一种基于数字孪生的绿色施工监控方法及系统与流程

本发明涉及大数据分析，具体是一种基于数字孪生的绿色施工监控方法及系统。

背景技术：

1、基于数字孪生的绿色施工监控体系中，随着施工工序分阶段推进，需要通过模型预留扩展接口增量新增传感节点实现局部污染、能耗监测，该类新增节点为缺少历史时序样本的零样本冷启动设备，现有方案一般仅选用项目开工全域基准特征或者当期局部邻域特征中的单一参照完成数据校验与权重赋值，受参照维度的局限，难以精准区分新增节点上电漂移噪声与现场真实离散小微污染、瞬时能耗异常，冷启动失真数据容易混入全域特征融合流程，进而引发存量传感器仿真权重被稀释和局部绿色异常漏检等问题，无法同时兼顾建筑固有底层工况约束与动态施工实时监测的实际使用需求。因此，亟需一种基于数字孪生的绿色施工监控方法及系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的绿色施工监控方法及系统，以解决现有技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于数字孪生的绿色施工监控方法，绿色施工监控方法包括以下步骤：

3、步骤s1、构建适配建筑工程全施工时序演进的可扩展式数字孪生绿色施工监控基底；根据工程施工图与配套施工技术文件解析获取在建建筑的构件几何参数、空间拓扑关系、场地分区边界和全周期wbs施工时序分解规则，完成标准化bim空间骨架模型搭建，所述bim表示为建筑信息模型，是融合建筑构件几何参数、空间拓扑关系、场地分区边界和全周期施工时序的三维数字化载体，所述工程施工图包括建筑施工图、结构施工图、施工现场总平面布置图，所述配套施工技术文件为对应的专项施工组织设计图纸，所述标准化bim空间骨架模型搭建表示为根据工程图纸解析输出的场地边界、构件拓扑、分区范围等静态实体信息，建立与实体施工现场一一映射、可承载分层扩展接口嵌入逻辑的三维数字化基底框架；

4、基于图纸解析得到的分级施工时序逻辑，将施工全域空间划分为与地基基础、主体结构、机电安装、装饰装修各施工阶段一一对应的独立bim网格分区，针对各网格分区在不同施工阶段产生的增量环境监测、能耗监测、扬尘噪声监测扩容需求，在各bim网格分区的模型底层原生预设标准化传感扩展挂载接口；

5、所述传感扩展挂载接口具体为bim空间骨架模型架构层原生集成的开放式扩展通道，预先封装通信协议适配、空间构件自动映射、增量数据隔离缓存和邻域特征参数迁移子程序，各传感扩展挂载接口与对应bim网格分区唯一绑定且独立配置数据分流链路；

6、现有数字孪生绿色施工监控技术中，监控模型多为固定封闭式架构，未针对施工分阶段扩容监测需求预留标准化扩展接入通道，无法适配施工过程中动态新增的零样本传感节点即插式接入；模型无分区时序适配架构与内置数据处理子程序，新增传感节点接入时需重构模型拓扑结构；

7、通过在不改动、不重构bim空间骨架模型拓扑结构的前提下，通过各施工阶段预设的标准化传感扩展挂载接口，实现后续工序演进过程中各类新增传感节点的即插式接入，为增量零样本传感节点冷启动阶段的数据隔离、特征对标、权重初始化提供固定模型架构支撑，构建具备施工时序适配性与监测能力的可扩容性数字孪生绿色施工监控基底；解析施工图纸构建全时序适配的标准化bim空间骨架模型，依据施工工序划分独立bim网格分区并在模型底层原生预设标准化传感扩展挂载接口；在不重构模型拓扑的前提下，实现不同施工阶段新增传感节点的免改造、即插式时序扩容接入；

8、步骤s2、结合工程施工图、配套施工技术文件与现场实时施工进程，完成增量传感节点时序匹配接入与原始监测数据标准化预处理，所述增量传感节点为各施工阶段通过bim网格分区底层预设标准化传感扩展挂载接口新增接入的监测设备；

9、根据工程施工图与配套施工技术文件，对bim网格分区的接口配置参数、标准施工时序节点和分区监测边界范围进行限定，作为增量传感接入与数据处理的基准约束条件；

10、实时采集施工现场动态施工工序进度信息，将现场实时施工进程与工程施工图和配套施工技术文件标定的标准施工时序节点进行时序校验匹配，判定现场施工进程所处的bim网格分区施工阶段；

11、当现场施工进程推进至任一标准化传感扩展挂载接口对应的目标施工阶段时，激活并调用对应bim网格分区内预设的传感扩展挂载接口；通过激活的传感扩展挂载接口，完成当期施工阶段新增增量传感节点的设备身份识别、通信协议适配及bim空间构件绑定映射；

12、根据工程施工图与配套施工技术文件预设的统一接口入参规范，所述统一接口入参规范表示为根据工程施工图与配套施工技术文件预先设定的数据格式、采样时序、参数量程和维度定义的标准化接入约束；

13、现有监控技术中，对施工工序推进过程中阶段性新增的传感节点无标准化时序接入机制与统一数据约束规范，新增设备多为临时接入，无法与 bim网格分区、施工时序精准绑定，设备协议适配混乱、监测边界不明确；同时新增冷启动传感设备输出的原始数据格式杂乱、量程不统一、时序无序，缺乏统一预处理手段，导致新增节点原始数据无法直接用于特征比对与偏差校正；

14、通过统一接口入参规范对新增传感节点采集的原始数据进行依次执行参数规约校正、采样时序对齐、数据格式统一与结构化封装处理，所述袁术数据包括环境、能耗、扬尘噪声监测参数；完成全量增量传感原始数据的规范化预处理，实现生成格式统一、时序规整和维度统一的结构化增量监测数据集；

15、步骤s3、基于全域多接口特征联动比对机制完成增量传感数据自适应特征校正与动态权重求解；对经统一接口入参规范预处理后的结构化增量监测数据集执行双层差异化特征解析并量化计算时序平稳特征、局部离散突变特征；

16、选取滑动时序窗口逐窗计算监测指标均值、时序标准差、周期波动幅值和长期基准偏移量作为时序平稳特征；通过逐点差分运算求解瞬时峰值跳变幅度、短时突变累积频次、跨分区传感数据差值和采样断点间隔作为局部离散突变特征；

17、根据增量传感节点的部署数据基础分三种工况自适应构建稳态收敛区间：

18、第一工况，增量传感节点所属bim网格分区部署有同类型存量传感接口时，依托所属分区存量传感接口的历史时序特征统计分布，自学习生成稳态收敛区间；

19、第二工况，增量传感节点所属bim网格分区无同类存量传感接口、但建筑全域存在同品类传感接口时，通过全域特征分布聚类算法筛选匹配当前施工工序与场地环境的全域特征簇，拟合构建稳态收敛区间；

20、第三工况，建筑全域无同品类传感接口、增量传感节点为全新零样本监测设备时，依据工程施工图与配套施工技术文件标定的设计工况参数及绿色施工规范阈值，初始化构建稳态收敛区间；

21、各工况均对应选取基准数据的均值置信区间与标准差波动范围作为稳态收敛边界；采用滑动窗口马尔可夫状态推演算法迭代判别实时特征序列演变趋势，连续预设帧数的平稳特征波动量处于稳态收敛区间内，判定监测数据向稳态工况收敛；离散突变特征连续多帧突破稳态收敛区间边界且突变频次超出统计常态，判定监测数据存在采集偏移或工况异常，稳态收敛区间边界根据三西格玛原则确定得到；

22、读取建筑场地全部bim网格分区的标准化传感扩展挂载接口历史结构化特征数据集，构建全域多接口特征基准库，将增量传感节点实时特征序列分别与所属分区邻域传感特征、全域跨分区传感特征进行逐维度残差运算，生成双向特征残差矩阵，双向特征残差矩阵表达式如下：

23、；

24、式中，r表示为双向特征残差矩阵；矩阵下标中第一个下标i代表监测特征序号，i取1、2、3、4，依次对应扬尘均值时序平稳特征、能耗标准差时序平稳特征、瞬时噪声突变幅度、采样断点间隔突变特征；第二个下标j代表残差类型，j=1对应分区邻域特征残差j=2对应全域聚类特征残差；为第i项监测特征对应的本地存量传感偏差值，为第i项监测特征对应的全局同类传感偏差值；

25、根据双向特征残差矩阵分层抵消增量传感节点的突变偏移分量与稳态偏差分量，滤除冷启动随机漂移噪声；量化全部传感接口的长期特征稳定度、数据有效率、工况适配匹配度，得到各传感接口基准可信度评分，依据评分自适应分配特征融合权重占比；对增量传感节点实时特征、分区稳态特征、全域高匹配基准特征进行加权耦合融合，输出消除冷启动漂移、匹配现场施工工况的标准化特征向量；所述标准化特征向量由全域成熟存量传感接口的特征分布与权重分布共同约束生成，用于划分增量传感节点因为冷启动造成的数据漂移；所述各传感接口基准可信度评分计算公式如下：

26、；

27、式中，表示为第s个标准化传感扩展挂载接口可信度评分；表示为长期特征稳定度量化值；表示为有效数据占比量化值；表示为工况适配匹配度量化值；、和分别表示为稳定度、有效率、匹配度对应的固定加权调节系数，为系统预设常量；依据可信度评分自适应分配特征融合权重占比；对增量传感节点实时特征、分区稳态特征、全域高匹配基准特征进行加权耦合融合，输出消除冷启动漂移、匹配现场施工工况的标准化特征向量；

28、现有监控体系针对新接入的零样本冷启动传感节点，仅能选取单一维度特征作为数据参照，未区分设备部署场景适配多类基准构建方式，同时未对监测数据拆分平稳、突变特征开展分层解析，无法分层剥离新增设备自带的多层级冷启动偏移噪声；

29、对新接入增量传感节点划分三类工况分别搭建稳态收敛区间，融合分区存量、全域同类、施工设计规范多重参照维度；拆分时序平稳、局部突变特征量化计算，结合全域多接口特征残差运算分层抵消数据偏差，滤除冷启动漂移干扰；

30、步骤s4、根据步骤s3输出的全域权重约束型标准化特征向量为判别基准，对增量传感节点实时采集的原始监测数据执行逐帧特征匹配校验；将原始数据特征与标准化特征向量的维度参数、幅值范围、时序波动区间进行比对匹配，保留特征分布一致的原始采样帧作为可信有效数据，对偏离基准波动区间、对应冷启动随机漂移的失真数据帧执行本地隔离缓存处理，限制失真数据参与全域特征统计与权重运算；

31、采用筛选后的可信有效数据对全域多接口特征基准库进行增量更新；基于更新后的全域多接口特征基准库，重新量化所有标准化传感扩展挂载接口的长期特征稳定度、数据有效率、工况适配匹配度，迭代生成各传感接口基准可信度评分；

32、对各接口可信度评分实施归一化计算，同步更新全域存量传感接口与增量传感接口的特征融合权重占比；将更新后的全域融合权重参数写入数字孪生bim网格分区仿真计算算子，基于更新权重执行绿色施工多指标耦合仿真运算，输出全域绿色施工工况仿真结果；

33、现有监控对新增冷启动传感节点不做数据甄别过滤，直接将混杂上电漂移噪声的原始数据参与特征融合与权重计算，依赖单一维度参照赋值权重，极易造成全域权重分布偏移，导致存量传感接口权重被瞬时失真数据稀释，同时无法有效区分设备漂移与真实施工小微异常；

34、全域存量接口共同约束生成的标准化特征向量实现逐帧精准校验，单次采集周期内快速剥离冷启动随机漂移失真数据，仅以可信有效数据参与权重迭代，在单轮计算中即时规避新增零样本节点带来的权重挤占与权重偏移问题；通过多维全域基准匹配判别数据真伪，实现瞬时工况异常与设备噪声的有效区分，提升单帧绿色施工监测判别的准确性；

35、步骤s5、对全域绿色施工工况仿真结果、可信有效原始采样帧、标准化特征向量、各传感接口更新后的融合权重参数、可信度评分、分区异常标识建立时序关联绑定关系，写入对应bim网格分区的分区事件存储区完成持久化存储；

36、读取分区事件存储区内已完成时序归档的全量历史数据，补充至全域多接口特征基准库，并扩充各施工阶段和各bim网格分区的工况特征样本；全域多接口特征基准库更新完成后，将全域多接口特征基准库内新增历史特征样本作为后续新增增量传感节点构建稳态收敛区间、残差校正运算的参照数据源，循环执行步骤s3至步骤s4的数据校正、数据筛选、权重迭代和仿真运算流程对建筑全域进行施工监控；

37、对输出的全域绿色施工工况仿真结果逐bim网格分区拆分多维度时序特征，提取分区扬尘时序波动特征、能耗累积变化特征、噪声瞬时突变特征和传感基准可信度时序漂移特征四类仿真衍生特征，选取滑动时序窗口截取连续多轮仿真输出的特征序列，逐特征维度计算同比变化幅度、环比偏移差值和周期波动衰减系数完成特征变化量化分析；

38、同步提取本地隔离缓存内存放的失真采样帧原始时序特征，将缓存时序特征与分区其余标准化传感接口归档的历史稳态特征开展全域分布匹配比对，结合仿真特征与分区稳态收敛区间的匹配结果综合判定是否启动权重更新流程；

39、若仅单台增量传感缓存特征独立偏移、分区其余接口历史稳态特征无同步偏离，且全部仿真衍生特征落在对应分区稳态收敛区间内、时序波动幅度低于预设阈值，判定偏移仅为传感自身采样噪声，允许启动权重更新流程，调取当前轮次双向特征残差矩阵中各传感接口分维度残差贡献量，依据残差贡献占比反向下调高漂移传感接口融合权重、同步提升同分区高可信度存量传感接口权重占比，完成全域特征融合权重二次自适应反馈调节；

40、若本地隔离缓存特征与分区多组接口历史稳态特征同向同步偏离，或任意一类仿真衍生特征突破稳态收敛区间边界、时序波动幅度超标，判定分区出现真实绿色工况异常，直接阻断该分区全部传感接口权重更新流程，维持当前权重配比不变；

41、直至后续循环监控中本地隔离缓存特征回归全域接口历史稳态分布区间、全部仿真衍生特征回落至稳态收敛区间内，再重新放开权重迭代权限，将经反馈调节后的全新融合权重写入对应bim网格分区仿真计算算子，用于下一轮绿色施工多指标耦合仿真运算；

42、现有方案仅依靠初始全域或局部单一特征作为冷启动传感节点校验参照，无动态样本积累机制，难以区分设备漂移噪声与真实施工异常；失真数据持续参与全局运算，长期稀释存量传感器权重、造成局部污染能耗异常漏检，静态固定基准无法适配分阶段动态施工，难以兼顾建筑固有工况约束与实时监测需求；

43、通过可信工况数据持续扩充全域特征基准库，丰富多分区、多施工阶段参照样本，破除单一参照局限；失真数据全程隔离不入库，从循环流程杜绝权重稀释；基准库积累各类真实异常特征，精准区分设备噪声与施工异常，减少漏检；基准样本随工序持续更新，同时承载建筑固有工况约束与动态施工特征，适配全周期监控。

44、进一步的，一种基于数字孪生的绿色施工监控系统，该绿色施工监控系统包括数字孪生基底构建模块、增量传感接入处理模块、特征校正权重求解模块和全域仿真循环监控模块；

45、所述数字孪生基底构建模块用于搭建标准化bim空间骨架模型并配置标准化传感扩展挂载接口；所述增量传感接入处理模块用于时序匹配接入增量传感节点并规整原始监测数据；所述特征校正权重求解模块用于解析传感特征、构建稳态收敛区间并生成双向特征残差矩阵求解标准化特征向量；所述全域仿真循环监控模块用于校验监测数据、执行绿色施工仿真并归档数据实现循环监控；

46、所述数字孪生基底构建模块包括bim骨架搭建单元和传感接口预置单元；所述bim骨架搭建单元用于解析工程图纸搭建标准化bim空间骨架模型并划分bim网格分区；所述传感接口预置单元用于在bim网格分区底层集成标准化传感扩展挂载接口并配置配套子程序与分流链路；

47、所述增量传感接入处理模块包括时序匹配绑定单元和监测数据规整单元；所述时序匹配绑定单元用于匹配施工时序激活标准化传感扩展挂载接口，完成增量传感节点绑定映射；所述监测数据规整单元用于按照统一接口入参规范处理原始监测数据，生成结构化增量监测数据集；

48、所述特征校正权重求解模块包括工况区间构建单元和双向残差运算单元；所述工况区间构建单元用于计算时序平稳特征、局部离散突变特征，分工况构建稳态收敛区间并判别数据状态；所述双向残差运算单元用于构建全域多接口特征基准库，运算生成双向特征残差矩阵并求解传感接口融合权重；

49、所述全域仿真循环监控模块包括数据校验仿真单元和时序循环归档单元；所述数据校验仿真单元用于依托标准化特征向量校验原始监测数据，更新特征基准库并运算输出全域绿色施工工况仿真结果；所述时序循环归档单元用于持久存储仿真结果与有效监测数据，调用归档样本循环执行全流程监控运算。

50、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

51、1、本发明通过在bim网格分区底层原生预设标准化传感扩展挂载接口搭建可扩展数字孪生监控基底，无需重构模型拓扑即可实现各施工阶段零样本传感节点即插接入，解决现有封闭模型架构扩容需改动拓扑、无法适配分阶段增量监测的问题。

52、2、本发明基于双层拆分传感特征并分工况构建稳态收敛区间，借助双向特征残差矩阵分层剥离冷启动多层漂移噪声，根据多维度基准自适应求解传感融合权重，解决现有仅采用单一特征参照，无法区分设备上电漂移与现场真实污染、能耗小微异常的问题。

53、3、本发明通过逐帧隔离失真数据、仅采用有效样本迭代更新全域特征基准，时序归档全量工况数据持续扩充参照样本并闭环循环监控，规避存量传感权重被失真数据稀释，同时根据仿真与缓存特征联合校验区分设备噪声和现场真实超标情况，针对性控制权重更新，既能常态优化监测仿真精度，又能防止真实施工异常被加权覆盖，兼顾建筑固有工况约束与全周期动态施工监测需求。