根据摄像头、穿戴设置和传感器采集的图像数据，对施工人员的违规行为进行计算，并将施工人员的健康预警信息、人员违规信息输出到相应的消息网关进行发送。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的现场施工人员管控系统，其特征在于：它还包括数据展示模块，数据展示模块包括显示器和轻量化服务器，施工现场的轻量化BIM模型通过轻量化服务器转换后，通过显示器显示模型图像、划分空间、人员信息、施工作业信息及项目施工进度。

3.一种基于数字孪生的现场施工人员管控方法，采用如权利要求1或2所述的基于数字孪生的现场施工人员管控系统，其特征在于，步骤如下：

S1:建立施工现场BIM模型，定期获取施工场地的三维扫描模型，将三维扫描模型和施工现场BIM模型匹配合成并生成轻量化BIM模型，对轻量化BIM模型中的建筑、结构、设施、设备、车辆进行标识及编码，对施工现场进行空间划分，并定期更新模型和数据；

S2:将数据采集模块的穿戴设备和摄像头绑定于轻量化BIM模型，在每次轻量化BIM模型更新后，对穿戴设备和摄像头获取的施工人员的行为识别数据进行更新；

S3:定期抽取施工人员信息模块的数据，以及工程项目信息模块中与施工任务相关的数据，对施工任务进行编排，设置时间、场地和规范，并生成项目计划和时间表，以及施工作业指令；

S4：根据施工作业规范及现场人员管理制度，对施工人员的违规行为频次、健康程度、行走范围进行阈值设定，超出阈值将根据级别进行预警。

4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的现场施工人员管控方法，其特征在于：

所述步骤S4中，对施工人员的违规行为识别包括：违规攀爬、跳跃行为识别、在非指定工作区域的越界作业行为、长时间徘徊、逗留与长期聚众行为识别；高危区域内不按指定规划路径行走的行为识别；

所述分析与警示模块根据识别的人员健康异常或违规行为生成预警信息并及时发送到相应级别的通信网关，并将预警信息定位至轻量化BIM模型中。