一种基于增强现实安全帽的施工管控系统及方法与流程

本发明属于建筑工程现场管理领域，更具体地，涉及一种增强现实安全帽及基于该安全帽的施工管控方法。

背景技术：

长期以来，建筑工程项目的现场管理实行的是粗放式管理。由于现场管理人员无法实时掌握工程各个部位、构件的全部施工信息，导致对现场进度、质量、安全和成本等项目管理目标缺乏高效的管控手段，造成进度滞后、预算超支和施工安全事故发生等影响工程项目效益的事情发生。为此，发明一套科学有效的能帮助施工现场管理人员进行准确、快速、高效的现场施工管控方法具有重要的工程意义和现实价值。

增强现实技术是一种可在真实世界同时展现虚拟世界的技术，其目的是将真实世界中蕴含的信息数据，与人们看到的真实世界的场景实时融合，以增强对真实世界的理解。现在该技术广泛应用于电影、游戏等娱乐行业、地图导航等领域，但是还未在建筑领域广泛应用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的以上问题，本发明的一个目的在于提供一种基于增强现实安全帽的现场施工管控系统及方法，其目的在于为施工现场管理人员实时推送施工对象的施工信息(例如进度、质量、安全、成本)，供现场管理人员实时进行后台存储的虚拟数据与现实实际施工情况的对比，从而帮助其下达及时有效的施工管控指令，完成施工现场的高效管理。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于增强现实安全帽的施工管控系统，包括：增强现实安全帽和基于BIM的施工信息管控单元；

增强现实安全帽包括安全帽本体以及装载于本体上的位姿测定仪、位姿信息发射器、施工信息接收器、增强现实眼镜；位姿测定仪用于安全帽本体的位置、水平方向朝向和竖直方向倾斜角度的测定，位姿测定仪测得的安全帽本体的位置、朝向和角度信息通过位姿测定仪的输出端发送到位姿信息发射器的输入端；增强现实眼镜的输入端与施工信息接收器的输出端连接，增强现实眼镜用于显示从施工信息接收器接收到的施工信息；

基于BIM的施工信息管控单元包括处理器以及由该处理器连接的位姿信息接收器、施工信息发射器、工程BIM数据库存储器；位姿信息接收器的输入端连接位姿信息发射器的输出端，位姿信息接收器的输出端连接至处理器；施工信息发射器的输出端连接施工信息接收器的输入端，施工信息发射器的输入端连接工程BIM数据库存储器的输出端；工程BIM数据库存储器中存有工程项目BIM模型以及与该工程项目BIM模型中各施工对象相对应的施工信息；

处理器将位姿信息接收器接收到的安全帽本体的位置、朝向和角度信息输入到工程项目BIM模型中，得到安全帽当前位置、朝向和角度所对应的施工对象，并读取工程BIM数据库存储器中存储的对应该施工对象的施工信息，通过施工信息发射器将该施工信息发射给施工信息接收器，施工信息接收器将该施工信息输送到增强现实眼镜上进行显示。

进一步地，位姿测定仪包括：GPS传感器、电子罗盘、角加速度传感器；GPS传感器用于获取安全帽位置信息，电子罗盘用于获取安全帽在水平方向上的指向信息，角加速度传感器用于确定安全帽在垂直方向上的倾斜角度信息。

进一步地，位姿测定仪包括用于测定安全帽位置的位置传感器，位置传感器包括：设于安全帽本体上的位置信号发射器、设于施工现场的三个不共线的位置信号接收器，以及位置计算器；位置信号发射器的输出端连接三个位置信号接收器的输入端；三个位置信号接收器的输出端均连接位 置计算器的输入端；位置计算器用于根据三个位置信号接收器接收到位置信号的时间差计算出安全帽的位置；

位置计算器设于安全帽本体上，位置计算器的输出端连接位姿信息发射器的输入端；或者，位置计算器由基于BIM的施工信息管控单元的处理器兼任。

进一步地，增强现实安全帽还包括施工信息推送开关，用于控制施工信息推送的启动及停止；施工信息推送开关为手动开关，手动控制施工信息推送的启动及停止；或者，施工信息推送开关为安装在安全帽本体上的速度检测仪，检测到安全帽移动时停止推送，检测到安全帽静止时启动推送；或者，施工信息推送开关由基于BIM的施工信息管控单元的处理器兼任，当处理器检测到安全帽本体的位置、朝向和角度信息维持一定时间不变，则启动施工信息推送；当处理器检测到接收的安全帽本体的位置、朝向和角度信息中的任意一个发生变化，则停止施工信息推送。

进一步地，增强现实眼镜枢接在安全帽本体上，以便折叠及展开，施工信息推送开关为手动开关，手动开关设置在增强现实眼镜上或者安全帽本体上，当增强现实眼镜折叠在安全帽本体上时，手动开关处于增强现实眼镜和安全帽本体之间，以通过增强现实眼镜的折叠和展开触发。

进一步地，增强现实安全帽上设有画面定格开关，画面定格开关连接增强现实眼镜，用于将增强眼镜上显示的画面定格。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于增强现实安全帽的施工管控方法，包括如下步骤：

(1)构建工程项目BIM模型，并存储工程项目BIM模型中各施工对象相对应的施工信息；

(2)读取安全帽的位姿信息，包括安全帽本体的位置、水平方向朝向和竖直方向倾斜角度的测定；

(3)将安全帽的位姿信息输入工程项目BIM模型中进行视线模拟，根 据工程项目BIM模型中模拟的视线选定施工对象；

(4)调取对应施工对象的施工信息；

(5)将步骤(4)调取的施工信息推送至安全帽上的增强现实眼镜进行显示。

进一步地，步骤(3)中选定施工对象的方法如下：

根据读取的位姿信息，在BIM模型中模拟安全帽的位置A、水平偏移角度α和垂直倾斜角度β，根据A、α、β建立虚拟视觉射线AD，将BIM模型中与虚拟视觉射线AD干涉的第一个施工对象作为选定施工对象；

或者，以虚拟视觉射线AD为中心、以角度为半径建立虚拟的视角范围，当该视角范围内仅有一个施工对象时，将该施工对象作为选定施工对象；当该视角范围内有多个施工对象时，将其中与位置A距离最近的施工对象作为选定施工对象。

进一步地，还包括信息推送判断步骤，信息推送判断步骤设于步骤(1)～(5)中任意相邻两个步骤之间，所述信息推送判断步骤为：需要查看施工信息，则继续执行后续步骤；不需要查看施工信息，则暂停或终止后续步骤的执行。

进一步地，当增强现实眼镜成功显示施工信息之后，将显示的内容定格。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够为施工现场管理人员实时推送工程构件全方位施工信息，并在安全帽的增强现实眼镜上进行显示，供现场管理人员进行虚拟与现实的对比，能够实时掌握施工现场情况并发现现场情况与预设进度或施工情况的差别，从而帮助其及时下达有效的施工管控指令，完成施工现场的高效管理。

附图说明

图1为本发明第一实施例的系统构成示意图；

图2是本发明所述的基于增强现实安全帽的现场施工管控方法的主要 流程图；

图3是本发明所述的优化的基于增强现实安全帽的现场施工管控方法的流程图；

图4是本发明所述的视觉范围内施工对象判定方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明第一实施例的系统构成示意图，包括：增强现实安全帽和基于BIM的施工信息管控单元；

增强现实安全帽包括安全帽本体以及装载于本体上的位姿测定仪、位姿信息发射器、施工信息接收器、增强现实眼镜。位姿测定仪用于安全帽本体的位置、水平方向朝向和竖直方向倾斜角度的测定，位姿测定仪测得的安全帽本体的位置、朝向和角度信息通过位姿测定仪的输出端发送到位姿信息发射器的输入端。增强现实眼镜的输入端与施工信息接收器的输出端连接，增强现实眼镜用于显示从施工信息接收器接收到的施工信息。

基于BIM的施工信息管控单元包括处理器以及由该处理器连接的位姿信息接收器、施工信息发射器、工程BIM数据库存储器。位姿信息接收器的输入端连接位姿信息发射器的输出端，位姿信息接收器的输出端连接至处理器。施工信息发射器的输出端连接施工信息接收器的输入端，施工信息发射器的输入端连接工程BIM数据库存储器的输出端。工程BIM数据库存储器中存有工程项目BIM模型以及与该工程项目BIM模型中各施工对象相对应的施工信息。

处理器将位姿信息接收器接收到的安全帽本体的位置、朝向和角度信 息输入到工程项目BIM模型中，得到安全帽当前位置、朝向和角度所对应的施工对象，并读取工程BIM数据库存储器中存储的对应该施工对象的施工信息，通过施工信息发射器将该施工信息发射给施工信息接收器，施工信息接收器将该施工信息输送到增强现实眼镜上进行显示。

在本实施例中，位姿测定仪包括：GPS传感器、电子罗盘、角加速度传感器。GPS传感器用于获取安全帽位置信息，电子罗盘用于获取安全帽在水平方向上的指向信息，角加速度传感器用于确定安全帽在垂直方向上的倾斜角度信息。

在本实施例中，增强现实安全帽还包括施工信息推送开关，用于控制施工信息推送的启动及停止。施工信息推送开关为手动开关，手动控制施工信息推送的启动及停止。

请参照图2，基于上述第一实施例的系统，其管控方法包括如下步骤：

(1)构建工程项目BIM模型，并存储工程项目BIM模型中各施工对象相对应的施工信息，上述信息均存储在工程BIM数据库存储器中。

(2)读取安全帽的位姿信息，包括安全帽本体的位置、水平方向朝向和竖直方向倾斜角度的测定。

(3)将安全帽的位姿信息输入工程项目BIM模型中进行视线模拟，根据工程项目BIM模型中模拟的视线选定施工对象。

选定施工对象的方法如下。

在BIM模型中，根据安全帽的位置A(如图4所示)、水平偏移角度α和垂直倾斜角度β形成的虚拟视觉射线AD，以角度为半径建立虚拟的视角范围。同时，依据所述数据存储模块提供的BIM模型数据，对该范围内可获取的工程构件进行判定，当只检测到一个工程构件时，读取该构件的各类施工信息(包括进度信息、质量信息、安全信息、成本信息等)并推送至增强现实眼镜；当检测到虚拟视角范围内有多个工程构件时，例如图4中检测到B，C两个构件，根据设置的构件参考点B、C与安全帽位置A 分别计算距离d_AB、d_AC，通过对比获取距离最短的工程构件作为选定的施工对象。

由于BIM模型数据本身就包含了各个工程构件的所有几何信息(例如尺寸、坐标)，因此任意点的坐标在BIM模型中都是已知的。构件参考点可根据需要自行在BIM模型中进行设定，上面的示例是选择构件中心作为参考点。

(4)调取对应施工对象(本实施例为工程构件B)的各类施工信息，包括但不限于进度信息、质量信息、安全信息、成本信息等。

(5)将步骤(4)调取的施工信息推送至安全帽上的增强现实眼镜进行显示。

为了优化操作，提升用户使用体验，本实施例还包括信息推送判断步骤，信息推送判断步骤可以设于步骤(1)～(5)中任意相邻两个步骤之间，用于需要查看施工信息时执行后续步骤，而不需要查看施工信息时，则暂停或终止后续步骤的执行。由于步骤(3)要占用处理器进行运算处理，为缓解处理器压力，本实施例将信息推送判断步骤设置在步骤(2)和步骤(3)之间(如图3)。

为进一步优化用户体验，方便管理人员对施工现场的观察和管控，本实施例中，当增强现实眼镜成功显示施工信息之后，将显示的内容定格。具体的，在本实施例中，触发手动开关，启动信息推送程序，当增强现实眼镜接收到施工信息以后，显示该施工信息，并自动将显示内容定格，当显示内容定格时，系统不再根据安全帽的位姿变化更新显示内容。再按触发一次手动开关，则显示的内容消失。当下一次再触发手动开关时，系统又重新根据安全帽的位姿变化来更新增强现实眼镜的显示内容。在显示内容定格的时间内，用户可以自由进行其他活动，比如现场一边看着显示的内容一边下达管控指令，避免遗忘刚刚看到的施工信息。

下面介绍本发明的一个应用实例。

1.现场巡视前，基于BIM的施工信息管控单元已构建了地基与基础工程中人工挖孔灌注桩的BIM模型，并根据施工状况，关联存储了目前桩的洞口作业安全信息，内容为“边长在150cm以上的洞口，存在人与物坠落的安全风险，应当采取四周设防护栏杆，洞口下张设安全平网的安全措施”。

2.当施工管理人员戴上本发明中的安全帽进行现场巡视时，安全帽进行实时定位，收集人员经纬度、安全帽水平指向以及在垂直方向上的倾斜角度信息，并自动上传给基于BIM的施工信息管控单元的处理器。

3.安全帽上设有确认增强现实信息推送开关装置。当施工管理人员行至该人工挖孔灌注桩的施工区域地面的洞口附近时，人员看向该洞口并开启确认增强现实信息推送的开关。

4.处理器将安全帽位姿信息同步到BIM模型中，根据安全帽位姿信息生成虚拟的视角范围，在该范围内将人工挖空灌注桩作为选定施工对象。

5.处理器从工程BIM数据库存储器中获取到该人工挖空灌注桩的施工安全信息，内容为“边长在150cm以上的洞口，存在人与物坠落的安全风险，应当采取四周设防护栏杆，洞口下张设安全平网的安全措施”。

6.将上述施工信息推送到施工管理人员佩戴的安全帽上的增强现实眼镜上进行文字显示。

7.施工现场管理人员将显示信息定格后进行虚拟与现实的对比，发现现场洞口并未采取防护措施，于是对照增强现实眼镜上定格的信息下达安全管控指令，安排现场施工人员在洞口四周设置防护栏杆，并张设安全平网，完成对施工洞口的安全管控；施工现场管理人员还可以根据施工现场的实际情况，将现场的实际施工状况录入到存储器中，以更新存储器中储存的施工进度(施工进度也属于施工信息)。

在其他实施例中(未图示)，位姿测定仪包括用于测定安全帽位置的位置传感器，位置传感器包括：设于安全帽本体上的位置信号发射器、设于施工现场的三个不共线的位置信号接收器，以及位置计算器；位置信号 发射器的输出端连接三个位置信号接收器的输入端；三个位置信号接收器的输出端均连接位置计算器的输入端；位置计算器用于根据三个位置信号接收器接收到位置信号的时间差计算出安全帽的位置。位置计算器设于安全帽本体上，位置计算器的输出端连接位姿信息发射器的输入端；或者，位置计算器由基于BIM的施工信息管控单元的处理器兼任。本实施例尤其适用于GPS定位不便的场合，比如隧道、山区或者周围有较多高层建筑遮挡的施工环境。

在其他实施例中(未图示)，增强现实眼镜枢接在安全帽本体上，以便折叠及展开，施工信息推送开关为手动开关，手动开关设置在增强现实眼镜上或者安全帽本体上，当增强现实眼镜折叠在安全帽本体上时，手动开关处于增强现实眼镜和安全帽本体之间，以通过增强现实眼镜的折叠和展开触发。手动开关可以是按键式开关，增强现实眼镜折叠时被按压，展开时弹起；可以是距离感应器或光线感应器，增强现实眼镜折叠时被安全帽本体遮挡，展开时解除遮挡；还可以是磁感应开关，增强现实眼镜折叠时发生磁感应，展开时磁感应消失或减小到忽略不计。

在其他实施例中(未图示)，施工信息推送开关是自动开关，为安装在安全帽本体上的速度检测仪，检测到安全帽移动时停止推送，检测到安全帽静止时启动推送。或者，施工信息推送开关由基于BIM的施工信息管控单元的处理器兼任，当处理器检测到安全帽本体的位置、朝向和角度信息维持一定时间不变，则启动施工信息推送；当处理器检测到接收的安全帽本体的位置、朝向和角度信息中的任意一个发生变化，则停止施工信息推送。

在其他实施例中(未图示)，也可以预设显示内容的定格时间，比如10秒或20秒，可以按照使用者的个人习惯自行设定，也可以出厂时预置。在预设的显示时间之内，仍然可以通过触发施工信息推送开关来停止显示。

在其他实施例中(未图示)，增强现实安全帽上设有画面定格开关， 画面定格开关连接增强现实眼镜，用于手动控制将增强眼镜上显示的画面定格或停止显示。

在其他实施例中(未图示)，步骤(3)中选定施工对象的方法如下：根据读取的位姿信息，在BIM模型中模拟安全帽的位置A、水平偏移角度α和垂直倾斜角度β，根据A、α、β建立虚拟视觉射线AD，将BIM模型中与虚拟视觉射线AD干涉的第一个施工对象作为选定施工对象。

在其他实施例中(未图示)，可以通过双击施工信息推送开关实现信息推送的开启与关闭，通过单击操作施工信息推送开关来实现显示内容的定格与清除。

在其他实施例中(未图示)，可以通过长按施工信息推送开关实现信息推送的开启与关闭，通过双击施工信息推送开关实现显示内容的定格与清除，步骤(3)中当虚拟视角范围内有多个施工对象时，通过单击施工信息推送开关来实现选定施工对象的切换。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。