用于智能塔吊集群协同的自组织物联网通信系统和方法与流程

1.本发明涉及智能塔吊技术领域，具体是用于智能塔吊集群协同的自组织物联网通信系统和方法。


背景技术：

2.塔吊即塔式起重机，是一种重要的工程设施，通过起升、变幅、回转等动作，能够对大型物料执行垂直方向和水平方向的移动输运、吊装等，可以在建筑工地等场景下广泛应用，传统的塔吊需要驾驶员在操作仓进行驾驶，依赖于驾驶员的技能和经验。
3.特别是大型建筑工程中，需要部署多台塔吊，组合成为塔吊集群，因此需要塔吊集群协同作业，共同配合完成输运任务，并且严格避免作业中的空间和物料冲突，预防安全隐患。现有技术中一般依赖调度员和多名塔吊驾驶员的对讲通话来进行协同调度，工作难度大，人为经验的主观依赖性强，容易发生冲突，存在安全隐患。
4.因此，如何实现大型智能塔吊集群的协同作业，避免作业冲突是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明的目的是解决目前塔吊集群协同作业依赖调度员和多名塔吊驾驶员的对讲通话，工作难度大，人为经验的主观依赖性强，容易发生冲突，存在安全隐患的问题，实现大型智能塔吊集群的协同作业，避免作业冲突。
6.本发明实施例提供用于智能塔吊集群协同的自组织物联网通信系统，包括：建筑工程分区模块、4d交互接口、作业任务协调分配模块和集群自组织模块；
7.所述建筑工程分区模块连接所述4d交互接口和所述作业任务协调分配模块，用于获取建筑工程数据，并根据所述建筑工程数据、建筑工程与塔吊的位置关系和塔吊有效作业区域将建筑工程进行划分，生成协同作业分区；
8.所述4d交互接口连接所述作业任务协调分配模块，用于采集作业任务，并利用所述建筑工程数据确定所述作业任务对应的作业目标物料、作业空间定位和作业时序；
9.所述作业任务协调分配模块用于根据所述作业目标物料、所述作业空间定位和所述作业时序，将所述作业任务分配给所述协同作业分区，并对所述协同作业分区对应的所述作业任务进行虚拟作业模拟，生成虚拟作业认证结果；
10.所述集群自组织模块连接所述作业任务协调分配模块，用于基于虚拟作业认证结果将所述作业任务解析为时序指令，将所述时序指令传输给所述协同作业分区进行作业。
11.在一个实施例中，还包括：支撑库；
12.所述支撑库连接所述建筑工程分区模块，用于基于所述建筑工程数据建立建筑工程三维模型和智能塔吊三维模型的支撑数据。
13.在一个实施例中，所述对所述协同作业分区对应的所述作业任务进行虚拟作业模拟，生成虚拟作业认证结果，包括：
14.调取所述支撑数据，根据所述支撑数据与预测环境数据对所述作业任务进行虚拟作业模拟，生成虚拟作业日志数据，并基于所述虚拟作业日志数据对所述作业任务的风险和所述协同作业分区之间的影响进行判断，根据判断结果生成所述虚拟作业认证结果。
15.在一个实施例中，还包括：现场追踪协同模块；
16.所述现场追踪协同模块连接所述作业任务协调分配模块，用于采集所述物联网集群的运行数据，并将所述物联网集群的运行数据与与所述虚拟作业日志数据进行拟合，根据拟合结果控制所述物联网集群的作业。
17.在一个实施例中，所述集群自组织模块，包括：时序指令分配单元和物联网集群生成单元；
18.所述时序指令分配单元连接所述物联网集群生成单元，用于基于虚拟作业认证结果将所述作业任务解析为时序指令，并将所述时序指令分配至所述协同作业分区；
19.所述物联网集群生成单元用于根据所述时序指令将所述协同作业分区中的智能塔吊、辅助设备和所述作业目标物料集合，生成物联网集群，所述物联网集群协同执行所述时序指令。
20.基于上述目的，在本技术的第二个方面，还提出了用于智能塔吊集群协同的自组织物联网通信方法，包括：
21.建筑工程分区模块获取建筑工程数据，并根据所述建筑工程数据、建筑工程与塔吊的位置关系和塔吊有效作业区域将建筑工程进行划分，生成协同作业分区；
22.4d交互接口采集作业任务，并利用所述建筑工程数据确定所述作业任务对应的作业目标物料、作业空间定位和作业时序；
23.作业任务协调分配模块根据所述作业目标物料、所述作业空间定位和所述作业时序，将所述作业任务分配给所述协同作业分区，并对所述协同作业分区对应的所述作业任务进行虚拟作业模拟，生成虚拟作业认证结果；
24.集群自组织模块基于虚拟作业认证结果将所述作业任务解析为时序指令，将所述时序指令传输给所述协同作业分区进行作业。
25.在一个实施例中，还包括：
26.支撑库基于所述建筑工程数据建立建筑工程三维模型和智能塔吊三维模型的支撑数据。
27.在一个实施例中，所述对所述协同作业分区对应的所述作业任务进行虚拟作业模拟，生成虚拟作业认证结果，包括：
28.调取所述支撑数据，根据所述支撑数据与预测环境数据对所述作业任务进行虚拟作业模拟，生成虚拟作业日志数据，并基于所述虚拟作业日志数据对所述作业任务的风险和所述协同作业分区之间的影响进行判断，根据判断结果生成所述虚拟作业认证结果。
29.在一个实施例中，还包括：
30.现场追踪协同模块采集所述物联网集群的运行数据，并将所述物联网集群的运行数据与与所述虚拟作业日志数据进行拟合，根据拟合结果控制所述物联网集群的作业。
31.在一个实施例中，所述集群自组织模块基于虚拟作业认证结果将所述作业任务解析为时序指令，将所述时序指令传输给所述协同作业分区进行作业，包括：
32.时序指令分配单元基于虚拟作业认证结果将所述作业任务解析为时序指令，并将
所述时序指令分配至所述协同作业分区；
33.物联网集群生成单元根据所述时序指令将所述协同作业分区中的智能塔吊、辅助设备和所述作业目标物料集合，生成物联网集群，所述物联网集群协同执行所述时序指令。
34.本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
35.本发明实施例提供的用于智能塔吊集群协同的自组织物联网通信系统和方法，本系统通过作业任务协同模块实现了作业任务的分配，明确了作业任务归属的协同作业分区，并且对不同的协同作业分区之间进行虚拟模拟，进而根据模拟的结果实现对作业冲突的预测，并针对作业冲突进行即时修改调试，避免了大型智能塔吊集群的作业冲突，并且利用物联网集群实现了智能塔吊、辅助设备以及目标物料之间的自组织通信，有利于大型智能塔吊集群的协同作业，降低了安全隐患。
36.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
37.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
38.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
39.图1为本发明实施例提供的用于智能塔吊集群协同的自组织物联网通信系统的框图；
40.图2为本发明实施例提供的用于智能塔吊集群协同的自组织物联网通信方法流程图；
41.图3为本发明实施例提供的步骤s204的流程图。
具体实施方式
42.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
43.参照图1所示，本发明实施例提供的用于智能塔吊集群协同的自组织物联网通信系统，包括：建筑工程分区模块1、4d交互接口2、作业任务协调分配模块3和集群自组织模块4；
44.所述建筑工程分区模块1连接所述4d交互接口2和所述作业任务协调分配模块3，用于获取建筑工程数据，并根据所述建筑工程数据、建筑工程与塔吊的位置关系和塔吊有效作业区域将建筑工程进行划分，生成协同作业分区。
45.具体的，获取bim(building information modeling，建筑信息模型)数据，并基于bim数据提取建筑工程三维模型与塔吊三维模型。预先设置塔吊的有效作业区域，根据建筑工程自身和塔吊三维位置关系、塔吊有效作业区域、建筑工程三维模型与塔吊三维模型，将建筑工程从三维空间上划分为协同作业分区，每个协同作业分区配置给一台智能塔吊，不
同智能塔吊的协同作业分区允许重合；并且，还为每个协同作业分区配置必要的辅助设备(例如运输小车、视频监控设备)等。
46.进一步地，将建筑工程从三维空间上划分为协同作业分区的具体步骤为：根据建筑工程自身与塔吊的空间位置关系，确定塔吊所覆盖的建筑工程区域面积，并根据塔吊有效作业区域明确建筑工程区域中有效的作业区域，根据各个塔吊对应的有效作业区划分建筑工程；并且基于塔吊三维模型检测具有重叠建筑工程区域的塔吊与塔吊之间的空间位置，若该空间位置小于预设阈值，则将将重叠建筑工程区域分配给其中一个塔吊，将重叠作业区域划分给该塔吊对应的建筑工程区域，剩余塔吊所对应的建筑工程面积相应减少该重叠作业区域，进而确定协同作业分区。
47.进一步地，随着建筑工程的进展，可以定期刷新bim数据，并根据实时获取的bim数据进行协调作业分区的更新划分。
48.所述4d交互接口2连接所述作业任务协调分配模块3，用于采集作业任务，并利用所述建筑工程数据确定所述作业任务对应的作业目标物料、作业空间定位和作业时序。
49.具体的，4d指的是三维空间维度和时序维度，4d交互接口2采集用户下达的作业任务(包括对物料的输运、吊装等)，针对每项作业任务，在建筑工程三维模型上确定作业的目标物料、作业空间定位(例如从建筑工程三维空间的a作业面将物料输运至b作业面，又例如，将物料吊装至建筑工程三维空间的c作业面)、作业时序(即执行作业任务的时间区间，各个作业任务的执行顺序)。
50.所述作业任务协调分配模块3用于根据所述作业目标物料、所述作业空间定位和所述作业时序，将所述作业任务分配给所述协同作业分区，并对所述协同作业分区对应的所述作业任务进行虚拟作业模拟，生成虚拟作业认证结果。
51.具体的，调取支撑数据，根据所述支撑数据与预测环境数据对所述作业任务进行虚拟作业模拟，生成虚拟作业日志数据，并基于所述虚拟作业日志数据对所述作业任务的风险和所述协同作业分区之间的影响进行判断，根据判断结果生成所述虚拟作业认证结果。
52.进一步地，在建筑工程三维模型中，针对协同作业分区分配的作业任务进行虚拟作业模拟；其中，在虚拟作业过程中，调取建筑工程三维模型和智能塔吊三维模型的相关数据(即支撑数据)，工程现场采集或根据气象监测预测的风速、雨水、温度等环境数据(即预测环境数据)，根据支撑数据与预测环境数据进行虚拟作业模拟，判断在协同作业分区中是否存在作业障碍、事故风险，以及进一步判断协同作业区之间的相互影响。
53.具体的，根据所述作业目标物料、所述作业空间定位和所述作业时序确定作业任务归属的协同作业分区，从而将作业任务分配给对应的协同作业分区中的智能塔吊及其辅助设备。
54.进一步地，在以上分配的过程中，要根据作业任务的作业空间定位与协同作业分区的空间归属关系，确定作业任务归属的协同作业分区；并且根据作业时序与该归属的协同作业分区已经承担的其它作业任务进行时序冲突、空间冲突的检测，如果存在冲突，则进行作业时序的调试；以及在协同作业区与空间邻近的协同作业区之间的作业任务，进行相互影响的分析。
55.所述集群自组织模块4连接所述作业任务协调分配模块3，用于基于虚拟作业认证
结果将所述作业任务解析为时序指令，将所述时序指令传输给所述协同作业分区进行作业。
56.本实施例中，通过作业任务协同模块实现了作业任务的分配，明确了作业任务归属的协同作业分区，并且对不同的协同作业分区之间进行虚拟模拟，进而根据模拟的结果实现对作业冲突的预测，并针对作业冲突进行即时修改调试，避免了大型智能塔吊集群的作业冲突，并且利用物联网集群实现了智能塔吊、辅助设备以及目标物料之间的自组织通信，有利于大型智能塔吊集群的协同作业，降低了安全隐患。
57.在一个实施例中，还包括：支撑库5；
58.所述支撑库5连接所述建筑工程分区模块1，用于基于所述建筑工程数据建立建筑工程三维模型和智能塔吊三维模型的支撑数据。
59.具体的，对于智能塔吊三维模型，支撑数据包括塔吊作业性能参数(例如负载能力、夹具支持的物料类型、安全作业标准等)，辅助设备性能参数；对于建筑工程三维模型，支撑数据包括物料相关参数(例如物料准确尺寸、类型、重量、吊装或者输运的特殊要求等)和作业面空间参数(例如作业面的面积、空间大小、出入限高、承载限重等)。
60.在一个实施例中，还包括：现场追踪协同模块6；
61.所述现场追踪协同模块6连接所述作业任务协调分配模块3，用于采集所述物联网集群的运行数据，并将所述物联网集群的运行数据与与所述虚拟作业日志数据进行拟合，根据拟合结果控制所述物联网集群的作业。
62.具体的，在实际的作业过程中，从物联网集群的智能塔吊、辅助设备获得实际的运行数据，将运行数据与虚拟作业日志数据进行拟合，如果二者偏离程度超过预设阈值，则中止该集群的作业，重新进行虚拟作业的模拟；如果二者偏离程度符合预设阈值，则继续采集下一组运行数据与虚拟作业日志数据进行拟合。
63.在一个实施例中，所述集群自组织模块4，包括：时序指令分配单元7和物联网集群生成单元8；
64.所述时序指令分配单元7连接所述物联网集群生成单元8，用于基于虚拟作业认证结果将所述作业任务解析为时序指令，并将所述时序指令分配至所述协同作业分区。
65.具体的，将所述时序指令分配至所述协同作业分区中的智能塔吊及其辅助设备。
66.所述物联网集群生成单元8用于根据所述时序指令将所述协同作业分区中的智能塔吊、辅助设备和所述作业目标物料集合，生成物联网集群，所述物联网集群协同执行所述时序指令。
67.具体的，物联网集群内部的智能塔吊、辅助设备、作业目标物料之间可以自组织通信。
68.例如，时序指令为：将协同作业分区a区中的将钢筋转移至协同作业分区b区，则根据该时序指令将协同作业分区a区中的智能塔吊a、协同作业分区b区中的智能塔吊b、钢筋与监测设备(辅助设备)组成物联网集群，根据该时序指令，智能塔吊a与智能塔吊b之间进行通信交互，将协同作业分区a区中的钢筋转移至协同作业分区b区，并且监测设备实时对转移过程进行监控，若转移过程中出现突发状况，则进行报警。
69.参照图2所示，用于智能塔吊集群协同的自组织物联网通信方法，包括：
70.s201、建筑工程分区模块获取建筑工程数据，并根据所述建筑工程数据、建筑工程
与塔吊的位置关系和塔吊有效作业区域将建筑工程进行划分，生成协同作业分区。
71.具体的，获取bim(building information modeling，建筑信息模型)数据，并基于bim数据提取建筑工程三维模型与塔吊三维模型。预先设置塔吊的有效作业区域，根据建筑工程自身和塔吊三维位置关系、塔吊有效作业区域、建筑工程三维模型与塔吊三维模型，将建筑工程从三维空间上划分为协同作业分区，每个协同作业分区配置给一台智能塔吊，不同智能塔吊的协同作业分区允许重合；并且，还为每个协同作业分区配置必要的辅助设备(例如运输小车、视频监控设备)等。
72.进一步地，将建筑工程从三维空间上划分为协同作业分区的具体步骤为：根据建筑工程自身与塔吊的空间位置关系，确定塔吊所覆盖的建筑工程区域面积，并根据塔吊有效作业区域明确建筑工程区域中有效的作业区域，根据各个塔吊对应的有效作业区划分建筑工程；并且基于塔吊三维模型检测具有重叠建筑工程区域的塔吊与塔吊之间的空间位置，若该空间位置小于预设阈值，则将将重叠建筑工程区域分配给其中一个塔吊，将重叠作业区域划分给该塔吊对应的建筑工程区域，剩余塔吊所对应的建筑工程面积相应减少该重叠作业区域，进而确定协同作业分区。
73.进一步地，随着建筑工程的进展，可以定期刷新bim数据，并根据实时获取的bim数据进行协调作业分区的更新划分。
74.s202、4d交互接口采集作业任务，并利用所述建筑工程数据确定所述作业任务对应的作业目标物料、作业空间定位和作业时序。
75.具体的，4d指的是三维空间维度和时序维度，4d交互接口采集用户下达的作业任务(包括对物料的输运、吊装等)，针对每项作业任务，在建筑工程三维模型上确定作业的目标物料、作业空间定位(例如从建筑工程三维空间的a作业面将物料输运至b作业面，又例如，将物料吊装至建筑工程三维空间的c作业面)、作业时序(即执行作业任务的时间区间，各个作业任务的执行顺序)。
76.s203、作业任务协调分配模块根据所述作业目标物料、所述作业空间定位和所述作业时序，将所述作业任务分配给所述协同作业分区，并对所述协同作业分区对应的所述作业任务进行虚拟作业模拟，生成虚拟作业认证结果。
77.具体的，调取建筑工程三维模型和智能塔吊三维模型的相关数据(即支撑数据)，根据所述支撑数据与预测环境数据对所述作业任务进行虚拟作业模拟，生成虚拟作业日志数据，并基于所述虚拟作业日志数据对所述作业任务的风险和所述协同作业分区之间的影响进行判断，根据判断结果生成所述虚拟作业认证结果。
78.进一步地，在建筑工程三维模型中，针对协同作业分区分配的作业任务进行虚拟作业模拟；其中，在虚拟作业过程中，调取支撑数据，工程现场采集或根据气象监测预测的风速、雨水、温度等环境数据(即预测环境数据)，根据支撑数据与预测环境数据进行虚拟作业模拟，判断在协同作业分区中是否存在作业障碍、事故风险，以及进一步判断协同作业区之间的相互影响。
79.具体的，根据所述作业目标物料、所述作业空间定位和所述作业时序确定作业任务归属的协同作业分区，从而将作业任务分配给对应的协同作业分区中的智能塔吊及其辅助设备。
80.进一步地，在以上分配的过程中，要根据作业任务的作业空间定位与协同作业分
区的空间归属关系，确定作业任务归属的协同作业分区；并且根据作业时序与该归属的协同作业分区已经承担的其它作业任务进行时序冲突、空间冲突的检测，如果存在冲突，则进行作业时序的调试；以及在协同作业区与空间邻近的协同作业区之间的作业任务，进行相互影响的分析。
81.s204、集群自组织模块基于虚拟作业认证结果将所述作业任务解析为时序指令，将所述时序指令传输给所述协同作业分区进行作业。
82.在一个实施例中，还包括：
83.s205、支撑库基于所述建筑工程数据建立建筑工程三维模型和智能塔吊三维模型的支撑数据。
84.具体的，对于智能塔吊三维模型，支撑数据包括塔吊作业性能参数(例如负载能力、夹具支持的物料类型、安全作业标准等)，辅助设备性能参数；对于建筑工程三维模型，支撑数据包括物料相关参数(例如物料准确尺寸、类型、重量、吊装或者输运的特殊要求等)，作业面空间参数(例如作业面的面积、空间大小、出入限高、承载限重等)。
85.在一个实施例中，还包括：
86.s206、现场追踪协同模块采集所述物联网集群的运行数据，并将所述物联网集群的运行数据与与所述虚拟作业日志数据进行拟合，根据拟合结果控制所述物联网集群的作业。
87.具体的，在实际的作业过程中，从物联网集群的智能塔吊、辅助设备获得实际的运行数据，将运行数据与虚拟作业日志数据进行拟合，如果二者偏离程度超过预设阈值，则中止该集群的作业，重新进行虚拟作业的模拟；如果二者偏离程度符合预设阈值，则继续采集下一组运行数据与虚拟作业日志数据进行拟合。
88.在一个实施例中，如图3所示，步骤s204，即所述集群自组织模块基于虚拟作业认证结果将所述作业任务解析为时序指令，将所述时序指令传输给所述协同作业分区进行作业，包括：
89.s2041、时序指令分配单元基于虚拟作业认证结果将所述作业任务解析为时序指令，并将所述时序指令分配至所述协同作业分区。
90.具体的，将所述时序指令分配至所述协同作业分区中的智能塔吊及其辅助设备。
91.s2042、物联网集群生成单元根据所述时序指令将所述协同作业分区中的智能塔吊、辅助设备和所述作业目标物料集合，生成物联网集群，所述物联网集群协同执行所述时序指令。
92.具体的，物联网集群内部的智能塔吊、辅助设备、作业目标物料之间可以自组织通信。
93.例如，时序指令为：将协同作业分区a区中的将钢筋转移至协同作业分区b区，则根据该时序指令将协同作业分区a区中的智能塔吊a、协同作业分区b区中的智能塔吊b、钢筋与监测设备(辅助设备)组成物联网集群，根据该时序指令，智能塔吊a与智能塔吊b之间进行通信交互，将协同作业分区a区中的钢筋转移至协同作业分区b区，并且监测设备实时对转移过程进行监控，若转移过程中出现突发状况，则进行报警。
94.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围
之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。