劉占省 李安修 孟鑫桐 史國梁 曹存發(fā)

(北京工業(yè)大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124)

引言

裝配式建筑發(fā)展迅速，但我國裝配式建筑仍處于起步階段，與發(fā)達(dá)國家相比存在一定的差距?！蛾P(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》提到在推動(dòng)裝配式建筑發(fā)展的過程中，仍存在標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、信息化水平偏低的問題，并指出應(yīng)推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展[1]。囿于裝配式建筑施工水平有限，裝配式建筑的施工過程成為了安全風(fēng)險(xiǎn)易發(fā)環(huán)節(jié)。其中，吊裝作業(yè)是裝配式建筑施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，吊裝作業(yè)具有的特點(diǎn)為[2]：高空作業(yè)且預(yù)制構(gòu)件的重量較大； 吊裝作業(yè)為組合運(yùn)動(dòng)，危險(xiǎn)點(diǎn)多且分散； 移動(dòng)運(yùn)行范圍較大； 須多作業(yè)工種配合； 吊裝過程受到周圍環(huán)境影響較大，各影響因素之間關(guān)系復(fù)雜。因此，對(duì)裝配式建筑吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理方法的研究具有重要的意義。

目前，眾多學(xué)者對(duì)裝配式建筑吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理方法展開了研究。在吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)價(jià)方面，荀志遠(yuǎn)等[3]通過對(duì)裝配式建筑安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析，提出了采用DEMATEL法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重間的相互影響、應(yīng)用博弈論計(jì)算組合權(quán)重的方法，并利用云模型對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)； 李文龍等[2]構(gòu)建了基于結(jié)構(gòu)熵權(quán)—可信測(cè)度理論的裝配式建筑吊裝施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了良好的效果，為安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了新思路； Ravia[4]等對(duì)塔吊事故歸類總結(jié)并采用層次分析法對(duì)定量的結(jié)果嚴(yán)重程度值進(jìn)行評(píng)估，從而計(jì)算出每個(gè)事件的總風(fēng)險(xiǎn)潛力。但是上述吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估方法存在主觀性強(qiáng)、靜態(tài)等局限性，因此趙平等[5]在常規(guī)安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重確定的方法基礎(chǔ)上，引入系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，建立了定性與定量結(jié)合的裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)測(cè)量的SD模型，解決了施工安全風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)復(fù)雜的問題； 段永輝等[6]基于SEM(結(jié)構(gòu)方程模型)等數(shù)學(xué)方法，對(duì)裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)的影響程度進(jìn)行比較和量化，探索風(fēng)險(xiǎn)因素之間的作用機(jī)理； 申玲等[7]構(gòu)建了基于云貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(Cloud-BN)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)裝配式吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)； Pinto[8]提出了新的模糊QRAM模型，將安全風(fēng)險(xiǎn)的有效性評(píng)估體現(xiàn)為評(píng)估維度，并利用模糊集理論增強(qiáng)對(duì)語言變量所引出的不精確和不完整的信息，使評(píng)估結(jié)果更加可靠； 部分學(xué)者也將智能算法引入到安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，例如常春光等[9]將RS(粗糙集)、SVR(支持向量回歸機(jī))引入到裝配式建筑施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)中； 劉名強(qiáng)[10]等建立了基于RVM(相關(guān)向量機(jī))的裝配式建筑吊裝作業(yè)安全預(yù)警模型； Melzner[11]等基于BIM模型及已開發(fā)的算法，系統(tǒng)地識(shí)別和分類風(fēng)險(xiǎn)，最終生成知識(shí)庫。

盡管風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)價(jià)方法逐漸成熟，其靜態(tài)、主觀性強(qiáng)等局限性也通過引入智能算法得到解決，但對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的依賴性較強(qiáng)，裝配式建筑吊裝過程安全風(fēng)險(xiǎn)管理方法仍存在智能化水平低、預(yù)測(cè)精確度低等問題。面對(duì)這樣的困境，必須引入融合新興信息技術(shù)的安全管理方法來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展以及智能發(fā)展系列戰(zhàn)略的提出，數(shù)字孿生技術(shù)已成為智能制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，能夠有效地解決復(fù)雜的工業(yè)問題?！皵?shù)字孿生”的概念最初在美國航空航天領(lǐng)域被提出，用來預(yù)測(cè)航天飛行器的使用壽命和故障等，為美國航天業(yè)節(jié)省了大量的維修維護(hù)成本，隨之?dāng)?shù)字孿生技術(shù)逐漸擴(kuò)展到其他行業(yè)。數(shù)字孿生技術(shù)將物理空間信息映射到虛擬空間中，虛擬空間與物理空間之間形成雙向的信息交流融合與迭代優(yōu)化，從而對(duì)物理空間的活動(dòng)起到指導(dǎo)作用。數(shù)字孿生技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)就是能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知采集、分析處理、控制優(yōu)化。陶飛等[12]在數(shù)字孿生車間的研究過程中，提出了數(shù)字孿生五維模型的概念，為數(shù)字孿生在其他行業(yè)的應(yīng)用打開了新思路。劉占省等[13-15]將數(shù)字孿生技術(shù)成功引入到建筑行業(yè)，搭建了數(shù)字孿生在智能建造領(lǐng)域的應(yīng)用框架，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到冬奧場(chǎng)館動(dòng)態(tài)消防疏散、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)張拉狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)等方面，取得了良好的應(yīng)用效果。

基于裝配式建筑安全風(fēng)險(xiǎn)管理方法的局限性與數(shù)字孿生在智能建造中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，面對(duì)吊裝作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素眾多且復(fù)雜，管理方法智能化水平低等現(xiàn)狀。本文將數(shù)字孿生的概念引入到裝配式建筑吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理中來，提出了面向吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理的數(shù)字孿生框架，并闡述了其建立過程及運(yùn)行機(jī)制。本文針對(duì)數(shù)字孿生模型建模這一關(guān)鍵問題，提出了物理吊裝過程、虛擬吊裝過程、虛實(shí)信息交互建模方法，并在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用，為數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吊裝過程的安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素的狀態(tài)并做到及時(shí)預(yù)測(cè)與持續(xù)控制奠定基礎(chǔ)，為裝配式建筑吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)智能化管理方法提供理論支撐和技術(shù)支持。

1 面向裝配式建筑吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理的數(shù)字孿生框架

1.1 吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素分析

確定吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素是建立數(shù)字孿生模型的前提。數(shù)字孿生模型在驅(qū)動(dòng)的過程中，需要對(duì)物理吊裝施工現(xiàn)場(chǎng)要素信息進(jìn)行實(shí)時(shí)感知采集，并把信息映射至虛擬吊裝施工現(xiàn)場(chǎng)，分析吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素，在施工過程中選取風(fēng)險(xiǎn)誘發(fā)及控制對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制，可為吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)及控制奠定基礎(chǔ)。通過文獻(xiàn)調(diào)研[2,7,16,17,18]和工程實(shí)際，可梳理出裝配式建筑吊裝過程安全風(fēng)險(xiǎn)誘發(fā)因素，具體如表1所示。

表1 部分學(xué)者提出的安全風(fēng)險(xiǎn)誘發(fā)因素

根據(jù)表1部分學(xué)者總結(jié)的吊裝安全事故誘發(fā)因素，可以得出吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素主要包括五方面，并分析了吊裝過程中需監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，具體如下：

(1)人員因素

吊裝作業(yè)過程中涉及塔吊司機(jī)、信號(hào)司、施工人員等，因此人員是誘發(fā)安全事故最主要的因素之一，而人員由于其移動(dòng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，是最難控制的要素。吊裝作業(yè)人員的專業(yè)水平與素質(zhì)、吊裝作業(yè)時(shí)的狀態(tài)都與吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)有緊密的聯(lián)系，在吊裝作業(yè)過程中，應(yīng)對(duì)人員屬性及實(shí)時(shí)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(2)設(shè)備因素

塔吊屬于重型機(jī)械，應(yīng)對(duì)塔吊進(jìn)行定期維護(hù)及檢修，保證塔機(jī)的工作狀態(tài)。對(duì)塔吊的最大負(fù)載、是否有交叉干擾(起吊高度、吊運(yùn)半徑等)等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止發(fā)生因超載、結(jié)構(gòu)疲勞造成塔吊機(jī)體的變形、傾覆以及塔吊碰撞等事故。

(3)構(gòu)件因素

構(gòu)件質(zhì)量不合格、連接強(qiáng)度不足、吊點(diǎn)位置選擇不合理等均可能導(dǎo)致脫繩、構(gòu)件斷裂等物體打擊事故。對(duì)構(gòu)件狀態(tài)、位置、數(shù)量、吊裝機(jī)具數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解構(gòu)件吊裝的動(dòng)態(tài)路徑和吊裝順序，對(duì)防止事故的發(fā)生具有重要的意義。

(4)環(huán)境因素

大霧、大雨、大雪等天氣會(huì)造成塔吊司機(jī)視野盲區(qū)增大，大風(fēng)天氣會(huì)影響吊裝過程中構(gòu)件的擺動(dòng)幅度，增大吊裝的難度與風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，應(yīng)及時(shí)了解塔吊基礎(chǔ)狀況，防止因承載力不足而發(fā)生塔吊傾覆。

(5)管理因素

為了降低安全事故發(fā)生的機(jī)率，應(yīng)該制定完備的安全管理制度體系。利用信息化技術(shù)，對(duì)安全防護(hù)措施的完備性進(jìn)行控制，對(duì)吊裝方案進(jìn)行論證，對(duì)人員進(jìn)行定期的安全培訓(xùn)。

1.2 基于數(shù)字孿生的裝配式建筑吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理方法框架

結(jié)合上述裝配式建筑吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理的數(shù)據(jù)特點(diǎn)與應(yīng)用需求，根據(jù)國內(nèi)學(xué)者陶飛等[12]提出的數(shù)字孿生五維模型的概念，其包括物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)、各組成部分之間的連接五個(gè)要素，將其概念引入到裝配式建筑吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理中，定義針對(duì)吊裝過程的數(shù)字孿生五維模型，如式(1)所示，提出面向裝配式建筑吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理的數(shù)字孿生框架，如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字孿生的裝配式建筑吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理框架

MDT=(PH，VH，Rs，DD，CN)

(1)

式中，PH為物理吊裝過程，VH為虛擬吊裝過程，Rs為吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)，DD為孿生數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，CN為各部分之間的連接。框架中不同要素之間的連接有其不同的含義，如圖1所示。

根據(jù)上述的吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理框架，其運(yùn)行機(jī)制具體如下：

(1)PH是建立數(shù)字孿生模型的基礎(chǔ)，是整個(gè)數(shù)字孿生模型驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)源；

(2)VH共包含“幾何—物理—行為—規(guī)則”四個(gè)層面的內(nèi)容，VH是與PH一一映射、實(shí)時(shí)交互的產(chǎn)物，可從多維度、多尺度對(duì)物理空間的要素進(jìn)行刻畫，并能夠結(jié)合物理吊裝過程的安全風(fēng)險(xiǎn)管理需求，對(duì)吊裝過程進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)及控制；

(3)DD集成了物理空間信息與虛擬空間信息，能夠避免PH與VH之間信息傳輸出現(xiàn)延遲，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，同時(shí)還包含提供服務(wù)所需的智能算法、模型、規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)、專家經(jīng)驗(yàn)等知識(shí)庫數(shù)據(jù)，還可通過融合物理信息、多時(shí)空關(guān)聯(lián)信息、知識(shí)庫數(shù)據(jù)等保證信息交互的準(zhǔn)確性，并形成孿生數(shù)據(jù)庫；

(4)Rs是根據(jù)實(shí)際需求對(duì)數(shù)字孿生模型中數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)過程的服務(wù)封裝，針對(duì)吊裝過程其可實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)及控制，并將結(jié)果可視化，展示在移動(dòng)端、PC端等，方便對(duì)PH的活動(dòng)進(jìn)行指導(dǎo)；

(5)CN實(shí)現(xiàn)框架中各組成部分的互聯(lián)互通：PH與DD、Rs之間可通過傳感器、協(xié)議傳輸規(guī)范等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與反饋，PH與VH之間的連接同協(xié)議類似，物理信息實(shí)時(shí)傳輸至虛擬空間內(nèi)，用于更新校正各類模型，VH則通過執(zhí)行器對(duì)PH進(jìn)行實(shí)時(shí)控制； VH與DD之間的信息傳遞可通過數(shù)據(jù)庫接口實(shí)現(xiàn)，而VH與Rs之間通過軟件接口實(shí)現(xiàn)雙向通訊； Rs與DD平臺(tái)之間通過數(shù)據(jù)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與運(yùn)行優(yōu)化。

2 裝配式建筑吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理數(shù)字孿生模型建立方法

數(shù)字孿生模型的建立是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵，同時(shí)也是一個(gè)難點(diǎn)問題?；谥圃鞓I(yè)數(shù)字孿生模型建立相關(guān)理論[19]，從物理吊裝過程、虛擬吊裝過程與吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理應(yīng)用系統(tǒng)融合的視角出發(fā)，通過上述對(duì)裝配式建筑吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)邏輯，對(duì)裝配式建筑吊裝過程數(shù)字孿生模型進(jìn)行建模，為后續(xù)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

基于數(shù)字孿生的裝配式吊裝過程建模內(nèi)容包括物理吊裝過程建模、虛擬吊裝過程建模以及兩者之間的信息交互建模。物理吊裝過程建模是針對(duì)吊裝現(xiàn)場(chǎng)所涉及的“人—機(jī)—料—法—環(huán)”五大要素的特征進(jìn)行采集，虛擬吊裝過程建模[12，19]則是在“幾何—物理—行為—規(guī)則”的層面上，融合仿真模擬所需的數(shù)據(jù)，集成數(shù)字化仿真模型，物理吊裝過程與虛擬吊裝過程之間的映射交互基礎(chǔ)為虛實(shí)信息交互建模，以解決物理空間與虛擬空間信息不同步、一致性差等問題[12]。

2.1 物理吊裝過程建模

通過對(duì)吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)誘發(fā)因素的分析，需要從物理空間提取的信息有人員屬性和位置信息、構(gòu)件基本屬性和力學(xué)信息、塔吊設(shè)備狀態(tài)信息、周圍環(huán)境信息。物理吊裝過程建模主要對(duì)物理空間信息進(jìn)行采集與傳輸。

吊裝過程所涉及的構(gòu)件包括疊合板、預(yù)制梁、預(yù)制柱、預(yù)制樓梯等，在構(gòu)件制作過程中將載有構(gòu)件型號(hào)、尺寸、安裝位置、生產(chǎn)單位、強(qiáng)度等信息的主動(dòng)式RFID標(biāo)簽埋入預(yù)制構(gòu)件中，通過識(shí)別標(biāo)簽即可從數(shù)據(jù)庫中獲取構(gòu)件的屬性信息。隨著吊裝過程的進(jìn)行，利用傳感器對(duì)構(gòu)件的力學(xué)信息(例如位置、應(yīng)力、應(yīng)變等)進(jìn)行采集，以確保構(gòu)件在起吊過程中處于安全狀態(tài)，傳感器模塊將采集到的構(gòu)件力學(xué)信息進(jìn)行采集與傳輸，其在一定程度上具備數(shù)據(jù)自主運(yùn)算與處理功能。

塔吊作為進(jìn)行吊裝施工過程的基礎(chǔ)，其物理信息的采集與傳輸原理與構(gòu)件類似，但額外增加了執(zhí)行控制模塊。在建模過程中，為每一臺(tái)塔吊設(shè)備配備RFID讀寫器與天線去獲取構(gòu)件信息及人員屬性、位置信息，可實(shí)時(shí)更新構(gòu)件力學(xué)信息，判別操作人員是否為專業(yè)人員，獲取塔吊作業(yè)范圍內(nèi)其他施工作業(yè)人員的位置信息。塔吊設(shè)備的吊重、傾角、風(fēng)速、高度、幅度、應(yīng)力應(yīng)變等信息通過布置傳感器來，傳感器模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與初步處理的同時(shí)，還會(huì)向執(zhí)行控制模塊發(fā)出指令，對(duì)塔吊設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)控制。

構(gòu)件信息與塔吊設(shè)備信息為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，需要對(duì)構(gòu)件信息與塔吊設(shè)備信息進(jìn)行融合集成，利用無線傳輸技術(shù)(例如：LoRa技術(shù)、NB-IoT技術(shù)等)及其相應(yīng)的傳輸通訊協(xié)議在配有主動(dòng)式RFID標(biāo)簽、傳感器的構(gòu)件與設(shè)備之間建立連接的橋梁，實(shí)現(xiàn)物理吊裝現(xiàn)場(chǎng)中人—機(jī)—物—環(huán)境等異構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)影響要素的全互聯(lián)與融合，進(jìn)一步通過數(shù)據(jù)處理分析模塊，將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合集成，并進(jìn)行儲(chǔ)存。

物理吊裝過程建模具體如圖2所示。

圖2 物理吊裝過程建模

2.2 虛擬吊裝過程建模

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)物理空間高保真度仿真模擬，需要從“幾何—物理—行為—規(guī)則”四個(gè)層面進(jìn)行多維度、多尺度的數(shù)字孿生虛體建模，即在本研究中，針對(duì)吊裝過程建立幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型。

幾何模型主要描述吊裝施工現(xiàn)場(chǎng)各組成實(shí)體的幾何參數(shù)，例如構(gòu)件的尺寸、編號(hào)、位置、裝配關(guān)系等，可以通過Revit、3DMax等軟件建立幾何模型，并渲染模型細(xì)節(jié)使之與物理空間具備良好的一致性。在幾何模型的基礎(chǔ)上，增加對(duì)吊裝過程所涉及的構(gòu)件、塔吊設(shè)備的力學(xué)性能等的描述，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況在Midas、Ansys等有限元分析軟件中建立起物理模型。行為模型是指通過物理模型與現(xiàn)場(chǎng)布置的傳感器等設(shè)備采集到應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)融合，并關(guān)聯(lián)三維幾何模型，在共同作用機(jī)制下通過諸多智能算法形成評(píng)估模型、決策模型、預(yù)測(cè)模型，對(duì)吊裝過程的實(shí)際情況做出實(shí)時(shí)響應(yīng)。規(guī)則模型是指關(guān)聯(lián)國家現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、歷史數(shù)據(jù)庫等，為行為模型建立過程提供一個(gè)評(píng)估、預(yù)測(cè)、控制的規(guī)則。隨著時(shí)間的推移，伴隨吊裝過程數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，數(shù)字孿生模型不僅僅是將數(shù)據(jù)分析結(jié)果反饋至吊裝施工現(xiàn)場(chǎng)，規(guī)則模型可實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自演化、自增長，不斷提高虛擬吊裝過程模型實(shí)時(shí)評(píng)估、決策、預(yù)測(cè)的能力。

綜上所述，將以上四種模型進(jìn)行融合、集成，實(shí)現(xiàn)虛擬吊裝過程對(duì)物理吊裝過程的仿真。幾何模型與物理模型融合賦予模型行為與反應(yīng)能力，行為模型與規(guī)則模型關(guān)聯(lián)并將兩種模型參數(shù)化賦予模型安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、預(yù)測(cè)、控制的能力。針對(duì)吊裝過程安全風(fēng)險(xiǎn)管理的虛擬吊裝過程建模過程如圖3所示。

圖3 吊裝過程安全風(fēng)險(xiǎn)管理的數(shù)字孿生虛體模型建立過程

2.3 虛實(shí)信息交互建模

虛實(shí)交互關(guān)聯(lián)建模主要解決物理吊裝過程與虛擬吊裝過程之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸問題，即物理吊裝過程信息如何實(shí)時(shí)傳輸至虛擬吊裝過程，對(duì)虛擬吊裝過程模型進(jìn)行更新； 虛擬吊裝過程的仿真數(shù)據(jù)如何實(shí)時(shí)反饋至物理吊裝過程，對(duì)物理吊裝過程可能出現(xiàn)的安全問題進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)及控制。本研究具體的實(shí)現(xiàn)邏輯如下：物理吊裝過程與虛擬吊裝過程之間通過高速穩(wěn)定的無線傳輸技術(shù)建立雙向傳輸通道，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一、融合、集成，對(duì)照物理吊裝現(xiàn)場(chǎng)，利用BIM技術(shù)建立三維模型，將在現(xiàn)場(chǎng)采集到的構(gòu)件、設(shè)備、人員等信息在三維模型中進(jìn)行可視化。通過有限元分析軟件對(duì)構(gòu)件力學(xué)性能分析，傳感器實(shí)時(shí)采集塔吊設(shè)備數(shù)據(jù)，并關(guān)聯(lián)三維模型，不斷對(duì)三維模型進(jìn)行修正，并將安全狀態(tài)判別規(guī)則導(dǎo)入BIM模型中，在馬爾可夫鏈、隨機(jī)森林、深度學(xué)習(xí)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、預(yù)測(cè)、控制功能。

3 案例研究

基于上述的數(shù)字孿生模型建立方法，本文以北京某辦公類綜合建筑工程項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目主體為裝配式鋼結(jié)構(gòu)，由三座塔樓及其之間的展廳裙樓組成，總建筑面積127 800m2，最大的高度達(dá)到60m，最大層數(shù)為15層。

3.1 物理吊裝過程建模

對(duì)物理吊裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行建模，為鋼構(gòu)件、人員賦予RFID標(biāo)簽，并在塔吊設(shè)備上配置RFID讀寫器，以獲取鋼構(gòu)件屬性信息與人員屬性、位置信息，為虛擬吊裝過程建立奠定基礎(chǔ)；在鋼構(gòu)件上布置應(yīng)力傳感器以監(jiān)測(cè)構(gòu)件的力學(xué)性能，依靠各類傳感器來監(jiān)測(cè)塔吊設(shè)備的吊重、風(fēng)速、傾角、高度、幅度等力學(xué)信息并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析；將所采集到的鋼構(gòu)件與塔吊設(shè)備的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)通過NB-IoT傳輸網(wǎng)絡(luò)、傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)、GPS傳輸網(wǎng)絡(luò)上傳，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一融合，形成孿生數(shù)據(jù)庫，物理吊裝現(xiàn)場(chǎng)建模具體過程如圖4所示。

圖4 物理吊裝現(xiàn)場(chǎng)建模過程

3.2 虛擬吊裝過程建模

對(duì)于虛擬吊裝現(xiàn)場(chǎng)建模，利用Revit軟件參照物理吊裝現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件及塔吊設(shè)備的參數(shù)，建立三維BIM模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的工況應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)處于吊升階段的鋼構(gòu)件進(jìn)行實(shí)時(shí)的力學(xué)分析，BIM軟件與ABAQUS有限元分析軟件可通過開發(fā)的軟件接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，以規(guī)范限值對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行約束，為安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。由此實(shí)現(xiàn)了“幾何—物理—行為—規(guī)則”四個(gè)層面模型的融合，虛擬吊裝過程建模如圖5所示。

3.3 虛實(shí)信息交互建模

物理吊裝現(xiàn)場(chǎng)與虛擬吊裝現(xiàn)場(chǎng)之間的信息通過NB-IoT無線傳輸技術(shù)及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議來進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。基于現(xiàn)有的塔吊運(yùn)行數(shù)據(jù)與規(guī)則，以深度學(xué)習(xí)智能算法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，將數(shù)據(jù)一部分分為訓(xùn)練集，一部分分為測(cè)試集，不斷進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，最終達(dá)到對(duì)吊裝過程中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判別，并促進(jìn)數(shù)據(jù)庫自學(xué)習(xí)、自增長、自判斷，從而對(duì)吊裝過程存在的安全風(fēng)險(xiǎn)類型進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，虛實(shí)信息交互建模如圖5所示。

圖5 虛實(shí)信息交互建模過程

通過建立該項(xiàng)目吊裝過程數(shù)字孿生模型，以BIM軟件為基礎(chǔ)，利用BIM軟件的API接口，對(duì)各部分建模技術(shù)進(jìn)行集成，從而形成吊裝過程安全風(fēng)險(xiǎn)管理平臺(tái)，平臺(tái)界面如圖6所示，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的吊裝過程信息可在平臺(tái)上進(jìn)行可視化展示，并且實(shí)時(shí)反饋吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果，逐步形成吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。利用針對(duì)吊裝過程數(shù)字孿生模型建立方法，大大提高了工作效率，切實(shí)保證了吊裝過程的安全性。

圖6 吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)管理平臺(tái)界面

4 總結(jié)與展望

本文基于現(xiàn)有安全管理方法存在智能化水平低、預(yù)測(cè)精確度無法保證等問題的現(xiàn)狀。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研與工程實(shí)際，分析得到吊裝安全風(fēng)險(xiǎn)誘發(fā)因素主要有人員因素、設(shè)備因素、構(gòu)件因素、環(huán)境因素、管理因素，并在“人—機(jī)—料—法—環(huán)”的維度上提出了面向吊裝過程安全風(fēng)險(xiǎn)管理的數(shù)字孿生框架，闡明了數(shù)字孿生模型運(yùn)行機(jī)制，并提出了針對(duì)物理吊裝過程、虛擬吊裝過程、虛實(shí)信息交互三個(gè)部分的建模方法，為數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)全面感知、真實(shí)分析、實(shí)時(shí)控制、持續(xù)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。最后將該方法應(yīng)用于工程實(shí)際，驗(yàn)證了數(shù)字孿生建模方法的可行性，對(duì)推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展具有重要意義。但本文的數(shù)字孿生建模方法還存在一定的局限性，在后續(xù)的研究中，將會(huì)繼續(xù)探究完善數(shù)字模型建立方法，最終形成一套完整的時(shí)空演化建模理論。