一种基于三维激光扫描的脚手架合规性智能判定系统

本发明涉及建筑施工安全信息化，具体为一种基于三维激光扫描的脚手架合规性智能判定系统。

背景技术：

1、根据相关建筑施工安全事故通报，国内已披露的较大及以上安全事故中，坍塌事故占比较大，脚手架坍塌问题尤为突出。脚手架是建筑结构高空作业关键临时支撑结构，搭设参数需要严格遵循国家标准及行业规范，搭设质量直接关系到施工人员人身安全，是建筑施工安全管控的重要环节。脚手架相关的强制性规范标准主要有《施工脚手架通用规范》和《建筑施工脚手架安全技术统一标准》，分别对各类脚手架提出通用要求和对设计与施工做出统一规定。在脚手架搭设阶段，规范标准要求的关键几何参数主要包括立杆纵横向间距、小横杆布设间距、脚手架搭设总高度、步距、扫地杆离地高度以及杆件垂直度偏差等；在脚手架使用期间，规范标准作出的要求主要有变形数值、沉降观测等指标。

2、目前行业内脚手架搭设参数检测主要依赖传统人工巡检，而人工巡检依靠人工现场丈量，对于大型施工现场，需投入大量人力物力，检测周期长，严重影响施工进度。脚手架通常由施工单位自行完成设计并出具施工方案，个别项目直接照搬其他工程的脚手架方案，部分施工人员搭设时可能漏调部分杆件，导致部分项目的脚手架不符合技术规范标准。高处脚手架检测时，存在高空坠落、物体打击等安全隐患。镀锌钢管镜面反光易造成常规激光扫描信号饱和、点云缺失失真，外侧密目安全网遮挡干扰，普通传感手段难以分离杆件有效点云，无法搭建高精度bim模型完成参数解析。现有检测仅支持单次静态尺寸测量，无法考量施工活荷载、堆载持续作用引发的立杆不均匀沉降、横杆受压屈曲及整体失稳演化趋势，不能完成脚手架全生命周期时序形变追踪与安全闭环溯源。

3、综上，现有检测方式存在效率低下、方案搭设合规性差、作业风险高、常规扫描数据易失真、缺乏全生命周期时序形变跟踪能力等多重短板，因此，需要提供一种高效、高精度的脚手架安全检测及形变溯源手段。

技术实现思路

1、针对现有效率低下、方案搭设合规性差、作业风险高、常规扫描数据易失真、缺乏全生命周期时序形变跟踪能力等技术缺陷，本发明提供一种基于三维激光扫描的脚手架合规性智能判定系统。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于三维激光扫描的脚手架合规性智能判定系统，包括：

3、三维激光扫描模块，用于采集施工现场待检测脚手架的原始三维点云数据；

4、数据处理终端，用于对所述原始三维点云数据进行预处理和基础参数解析，得到脚手架初始点云模型；

5、云端服务器，用于存储历史扫描数据、规范数据库以及标准三维模型，并承担数据运算与同步；

6、数据无线传输模块，分别与所述三维激光扫描模块、数据处理终端、云端服务器连接，用于实现数据传输；

7、智能分析校核模块，部署于所述云端服务器或数据处理终端，用于根据所述规范数据库对所述脚手架初始点云模型进行三维模型重构与参数合规性自动校核，生成校核结果；

8、人机交互显示模块，用于可视化展示所述脚手架初始点云模型以及所述校核结果；

9、隐患预警推送模块，用于根据所述校核结果分级推送违规隐患信息，并输出整改建议。

10、进一步地，所述三维激光扫描模块采用便携架站式三维激光扫描仪，配套可拆卸防护支架与多角度调节云台，适配室内外、高低空、基坑周边等复杂施工场景；所述三维激光扫描模块支持360°全方位扫描，测距范围0.1～150m，单点测距精度±2mm，能够完整采集脚手架所有立杆、横杆、扫地杆、剪刀撑、连墙件及周边施工结构的三维坐标数据，输出通用格式原始点云数据；同时扫描仪内置姿态传感器，可实时采集扫描设备倾角、位置信息，辅助后续点云数据拼接校准。

11、作为本发明的一种改进，为了克服脚手架金属杆件反光问题，所述三维激光扫描模块包括架站式三维激光扫描仪和激光强度回授控制器。所述激光强度回授控制器在执行自适应发射功率调节时，用于实时计算单次扫描回波信号中由高反光金属表面导致的回波强度饱和点云的空间分布密度；采用数值逼近算法动态调低并切换下一次激光发射功率梯度，以获取多功率梯度的所述原始三维点云数据。

12、进一步地，所述数据无线传输模块采用蜂窝移动通信和无线局域网通信。作为一种优选实施方案，短距离工况下通过无线局域网，如wifi6，传输数据至本地数据处理终端；远距离或大体量数据传输时，通过蜂窝移动通信网络，如5g，同步上传至云端服务器，双链路可互为备用切换。

13、进一步地，所述数据处理终端为台式电脑、工业平板、便携笔记本中的任意一种，终端内部搭载点云预处理程序；所述预处理程序功能包括点云降噪、冗余数据剔除、多站点云自动拼接、点云精简、坐标统一校准；其中冗余数据剔除用于清除施工现场地面杂物、施工器械、临时建材等无关点云；点云精简采用自适应精简算法，在保留脚手架杆件轮廓特征的前提下降低点云体量，减少后续算法运算压力；坐标统一校准可将多批次、多站点扫描数据整合至同一坐标系，形成完整的脚手架全域初始点云模型。

14、作为本发明的一种改进，为了克服密目网等物体遮挡问题，所述数据处理终端还包括安全网穿透过滤单元。所述安全网穿透过滤单元在执行非结构目标物噪点滤除时，通过设置反射强度阈值和多脉冲回波分析算法，识别并单阶剔除所述待检测脚手架外侧挂设的安全网表面的第一回波噪点点云，保留穿透安全网后背侧反射的有效脚手架杆件多重回波点云。

15、作为本发明的一种改进，所述数据处理终端还包括反光点云过滤遮罩与多强度点云融合单元；所述反光点云过滤遮罩与多强度点云融合单元在消除高反光点云破洞时，提取不同激光发射功率下有效且未达强度饱和阈值的正确点云区域；将多组所述正确点云区域进行绝对空间位置下的多重特征重叠与叠加融合，还原高反光区域缺失的脚手架杆件点云。

16、作为本发明的一种改进，所述数据处理终端还包括绝对坐标统一锚定单元，所述绝对坐标统一锚定单元在执行多测站空间配准时，导入施工现场预设建筑控制点的绝对三维数学坐标；将多站拼接后的所述原始三维点云数据进行空间刚体变换，整体锚定至所述统一的施工绝对坐标系中，建立全局时空统一基准。

17、进一步地，所述云端服务器内部搭建专用数据库，所述数据库划分为：第一分区为规范标准数据库，录入《施工脚手架通用规范》、《建筑施工脚手架安全技术统一标准》及扣件式、碗扣式、盘扣式等各类脚手架专项技术规范，细化立杆纵距、横距、步距、杆件垂直度、剪刀撑倾角、连墙件间距等全部强制参数阈值；第二分区为标准模型库，存储不同规格、不同搭设形式脚手架的合规三维标准模型；第三分区为历史检测数据库，分类存储各项目历史扫描点云、重构模型、检测报告、隐患整改记录，实现检测数据长期留存，便于责任追溯与结构形变对比分析。

18、进一步地，所述智能分析校核模块内置杆件识别算法、三维模型重构算法、关键搭设参数提取算法及参数合规性自动校核算法，具体执行步骤如下：

19、一、基于深度学习图像识别技术，对预处理后的点云数据进行特征拆解，自动区分立杆、横杆、扫地杆、剪刀撑、连墙件、扣件等不同构配件，并进行单独标记分类；

20、二、根据杆件识别结果，采用网格曲面重建算法，将离散化点云数据转化为可编辑、可测量的实体三维脚手架bim模型；

21、三、依托三维bim模型，自动测算并提取脚手架搭设参数，涵盖杆件间距、杆件倾斜度、搭设高度、剪刀撑布置角度与覆盖区域、连墙件横向与纵向间距、悬挑架锚固长度等量化数据；

22、四、调用云端服务器规范标准数据库，根据脚手架搭设类型匹配对应的技术规范阈值，将提取的实测参数与规范强制指标逐一比对，自动判定参数合规性，同时标记违规参数、定位隐患坐标位置。

23、进一步地，所述人机交互显示模块配置可视化操作界面，界面包含数据采集、模型查看、参数明细、规范查询、隐患报表、历史数据六大功能板块；工作人员可通过界面下发扫描、检测指令，旋转、缩放查看完整脚手架三维bim模型，单点调取任意杆件的实测参数与对应规范标准；系统可自动生成可视化检测报表，报表标注隐患位置、违规数值、规范允许阈值，直观展示整体搭设合规率。

24、进一步地，所述隐患预警推送模块根据违规风险等级划分预警类型，风险等级由低至高依次为一般隐患、重点隐患、重大隐患；针对不同等级隐患设置差异化推送方式，一般隐患推送至现场施工班组，重点隐患同步推送至施工安全员、项目技术负责人，重大隐患直接推送至项目经理、企业安全管理部门及现场监理单位；同时模块内置整改算法，结合规范要求自动生成隐患整改方案，明确整改标准与整改时限，整改完成后可重新扫描复核，形成闭环管控。

25、进一步地，该系统的整体实施方法，包含以下步骤：

26、s1、工作人员根据施工现场脚手架搭设范围，规划三维激光扫描模块的扫描站位，规避遮挡区域，调试设备通信网络，完成系统整体初始化与坐标预标定；

27、s2、操控三维激光扫描模块，按照预设站位完成整片脚手架多角度全覆盖扫描，配合激光强度回授控制器自适应调节发射功率，采集包含多重回波信息的原始三维点云数据；

28、s3、通过数据无线传输模块将点云数据上传至数据处理终端，终端完成点云降噪、冗余数据剔除、点云拼接、点云精简处理、坐标统一校准，再通过多脉冲回波分析算法剔除安全网噪点、融合多强度点云修复反光缺失区域，完善杆件点云轮廓；

29、s4、智能分析校核模块识别各类脚手架构配件，重构三维bim模型，并自动提取所有关键搭设参数；

30、s5、匹配对应脚手架技术规范标准，完成全参数自动比对校核，标记所有违规隐患点位及违规项目；

31、s6、人机交互显示模块展示检测结果，隐患预警推送模块按风险等级推送隐患信息并匹配整改方案，同时系统自动导出完整合规性检测报告，工作人员依据整改方案完成隐患修复后，重新对隐患区域进行局部扫描复测，系统二次校核参数，直至未检测出超标数值；

32、s7、将预处理点云、三维模型、检测报告同步上传至云端服务器分类存储归档，留存数据用于后续追溯与形变分析。

33、本发明的有益效果在于：本发明通过采用多功率梯度的点云采集配合多强度点云融合、多脉冲回波过滤，有效克服了施工现场钢管反光与安全网遮挡导致的数据失真问题，实现了脚手架关键搭设参数的自动化、高精度智能校核与隐患分级闭环管控；同时，通过时空统一的坐标锚定与云端时序归档，填补了脚手架在全生命周期内进行时序形变跟踪与动态安全溯源的技术空白，显著提升了施工现场脚手架管控的安全性和检测效率。