阅读说明：本技术 一种基于bim模型的塔吊监测与实时报警系统 (Tower crane monitoring and real-time alarm system based on BIM model ) 是由 袁涛 曾鹏 张仕江 郑洋 金大鑫 刘淇源 王燚凯 于 2019-11-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于BIM模型的塔吊监测与实时报警系统,包括塔吊监测端和BIM模型端,塔吊监测端包括吊臂监测端和塔身监测端,吊臂监测端包括长度监测模块、吊臂倾斜度监测模块、提取物尺寸模糊估算模块；塔身监测端包括塔身倾斜度监测模块、高度监测模块；BIM模型端包括将塔吊监测端监测的数据进行整合的数据整合模块,用于根据数据整合模块提取的信息进行仿真的仿真模块,用于估算工时的工作量布置模块；还包括报警端,用于现场产生异常情况或BIM模型端产生异常数据时发出报警。本发明能够对塔吊进行实时监测,随时掌握塔吊的信息,能够有效防止塔吊群发生碰撞的问题,并方便后期的应用拓展。(The invention discloses a tower crane monitoring and real-time alarming system based on a BIM (building information modeling) model, which comprises a tower crane monitoring end and a BIM model end, wherein the tower crane monitoring end comprises a suspension arm monitoring end and a tower body monitoring end, and the suspension arm monitoring end comprises a length monitoring module, a suspension arm gradient monitoring module and an extract size fuzzy estimation module; the tower body monitoring end comprises a tower body inclination monitoring module and a tower body height monitoring module; the BIM model end comprises a data integration module for integrating data monitored by the tower crane monitoring end, a simulation module for simulating according to information extracted by the data integration module, and a workload arrangement module for estimating working hours; the BIM monitoring system also comprises an alarm end which is used for giving an alarm when abnormal conditions are generated on site or abnormal data are generated at the BIM model end. The invention can monitor the tower crane in real time, master the information of the tower crane at any time, effectively prevent the collision of tower crane groups and facilitate the later application expansion.)

一种基于BIM模型的塔吊监测与实时报警系统

技术领域

本发明属于建设技术领域，尤其属于建设机械智能控制技术领域，特别涉及一种基于BIM模型的塔吊监测与实时报警系统。

背景技术

随着社会的发展，环境保护、安全生产等问题日益受到关注，建筑施工过程中会消耗大量的电力能源、钢筋混凝土等资源，会对环境产生很大影响，同时施工现场的复杂性、危险性决定了安全施工的重要性。因此，绿色与安全施工的理念越来越受到政府、建设单位、施工单位的重视，相应的国家、地方、企业的相关政策与标准也不断出台和更新。在此背景下，开展针对建筑工程的安全实时监测与报警的技术研究与应用，对施工过程中资源、环境、安全信息的实时监测及管理非常有必要。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为基础，建立起三维的建筑模型，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图八大特点。它不是简单的将数字信息进行集成，而是一种数字信息的应用，并可以用于设计、建造、管理的数字化方法。随着国内建筑设计领域的发展，BIM已经初步应用于建筑工程行业并彰显了其巨大的商业价值，但目前BIM的应用现状，还存在很大的局限性，BIM引领的建筑工程领域的革命所应创造的经济效益和社会效益只是冰山一角。国内不少具有前瞻性与战略眼光的工程类企业开始思考如何应用BIM技术来提升项目管理水平与企业核心竞争力。BIM技术应用的最大价值就是在于打通建筑的全生命周期。这种方法支持建筑工程的集成管理环境，可以使建筑工程在其整个进程中显著提高效率、大量减少风险。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于BIM模型的塔吊监测与实时报警系统，本发明系统能够实时对塔吊以及塔吊群进行监测，有效防止塔吊出现故障和塔吊群发生碰撞。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于BIM模型的塔吊监测与实时报警系统，包括塔吊监测端和BIM模型端，塔吊监测端包括吊臂监测端和塔身监测端，吊臂监测端包括长度监测模块、吊臂倾斜度监测模块、提取物尺寸模糊估算模块；塔身监测端包括塔身倾斜度监测模块、高度监测模块；

BIM模型端包括将塔吊监测端监测的数据进行整合的数据整合模块，用于根据数据整合模块提取的信息进行仿真的仿真模块，用于估算工时的工作量布置模块；

还包括报警端，用于现场产生异常情况或BIM模型端产生异常数据时发出报警。

吊臂长度分为固定长度和可伸缩长度两大类，固定长度可将该长度输入至BIM模型端，通过计算得到安全范围内，可伸缩可根据伸缩的长度，再次进行计算得到安全范围；吊臂倾斜度监测可通过在吊臂端设置水平尺对该倾斜度进行监测；提取物尺寸模糊估算可通过图像识别装置，获取提取物的大致大小，并通过BIM的模拟，得到塔吊施工的安全距离；塔身倾斜度监测方法为在塔吊高度的1.5倍水平距离使用监测仪进行监测，得到塔身倾斜度，也可使用水平尺进行数据获取；高度监测方法可通过人工输入，通过BIM端的模拟，得到塔吊施工的安全距离。

吊臂的长度和倾斜度可通过以下方式进行检测：长度角度传感器，在长度角度传感器内安装PCB电路板，长度角度传感器的上部为PCB电路板钢体罩，长度角度传感器的底部为弹簧钢体壳，弹簧钢体壳内设置两组反向弹簧，根据相应装置进行检测，得到吊臂的长度和倾斜度。

获取塔吊的倾斜度，先在离塔吊高度1.5倍水平距离的地方架设经纬仪，瞄准塔吊顶部，利用经纬仪投测下来，做一标记，量出其与底部的水平距离，用正倒镜投点法观测两个测回，取平均值即可。

采用上述技术方案，在施工作业过程中，塔身监测端用于对塔身倾斜度的监测，有效防止塔身出现过度倾斜导致出现意外事故的发生；吊臂倾斜度监测模块用于对塔吊承载的作业物重量的监测，保证作业物重量在塔吊的安全范围内，防止意外事故的发生，高度监测模块、长度监测模块和提取物尺寸模糊估算模块用于确认塔吊的实时状态和实时位置，了解到塔吊的作业物所在位置，将这些数据进行整合，可将塔吊群进行建模，并输入吊臂的运转方向，然后进行仿真，可有效对塔吊群进行管理，在不受到碰撞的情况下，实现最高效的作业效率。

本发明能够实现对塔吊本身进行一系列的安全数据监测，同时能够对多个塔吊形成的塔吊群进行管理，有效防止塔吊的互相碰撞，并有效提高了塔吊群的工作效率。

所述BIM模型端还包括塔吊管理模块，用于对多个塔吊进行编号，并分别存储相应塔吊的信息。

采用上述技术方案，塔吊群进行编号，在进行仿真的过程中，能够更加直观清晰，并且能够快速发出指令，使得操作人员快速了解到更精确的信息，进而快速的对塔吊群进行管理，快速应对出现的突发情况。

所述BIM模型端还包括信息录入模块，用于对塔吊的产品信息、工地的建造信息、维保信息进行手动录入。

采用上述技术方案，BIM模型端能够获取各种信息，包括塔吊的工作范围，作业重量范围，工地实际面积，塔吊磨损度等相关信息，通过工作量布置模块，更加有效快速的完成施工作业，并降低施工费用。

所述塔吊监测端还包括吊车监测端，吊车监测端包括提取物重量监测模块、平衡监测模块、风力监测模块，位置检测模块。

采用上述技术方案，吊车的各种监测模块的使用，能够更加准确的了解到吊车的实时信息，进而提供更加详细的塔吊作业过程中的实时信息，进而实现，更加精确的塔吊的监控，和塔吊作业过程中的维护，管理问题。

吊车可利用设置在上面的重力传感器，对提取物重量进行监测，因上下提升过程中，受风力等的影响，其重量会存在不同的情况，因此需要把提取物本身重量改变范围的因素加以参考；平衡监测也可通过水平尺进行监测，风力监测通过风速传感器进行监测，位置检测模块可通过相对位移传感器进行监测，以确定吊车与塔身的相对位置，进而进行吊车在不同位置提取物重量要求的监测。

所述报警端包括现场报警模块和BIM端报警模块。

采用上述技术方案，多个报警模块便于现场的情况表达和后台作业处的信息收取，既能够及时处理紧急情况，又能够获取更加科学，更加效率的应急处理方式。

本发明塔吊监测系统还包括：无线传输模块、回转传感器、高度传感器、风速传感器、吊重传感器、变幅传感器、倾角检测装置、人脸识别装置、GPS定位仪和显示器。

无线传输模块可使用4G、Wifi、红外等将各种传感器与BIM端进行信号连接，基于红外的传输距离，可在现场设置信号接收点，然后再发送至BIM端，回转传感器可用于控制电机的实时监测，高度传感器用于对吊臂的高度进行检测，因吊臂在提取重物过程中，吊臂的两侧相对高度会发生改变，该项数据可辅助进行安全监控；风速传感器用于对施工作业过程中的风速进行监测，吊重传感器用于对提取重物重量的一个辅助监测；变幅传感器用于对吊车位置的进行监测；倾角检测装置用于对塔身的倾斜度进行实时监测，避免了人工的检测的麻烦，GPS定位仪用于对操作室位置进行检测，人脸识别装置用于对驾驶员进行识别，防止机械被乱用，另外操作人员可通过刷指纹启动，其操作的行为形成的记录也将同步保存，以备调取用之他处。

回转传感器可使用富有回转传感器或GK回转传感器，具有感应效果好，经济成本低等优点；上述各传感器和装置的使用，可以详细的了解到塔吊的实时信息，并将这些信息进行可视化处理，使得人们能够更加直观的了解到相关信息；塔吊监测装置包括但不限于上述中提及的基于BIM模型的塔吊监测与实时报警系统；相应器件可在使用的基础上，实现自由组合。

所述塔吊监测装置还包括摄像头和与摄像头信号连接的显示屏，显示屏安装在塔吊操作室内。

采用上述技术方案，摄像头可以捕获更多的景象，增加了操作人员的视野，有效达到防碰撞的目的。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明提供的基于BIM模型的塔吊监测与实时报警系统能够对塔吊进行实时监测，随时掌握塔吊的信息；

(2)本发明提供的基于BIM模型的塔吊监测与实时报警系统能够有效防止塔吊群发生碰撞的问题；

(3)本发明提供的基于BIM模型的塔吊监测与实时报警系统方便后期的拓展；

(4)本发明提供的基于BIM模型的塔吊监测与实时报警系统具有很好的应用效果，同时具有很高的经济性。

附图说明

图1是本发明实施例系统的结构框图；

图2是本发明实施例系统布置状态示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。

结合附图。

基于BIM模型的塔吊监测与实时报警系统，包括塔吊监测端和BIM模型端，塔吊监测端包括吊臂监测端和塔身监测端，吊臂监测端包括长度监测模块、吊臂倾斜度监测模块、提取物尺寸模糊估算模块；塔身监测端包括塔身倾斜度监测模块、高度监测模块；

BIM模型端包括将塔吊监测端监测的数据进行整合的数据整合模块，用于根据数据整合模块提取的信息进行仿真的仿真模块，用于估算工时的工作量布置模块；

还包括报警端，用于现场产生异常情况或BIM模型端产生异常数据时发出报警。

吊臂长度分为固定长度和可伸缩长度两大类，固定长度可将该长度输入至BIM模型端，通过计算得到安全范围内，可伸缩可根据伸缩的长度，再次进行计算得到安全范围；吊臂倾斜度监测可通过在吊臂端设置水平尺对该倾斜度进行监测；提取物尺寸模糊估算可通过图像识别装置，获取提取物的大致大小，并通过BIM的模拟，得到塔吊施工的安全距离；塔身倾斜度监测方法为在塔吊高度的1.5倍水平距离使用监测仪进行监测，得到塔身倾斜度，也可使用水平尺进行数据获取；高度监测方法可通过人工输入，通过BIM端的模拟，得到塔吊施工的安全距离。

吊臂的长度和倾斜度可通过以下方式进行检测：长度角度传感器，在长度角度传感器内安装PCB电路板，长度角度传感器的上部为PCB电路板钢体罩，长度角度传感器的底部为弹簧钢体壳，弹簧钢体壳内设置两组反向弹簧，根据相应装置进行检测，得到吊臂的长度和倾斜度。

提取物尺寸模糊估算，以成捆棒材为例：

使用智能移动终端采集待计数成捆棒材端点处的端面图像；通过移动终端的触摸屏圈定成捆棒材的待识别边界范围；对待识别边界范围内的棒材端面进行图形识别并对棒材端面进行计数，具体识别算法步骤如下：

获取拍摄棒材的图片，并将RGB位图和相关的尺寸、配置信息传送给图像自动识别引擎；

图像识别引擎将不同直径的棒材端面图像归一化地缩放至每根棒材65个像素，避免因端面图像像素过低导致识别信息不足，或因像素过高而导致图像处理时间过长，同时根据处理任务的不同，缩放为多个不同分辨率的图像并放置于缓存中；

图像识别引擎对图像进行亮度分析，根据分析结果对图像使用不同的均衡和调节算法对图像进行分区域的调节和均衡时图像达到最优的对比度和亮度。

图像识别引擎获取均衡后的图像后，对原图的背景和前景进行分离处理；

根据图像的原始数据，对前后景分离处理后得到的前景图像信息进行补偿和修复，尽可能减少由前后景分离算法误差导致的部分图像信息丢失；

采用形态学重建算法、区块面积尺寸过滤以及修补算法对图像中的杂点和非边缘部分干扰进行处理，降低该部分信息对后期识别的影响；

根据用户绘制的识别边界数据，对图像的mark图像进行剪裁处理；

使用具有图像形状识别能力的Haar分类器引擎对图像中的棒材端面进行识别；

利用由材料颜色、大小、位置、特征识别点等经验信息创建的逻辑判断规则，对被图像识别引擎识别为棒材端面的杂点进行进一步过滤，减少误识别、识别形状交叉、识别形状嵌套等问题；同时在智能移动终端的触摸屏上显示拍摄的原始棒材端面图像，并标示出图像识别引擎识别出的每个棒材端面；

用户根据成捆棒材中包括缩进、黑头在内的异常情况以及图像识别引擎识别出的每个棒材端面的标示情况，增、减棒材计数数量，获得最终计数结果。

如要测某一塔吊的倾斜度，先在离塔吊高度1.5倍水平距离的地方架设经纬仪，瞄准塔吊顶部，利用经纬仪投测下来，做一标记，量出其与底部的水平距离，用正倒镜投点法观测两个测回，取平均值即可。

采用上述技术方案，在施工作业过程中，塔身监测端用于对塔身倾斜度的监测，有效防止塔身出现过度倾斜导致出现意外事故的发生；吊臂倾斜度监测模块用于对塔吊承载的作业物重量的监测，保证作业物重量在塔吊的安全范围内，防止意外事故的发生，高度监测模块、长度监测模块和提取物尺寸模糊估算模块用于确认塔吊的实时状态和实时位置，了解到塔吊的作业物所在位置，将这些数据进行整合，可将塔吊群进行建模，并输入吊臂的运转方向，然后进行仿真，可有效对塔吊群进行管理，在不受到碰撞的情况下，实现最高效的作业效率。

上述技术方案能够实现，对塔吊本身进行一系列的安全数据监测，同时能够对多个塔吊形成的塔吊群进行管理，有效防止塔吊的互相碰撞，并有效提高了塔吊群的工作效率。

所述BIM模型端还包括塔吊管理模块，用于对多个塔吊进行编号，并分别存储相应塔吊的信息。

采用上述技术方案，塔吊群进行编号，在进行仿真的过程中，能够更加直观清晰，并且能够快速发出指令，使得操作人员快速了解到更精确的信息，进而快速的对塔吊群进行管理，快速应对出现的突发情况。

所述BIM模型端还包括信息录入模块，用于对塔吊的产品信息、工地的建造信息、维保信息进行手动录入。

采用上述技术方案，BIM模型端能够获取各种信息，包括塔吊的工作范围，作业重量范围，工地实际面积，塔吊磨损度等相关信息，通过工作量布置模块，更加有效快速的完成施工作业，并降低施工费用。

所述塔吊监测端还包括吊车监测端，吊车监测端包括提取物重量监测模块、平衡监测模块、风力监测模块，位置检测模块。

采用上述技术方案，吊车的各种监测模块的使用，能够更加准确的了解到吊车的实时信息，进而提供更加详细的塔吊作业过程中的实时信息，进而实现，更加精确的塔吊的监控，和塔吊作业过程中的维护，管理问题。

吊车可利用设置在上面的重力传感器，对提取物重量进行监测，因上下提升过程中，受风力等的影响，其重量会存在不同的情况，因此需要把提取物本身重量改变范围的因素加以参考；平衡监测也可通过水平尺进行监测，风力监测通过风速传感器进行监测，位置检测模块可通过相对位移传感器进行监测，以确定吊车与塔身的相对位置，进而进行吊车在不同位置提取物重量要求的监测。

所述报警端包括现场报警模块和BIM端报警模块。

采用上述技术方案，多个报警模块便于现场的情况表达和后台作业处的信息收取，既能够及时处理紧急情况，又能够获取更加科学，更加效率的应急处理方式。

本发明塔吊监测装置，基于上述的基于BIM模型的塔吊监测与实时报警系统，包括无线传输模块、回转传感器、高度传感器、风速传感器、吊重传感器、变幅传感器、倾角检测装置、人脸识别装置、GPS定位仪和显示器。

无线传输模块可使用4G、Wifi、红外等将各种传感器与BIM端进行信号连接，基于红外的传输距离，可在现场设置信号接收点，然后再发送至BIM端，回转传感器可用于控制电机的实时监测，高度传感器用于对吊臂的高度进行检测，因吊臂在提取重物过程中，吊臂的两侧相对高度会发生改变，该项数据可辅助进行安全监控；风速传感器用于对施工作业过程中的风速进行监测，吊重传感器用于对提取重物重量的一个辅助监测；变幅传感器用于对吊车位置的进行监测；倾角检测装置用于对塔身的倾斜度进行实时监测，避免了人工的检测的麻烦，GPS定位仪用于对操作室位置进行检测，人脸识别装置用于对驾驶员进行识别，防止机械被乱用，另外操作人员可通过刷指纹启动，其操作的行为形成的记录也将同步保存，以备调取用之他处。

采用上述技术方案，回转传感器可使用富有回转传感器或GK回转传感器，具有感应效果好，经济成本低等优点；上述一系列传感器的使用，可以详细的了解到塔吊的实时信息，并将这些信息进行可视化处理，使得人们能够更加直观的了解到相关信息；塔吊监测装置包括但不限于上述中提及的基于BIM模型的塔吊监测与实时报警系统；相应器件可在使用的基础上，实现自由组合。

所述塔吊监测装置还包括摄像头和与摄像头信号连接的显示屏，显示屏安装在塔吊操作室内。

采用上述技术方案，摄像头可以捕获更多的景象，增加了操作人员的视野，有效达到防碰撞的目的。