一种基于BIM模型与智能硬件的预制构件吊装设备监测预警及过程管理方法及系统与流程

本发明涉及装配式建筑智能建造、物联网监测、施工安全控制和构件安装质量管理，尤其涉及一种基于bim模型与智能硬件的预制构件吊装设备监测预警及过程管理方法及系统。

背景技术：

1、装配式建筑通过工厂预制、现场装配的方式组织施工，能够提高施工效率、减少现场湿作业并提升工程工业化水平。对于装配式地铁车站、地下结构、桥梁结构和大型公共建筑等工程，预制构件通常具有体积大、重量大、吊装难度高、安装节点复杂和拼装精度要求高等特点。构件现场吊装和安装过程直接影响结构成型质量、节点连接质量和施工安全。

2、现有装配式构件安装过程中，构件姿态调整和安装精度控制主要依靠全站仪、水平尺、人工观测以及现场作业人员经验判断。该方式存在测量过程依赖人工、实时性不足、安装调整效率较低、设备状态与构件姿态缺乏关联分析、施工环境影响未能充分纳入安装风险判断、安装过程数据难以完整追溯等问题。

3、因此，有必要提出一种能够结合预制构件管理、bim模型资料管理、机械设备运行状态监测和现场环境监测的装配式构件吊装作业信息化管理方法及系统，实现构件信息管理、设备状态监测、风险预警、人工复核和过程质量归档。

技术实现思路

1、发明目的

2、本发明的目的在于提供一种基于bim模型与智能硬件的预制构件吊装设备监测预警及过程管理方法及系统，用于解决现有装配式构件安装过程中人工测量依赖强、姿态监测实时性不足、设备状态与构件姿态缺乏联动分析、施工环境影响难以量化、风险提示不直观、设备监测数据与构件管理数据缺乏关联以及过程数据难以追溯的问题。

3、技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供一种基于多源传感数据融合的装配式构件吊装预制构件吊装设备监测预警及过程管理方法，包括如下步骤。

5、s1，获取待吊装装配式构件的基础信息和设计安装参数。

6、在吊装前，管理平台根据构件编号、二维码或bim模型构件编码获取待吊装构件的基础信息。所述基础信息包括构件编号、构件类型、构件尺寸、构件重量、构件所属工程部位、设计安装位置和允许安装偏差。所述设计安装参数包括设计轴线、设计标高、设计垂直度、设计姿态角、安装顺序、吊装计划和安装允许偏差阈值。

7、s2，采集构件姿态数据、吊装设备运行数据和施工环境数据。

8、在吊装设备、拼装设备、吊具、构件临时辅助测量装置或构件表面可拆卸安装位置布设惯性测量单元，用于采集构件吊装过程中的俯仰角、横滚角和方位角。所述惯性测量单元可包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和磁力计。在龙门吊、拼装台车或其他吊装辅助设备上布设吊重传感器、行程传感器、速度传感器、应力传感器和限位传感器，用于采集吊装设备运行数据。在施工现场布设环境传感器，用于采集风速、湿度等施工环境数据。

9、s3，对采集数据进行预处理。

10、边缘处理终端接收各传感器采集的数据，并按照统一时间基准进行时间同步。对于不同采样频率的数据，按照预设时间窗口进行对齐。边缘处理终端对采集数据进行数据清洗和异常值剔除，对于超过物理量程、超过预设突变阈值或连续丢失的数据进行标记，并采用相邻有效值、滑动窗口均值或模型预测值进行修正。同时，边缘处理终端对构件姿态数据进行坐标转换，将传感器坐标系下的姿态数据转换为施工现场坐标系或构件安装坐标系下的姿态数据。

11、s4，进行多源传感数据融合计算。

12、为避免公式在不同 word 版本中出现换行错乱，本实施方式中的公式采用线性公式块表示。公式块内每一行均为完整可读的线性表达式，便于在 word 中复制、编辑和由代理人进一步转换为专业公式格式。

13、（1）构件姿态角表示：

14、

15、表1 构件姿态参数定义

16、

符号

含义

备注

当前时刻构件姿态角集合

由惯性测量单元采集并经坐标转换得到

当前俯仰角 / 横滚角 / 方位角

用于描述构件实时姿态

设计姿态角集合

由构件设计安装参数确定

设计俯仰角 / 横滚角 / 方位角

作为姿态偏差计算基准

17、（2）构件姿态偏差值计算：

18、

19、其中，为构件姿态偏差值；分别为俯仰角、横滚角和方位角的权重系数。权重系数可根据不同构件类型、安装精度要求和施工阶段进行预设。

20、（3）吊装设备运行状态量表示：

21、

22、表2 设备运行参数定义

23、

符号

含义

备注

当前吊重

由吊重传感器采集

当前吊装高度或行程

由行程传感器或设备控制系统获取

当前运行速度

由速度传感器或设备控制系统获取

当前受力状态

由应力、油缸压力或受力传感器采集

限位触发状态

未触发取0，触发取1

设备计划状态量或安全基准状态量

由吊装计划或设备安全参数确定

计划吊重或允许吊重基准值

由吊装方案、构件重量或设备安全参数确定

计划吊装高度、目标行程或安全基准高度

由吊装计划、安装位置或设备安全参数确定

计划运行速度或安全基准速度

由吊装方案或设备安全参数确定

计划受力状态或安全基准受力值

由设备参数、吊装方案或安全阈值确定

24、（4）设备运行偏差值计算：

25、

26、其中，为设备运行偏差值；分别为吊重、吊装高度或行程、运行速度、受力状态和限位状态的权重系数；、、分别为对应参数的归一化参数。

27、（5）环境干扰系数计算：

28、

29、其中，为环境干扰系数；为当前风速；为允许作业风速上限。

30、（6）综合风险评价值计算：

31、

32、其中，r为综合风险评价值；分别为构件姿态、设备运行和施工环境的融合权重系数。优选地，当构件安装精度要求较高时，提高取值；当吊装设备运行风险较高时，提高取值；当现场风速较大或环境变化明显时，提高取值。

33、算法流程表（用于替代大段公式堆叠，保证 word 版式稳定）：

34、

步骤

输入数据

处理逻辑

输出结果

a1 姿态偏差计算

当前姿态角；设计姿态角

分别计算俯仰角、横滚角和方位角差值，并按权重求和。

构件姿态偏差值

a2 设备偏差计算

吊重、行程、速度、受力、限位状态

将设备运行参数与计划值或安全基准值比较，归一化后按权重求和。

设备运行偏差值

a3 环境干扰计算

当前风速 ；允许风速

计算当前风速相对允许风速上限的比值。

环境干扰系数

a4 综合风险计算

按照融合权重加权求和。

综合风险评价值 r

a5 风险等级修正

r；单项强制阈值

先按 r 划分正常、预警、危险；若任一强制阈值超限，则直接修正为危险。

修正后的风险等级

a6 风险预警及辅助处置提示生成

风险等级；设备状态；构件管理信息；环境状态

按预设规则输出设备异常提示、构件状态提示、环境风险提示、复核提示或暂停作业提示。

风险预警信息及辅助处置提示

35、s5，确定风险等级并进行强制阈值修正。

36、根据综合风险评价值r确定构件吊装风险等级，并通过单项强制阈值进行修正。为避免综合风险评价值对单项极端危险因素产生平均化影响，当任一关键参数超过强制阈值时，系统直接将风险等级修正为危险状态。

37、（7）风险等级判定规则：

38、

     若，则判定为危险状态。]]>

39、（8）单项强制阈值规则：

40、

或限位状态被触发

41、其中，为第一风险阈值，为第二风险阈值；分别为俯仰角、横滚角和方位角允许最大偏差；为允许吊重上限；为允许运行速度上限；为允许作业风速上限。

42、s6，生成风险预警信息及辅助处置提示。

43、风险预警模块根据风险等级、设备运行状态、构件管理信息和环境状态生成风险预警信息及辅助处置提示。所述风险预警信息及辅助处置提示用于提示现场人员关注异常参数、复核现场状态并采取安全处置措施，不直接限定具体机械设备控制动作，也不要求与吊装设备控制系统自动联动。

44、风险预警及辅助处置提示规则表：

45、

触发条件

判断含义

输出预警信息及辅助处置提示

构件状态参数超过预设阈值

输出构件状态异常提示和人工复核提示；

构件横滚角反向偏差超过预设阈值

输出横滚角反向偏差超限预警、当前偏差值和人工复核提示；

构件俯仰角正向偏差超过预设阈值

输出俯仰角正向偏差超限预警、当前偏差值和人工复核提示；

构件俯仰角反向偏差超过预设阈值

输出俯仰角反向偏差超限预警、当前偏差值和人工复核提示；

构件方位角偏差超过预设阈值

输出方位角偏差超限预警、当前偏差值和人工复核提示；

且姿态角变化率增大

吊装设备运行速度超过预设阈值且姿态变化异常

输出设备运行速度异常预警、姿态变化异常提示和人工复核提示；

现场风速超过允许作业上限

输出环境风险预警、当前风速值和作业条件复核提示；

吊重、受力或限位异常

设备运行状态异常

输出设备运行异常预警、异常参数提示和设备状态复核提示。

46、上述风险预警信息及辅助处置提示用于辅助现场人员识别异常状态和进行人工复核，不直接限定具体机械设备控制动作，也不要求系统与吊装设备控制系统自动联动。

47、s7，反馈处置结果并形成闭环记录。

48、系统将构件安装偏差、综合风险评价值、风险等级和风险预警信息及辅助处置提示发送至现场显示终端、移动终端、设备操作终端或管理平台。现场作业人员根据校正指令对构件吊装姿态、吊装高度、水平位置或吊装速度进行调整。调整后，系统继续采集构件姿态数据、设备运行数据和环境数据，重新进行融合计算和风险判断，直至构件安装偏差满足预设允许偏差阈值。管理平台将构件编号、吊装时间、安装位置、设备运行曲线、环境数据、风险预警记录和现场处置记录进行关联存储，形成构件吊装作业过程管理档案。

49、3. 系统方案

50、构件基础信息管理模块，用于管理构件编号、构件类型、构件尺寸、构件重量、设计安装位置、设计轴线、设计标高、设计姿态角和允许安装偏差。

51、姿态数据采集模块，用于采集构件吊装过程中的俯仰角、横滚角和方位角。

52、设备数据采集模块，用于采集龙门吊、拼装台车或其他吊装设备的吊重、吊装高度或行程、运行速度、限位状态和受力状态。

53、环境数据采集模块，用于采集吊装现场的风速和湿度。

54、边缘处理模块，用于对采集数据进行时间同步、异常剔除、数据清洗、坐标转换和归一化处理。

55、通信模块，用于通过4g、5g、无线局域网或有线网络实现传感设备、边缘处理终端、管理平台和现场显示终端之间的数据传输。

56、数据融合分析模块，用于根据构件姿态数据、设备运行数据和环境数据计算构件姿态偏差值、设备运行偏差值、环境干扰系数和综合风险评价值。

57、风险预警模块，用于根据设备运行参数、构件管理信息、环境参数和预设阈值生成风险等级、风险预警信息和辅助处置提示。

58、管理平台模块，用于展示预制构件信息、bim模型资料、机械设备运行状态、环境状态、风险等级、预警信息和处置记录，并存储构件管理及设备监测过程数据。

59、4. 有益效果

60、第一，本发明通过融合构件姿态数据、吊装设备运行数据和施工环境数据，实现了装配式构件吊装过程的连续化、实时化监测，减少了对人工测量和经验判断的依赖。

61、第二，本发明不仅监测构件姿态，还同步采集吊装设备的吊重、行程、速度、限位和受力状态，能够将设备运行状态与构件安装偏差进行关联分析，提高吊装风险识别准确性。

62、第三，本发明通过构件姿态偏差值、设备运行偏差值和环境干扰系数计算综合风险评价值，并结合单项强制阈值判断规则，避免单一综合评分掩盖局部极端危险因素，提高了风险判断的工程安全性。

63、第四，本发明能够根据设备运行状态、构件管理信息和环境状态生成风险预警信息及辅助处置提示，形成“数据采集—参数展示—风险判断—人工复核—过程记录”的管理闭环，提高吊装作业的信息化管理水平和现场风险识别能力。

64、第五，本发明能够将预制构件信息、bim模型资料、设备运行参数、环境数据、风险预警记录和现场处置记录关联存储，形成构件吊装作业过程管理档案，为质量追溯、安全复盘和施工管理提供数据支撑。

65、第六，本发明适用于大型预制侧墙、顶板、立柱、梁板构件等多类装配式构件吊装安装场景，具有较强的工程适用性和推广价值。