基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理方法及装置

摘要

本说明书实施例提供了一种基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理方法及装置，其中，方法包括：通过传感器对物理施工现场各要素实体进行数据采集，获取实时动态数据；建立施工现场虚拟模型；按照生产时序依次采集各要素实体的实时动态数据以及施工现场虚拟模型的仿真数据，将施工现场虚拟模型中的仿真数据与所述实时动态数据进行一一映射；构建每一施工阶段的现场绿色施工管理与施工过程的面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型；基于面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型，构建针对每一施工阶段的绿色施工管理和面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型的演化机理，完成面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型与管理服务的共同更新。

说明书

技术领域

本文件涉及建筑信息技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理方法及装置。

背景技术

近些年来的应用热点，凭着其工业化水平高，以及节能环保等优势被广泛推广，被视为建筑业朝向智能化与工业化转型的重点。BIM技术、物联网技术以及人工智能技术在装配式建筑中都有广泛的应用前景。

装配式建筑施工过程中，面临这众多施工管理难点，绿色施工过程中也一直缺乏有效的管理手段。装配式建筑施工中可以融合多种智能设备与信息化技术，可以有效的提高装配式建筑施工中的技术水平以及管理水平。

装配式建筑以装配安装为建造方式，从而具有绿色环保等优势。然而，在建造阶段施工现场仍然以原有粗放式生产方式为主，达不到绿色施工的要求，现场管理人员缺乏绿色建造理论知识，管理上缺乏绿色施工管理方法。

数字孪生被认为是践行工业、制造业以及智能建造行业的先行技术与手段，备受学术界和社会关注。该技术是以数字化方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等，实现物理空间与虚拟空间的一一映射，提供相应服务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理方法及装置，旨在解决现有技术中的上述问题。

本发明提供一种基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理方法，包括：

确定装配式建筑施工现场影响绿色施工的各要素实体，通过传感器对物理施工现场各要素实体进行数据采集，获取实时动态数据；

建立施工现场虚拟模型，其中，所述虚拟模型的维度包括：几何、物理、行为以及规则；

依据施工进度划分划分生产时序，按照生产时序依次采集各要素实体的实时动态数据以及施工现场虚拟模型的仿真数据，将施工现场虚拟模型中的仿真数据与所述实时动态数据进行一一映射，传输至终端数据库保存并传输至孪生数据平台，通过算法处理形成指导施工管理的可视化数据；

构建每一施工阶段的现场绿色施工管理与施工过程的共同演化框架即面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型；

基于所述面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型，构建针对每一施工阶段的绿色施工管理和面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型的演化机理，完成面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型与管理服务的共同更新。

本发明提供一种基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理装置，包括：

数据获取模块，用于确定装配式建筑施工现场影响绿色施工的各要素实体，通过传感器对物理施工现场各要素实体进行数据采集，获取实时动态数据；

模型建立模块，用于建立施工现场虚拟模型，其中，所述虚拟模型的维度包括：几何、物理、行为以及规则；

映射模块，用于依据施工进度划分划分生产时序，按照生产时序依次采集各要素实体的实时动态数据以及施工现场虚拟模型的仿真数据，将施工现场虚拟模型中的仿真数据与所述实时动态数据进行一一映射，传输至终端数据库保存并传输至孪生数据平台，通过算法处理形成指导施工管理的可视化数据；

构建模块，用于构建每一施工阶段的现场绿色施工管理与施工过程的共同演化框架即面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型；

更新模块，用于基于所述面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型，构建针对每一施工阶段的绿色施工管理和面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型的演化机理，完成面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型与管理服务的共同更新。

采用本发明实施例，依靠数字孪生技术，融合通信技术、物联网技术、定位技术以及动态仿真技术，建立包含“人-机-料-法-环”五大要素物理实体、虚拟实体以及二者之间的数据实施映射模型，并且为了完成孪生模型的实时更新，提出了一种孪生模型演化机理，提供跟随施工进度而调整的动态绿色施工管理，提高装配式施工过程中得绿色管理水平。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理方法的流程图；

图2是本发明实施例的构建六维数字孪生模型框架的示意图；

图3是本发明实施例的物理—虚拟空间中数据的实时映射方法的示意图；

图4是本发明实施例的出以施工进度和绿色管理之间的演化框架的示意图；

图5是本发明实施例的基于仿生学原理提出模型演化机理的示意图；

图6是本发明实施例的装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型的示意图；

图7是本发明实施例的装配式绿色施工管理方法的应用流程的示意图；

图8是本发明实施例的基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理装置的示意图。

具体实施方式

本发明实施例上述装配式建筑绿色施工管理中存在的不足，以数字孪生技术为基础，构建施工过程的物理、虚拟模型，并进行二者之间数据的虚实实时映射，利用终端系统中的机器学习、优化、预测算法进行处理，并显示在可视化平台，为装配式施工绿色管理提供决策依据。将所有数据储存至数据库，用于后续的模型更新及施工管理，形成对整个装配式施工过程的闭环的绿色管理。

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理方法，图1是本发明实施例的基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理方法的流程图，如图1所示，根据本发明实施例的基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理方法具体包括：

步骤101，确定装配式建筑施工现场影响绿色施工的各要素实体，通过传感器对物理施工现场各要素实体进行数据采集，获取实时动态数据；具体包括：通过传感器采集人员属性、位置、工作内容及关联要素，机具的属性、能耗、状态、位置及相应数据，物料的属性、状态、损耗及位置数据，根据划分的工法施工步骤采集其关联要素，采集施工环境中的噪声、空气、固废物、光以及水污染信息；将所述实时动态数据划分为动态及静态数据，并进行分类储存。

步骤102，建立施工现场虚拟模型，其中，所述虚拟模型的维度包括：几何、物理、行为以及规则；具体包括：建立建筑模型、结构模型、施工工艺模型、施工进度模型、现场布置模型以及能耗评估模型，明确各个模型之间的“几何—物理—行为—规则”关系，并进行各模型之间的组装与耦合。

步骤103，依据施工进度划分划分生产时序，按照生产时序依次采集各要素实体的实时动态数据以及施工现场虚拟模型的仿真数据，将施工现场虚拟模型中的仿真数据与所述实时动态数据进行一一映射，传输至终端数据库保存并传输至孪生数据平台，通过算法处理形成指导施工管理的可视化数据；

步骤104，构建每一施工阶段的现场绿色施工管理与施工过程的共同演化框架即面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型；具体包括：在每一施工阶段得演化框架以X轴的方向代表数字孪生模型的演化方向，Y轴的方向代表物理空间的施工进度，Z轴代表绿色施工管理，使用X、Y、Z轴相交的α、β以及γ三个平面分别表示绿色施工管理与其施工过程的数字孪生在演化过程中的关系、绿色施工管理在虚拟空间和物理空间中沿x轴共同演化的关系、以及绿色施工管理在虚拟空间和物理空间中沿y轴共同发展的关系，X、Y、Z轴相交所划分的八个象限分别表示绿色施工管理和数字孪生的相互作用过程。

步骤105，基于所述面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型，构建针对每一施工阶段的绿色施工管理和面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型的演化机理，完成面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型与管理服务的共同更新。具体包括：设置面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型的自演化机理以仿生学进化为基础，以初始施工的实时动态数据和初始的施工现场虚拟模型的仿真数据为基础，通过物理空间与虚拟空间的数据交互，分析得到外部环境影响因子，将影响因子与施工过程数据进行关联耦合，将耦合分析结果作为面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型的更新基础。

本发明实施例为了解决现有装配式建筑施工过程中缺乏绿色施工管理方法，绿色施工水平不足等问题，为了提高装配式建筑绿色施工管理水平，提出了一种基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理方法，构建包含物理实体、虚拟实体等六维数字孪生模型框架(如附图2)，提出了针对施工过程中物理—虚拟空间中数据的实时映射方法(如附图3)，以数字孪生模型(如图6所示)为基础，针对孪生模型的更新提出以施工进度和绿色管理之间的演化框架(如附图4)，并基于仿生学原理提出模型演化机理(如附图5)，提出装配式绿色施工管理方法的应用流程(如附图7)，以该种管理方法为主，能够实现装配式绿色施工管理，实时反馈现场耗能并及时管控，实现闭环管理。

以下对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。

本发明按照数字孪生建立与更新的实现逻辑，所采取的具体技术方案为：对装配式建筑施工现场影响绿色施工的各要素实体进行关联耦合分析，利用物联网技术、通信技术以及定位技术，并布设诸能耗采集设备、环境监测仪等各类传感器对物理施工现场的要素实体进行实时动态数据采集。然后利用Revit、3Dmax、Autodesk Ecotect Analysis等建模软件来建立针对施工现场包含“几何-物理-行为-规则”四个维度虚拟模型。依据施工现场与虚拟模型的仿真模拟绿色要素，对物理施工现场以及虚拟空间的数据进行动态的一一映射，建立起施工现场的能耗评估模型、物料周转模型。利用终端服务器中的机器学习以及优化算法等，对现场采集与模拟仿真数据进行关联耦合，进一步对数据进行分析-处理-学习，对施工现场绿色指标进行判定评估，并提出绿色施工管理措施，最后将处理结果传输至可视化关联平台，为管理者提供管理依据。阶段性的监测及仿真数据会被进行储存及修改上传至数据库，用于下一阶段模型更新及绿色施工管理。

依据装配式建筑施工现场，利用物联网技术、通信技术，并在施工现场布设能耗采集仪、环境监测仪、RFID标签等对施工现场“人—机—料—法—环”五大要素实体中的绿色因子进行实时监测，采集人员属性、位置、工作内容及关联要素，机具的属性、能耗、状态、位置及相应数据等，物料的属性、状态、损耗及位置，划分工法施工步、并采集其关联要素，采集施工环境中的噪声、空气、固废物、光以及水污染信息。将采集数据划为动态及静态数据，进行分类储存，并将监测数据与虚拟空间中的仿真数据一一映射，经过数据处理后作为决策管理的依据并传输至终端数据库中。

利用Revit软件从“几何-物理-行为-规则”层面构建施工现场的实体要素模型，3Dmax与VAS软件构建施工工艺仿真模型以及进度模型，Autodesk Ecotect Analysis制作施工过程中的能耗仿真模型。明确模型之间的“几何—物理—行为—规则”关系，并进行模型之间的组装与耦合。对各模型中的仿真数据与现场监测数据进行一一映射，传输至终端数据库，用于下阶段的模型更新。

对物理空间全要素模型，按施工阶段划分的生产时序采集各要素绿色管理数据。虚拟空间中包含多领域、多维度的模型集合，获取虚拟空间产生的大量动态仿真数据，并对虚拟空间与物理空间一一映射，进行模型融合与验证更新。两类空间的海量数据传输至孪生数据平台，通过各类算法对数据进行分析处理最终形成指导施工管理的预测数据，为管理人员提供决策依据。

对于装配式建筑绿色施工管理的数字孪生的模型演化，提出数字孪生模型演化框架。以X轴的方向代表数字孪生模型的演化方向，Y轴的方向代表施工进度，α、β以及γ三个平面分别表示绿色施工管理与其施工过程的数字孪生在演化过程中的关系、绿色施工管理在虚拟空间和物理空间中沿x轴共同演化、绿色施工管理在虚拟和物理空间中沿y轴共同发展。所划分八个象限分别表示绿色施工管理和数字孪生的相互作用过程。

面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型的自演化机理以仿生学进化为基础，以初始施工采集数据和初始模拟仿真数据为基础，通过物理空间与虚拟空间的数据交互，分析出外部环境影响因子，将影响因子与施工过程数据进行关联耦合，耦合分析结果为模型更新提供基础。

综上所述，本发明实施例提高装配式建筑施工现场绿色施工管理水平与智能化水平。

以下对本发明实施例的上述技术方案分步骤进行具体详细的说明。

本实施方式所述基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理方法包括装配式建筑施工现场实体五大要素(人员要素、机具要素、物料要素、工法要素、环境要素)，配有建模、监测、分析及仿真模拟软件的计算机、能耗采集仪、环境监测仪、主动RFID标签以及其他指标监测得各类传感器、无线传输设备、优化算法与机器学习算法。具体包括如下处理：

步骤一：在现场布设针对绿色指标监测得传感器，完成对施工现场实时数据采集；步骤一中，依据装配式建筑施工现场，利用物联网技术、通信技术，并在施工现场布设能耗采集仪、环境监测仪、RFID标签等对施工现场“人—机—料—法—环”五大要素实体中的绿色因子进行实时监测，采集人员属性、位置、工作内容及关联要素，机具的属性、能耗、状态、位置及相应数据等，物料的属性、状态、损耗及位置，划分工法施工步、并采集其关联要素，采集施工环境中的噪声、空气、固废物、光以及水污染信息。将采集数据划为动态及静态数据，进行分类储存，并将监测数据与虚拟空间中的仿真数据一一映射，经过数据处理后作为决策管理的依据并传输至终端数据库中。

步骤二：利用Revit、3Dmax、VAS、Autodesk Ecotect Analysis等软件构建建筑、结构、施工工艺、施工进度、现场布置以及能耗评估模型；步骤二中，利用Revit软件从“几何-物理-行为-规则”层面构建施工现场的实体要素模型，3Dmax与VAS软件构建施工工艺仿真模型以及进度模型，Autodesk Ecotect Analysis制作施工过程中的能耗仿真模型。明确模型之间的“几何—物理—行为—规则”关系，并进行模型之间的组装与耦合。对各模型中的仿真数据与现场监测数据进行一一映射，传输至终端数据库，用于下阶段的模型更新。

步骤三：依据施工进度划分划分生产时序，按照生产时序依次采集物理空间绿色指标以及虚拟空间得仿真模拟数据，进行二者之间得一一映射，将数据传输至孪生数据平台，通过算法处理形成可以指导施工管理得可视化数据，为管理人员提供决策依据。步骤三中，对物理空间全要素模型，按施工阶段划分的生产时序采集各要素绿色管理数据。虚拟空间中包含多领域、多维度的模型集合，获取虚拟空间产生的大量动态仿真数据，并对虚拟空间与物理空间一一映射，进行模型融合与验证更新。两类空间的海量数据传输至孪生数据平台，通过各类算法对数据进行分析处理最终形成指导施工管理的预测数据，为管理人员提供决策依据。

步骤四：在虚拟空间和物理空间中，构建每一施工阶段得现场绿色施工管理与施工过程模型共同演化框架。步骤四中，每一施工阶段得演化框架以X轴的方向代表数字孪生模型的演化方向，Y轴的方向代表施工进度，α、β以及γ三个平面分别表示绿色施工管理与其施工过程的数字孪生在演化过程中的关系、绿色施工管理在虚拟空间和物理空间中沿x轴共同演化、绿色施工管理在虚拟和物理空间中沿y轴共同发展。所划分八个象限分别表示绿色施工管理和数字孪生的相互作用过程。

步骤五：构建针对每一施工阶段得绿色施工管理和数字孪生模型演化机理，完成模型与管理服务得共同更新。

步骤五中，面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型的自演化机理以仿生学进化为基础，以初始施工采集数据和初始模拟仿真数据为基础，通过物理空间与虚拟空间的数据交互，分析出外部环境影响因子，将影响因子与施工过程数据进行关联耦合，耦合分析结果为模型更新提供基础。

本发明实施例与现有方法相比包含的有益效果如下：

本发明实施例提出了包含物理实体、虚拟实体、绿色施工管理服务、孪生数据、已有数字孪生系统以及各组分连接的六维数字孪生体模型框架。可以建立起装配式建筑绿色施工管理过程的全要素、高保真数字孪生模型，为模型建立提供理论方法。

本发明实施例针对装配式建筑绿色施工管理中存在的不足，以数字孪生技术为基础，构建施工过程的物理、虚拟模型，并进行二者之间数据的虚实实时映射，利用终端系统中的机器学习、优化、预测算法进行处理，并显示在可视化平台，为装配式施工绿色管理提供决策依据，形成对整个装配式施工过程的闭环的绿色管理。

本发明实施例提出了针对孪生模型与施工过程与绿色施工管理三者之间的共同演化，根据施工进度，提出了数字孪生模型演化框架以及演化方法。可以直观的表示数字孪生与绿色施工管理之间的关系，并且该机理可以准确有效的对模型进行更新优化，配合施工进度提供合适精准的绿色施工管理服务。

装置实施例

根据本发明实施例，提供了一种基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理装置，图8是本发明实施例的基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理装置的示意图，如图8所示，根据本发明实施例的基于数字孪生的装配式建筑绿色施工管理装置具体包括：

数据获取模块80，用于确定装配式建筑施工现场影响绿色施工的各要素实体，通过传感器对物理施工现场各要素实体进行数据采集，获取实时动态数据；具体用于：通过传感器采集人员属性、位置、工作内容及关联要素，机具的属性、能耗、状态、位置及相应数据，物料的属性、状态、损耗及位置数据，根据划分的工法施工步骤采集其关联要素，采集施工环境中的噪声、空气、固废物、光以及水污染信息；将所述实时动态数据划分为动态及静态数据，并进行分类储存。

模型建立模块82，用于建立施工现场虚拟模型，其中，所述虚拟模型的维度包括：几何、物理、行为以及规则；具体用于：建立建筑模型、结构模型、施工工艺模型、施工进度模型、现场布置模型以及能耗评估模型，明确各个模型之间的“几何—物理—行为—规则”关系，并进行各模型之间的组装与耦合。

映射模块84，用于依据施工进度划分划分生产时序，按照生产时序依次采集各要素实体的实时动态数据以及施工现场虚拟模型的仿真数据，将施工现场虚拟模型中的仿真数据与所述实时动态数据进行一一映射，传输至终端数据库保存并传输至孪生数据平台，通过算法处理形成指导施工管理的可视化数据；具体用于：在每一施工阶段得演化框架以X轴的方向代表数字孪生模型的演化方向，Y轴的方向代表物理空间的施工进度，Z轴代表绿色施工管理，使用X、Y、Z轴相交的α、β以及γ三个平面分别表示绿色施工管理与其施工过程的数字孪生在演化过程中的关系、绿色施工管理在虚拟空间和物理空间中沿x轴共同演化的关系、以及绿色施工管理在虚拟空间和物理空间中沿y轴共同发展的关系，X、Y、Z轴相交所划分的八个象限分别表示绿色施工管理和数字孪生的相互作用过程。

构建模块86，用于构建每一施工阶段的现场绿色施工管理与施工过程的共同演化框架即面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型；

更新模块88，用于基于所述面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型，构建针对每一施工阶段的绿色施工管理和面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型的演化机理，完成面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型与管理服务的共同更新。具体用于：设置面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型的自演化机理以仿生学进化为基础，以初始施工的实时动态数据和初始的施工现场虚拟模型的仿真数据为基础，通过物理空间与虚拟空间的数据交互，分析得到外部环境影响因子，将影响因子与施工过程数据进行关联耦合，将耦合分析结果作为面向装配式建筑绿色施工管理数字孪生模型的更新基础。

本发明实施例是与上述方法实施例对应的装置实施例，各个模块的具体操作可以参照方法实施例的描述进行理解，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。