一種防止多任務碰撞的空間吊裝沖突估計仿真

倪小磊，刁 璇，盛 娟

(東南大學成賢學院，江蘇 南京 210088)

1 引言

近年來，隨著我國社會的高速發(fā)展，全國大部分城市都在建造大型的建筑工程。裝配式建筑因其能夠大幅度縮短工期、降低成本、減少建筑垃圾的優(yōu)點受到人們的歡迎。然而裝配式建筑的施工現(xiàn)場環(huán)境極為復雜，如何對施工現(xiàn)場的空間資源進行高效地分配成為人們探討的熱門問題[1]。由于使用的大型吊裝設備較多，因此在有限的作業(yè)空間里合理調(diào)配作業(yè)現(xiàn)場的資源就變得尤為重要。預先對施工現(xiàn)場的大型吊裝設備進行多維的沖突識別成為建筑施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2]。

李振豪[3]等人提出基于坐標投影的裝配式建筑作業(yè)空間沖突識別方法。該方法首先利用Split法提取建筑的等高線特征點，并以此為基礎構(gòu)建局部坐標系；再利用矢量坐標投影對建筑的整體進行分析，從而完成對裝配式建筑作業(yè)空間的沖突識別。該方法由于未能對吊裝多維作業(yè)空間中的沖突量化指標進行設定，因此導致該方法在對吊裝作業(yè)空間進行多目標沖突識別時的識別效果差。韓曉軍[4]等人提出基于模型分割的裝配式建筑作業(yè)空間沖突識別方法。該方法首先依據(jù)模型的分割算法，對建筑結(jié)構(gòu)進行適當標記；再依據(jù)橢圓包圍盒算法對擬合建筑的分割區(qū)域進行計算；最后通過計算結(jié)果完成對裝配式建筑作業(yè)空間的沖突識別。該方法由于未能設定吊裝多維作業(yè)空間中的沖突體積，在噪聲介入的環(huán)境下，無法精確地識別吊裝多維作業(yè)空間的沖突，導致該方法的抗干擾能力差。盧江[5]等人提出基于觀察坐標的裝配式建筑作業(yè)空間沖突識別方法。該方法首先基于觀察坐標法明確各大型裝備之間的位置；再建立對應關(guān)系函數(shù)，通過對關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算完成對裝配式建筑作業(yè)空間的沖突識別。該方法由于未能設定作業(yè)空間中的沖突比例與沖突時間，該方法所識別出的沖突不全面，施工作業(yè)空間的覆蓋性能低。

為解決上述裝配式建筑作業(yè)空間沖突識別時存在的問題，提出裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間多目標沖突識別方法。

2 吊裝多維空間

利用計算機仿真技術(shù)對裝配式建筑多維作業(yè)空間中的沖突類型進行識別，并設定沖突量化指標對不同沖突類型的嚴重性評價。

2.1 沖突類型

將裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間中大型吊裝設備所需要的作業(yè)空間進行整合，并依據(jù)施工現(xiàn)場所有工作資源，對作業(yè)空間進行劃分?？臻g可劃分為效率、實體、安全三種，劃分的具體關(guān)系，如圖1所示[6]。

依據(jù)圖1可知，吊裝多維作業(yè)空間中安全與實體空間組合在一起為作業(yè)現(xiàn)場的操作空間。實體空間是由機械尺寸大小所決定的；安全空間則要確定現(xiàn)場所有建筑資源的安全，是其中最小的空間；機械和施工人員高效運作的空間為效率空間?？臻g中可能出現(xiàn)的各類沖突類型如下：

1)實體沖突

實體沖突為兩個或多個實體空間之間發(fā)生的疊加現(xiàn)象。實體沖突的出現(xiàn)，表示施工現(xiàn)場出現(xiàn)了安全事故(或機械故障受損或人員傷亡)，最終會導致裝配式建筑施工現(xiàn)場無法繼續(xù)作業(yè)[7]。

圖1 施工現(xiàn)場具體空間劃分圖

2)實體與操作沖突

實體與操作沖突是機械空間與實體空間互相疊加造成的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象發(fā)生時，安全空間會因為實體空間的增大而減小，因此極易引發(fā)安全事故，從而導致施工效率受到影響。

3)操作沖突

操作沖突為兩個或多個操作空間發(fā)生的疊加現(xiàn)象。該現(xiàn)象發(fā)生時會影響整個裝配式建筑的吊裝進程，極個別情況下還會出現(xiàn)事故，帶來資源的浪費。

2.1 沖突量化指標

沖突發(fā)生后，事故大小與疊加空間的疊加時間、疊加體積相關(guān)。假設裝配式建筑的整體工程吊裝時長為(ts，tf)，i，j分別為吊裝設備。s和f分別為工期的開始時間與結(jié)束時間，A為吊裝所用的空間，相關(guān)量化指標如表1所示[8]。

表1 作業(yè)空間多目標沖突量化指標

2.3 吊裝多維作業(yè)空間的沖突嚴重性評價

對裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間進行沖突結(jié)果的嚴重性評價時，要對疊加空間的大小、類型進行評價。再在評價結(jié)果中加入調(diào)節(jié)因子，修正沖突結(jié)果，從而保證其評價的準確性。

對于在吊裝多維作業(yè)空間中存在的沖突，評價指標Iij由下式進行獲取

Iij=h(kiSuiSti+kjSujStj)

(1)

式中，h為加入的調(diào)節(jié)因子，吊裝設備i，j的權(quán)重分別為ki，kj。

由于裝配式建筑施工過程的沖突重要性與危機程度與調(diào)節(jié)因子的權(quán)重相關(guān)，因此要將權(quán)重調(diào)節(jié)因子的取值區(qū)域控制在[0.5，1]中，并將其作為吊裝作業(yè)的最大權(quán)值。通常情況下，若疊加區(qū)域為發(fā)生沖突，可知Ac=Sui=Suj=0，Iij=0。若疊加區(qū)域發(fā)生沖突，沖突中調(diào)節(jié)因子又持續(xù)增大的情況下，就可以通過計算獲取沖突的嚴重性指標。

3 沖突識別

將沖突量化指標與BIM技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建裝配式建筑結(jié)構(gòu)的多維可視化施工模型。通過模型實現(xiàn)裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間的多目標沖突識別。

3.1 模型構(gòu)建

將上述設定的沖突量化指標與BIM技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建裝配式建筑結(jié)構(gòu)的四維可視化施工模型。裝配式建筑結(jié)構(gòu)四維可視化施工模擬的實現(xiàn)，需要將施工現(xiàn)場的施工計劃、施工進度與構(gòu)建的模型相連接[9]。因此，要以裝配式建筑施工進度中的時間信息為基礎，制定模型中預制構(gòu)件裝配時間表，以此調(diào)整施工過程中的施工順序。在三維模型的施工環(huán)境中進行四維的建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)演示。

在裝配式建筑四維可視化的施工模擬過程中，施工現(xiàn)場實體空間的數(shù)據(jù)中隱藏著時間特性，因此需要利用BIM技術(shù)對裝配式建筑中的建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進行采集，采集過程中需要對預制構(gòu)件的類型、材質(zhì)、做工、厚度等數(shù)據(jù)屬性進行分類。

依據(jù)分類結(jié)果，確定構(gòu)建裝配式建筑結(jié)構(gòu)的思維可視化施工模型所需要的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合設定的沖突量化指標對模型進行構(gòu)建，構(gòu)建過程如下式所示

S(t)=p(x，y，z，t)*n

(2)

式中，S為裝配式建筑結(jié)構(gòu)的實體外觀數(shù)據(jù)，t為施工過程中的時間變量，P(x，y，z)為模型中第i個數(shù)據(jù)特征的三維坐標點，坐標值為x，y，z，n為裝配式建筑結(jié)構(gòu)的外觀特征點數(shù)量。

依據(jù)所構(gòu)建模型，結(jié)合施工需求，將模型進行拆分，并按照內(nèi)容將數(shù)據(jù)劃分到相應的子模型中。

3.3 沖突識別的實現(xiàn)

利用構(gòu)建的模型完成裝配式建筑吊裝多維工作空間的多目標沖突的識別[10]。在對裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間多目標沖突識別前，需要分析建筑結(jié)構(gòu)的實體數(shù)據(jù)特征。首先設定裝配式建筑施工過程中施工場地不會因個別因素發(fā)生變形，將構(gòu)建的模型變換為一個可以根據(jù)時間變換的齊次坐標變換矩陣，過程如下式所示：

(3)

式中，模型中的施工進程數(shù)據(jù)信息階越函數(shù)用A表示，且該矩陣不具備連續(xù)性。

依據(jù)模型的變換矩陣對裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間的多目標沖突進行識別。將裝配式建筑結(jié)構(gòu)實體空間分為上、中、下三個部分，并將其中的大型吊裝設備分為b和d兩個部分，通過對二者進行計算實現(xiàn)對吊裝多維作業(yè)空間的多目標沖突識別，過程如下式所示

(4)

式中，p表示實體空間中判斷時間的安全閾值，S(tb)，S(td)分別為實體空間中不同設備的體積大小，pbi，pdi分別為不同吊裝設備的數(shù)據(jù)信息，而min[Sa(t0)-Sa(d0)]則是兩個設備之間的最小距離。通過t0的大小確定空間中是否存在沖突，以此完成吊裝多維作業(yè)空間內(nèi)中層及上層的沖突識別。

由于吊裝多維作業(yè)空間中的下層空間數(shù)據(jù)信息較為復雜，因此要對裝配式建筑的吊裝多維空間進行中點面距離的設定，對空間底部可能存在的沖突進行識別[11]。在吊裝空間中設定一個任意的三維坐標點q和一個三角形組成的平面w，并將其二者之間的距離設為|q，w|，結(jié)合平面的法向量對|q，w|存在的幾種情況進行說明。二者之間的點面距離示意圖如圖3所示。

圖2 為三維坐標點與平面的點面距離示意圖

第一種情況當|q，w|=0時，吊裝作業(yè)空間的三維坐標點與三角形在同一平面內(nèi)；第二種情況當|q，w|<0，坐標點與法向量不處于同一位置，坐標點與平面的距離要根據(jù)絕對值來決定；第三種情況當|q，w|>0時，空間的三維坐標點與法向量處于同一位置，二者之間的距離同樣取決于絕對值的大小。依據(jù)上述三種情況對作業(yè)空間的數(shù)據(jù)信息進行分類，完成裝配式建筑吊裝多維空間的底層沖突識別[12]。

依照上述原理完成對裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間多目標沖突識別。

4 實驗結(jié)果及分析

為驗證上述方法的整體有效性，需要對此方法進行測試。

分別采用所提的裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間多目標沖突識別方法(方法1)、文獻[4]提出的基于模型分割的裝配式建筑作業(yè)空間沖突識別方法(方法2)、文獻[5]提出的基于觀察坐標的裝配式建筑作業(yè)空間沖突識別方法(方法3)進行測試：

4.1 不同方法的沖突識別效果對比

在方法1、方法2以及方法3中加入安全、成本、時間以及資源4個約束條件對吊裝作業(yè)空間的沖突進行識別，識別結(jié)果如表2所示。

表2 三種方法在約束條件下的沖突識別檢測結(jié)果

依據(jù)表2可知，在約束條件下方法1的識別效果要優(yōu)于方法2以及方法3，并且能夠發(fā)現(xiàn)在吊裝作業(yè)空間中塔吊機械與人員之間的沖突最為頻繁。這主要是因為方法1在對吊裝空間進行沖突識別前，采用計算機仿真技術(shù)設定了吊裝多維作業(yè)空間中的沖突量化指標，因此該方法在識別作業(yè)空間的沖突時能夠增加沖突的識別個數(shù)，提高識別的效果。

4.2 不同方法的抗干擾能力對比

在方法1、方法2以及方法3中加入一組噪聲，測試不同的識別方法在有噪聲干擾的情況下的抗干擾能力，測試結(jié)果如表3所示。

依據(jù)表3可知，在噪聲介入的情況下方法1的抗干擾能力要優(yōu)于方法2以及方法3，并且能夠?qū)⒄`報個數(shù)與漏報個數(shù)控制在5個以內(nèi)，這主要是因為方法1對吊裝多維空間的沖突體積進行了設定，因此該方法在噪聲介入的情況下依然能夠精準的識別出多維作業(yè)空間的多目標沖突。因此該方法的抗干擾能力好。

4.3 不同方法的覆蓋性能對比

利用操作系統(tǒng)構(gòu)建一個沖突類型復雜且沖突較多的裝配式建筑空間，對不同方法在裝配式建筑空間的覆蓋性能進行測試，測試結(jié)果如表4所示。

表4 不同方法的覆蓋性能測試結(jié)果

依據(jù)表3可知，方法1施工現(xiàn)場的覆蓋性能高于方法2和方法3，并且能將施工現(xiàn)場的平均覆蓋率維持在99.05%。這主要是因為方法1對吊裝多維作業(yè)空間的沖突比例、沖突時間進行了設定，因此該方法所識別出的吊裝作業(yè)空間的沖突較為全面，施工作業(yè)空間的覆蓋性能好。

5 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)方法在空間識別時存在的問題，提出裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間多目標沖突識別方法。該方法首先利用計算機仿真技術(shù)識別作業(yè)空間的沖突類型，并設定沖突量化指標對沖突類型進行評價；再基于BIM技術(shù)構(gòu)建思維可視化施工模型；最后通過對模型矩陣的計算，完成裝配式建筑多維作業(yè)空間多目標沖突的識別。從而完成裝配式建筑吊裝多維作業(yè)空間多目標沖突識別。由于該方法在構(gòu)建模型時還存在一定缺陷，因此今后會針對這一問題繼續(xù)對該識別方法進行優(yōu)化。