一种时空冲突下的施工机械效率损失量化方法与流程

本发明涉及建筑工程施工过程中机械冲突领域，适用于水利水电工程、吊装作业及建筑工程中量化施工实体冲突中的效率损失。

背景技术：

近年来，随着我国建筑业的不断发展，工程项目的难度和施工的复杂度都有大幅度提高，为保证工程在规定工期内完成，便对工程项目施工过程的流畅性提出了更高的要求。施工活动中，由于各种因素的干扰会导致施工效率降低，为确保各施工机械能够正常运行，需要对各干扰因素引起的效率损失进行量化，从而为施工方案的调整提供新的参考指标。因此，精确量化施工机械效率损失是提高现场施工效率的关键。

影响施工效率的因素有很多，如人员素质，施工工艺，施工实体间的时空冲突等都会不同程度的影响到施工效率，而时空冲突引起的施工机械效率损失尤为突出。在施工现场狭窄的空间内，各工艺活动及其实体按施工方案设置的流程和各自的运行时间轴活动，当并行的施工活动在同一时间需要占用同一施工空间时，会导致时空冲突，这种时空冲突的存在必将影响施工安全和效率。本发明所研究的效率损失只针对由于施工系统内实体间时空冲突而造成的效率损失。

目前，学者们针对效率损失影响因素的辨识及效率损失量的定量计算方面进行了相关研究，通过对研究现状分析发现对施工效率损失的计量研究多针对施工活动中由于施工人员素质、施工工艺、施工机械配置、施工环境等因素造成的效率损失，而对由于施工实体间时空冲突带来的效率损失的计算尚未见相关研究成果。因此，运用三维可视化仿真技术对施工机械的活动进行模拟，通过界定施工机械的效率空间，得到冲突泡的时空形态，进而计算冲突泡的体积来量化效率损失。

技术实现要素：

针对现有对时空冲突下的施工机械效率损失研究的不足，本发明提出了一种效果更直观、精度更高的施工机械效率损失量化方法。

本发明的原理为：建立施工机械和环境虚拟模型，界定施工机械效率空间，根据实体的不同空间特征建立各自的效率空间包围盒，运用动力学仿真技术对施工机械的各种活动进行模拟，当两实体的效率空间发生冲突时，我们把其冲突范围定义为冲突泡，冲突泡随实体的运动过程而“产生”、“变迁”和“消失”，分析冲突泡的演化机理得到冲突泡的时-空形态，最终通过计算冲突泡的体积来确定施工机械的效率损失。

为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：一种时空冲突下的施工机械效率损失量化方法，包括以下步骤：

步骤1，确定研究对象，构建出一个子系统，运用solidworks对实体建立三维仿真模型，并运用3DS Max对施工实体及场景进行渲染，增加其沉浸感；

步骤2，确定子系统中实体的各类空间属性，界定实体分层空间，采用面对对象的方法对空间分析对象的空间类型划分为物理空间、安全空间和效率空间，并依据类似工程或实测数据分析现场施工实体的活动规律、安全范围、工作范围和参考标准等，从而确定效率空间、安全空间的内外边界；

步骤3，根据实体分层空间特征建立空间包围盒；

步骤4，基于VC++编辑平台，通过Vaga软件建立施工实体动力学仿真系统，实现虚拟场景的驱动，模拟施工活动；

步骤5，发生时空冲突后，通过分析冲突泡的演化机理，界定冲突范围，确定冲突泡的时空形态；

步骤6，计算冲突泡体积，量化效率损失。

所述步骤1包括以下具体步骤：

步骤1-1，根据施工方案设置的流程，工程施工系统内的实体间可能存在人机组合、机械配套、结构物与某种机械的施工逻辑等关联关系，系统内相关联的实体最有可能发生时控冲突，选择关联度较高的实体对象进行效率分析；

步骤1-2，运用solidworks对选定的施工机械或结构建立虚拟模型，导出为*.STL多边形模型文件；

步骤1-3，在3DS Max中导入*.STL文件，重新装配模型，对模型进行优化处理。

所述步骤2包括以下具体步骤：

步骤2-1，依据其行为特征将工程施工现场的实体分为主动实体和被动实体，主动实体可自主活动，具有物理空间属性、安全空间属性、效率空间属性，被动实体无施工动作，因此不具备效率空间属性；

步骤2-2，根据实体的空间属性将主动实体的外层空间分为物理空间、安全空间、效率空间，将被动实体的外层空间分为物理空间、安全空间。

所述步骤3中建立的空间包围盒为轴向包围盒(Axis-Aligned Bounding Box,AABB)，定义AABB仅需要六个标量，即组成物体基本几何元素的顶点的x、y、z坐标的最大值和最小值。

所述步骤4包括以下具体步骤：

步骤4-1，通过Vega软件提供的Lynx设置场景，其中包括施工机械的工作环境和自然环境；

步骤4-2，实现对施工机械的控制，模拟机械的施工活动。

所述步骤5包括以下具体步骤：

步骤5-1，施工系统内的实体按照施工方案设置的流程和各自的运行时间轴活动；

步骤5-2，对各实体的时空状态活动进行扫描，用AABB包围盒的冲突检测算法进行实体间冲突检测计算；

步骤5-3，冲突泡从产生到消失在时间和空间上形成冲突泡的上下边界，通过对冲突泡边界的扫描，得到冲突泡的时空形态。

所述步骤6包括以下具体步骤：

步骤6-1，在量化不同运动路径的效率损失时，取该路径冲突泡体积最大(V_max)的时刻的来代表此条路径上施工机械的效率损失程度，设某路径上冲突泡的空间几何体∑:z＝f(x,y)，其中(x,y)∈Q，则该空间几何体的体积为：

V_max为该路径中某时刻效率泡体积的最大值；

步骤6-2，效率损失的表达式为：

Δη_i为施工机械效率损失；α为修正系数；Δη_i为施工机械效率损失；α为修正系数；当不发生时空冲突时，Δη_i为0；当发生时空冲突时，Δη_i为αV_max。

本发明有如下有益效果：

(1)针对时空冲突引起的效率损失问题，从空间的角度对施工机械效率损失进行量化，可直观获取效率损失程度。

(2)数据直观，适用范围广，为施工机械布置及路径规划建立了一项新的参考指标。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为施工机械效率损失计算流程图。

图2为实体分层空间逻辑图。

图3为实体间时空冲突模型。

图4为吊罐分层空间示意图。

其中，1为冲突泡、2为塔机主体结构、3为浇筑仓、4为模板安全空间、5为浇筑仓模板、6为吊罐物理空间、7为吊罐安全空间、8为吊罐效率空间、9为浇筑仓模板安全空间包围盒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

如图1-4，本发明所述的基于空间冲突下的施工机械效率损失量化方法，其具体流程如图1所示，首先选定效率损失分析对象，根据现场的施工布置和地形环境构建虚拟场景；然后，根据实体对象的工作属性界定其层次空间，包括物理空间、安全空间和效率空间，并对所研究的空间层建立空间包围盒，运用动力学仿真技术对施工实体实现驱动，模拟施工过程并对效率层空间进行冲突检测。冲突发生后，获取冲突泡的时空形态，界定其边界，并计算冲突泡体积；最终通过冲突泡的体积大小来判断施工机械效率损失程度。

实施例1：

本例中，基于空间冲突下的施工机械效率损失量化方法的具体步骤如下：

步骤1：确定研究对象，构建出一个子系统，运用solidworks对实体建立三维仿真模型，并运用3DS Max对施工实体及场景进行渲染，增加其沉浸感。

本例中，本步骤可以具体为：

1-1，根据施工方案设置的流程，工程施工系统内的实体间可能存在人机组合、机械配套、结构物与某种机械的施工逻辑等关联关系，系统内相关联的实体最有可能发生时控冲突，选择关联度较高的实体对象进行效率分析。本例中，选择某高拱坝浇筑仓面塔机吊罐和模板5作为施工机械效率损失研究对象；

1-2，运用solidworks对浇筑仓3、模板5、塔式起重机2及吊罐建立虚拟模型，导出为*.STL多边形模型文件；

1-3，在3DS Max中导入*.STL文件，重新装配模型，对模型进行优化处理，增加其沉浸感。

步骤2：确定施工系统中实体的各类空间属性，界定实体分层空间，采用面对对象的方法对空间分析对象的空间类型划分为物理空间、安全空间、效率空间，如图2所示，并依据类似工程或实测数据分析现场施工实体的活动规律、安全范围、工作范围、参考标准等，从而确定效率空间、安全空间的内外边界；

本例中，本步骤可以具体为：

2-1，依据其行为特征将工程施工现场的实体分为主动实体和被动实体，主动实体可自主活动，具有物理空间属性、安全空间属性、效率空间属性，被动实体无施工动作，因此不具备效率空间属性；上述对象中，塔机2为主动实体，模板5为被动实体。

2-2，根据实体的空间属性将塔机吊罐的外层空间由内到外分为物理空间6、安全空间7、效率空间8，将模板的外层空间分为物理空间5、安全空间4，于是假定吊罐的效率空间7与模板的安全空间4产生相交时即发生效率损失。

步骤3：根据实体分层空间特征建立空间包围盒；

本例中建立的空间包围盒为轴向包围盒(Axis-Aligned Bounding Box,AABB)，定义AABB仅需要六个标量，即组成物体基本几何元素的顶点的x、y、z坐标的最大值和最小值，仓面模板总体结构可看作由上下游坝面及左右两侧四个部分构成，界定其安全空间，分别对四个部分建立AABB包围盒，将上游坝面、下游坝面、左右两侧模板的安全空间包围盒分别为：P₁、P₂、P₃、P₄，

P_i＝{(x,y,x)|x_min≤x≤x_max,y_min≤y≤y_max,z_min≤z≤z_max}，(i＝1、2、3、4)。

则整个浇筑仓模板的安全空间包围盒9可表示为D＝P₁∩P₂∩P₃∩P₄，如图3所示。

步骤4：基于VC++编辑平台，通过Vaga软件建立施工实体动力学仿真系统，实现虚拟场景的驱动，模拟施工活动；

本例中，本步骤可以具体为：

4-1，通过Vega软件提供的Lynx设置场景，其中包括施工机械的工作环境和自然环境；

4-2，实现对塔式起重机2的控制，模拟塔机2垂直运输吊罐入仓等活动；

步骤5：发生时空冲突后，通过分析冲突泡1的演化机理，界定冲突范围，确定冲突泡1的时空形态；

本例中，本步骤可以具体为：

5-1，施工系统内的实体按照施工方案设置的流程和各自的运行时间轴活动；

5-2，对各实体的时空状态活动进行扫描，用AABB包围盒的冲突检测算法进行实体间冲突检测计算；

5-3，冲突泡1从产生到消失在时间和空间上形成冲突泡1的上下边界，通过对冲突泡1边界的扫描，得到冲突泡1的时空形态、空间参数；

步骤6：计算冲突泡1体积，量化效率损失；

本例中，本步骤可以具体为：

步骤6-1，在量化不同运动路径的效率损失时，取该路径冲突泡体积最大(V_max)的时刻的来代表此条路径上施工机械的效率损失程度，设某路径上冲突泡的空间几何体Σ:z＝f(x,y)，其中(x,y)∈Q，则该空间几何体的体积为：

V_max为该路径中某时刻效率泡体积的最大值；

步骤6-2，效率损失的表达式为：

Δη_i为施工机械效率损失；α为修正系数；当不发生时空冲突时，Δη_i为0；当发生时空冲突时，Δη_i为αV_max。

通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改都在本发明的保护范围之内。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。