三维可视化的塔吊运行预警方法、系统、设备及存储介质与流程

本技术涉及建筑工程领域，具体涉及一种三维可视化的塔吊运行预警方法、系统、设备及存储介质。

背景技术：

1、高层建筑施工中，塔吊设备是必不可少的机械，用来吊施工用的钢筋、木楞、钢管等施工的原材料，塔吊的安全性和整体稳定性关乎整个工程的质量、进度、安全，在整个施工过程中起到了至关重要的作用，一旦发生安全事故，将造成十分重要的影响和损失。

2、塔吊安全作业风险主要表现在吊车司机在进行塔吊工作时因观测角度存在盲区，无法密切顾及吊臂伸展的所有位置，导致在操作塔吊作业过程中极容易直接碰建筑物或者其它工程设施，从而引起事故。

3、现有技术，主要通过信号工在地面观察，发送手势信号，给塔吊工以信号来指挥，但是由于信号工也会存在视觉盲区，且当对现场空间环境认知不足时，容易导致塔吊出现事故。

技术实现思路

1、本技术提供一种三维可视化的塔吊运行预警方法、系统、设备及存储介质，用以解决信号工存在视觉盲区，且当对现场空间环境认知不足时，容易导致塔吊出现事故的问题。

2、第一方面，本技术提供了一种三维可视化的塔吊运行预警方法，方法包括：

3、构建工程区域的三维可视化模型；

4、获取塔吊当前的运行数据和环境数据，并将运行数据和环境数据输入物理引擎，输出塔吊物体的预测运行轨迹；

5、获取塔吊的位置和塔吊参数，并将塔吊的位置和塔吊参数，输入工程区域的三维可视化模型，得到塔吊的影响范围；

6、基于塔吊的影响范围和预设的预警范围，确定目标预警范围；

7、当塔吊物体的预测运行轨迹与目标预警范围重合时，发出预警信号。

8、通过采用上述技术方案，通过构建工程区域的三维可视化模型，可以充分显现工程区域的立体空间信息，为确定塔吊的影响范围提供直观的空间依据。获取塔吊的运行数据和环境数据，运用物理引擎预测塔吊物体的运行轨迹，可以动态模拟出塔吊运动的整体趋势，实现对塔吊运行状态的准确把握。结合三维可视化模型确定的塔吊影响范围参数，可以精确判定塔吊与周边设施之间的空间关系，据此确定目标预警范围，做到对重要部位的重点监控。当塔吊的预测运行轨迹与目标预警范围发生交集时，可以及时发出预警信号，对潜在的安全隐患进行预判和提示，有助于塔吊操作者规避风险。这样，通过三维模型精确刻画空间信息，结合先进的计算手段预测运行趋势，实现对塔吊运行全过程的精确掌控，可以大大提高塔吊作业的安全系数，降低事故发生的概率，确保工程建设的顺利进行。

9、可选的，构建工程区域的三维可视化模型，包括：

10、获取工程区域的地理信息数据和建筑设计数据；

11、基于地理信息数据，通过预设的建模工具进行精细化三维建模，得到工程区域的地表地形三维可视化模型；

12、基于建筑设计数据，通过预设的建模工具进行精细化三维建模，得到工程区域的建筑三维可视化模型；

13、将地表地形三维可视化模型和建筑三维可视化模型按照预设的空间分布位置组装集合，并进行渲染，得到工程区域的三维可视化模型。

14、通过采用上述技术方案，通过获取工程区域的地理信息数据和建筑设计数据，作为构建三维可视化模型的基础数据源。运用建模工具对地形、建筑等要素进行精细化三维建模，得到地表地形三维可视化模型和建筑三维可视化模型。这些单体模型包含了工程区域的各类空间要素信息，还原出工程区域的整体面貌。然后，将这些单体模型按照真实场景的位置关系进行空间集成和组装，进行逼真的渲染处理，最终得到一个包含全要素的工程区域三维可视化综合模型。这样，通过采集实际的设计地理数据，运用专业的三维建模手段，对各类空间要素进行精确还原，再进行空间集成，可以实现对整个工程区域的真实呈现，为后续的塔吊影响范围判定及安全预警提供可靠的三维环境基础。

15、可选的，塔吊参数包括塔吊的最大高度和最大臂长；获取塔吊的位置和塔吊参数，并将塔吊的位置和塔吊参数，输入工程区域的三维可视化模型，得到塔吊的影响范围，包括：

16、以塔吊的位置为圆心，最大臂长为半径，作圆；

17、将圆进行叠加，得到一个高度为塔吊的最大高度圆柱体，圆柱的范围为塔吊的影响范围。

18、通过采用上述技术方案，获取到塔吊的位置坐标、最大高度和最大臂长参数后，以塔吊位置为圆心，最大高度为高，最大臂长为半径，描绘出一个圆柱体。这个圆柱体的三维范围就成为了塔吊的影响范围。这样，通过获取塔吊的基础技术参数，结合三维空间几何关系，可以准确描绘出塔吊运动过程中吊杆能够达到的整体空间。将这个空间映射到三维可视化模型上，就可以直观判定出塔吊对周边区域空间的潜在影响关系。这种基于基础参数推导的影响范围计算方法简单直接，计算过程可控，结果具有较高的准确性。相较于过度依赖经验判断，能够实现对塔吊影响范围的精确刻画，为后续的安全预警分析奠定坚实的基础。

19、可选的，基于塔吊的影响范围和预设的预警范围，确定目标预警范围，包括：

20、基于塔吊的影响范围和预设的预警范围，计算塔吊的影响范围和预设的预警范围的交集，将交集作为目标预警范围。

21、通过采用上述技术方案，在确定了塔吊的影响范围后，将其与预先设置的预警范围进行空间叠加分析，求出两者的交集区域作为最终的目标预警范围。这种做法充分利用了预设预警范围中针对重点区域进行的预判，通过提取与塔吊影响范围相关的部分，可以有效缩小预警的范围，实现对真正重要区域的准确定位。同时，考虑到塔吊运行时影响范围的持续变化，该方式可以动态调整目标预警范围，做到针对性强和实时响应。相较于全范围预警，这种基于影响范围与预警范围交集提取的确定方法，可以提高预警的精确性，避免产生过多的假警报，也便于后续对预警问题的定位分析和处理。

22、可选的，将运行数据和环境数据输入物理引擎，输出塔吊物体的预测运行轨迹，包括：

23、根据运行数据，确定塔吊物体当前的运行方向、运行速度和塔吊物体的重量；

24、根据环境数据，确定塔吊物体所在位置的风速；

25、将当前的运行方向、运行速度、塔吊物体的重量以及塔吊物体所在位置的风速，输入物理引擎，输出塔吊的预测运行轨迹。

26、通过采用上述技术手段，获得塔吊的实时运行数据后，可以解析出当前的运行方向、速度等动力学参数，同时获取所在环境的风速数据。将这些动力学参数和环境数据作为输入，运用物理引擎模拟塔吊的空间运动规律，可以准确预测出塔吊未来一段时间内的运行轨迹。相比经验估计，这种基于实际数据输入的物理仿真可以充分考虑各种动力学因素对运动趋势的影响，预测结果更加接近实际情况。与简单的线性外推相比，这种物理引擎模拟可以展现出轨迹的整体非线性规律。运用先进的计算手段模拟物理运动，可以实现对塔吊运行轨迹的准确预测，为后续的安全预警分析奠定坚实基础。

27、可选的，将当前的运行方向、运行速度、塔吊物体的重量以及塔吊物体所在位置的风速，输入物理引擎，输出塔吊的预测运行轨迹，包括：

28、通过物理引擎根据当前的运行方向、运行速度、塔吊物体的重量以及塔吊物体所在位置的风速进行三维物体空间运动学建模，得到运动模型；

29、根据运动模型进行预计塔吊物体的状态，将状态与观测结果进行匹配，得到观测模型，使用观测模型进行校正塔吊物体的状态；

30、基于无迹卡尔曼滤波对运动模型以及观测模型进行处理，得到预测的塔吊物体的运行轨迹。

31、通过采用上述技术方案，运用物理引擎构建了塔吊的三维空间运动学模型，充分考虑各向同性和非线性影响，可以合理描述塔吊的运动状态。在此基础上，采用模型预测的思路，根据运动学模型预判塔吊状态，再与实际观测进行匹配，校正模型从而获得一个观测模型。这样既利用了运动学模型的先验预测，也融合了实际观测结果的制约。最后，运用无迹卡尔曼滤波算法，对运动学模型预测和观测模型结果进行多轮迭代处理，两者相互修正，最终输出经过精炼的塔吊运行轨迹。这种融合多种优化手段的流程，既考虑了基础的物理特性，也吸收了实际观测信息，再通过算法优化提升精度。相较于单一计算，这种流程可以全面改善预测轨迹的准确性，为后续预警分析提供更加可靠的输入。

32、可选的，基于无迹卡尔曼滤波对运动模型以及观测模型进行处理，包括：

33、确定运动模型以及观测模型在塔吊物体的位姿更新后形成的新的高斯分布；基于无迹卡尔曼滤波对新的高斯分布进行处理。

34、通过采用上述技术方案，获得运动模型和观测模型的预测结果后，将二者进行结合，形成塔吊物体新的高斯分布状态。这种状态集成了先验模型和后验观测的优点，但是其概率分布形态更趋于复杂。为了得到更清晰可用的预测，本方案运用无迹卡尔曼滤波算法对这个新生成的高斯分布进行处理。这种处理不需要前后状态间的连接，通过一系列预测-更新迭代，逐步消除噪声影响，使最终结果更加接近真实运行状态。相比简单叠加，这种算法处理可以进一步提炼有效信息，消除无效因素的干扰。充分利用算法优化的能力，可以使复杂的物理状态预测达到更高的精度，为后续的安全预警判断提供准确可靠的运动预测支持。

35、在本技术的第二方面提供了一种三维可视化的塔吊运行预警方法系统，包括：

36、三维可视化模型构建模块，用于构建工程区域的三维可视化模型；

37、运行轨迹预测模块，用于获取塔吊当前的运行数据和环境数据，并将塔吊的运行数据和环境数据输入物理引擎，输出塔吊物体的预测运行轨迹；

38、塔吊的影响范围确定模块，用于获取塔吊的位置和塔吊参数，并将塔吊的位置和塔吊参数，输入工程区域的三维可视化模型，得到塔吊的影响范围；

39、目标预警范围确定模块，用于基于塔吊的影响范围和预设的预警范围，确定目标预警范围；

40、预警模块，用于当塔吊物体的预测运行轨迹与目标预警范围重合时，发出预警信号。

41、在本技术的第三方面提供了一种计算机存储介质，计算机存储介质存储有多条指令，指令适于由处理器加载并执行上述的方法步骤。

42、在本技术的第四方面提供了一种电子设备，包括处理器、存储器、用户接口及网络接口，存储器用于存储指令，用户接口和网络接口用于给其他设备通信，处理器用于执行存储器中存储的指令，以使电子设备执行上述的方法。

43、综上，本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

44、1、本技术通过构建工程区域的三维可视化模型，可以充分显现工程区域的立体空间信息，为确定塔吊的影响范围提供直观的空间依据。获取塔吊的运行数据和环境数据，运用物理引擎预测塔吊物体的运行轨迹，可以动态模拟出塔吊运动的整体趋势，实现对塔吊运行状态的准确把握。结合三维可视化模型确定的塔吊影响范围参数，可以精确判定塔吊与周边设施之间的空间关系，据此确定目标预警范围，做到对重要部位的重点监控。当塔吊的预测运行轨迹与目标预警范围发生交集时，可以及时发出预警信号，对潜在的安全隐患进行预判和提示，有助于塔吊操作者规避风险。这样，通过三维模型精确刻画空间信息，结合先进的计算手段预测运行趋势，实现对塔吊运行全过程的精确掌控，可以大大提高塔吊作业的安全系数，降低事故发生的概率，确保工程建设的顺利进行。

45、2、本技术通过获取工程区域的地理信息数据和建筑设计数据，作为构建三维可视化模型的基础数据源。运用建模工具对地形、建筑等要素进行精细化三维建模，得到地表地形三维可视化模型和建筑三维可视化模型。这些单体模型包含了工程区域的各类空间要素信息，还原出工程区域的整体面貌。然后，将这些单体模型按照真实场景的位置关系进行空间集成和组装，进行逼真的渲染处理，最终得到一个包含全要素的工程区域三维可视化综合模型。这样，通过采集实际的设计地理数据，运用专业的三维建模手段，对各类空间要素进行精确还原，再进行空间集成，可以实现对整个工程区域的真实呈现，为后续的塔吊影响范围判定及安全预警提供可靠的三维环境基础。

46、3、本技术获取到塔吊的位置坐标、最大高度和最大臂长参数后，以塔吊位置为圆心，最大高度为高，最大臂长为半径，描绘出一个圆柱体。这个圆柱体的三维范围就成为了塔吊的影响范围。这样，通过获取塔吊的基础技术参数，结合三维空间几何关系，可以准确描绘出塔吊运动过程中吊杆能够达到的整体空间。将这个空间映射到三维可视化模型上，就可以直观判定出塔吊对周边区域空间的潜在影响关系。这种基于基础参数推导的影响范围计算方法简单直接，计算过程可控，结果具有较高的准确性。相较于过度依赖经验判断，能够实现对塔吊影响范围的精确刻画，为后续的安全预警分析奠定坚实的基础