基于数字孪生的低空无人机巡检冲突检测与消解方法与流程

本发明涉及港口低空无人机集群协同控制，特别是基于数字孪生的低空无人机巡检冲突检测与消解方法。

背景技术：

1、随着港口智能化、自动化水平不断提升，基于数字孪生、三维建模以及多源感知融合的港口设备巡检技术逐渐成为设备状态监测与运行管理的重要技术方向，现有技术通常通过获取港口bim模型数据、gis数据以及物联网实时数据流，构建港口设备空间信息模型，并结合无人机巡检技术实现对港口作业设备的远程观测与状态采集，利用数字孪生运行实例对设备空间位置、运行状态及巡检任务信息进行关联管理，提高了港口巡检过程的信息化水平。

2、现有基于数字孪生的港口无人机巡检技术在多无人机协同巡检场景下，通常侧重于飞行路径规划、设备状态采集或空间位置匹配，对于无人机巡检任务中观测目标、观测视角以及港口作业设备运行状态之间的动态关联关系缺少统一描述，导致不同无人机针对同一设备部件产生观测视线交叠时，难以准确识别真实冲突关系，并协调无人机巡检行为与港口作业设备运行状态之间的影响关系。

技术实现思路

1、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明提供了基于数字孪生的低空无人机巡检冲突检测与消解方法解决了多无人机协同巡检过程中观测目标、观测视角与港口作业设备运行状态关联关系难以统一描述以及真实冲突难以识别的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、本发明提供了基于数字孪生的低空无人机巡检冲突检测与消解方法，其包括，获取港口bim模型数据、gis数据以及物联网实时数据流，建立包含三维时空网格坐标映射关系的数字孪生运行实例；

5、根据巡检任务工单解析目标设备id及目标部件类别，生成携带巡检观测语义标签的初始飞行意图超边，将初始飞行意图超边映射至三维时空网格坐标映射关系中；

6、基于三维时空网格坐标映射关系对无人机的初始飞行意图超边进行实时比对，并获得巡检观测语义标签；

7、根据目标设备id、目标部件类别及观测视角方位角对冲突网格数据进行识别，得到真冲突簇信息，基于真冲突簇信息确定观测优先级及巡检中断失效代价预估值，并识别冲突网格关联的港口作业设备，构建异构代价函数；

8、基于异构代价函数计算结果生成复合控制包，采集无人机及港口作业设备执行所述复合控制包后产生的实时回传数据，更新数字孪生运行实例中的运行状态及三维时空网格坐标映射关系中的占用状态。

9、作为本发明所述基于数字孪生的低空无人机巡检冲突检测与消解方法的一种优选方案，其中：所述建立包含三维时空网格坐标映射关系的数字孪生运行实例包括，

10、通过获取的港口bim模型数据、gis数据以及物联网实时数据流，并分别完成空间基准统一和时间同步处理，形成空间底板数据和实时状态数据源；

11、基于空间底板数据进行三维空间网格划分，并结合时间维度建立由空间栅格索引与时间片索引构成的三维时空网格坐标映射关系的结构骨架；

12、将空间底板数据中的静态信息和实时状态数据源中的动态信息写入三维时空网格坐标映射关系的结构骨架对应网格单元，形成三维时空网格坐标映射关系，将三维时空网格坐标映射关系注册至数字孪生运行实例中。

13、作为本发明所述基于数字孪生的低空无人机巡检冲突检测与消解方法的一种优选方案，其中：所述生成携带巡检观测语义标签的初始飞行意图超边包括，

14、对巡检任务工单执行字段读取处理，读取巡检任务工单中的目标设备编号字段与目标部件分类字段，获得目标设备id与目标部件类别；

15、基于目标设备id在数字孪生运行实例中查询目标设备的空间包围盒数据，并基于目标部件类别计算观测视角方位角，将目标设备id、目标部件类别及观测视角方位角组合形成巡检观测语义标签；

16、基于巡检任务工单中的起止位置信息与目标设备id对应的空间包围盒数据，生成初始航点序列，将初始航点序列作为初始飞行意图超边的几何轨迹数据，并将巡检观测语义标签关联至初始飞行意图超边。

17、作为本发明所述基于数字孪生的低空无人机巡检冲突检测与消解方法的一种优选方案，其中：所述将初始飞行意图超边映射至三维时空网格坐标映射关系中包括，

18、对携带巡检观测语义标签的初始飞行意图超边执行时间参数离散化处理，依据预设时间片间隔将初始飞行意图超边的预计飞行时长切分为连续的时间片索引序列，依据预设空间栅格边长将初始飞行意图超边的几何轨迹数据中的连续空间坐标点转换为对应的空间栅格索引；

19、将同一时间戳对应的空间栅格索引组合为时空占用元组，获得由多个时空占用元组构成的时空占用序列，将时空占用序列作为三维时空网格坐标映射关系的写入数据源；

20、将时空占用序列中的巡检观测语义标签写入对应时间片索引与空间栅格索引的网格单元中，更新三维时空网格坐标映射关系中的占用状态记录。

21、作为本发明所述基于数字孪生的低空无人机巡检冲突检测与消解方法的一种优选方案，其中：所述获得巡检观测语义标签包括，

22、对更新后的三维时空网格坐标映射关系进行时间片索引与空间栅格索引联合遍历，根据空间栅格索引对应的占用记录中的初始飞行意图超边来源标识，筛选不同无人机对应的初始飞行意图超边，并读取初始飞行意图超边关联的巡检观测语义标签；

23、基于巡检观测语义标签中的目标设备id与目标部件类别建立观测目标关联关系，将目标设备id与目标部件类别均一致的不同无人机对应的初始飞行意图超边归集为同观测目标重叠记录集合；

24、基于同观测目标重叠记录集合中的空间栅格索引与时间片索引，构建物理无人机至目标部件的观测射线关系，并根据不同物理无人机对应观测射线在目标部件表面的投影关联关系计算视线交叠程度；

25、基于目标部件表面几何特征调整视线交叠判定参数，将视线交叠程度满足预设判定条件的同观测目标重叠记录确定为观测视线冲突记录，并汇总观测视线冲突记录对应的巡检观测语义标签。

26、作为本发明所述基于数字孪生的低空无人机巡检冲突检测与消解方法的一种优选方案，其中：所述真冲突簇信息包括，

27、基于不同巡检观测语义标签中的观测视角方位角，建立对应观测射线与目标部件表面观测区域之间的空间对应关系，根据不同观测射线对应目标部件表面的覆盖区域关系判断观测范围重合情况，将观测范围存在交叉覆盖的观测视线冲突记录进行归集，得到观测视线交叠冲突记录集合；

28、基于观测视线交叠冲突记录集合中的巡检观测语义标签，结合已采集有效数据量、目标部件观测完整程度及观测视角方位角的数据区分能力，确定观测优先级参数，并关联至对应观测视线冲突记录，得到优先级标注观测冲突记录集合；

29、基于优先级标注观测冲突记录集合中的观测连续性信息，计算不同巡检观测语义标签对应观测任务中断后的数据有效性影响程度，确定巡检中断失效代价预估值，并关联至对应观测视线冲突记录，得到代价关联冲突簇基础数据；

30、基于同一时空网格单元内代价关联冲突簇基础数据中的观测优先级参数与巡检中断失效代价预估值，确定冲突关联代表记录，将关联的代价关联冲突簇基础数据进行聚合形成真冲突簇，得到附带冲突关联代表记录属性的真冲突簇信息。

31、作为本发明所述基于数字孪生的低空无人机巡检冲突检测与消解方法的一种优选方案，其中：所述构建异构代价函数包括，

32、基于附带冲突关联代表记录属性的真冲突簇信息，在三维时空网格坐标映射关系中定位对应的时空网格单元，读取时空网格单元关联的港口作业设备运行信息，并依据时空网格单元内的空间占用关系建立无人机与港口作业设备之间的冲突关联关系，得到冲突关联港口作业设备集合；

33、基于附带冲突关联代表记录属性的真冲突簇信息中的观测优先级参数、巡检中断失效代价预估值及观测视角方位角，计算无人机巡检任务发生调整后的观测连续性变化程度，依据观测连续性变化程度建立无人机巡检连续性影响表征；

34、基于冲突关联港口作业设备集合及对应时空网格单元，计算港口作业设备之间的作业衔接关系，将冲突关联港口作业设备的状态变化沿作业衔接关系传播，建立港口作业影响传播关系，并形成港口作业连续性影响表征；

35、基于无人机巡检连续性影响表征及港口作业连续性影响表征，构建跨主体协同约束关系，将跨主体协同约束关系映射至真冲突簇信息，形成由无人机巡检连续性影响项和港口作业连续性影响项共同约束的异构代价函数。

36、作为本发明所述基于数字孪生的低空无人机巡检冲突检测与消解方法的一种优选方案，其中：所述生成复合控制包包括，

37、基于异构代价函数中的无人机巡检连续性影响项、港口作业连续性影响项以及观测优先级参数，对无人机调整路径、观测视角调整方式及港口作业设备协同调整方式对应的影响关系进行计算，得到异构代价函数计算结果；

38、基于异构代价函数计算结果中的无人机调整路径影响结果、观测视角调整影响结果及港口作业设备协同调整影响结果，按照观测优先级参数确定对应调整策略，并将调整策略转换为无人机控制指令与港口设备协同指令，生成包含无人机控制指令与港口设备协同指令的复合控制包。

39、作为本发明所述基于数字孪生的低空无人机巡检冲突检测与消解方法的一种优选方案，其中：所述实时回传数据包括，

40、通过复合控制包中的无人机控制指令与港口设备协同指令，控制无人机及港口作业设备执行对应调整操作，并同步采集无人机及港口作业设备执行所述复合控制包后的位姿状态信息、设备运行状态信息以及任务执行状态信息；

41、将无人机及港口作业设备执行所述复合控制包后的位姿状态信息、设备运行状态信息以及任务执行状态信息按照时间片索引与空间栅格索引进行关联处理，形成实时回传数据。

42、作为本发明所述基于数字孪生的低空无人机巡检冲突检测与消解方法的一种优选方案，其中：所述更新数字孪生运行实例中的运行状态及三维时空网格坐标映射关系中的占用状态包括，

43、基于实时回传数据中的位姿状态信息、设备运行状态信息以及任务执行状态信息，对数字孪生运行实例中的对应设备状态、任务状态及运行参数进行同步更新，获得更新后的数字孪生运行实例中的运行状态；

44、基于更新后的数字孪生运行实例中的运行状态，将实时回传数据对应的空间位置变化信息与时间片索引、空间栅格索引进行关联更新，调整三维时空网格坐标映射关系中对应网格单元的占用状态。

45、本发明有益效果为：通过融合港口bim模型数据、gis数据以及物联网实时数据流，构建包含三维时空网格坐标映射关系的数字孪生运行实例，并结合巡检任务工单解析目标设备id与目标部件类别，生成携带巡检观测语义标签的初始飞行意图超边，实现无人机巡检任务在三维时空网格坐标映射关系中的动态映射；基于三维时空网格坐标映射关系对不同无人机初始飞行意图超边进行时空关联分析，结合目标设备id、目标部件类别及观测视角方位角建立观测射线关系，识别真实观测冲突并形成真冲突簇信息；基于真冲突簇信息确定观测优先级参数与巡检中断失效代价预估值，关联冲突网格对应的港口作业设备状态，构建融合无人机巡检连续性影响与港口作业连续性影响的异构代价函数；根据异构代价函数计算结果生成复合控制包，协调无人机巡检路径、观测视角以及港口作业设备协同调整，并采集执行后的实时回传数据，更新数字孪生运行实例中的运行状态及三维时空网格坐标映射关系中的占用状态，实现面向港口复杂作业环境的无人机巡检冲突检测、协同消解与动态闭环更新。