基于数字孪生的塔式起重机工作监测方法、系统与流程

1.本发明涉及起重机工作监测技术领域，尤其涉及基于数字孪生的塔式起重机工作监测方法、系统。


背景技术：

2.塔式起重机作为建筑工地施工中常见的起吊设备，其由于结构简单、安装拆卸便利且物品转移通用性强、起吊量大而被广泛使用；然而随着塔式起重机的广泛应用，其相应的使用局限性也被越来越多人发现，例如，操作人员在高空操作的工作状态难以监测，起吊过程中悬吊物与工地建筑物或设备发生干涉，起重机设备磨损无法进行及时预知，常常需要检修保养时才能发现或在发生故障时才被发现，因此，如何对塔式起重机工作过程进行较为全面的监测是非常具有现实意义的研究课题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种实施灵活、响应可靠且能够在塔式起重机工作过程中对其工作造成安全影响的信息进行较为全面监测的基于数字孪生的塔式起重机工作监测方法、系统。
4.为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：
5.一种基于数字孪生的塔式起重机工作监测方法，所述塔式起重机的平衡臂、起重臂、吊钩、载重小车上均设有用于定位其所在位置的定位单元，所述吊钩上悬吊有悬吊物时，该悬吊物上亦设置有用于定位其所在位置的定位单元，所述平衡臂、起重臂上的定位单元均位于远离塔身的端末，所述监测方法包括：
6.s01、按预设条件建立参照坐标系，对塔式起重机施工场地预设区域范围内的地形、固定建筑物、固定施工设备进行轮廓识别和位置信息获取，建立施工场地数字模型；
7.s02、获取塔式起重机的平衡臂、起重臂、吊钩、载重小车上定位单元的实时定位数据，当吊钩上悬吊有悬吊物时，还获取悬吊物上定位单位的定位数据，然后将其关联生成塔式起重机定位信息；
8.s03、按预设时间频率获取施工场地预设区域范围内影像数据，再基于影像数据获取影像内的动态对象，然后对动态对象进行定位且实时获取其位置信息，获得动态对象定位信息；
9.s04、获取施工场地数字模型、塔式起重机定位信息和动态对象定位信息，将塔式起重机定位信息和动态对象定位信息关联至施工现场数字模型中，建立基于数字孪生的塔式起重机工作监测模型进行可视化展示；
10.s05、响应塔式起重机的工作启动信号，实时获取塔式起重机的工作状态信息和操作人员状态信息，以及施工场地环境信息；
11.s06、根据塔式起重机的工作状态信息、操作人员状态信息、施工场地环境信息、塔式起重机定位信息、动态对象定位信息、施工场地数字模型中的一项以上数据判断是否存
在异常运行，且在判断存在异常运行时，输出异常信息且推送至塔式起重机工作监测模型中可视化展示；
12.s07、接收异常信息且按预设条件执行预警措施或操作干预措施。
13.作为一种较优的选择实施方式，优选的，本方案所述塔式起重机的工作状态信息包括：塔式起重机受驱动而旋转的速度、吊钩受驱动而升降的速度、载重小车受驱动而移动的速度、塔式起重机受制动而由旋转转变为停止时的消耗时间、吊钩受制动而停止升降所消耗的时间、载重小车受制动而停止移动所消耗的时间，以及塔式起重机、载重小车、吊钩在受制动或驱动前的初始状态和速度；
14.其中，塔式起重机受驱动而旋转的速度、吊钩受驱动而升降的速度、载重小车受驱动而移动的速度、塔式起重机受制动而由旋转转变为停止时的消耗时间、吊钩受制动而停止升降所消耗的时间、载重小车受制动而停止移动所消耗的时间中的其中一项超出第一预设阈值时，输出异常信息；
15.接收异常信息时，当异常信息所指向的对象在异常信息反馈时的运行参数超出第一预设阈值且小于第二预设阈值时执行预警措施，当大于等于第二预设阈值时，执行操作干预措施。
16.作为一种较优的选择实施方式，优选的，本方案接收异常信息时，还对该异常信息所指向的对象进行记录，记录该对象在预设时长内被反馈异常信息的次数，当该次数超过预设值时，输出故障信息。
17.作为一种较优的选择实施方式，优选的，本方案所述操作人员状态信息包括：操作人员闭眼情况、操作人员视线位置情况；
18.其中，操作人员闭眼情况的获取方法包括：
19.实时获取操作人员所在操作室内的影像，且对操作人员进行眼部定位，生成眼部影像信息；
20.按预设时间间隔获取眼部影像信息，将眼部影像信息导入至检测神经网络中进行判断，当判断结果为闭眼时，对该眼部影像信息进行标注为闭眼；
21.获取经检测神经网络最新输出的标注信息，当标注结果为闭眼时，以该标注作为时间起点，回溯读取在先的标注信息，获得检测神经网络最近连续标注闭眼的次数，然后将其与眼部影像信息的获取时间间隔进行乘积，获得操作人员闭眼时长，然后将其与预设阈值进行对比，当超出预设阈值时，输出异常信息且执行操作干预措施；
22.操作人员视线位置情况的获取方法包括：
23.实时获取操作人员所在操作室内的影像，且对操作人员进行眼部定位和头部定位，生成眼部影像信息和头部影像信息；
24.按预设条件根据头部影像信息获取头部姿态，且根据头部姿态获取操作人员的仰角或俯角信息；
25.按预设条件根据眼部影像信息获取眼部水平可视角范围；
26.结合眼部水平可视角范围和操作人员的仰角或俯角信息，获取其当下的可视范围，生成操作人员视线位置情况。
27.作为一种较优的选择实施方式，优选的，本方案施工场地环境信息包括：施工场地的风速、降雨情况和可见度；
28.塔式起重机定位信息包括：塔式起重机的平衡臂、起重臂、吊钩、载重小车和悬吊物的位置信息，且根据位置信息生成定位坐标信息，该定位坐标信息所参考的原点为根据预设条件设置；
29.动态对象定位信息包括：动态对象的实时位置和根据其在预设时间段内的历史位置进行预测下一预设时间点该动态对象的预测位置。
30.作为一种较优的选择实施方式，优选的，本方案输出异常信息的方法还包括：
31.当施工场地的风速大于预设阈值、降雨情况大于预设阈值或可见度小于预设阈值时，输出异常信息；
32.在塔式起重机处于运行状态时，根据操作人员的视线位置情况和塔式起重机定位信息统计塔式起重机的起重臂、吊钩和悬吊物同时脱离操作人员视线的连续时长，当连续时长大于预设阈值时，输出异常信息；
33.根据动态对象的定位信息和塔式起重机的定位信息判断在预设未来时间点，动态对象与塔式起重机的位置是否发生干涉或者安全距离小于预设值，当发生干涉或者安全距离小于预设值时，输出异常信息。
34.基于上述，本发明还提供一种基于数字孪生的塔式起重机工作监测系统，其包括：
35.起重机定位模块，包括多个定位单元，多个定位单元设置在所述塔式起重机的平衡臂、起重臂、吊钩、载重小车上，所述吊钩上悬吊有悬吊物时，该悬吊物上亦设置有用于定位其所在位置的定位单元；还用于获取塔式起重机的平衡臂、起重臂、吊钩、载重小车上定位单元的实时定位数据，当吊钩上悬吊有悬吊物时，还获取悬吊物上定位单位的定位数据，然后将其关联生成塔式起重机定位信息；
36.模型构建模块，用于按预设条件建立参照坐标系，对塔式起重机施工场地预设区域范围内的地形、固定建筑物、固定施工设备进行轮廓识别和位置信息获取，建立施工场地数字模型；
37.动态对象定位模块，用于按预设时间频率获取施工场地预设区域范围内影像数据，再基于影像数据获取影像内的动态对象，然后对动态对象进行定位且实时获取其位置信息，获得动态对象定位信息；
38.数字孪生模型构建模块，用于获取施工场地数字模型、塔式起重机定位信息和动态对象定位信息，将塔式起重机定位信息和动态对象定位信息关联至施工现场数字模型中，建立基于数字孪生的塔式起重机工作监测模型进行可视化展示；
39.施工监测模块，用于响应塔式起重机的工作启动信号，实时获取塔式起重机的工作状态信息和操作人员状态信息，以及施工场地环境信息；
40.信息判断模块，用于根据塔式起重机的工作状态信息、操作人员状态信息、施工场地环境信息、塔式起重机定位信息、动态对象定位信息、施工场地数字模型中的一项以上数据判断是否存在异常运行，且在判断存在异常运行时，输出异常信息且推送至塔式起重机工作监测模型中可视化展示；
41.预警干预模块，接收异常信息且按预设条件执行预警措施或操作干预措施。
42.基于上述，本发明还提供一种计算机可读的存储介质，其特征在于：所述的存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，所述的至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行实现上述所述的基于数字孪生的塔式起重机
工作监测方法。
43.采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案巧妙性通过结合施工场地数字模型、塔式起重机定位信息和动态对象定位信息，将塔式起重机定位信息和动态对象定位信息关联至施工现场数字模型中，建立基于数字孪生的塔式起重机工作监测模型进行可视化展示，使得塔式起重机在施工现场的工作监测能够更为直观化地表现，为后台监测人员能够更为清楚地了解现场情况，同时，结合塔式起重机的工作状态信息来判断起重机的运行情况，还进一步结合历史数据来预测塔式起重机的设备是否存在故障和同时执行相应的干预措施，例如在塔式起重机在旋转时，降低其旋转速度上线，载重小车在移动时，降低其移动速度上限，以此避免塔式起重机在工作过程中发生异常状况时，令其出现失控或其他进一步恶化的问题；本方案还通过对操作人员的状态进行监测，结合塔式起重机的零部件位置来判断操作人员是否分神，其是否在疲劳工作等状况，为塔式起重机的操作提供安全监测保障，另外，本方案还通过对动态对象的行进轨迹进行预测，然后来评估其是否与塔式起重机的运行发生干涉，以此提前做出应对，提高了塔式起重机的工作安全性和可靠性。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1是本发明方案的简要实施流程示意图；
46.图2是本发明方案中，操作人员视觉仰角或俯角的简要示意图；
47.图3是本发明方案中，操作人员眼部水平可视角范围的简要示意图；
48.图4是本发明方案系统的简要模块连接示意图。
具体实施方式
49.下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
50.如图1所示，本实施例方案一种基于数字孪生的塔式起重机工作监测方法，所述塔式起重机的平衡臂、起重臂、吊钩、载重小车上均设有用于定位其所在位置的定位单元，所述吊钩上悬吊有悬吊物时，该悬吊物上亦设置有用于定位其所在位置的定位单元，所述平衡臂、起重臂上的定位单元均位于远离塔身的端末，所述监测方法包括：
51.s01、按预设条件建立参照坐标系，对塔式起重机施工场地预设区域范围内的地形、固定建筑物、固定施工设备进行轮廓识别和位置信息获取，建立施工场地数字模型；
52.s02、获取塔式起重机的平衡臂、起重臂、吊钩、载重小车上定位单元的实时定位数据，当吊钩上悬吊有悬吊物时，还获取悬吊物上定位单位的定位数据，然后将其关联生成塔式起重机定位信息；
53.s03、按预设时间频率获取施工场地预设区域范围内影像数据，再基于影像数据获取影像内的动态对象，然后对动态对象进行定位且实时获取其位置信息，获得动态对象定位信息；
54.s04、获取施工场地数字模型、塔式起重机定位信息和动态对象定位信息，将塔式起重机定位信息和动态对象定位信息关联至施工现场数字模型中，建立基于数字孪生的塔式起重机工作监测模型进行可视化展示；
55.s05、响应塔式起重机的工作启动信号，实时获取塔式起重机的工作状态信息和操作人员状态信息，以及施工场地环境信息；
56.s06、根据塔式起重机的工作状态信息、操作人员状态信息、施工场地环境信息、塔式起重机定位信息、动态对象定位信息、施工场地数字模型中的一项以上数据判断是否存在异常运行，且在判断存在异常运行时，输出异常信息且推送至塔式起重机工作监测模型中可视化展示；
57.s07、接收异常信息且按预设条件执行预警措施或操作干预措施。
58.在工作参数方面，本方案所述塔式起重机的工作状态信息包括：塔式起重机受驱动而旋转的速度、吊钩受驱动而升降的速度、载重小车受驱动而移动的速度、塔式起重机受制动而由旋转转变为停止时的消耗时间、吊钩受制动而停止升降所消耗的时间、载重小车受制动而停止移动所消耗的时间，以及塔式起重机、载重小车、吊钩在受制动或驱动前的初始状态和速度。
59.其中，塔式起重机受驱动而旋转的速度、吊钩受驱动而升降的速度、载重小车受驱动而移动的速度、塔式起重机受制动而由旋转转变为停止时的消耗时间、吊钩受制动而停止升降所消耗的时间、载重小车受制动而停止移动所消耗的时间中的其中一项超出第一预设阈值时，输出异常信息。
60.而对于基于塔式起重机的工作状态信息所发出的异常信息而言，在接收异常信息时，当异常信息所指向的对象在异常信息反馈时的运行参数超出第一预设阈值且小于第二预设阈值时执行预警措施，当大于等于第二预设阈值时，执行操作干预措施，该干预措施包括对吊钩的升降速度、载重小车的行进速度、塔式起重机自身的旋转速度进行调低上限速度或发起制动。
61.为了能够充分利用实时信息和将其作为历史信息来更进一步地拓展其可表现的设备情况，优选的，本方案在接收因塔式起重机而产生的异常信息时，还对该异常信息所指向的对象进行记录，记录该对象在预设时长内被反馈异常信息的次数，当该次数超过预设值时，输出故障信息。
62.在操作人员方面，本方案所述操作人员状态信息包括：操作人员闭眼情况、操作人员视线位置情况；
63.其中，操作人员闭眼情况的获取方法包括：
64.实时获取操作人员所在操作室内的影像，且对操作人员进行眼部定位，生成眼部影像信息；
65.按预设时间间隔获取眼部影像信息，将眼部影像信息导入至检测神经网络中进行判断，当判断结果为闭眼时，对该眼部影像信息进行标注为闭眼；
66.获取经检测神经网络最新输出的标注信息，当标注结果为闭眼时，以该标注作为
时间起点，回溯读取在先的标注信息，获得检测神经网络最近连续标注闭眼的次数，然后将其与眼部影像信息的获取时间间隔进行乘积，获得操作人员闭眼时长，然后将其与预设阈值进行对比，当超出预设阈值时，输出异常信息且执行操作干预措施；
67.操作人员视线位置情况的获取方法包括：
68.实时获取操作人员所在操作室内的影像，且对操作人员进行眼部定位和头部定位，生成眼部影像信息和头部影像信息；
69.按预设条件根据头部影像信息获取头部姿态，且根据头部姿态获取操作人员的仰角或俯角信息，其简要示意图如图2所示；
70.按预设条件根据眼部影像信息获取眼部水平可视角范围，其简要示意图如图3所示；
71.结合眼部水平可视角范围和操作人员的仰角或俯角信息，获取其当下的可视范围，生成操作人员视线位置情况。
72.除此之外，施工场地的环境情况对于塔式起重机的工作稳定性影响也尤为重要，本方案施工场地环境信息包括：施工场地的风速、降雨情况和可见度；
73.塔式起重机定位信息包括：塔式起重机的平衡臂、起重臂、吊钩、载重小车和悬吊物的位置信息，且根据位置信息生成定位坐标信息，该定位坐标信息所参考的原点为根据预设条件设置；
74.动态对象定位信息包括：动态对象的实时位置和根据其在预设时间段内的历史位置进行预测下一预设时间点该动态对象的预测位置，作为一种轨迹预测的实施方式，可以通过建立动态对象的位置轨迹图，然后取预设时间端的实时位置点位作为参考参数，建立数学计算模型来拟合，然后通过建立趋势线来获取其在未来某一时间点的位置。
75.在多项信息结合来监测塔式起重机的工作情况下，本方案输出异常信息的方法还包括：
76.当施工场地的风速大于预设阈值、降雨情况大于预设阈值或可见度小于预设阈值时，输出异常信息；
77.在塔式起重机处于运行状态时，根据操作人员的视线位置情况和塔式起重机定位信息统计塔式起重机的起重臂、吊钩和悬吊物同时脱离操作人员视线的连续时长，当连续时长大于预设阈值时，输出异常信息；
78.根据动态对象的定位信息和塔式起重机的定位信息判断在预设未来时间点，动态对象与塔式起重机的位置是否发生干涉或者安全距离小于预设值，当发生干涉或者安全距离小于预设值时，输出异常信息。
79.如图4所示，基于上述，本实施例方案还提供一种基于数字孪生的塔式起重机工作监测系统，其包括：
80.起重机定位模块，包括多个定位单元，多个定位单元设置在所述塔式起重机的平衡臂、起重臂、吊钩、载重小车上，所述吊钩上悬吊有悬吊物时，该悬吊物上亦设置有用于定位其所在位置的定位单元；还用于获取塔式起重机的平衡臂、起重臂、吊钩、载重小车上定位单元的实时定位数据，当吊钩上悬吊有悬吊物时，还获取悬吊物上定位单位的定位数据，然后将其关联生成塔式起重机定位信息；
81.模型构建模块，用于按预设条件建立参照坐标系，对塔式起重机施工场地预设区
域范围内的地形、固定建筑物、固定施工设备进行轮廓识别和位置信息获取，建立施工场地数字模型；
82.动态对象定位模块，用于按预设时间频率获取施工场地预设区域范围内影像数据，再基于影像数据获取影像内的动态对象，然后对动态对象进行定位且实时获取其位置信息，获得动态对象定位信息；
83.数字孪生模型构建模块，用于获取施工场地数字模型、塔式起重机定位信息和动态对象定位信息，将塔式起重机定位信息和动态对象定位信息关联至施工现场数字模型中，建立基于数字孪生的塔式起重机工作监测模型进行可视化展示；
84.施工监测模块，用于响应塔式起重机的工作启动信号，实时获取塔式起重机的工作状态信息和操作人员状态信息，以及施工场地环境信息；
85.信息判断模块，用于根据塔式起重机的工作状态信息、操作人员状态信息、施工场地环境信息、塔式起重机定位信息、动态对象定位信息、施工场地数字模型中的一项以上数据判断是否存在异常运行，且在判断存在异常运行时，输出异常信息且推送至塔式起重机工作监测模型中可视化展示；
86.预警干预模块，接收异常信息且按预设条件执行预警措施或操作干预措施。
87.另外，在本发明各个实施方式中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
88.集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施方式方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
89.以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。