CN117150627A - 一种基于3d建模数字孪生的仓库建造方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D建模数字孪生的仓库建造方法，包括以下步骤：步骤S01：以图纸为数据基础，构建仓库平面坐标图以及3D空间立体模型，采用工程常用3D建模软件进行数字化建模；步骤S02：基于3D建模数字孪生的仓库建造***为实现虚拟空间与物理空间的信息整合与交互，以高保真度的虚拟空间立体模型为基础构建智能建造多维模型，并进行数据传输；步骤S03：虚拟建造模型与物理建造实体进行虚实交互，基于3D建模数字孪生的仓库建造***对物理建造实体的施工过程进行动态调控，通过设有智能辅助决策模块以及场景模拟模块，对运行数据进行连续采集和智能分析，提供合理有效的施工方案。
Description
技术领域
本发明涉及仓库建造技术领域，更具体地涉及一种基于3D建模数字孪生的仓库建造方法及***。
背景技术
随着信息技术的不断发展，数字孪生已经引起国内外的广泛重视，数字孪生是连接物理世界和数字世界的纽带，通过建立物理***的数字模型、实时监测***状态并驱动模型动态更新实现***行为更准确的描述与预报，从而在线优化决策与反馈控制，在产品研发的过程中，数字孪生可以虚拟构建产品数字化模型，对其进行仿真测试和验证，生产制造时，可以模拟设备的运转，还有参数调整带来的变化。
但是目前在仓库建造领域，大量通过人员在历史经验来开展仓库建造，无法快速应对突发情况，导致仓库建造效率低下，沿用经验系数来开展检修等任务时，缺乏对当前状态的准确预估，无法提供合理有效的施工方案，同时在仓库建造时无法对仓库结构与承受能力进行工程评估，容易出现工程无法满足投入后使用需求的情况，在仓库建造工程交付后，无法对可能出现的事故隐患，例如火灾等进行模拟，进而无法掌控风险。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种基于3D建模数字孪生的仓库建造方法及***，以解决上述背景技术中存在的问题。
本发明提供如下技术方案：
一种基于3D建模数字孪生的仓库建造方法，包括以下步骤：
步骤S01：以图纸为数据基础，构建仓库平面坐标图以及3D空间立体模型，采用3D建模软件进行数字化建模；
步骤S02：基于3D建模数字孪生的仓库建造***为实现虚拟空间与物理空间的信息整合与交互，以高保真度的虚拟空间立体模型为基础构建智能建造多维模型，并进行数据传输；
步骤S03：虚拟建造模型与物理建造实体进行虚实交互，基于3D建模数字孪生的仓库建造***对物理建造实体的施工过程进行动态调控；
智能建造多维模型公式为：MBDT＝(BPE，BVE，BSs，BDD，BCN)，其中，BPE表示物理建造实体，BVE表示虚拟建造模型，BSs表示基于3D建模数字孪生的仓库建造***，BDD表示仓库全生命周期数据，BCN表示各模块之间的连接。
包括信息采集与传输模块、模型建立模块、智能辅助决策模块以及场景模拟模块；所述信息采集与传输模块对数据进行采集，并传输至模型建立模块，所述模型建立模块对数据进行处理，并建立相应的时间维模型、信息维模型与种类维模型，所述智能辅助决策模块对结构进行施工仿真分析，给出合理的施工方案，并利用数据建立实际监测模型并与理论设计模型进行实时对比，进而对物理空间的实际施工过程进行调整与修正，所述场景模拟模块依据仓库内部结构、用途和内部可燃物等具体情况，在考虑自动灭火***启动和失效两种情况下，通过计算分析对火灾危险性与危害性进行定性或定量的分析评估；
所述理论设计模型公式为：其中，MTD,i为第i个工况的理论设计模型，OGe,i表示第i个工况的理论设计模型的几何信息，Sij表示第i个工况包含的静力学信息，包括内力、空间位置等，Eik表示第i个工况的理论设计模型上的工装、用料、环境等标注信息，mi表示第i个工况的数字孪生模型上的静力学信息的数量，ni表示第i个工况的理论设计模型上标注信息的数量；
所述实际监测模型公式为：其中，MAM,i为第i个工况的实际监测模型，O′Ge,i表示第i个工况的实际监测模型的几何信息，S′ij表示第i个工况实际监测模型包含的静力学信息，包括内力、空间位置等，E′ik表示第i个工况的实际监测模型上的工装、用料、环境等标注信息，m′i表示第i个工况的实际监测模型上的静力学信息的数量，n′i表示第i个工况的实际监测模型上标注信息的数量；
所述场景模拟模块对火灾危险性与危害性进行计算分析的公式为：
其中t为火灾有效燃烧发生后的时间，t0为开始有效燃烧所需的时间，R为货物距火源中心的距离，q为受辐射作用引燃可燃物的最小热通量。
所述信息采集与传输模块包括物理要素单元、感知单元以及网络单元，所述物理要素单元负责采集最原始的物理数据源，并在建造活动中产生多源异构数据传送至虚拟空间，所述感知单元负责数据的感知采集，通过安装在机械设备或建筑材料上的不同类型传感器来进行状态感知、质量感知以及位置感知，同时采集多源异构数据，所述网络单元负责完成数据向虚拟空间的传输，建立一套标准的数据接口与通信协议，实现对不同来源的数据的统一转换与传输，将建造活动的实时数据上传至虚拟空间。
所述模型建立模块包括时间维模型单元、信息维模型单元以及种类维信息单元，所述时间维模型单元包括设计阶段子单元、施工阶段子单元以及反馈修正阶段子单元，所述信息维模型单元在虚拟空间中进行几何建模，通过传感器采集反映仓库物理属性的信息，进行物理建模，将物理属性信息与三维模型进行融合进行行为建模，最终建立起信息维度的数字孪生模型，所述种类维信息单元负责建立BIM模型、有限元模型以及三维激光扫描点云模型。
所述设计阶段子单元在仓库设计阶段建立理论BIM模型与理论有限元分析模型，所述施工阶段子单元在仓库施工阶段为施工模拟、施工方案比对选择等提供指导，所述反馈修正阶段子单元在仓库建造完毕后，将点云数据链接到理论BIM模型中得到修正后的BIM模型，消除实际施工误差。
所述智能辅助决策模块包括方案设计单元与实时修正单元，所述方案设计单元利用BIM技术、有限元技术等建立包含施工人员、机械设备、施工物料、施工环境信息的理论设计模型，所述实时修正单元利用数据建立实际监测模型，与理论设计模型进行实时对比，进而对仓库的实际施工过程进行调整与修正。
所述方案设计单元包括以下步骤：
步骤S11：首先依据设计图纸建立对象BIM模型；
步骤S12：从BIM模型中提取关键节点坐标建立对象有限元模型；
步骤S13：在BIM三维模型中模拟施工对象的复杂施工工艺，在有限元模型中对结构进行施工仿真分析；
步骤S14：给出合理的施工方案。
所述实时修正单元包括以下步骤：
步骤S21：安装在机械设备与施工材料上的各种类传感器实时采集并上传监测数据，包括结构关键构件和节点处的内力、位移等；
步骤S22：利用三维扫描仪建立实际结构的点云模型；
步骤S23：利用以上数据建立实际监测模型，并与理论设计模型实时对比，通过逻辑算法对二者数据进行计算分析，对仓库的实际施工过程进行调整与修正。
所述实际监测模型与理论设计模型进行对比的公式为：
本发明的技术效果和优点：
1.本发明通过设有智能辅助决策模块以及场景模拟模块，有利于采用数字孪生技术，通过对运行数据进行连续采集和智能分析，提供合理有效的施工方案，在进行仓库建造前，通过数字孪生完成对工程的数字化3D建模，在虚拟空间对仓库进行仿真和模拟，评估仓库的结构和承受能力，还可以导入流量，评估仓库是否可以满足投入使用后的需要，在仓库建造工程交付之后，还可以对仓库进行场景模拟，对可能发生的事故隐患进行模拟，掌控风险，并提前掌握应对方案。
附图说明
图1为本发明的基于3D建模数字孪生的仓库建造***结构图。
图2为本发明的基于3D建模数字孪生的仓库建造***流程图。
图3为本发明的时间维模型单元结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，另外，在以下的实施方式中记载的各结构的形态只不过是例示，本发明所涉及的一种基于3D建模数字孪生的仓库建造方法并不限定于在以下的实施方式中记载的各结构，在本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供了一种基于3D建模数字孪生的仓库建造方法，包括以下步骤：
步骤S01：以图纸为数据基础，构建仓库平面坐标图以及3D空间立体模型，采用工程常用3D建模软件进行数字化建模；
步骤S02：基于3D建模数字孪生的仓库建造***为实现虚拟空间与物理空间的信息整合与交互，以高保真度的虚拟空间立体模型为基础构建智能建造多维模型，并进行数据传输；
步骤S03：虚拟建造模型与物理建造实体进行虚实交互，基于3D建模数字孪生的仓库建造***对物理建造实体的施工过程进行动态调控；
所述基于3D建模数字孪生的仓库建造***为物理建造实体以及虚拟建造模型提供数据驱动，利用多传感器与其他数据采集设备实现实际数据感知与传输，通过建BIM模型来实现孪生数据采集，并向物理实体发出优化控制数据，所述基于3D建模数字孪生的仓库建造***包括信息采集与传输模块、模型建立模块、智能辅助决策模块以及场景模拟模块，所述信息采集与传输模块对人员数据、机械数据、物料数据、环境数据、项目成本数据、施工进度数据、施工质量数据以及施工监测数据进行采集，并传输至模型建立模块，所述模型建立模块对数据进行处理，并建立相应的时间维模型、信息维模型与种类维模型，所述智能辅助决策模块对结构进行施工仿真分析，给出合理的施工方案，并通过传感器等实时采集并上传监测数据，利用数据建立实际监测模型并与理论设计模型进行实时对比，通过逻辑算法对二者数据进行计算分析，进而对物理空间的实际施工过程进行调整与修正，所述场景模拟模块依据仓库内部结构、用途和内部可燃物等具体情况，在考虑自动灭火***启动和失效两种情况下，通过计算分析对火灾危险性与危害性进行定性或定量的分析评估；
所述智能建造多维模型公式为：MBDT＝(BPE，BVE，BSs，BDD，BCN)，其中，BPE表示物理建造实体，BVE表示虚拟建造模型，BSs表示基于3D建模数字孪生的仓库建造***，BDD表示仓库全生命周期数据，BCN表示各模块之间的连接；
所述理论设计模型公式为：其中，MTD,i为第i个工况的理论设计模型，OGe,i表示第i个工况的理论设计模型的几何信息，Sij表示第i个工况包含的静力学信息，包括内力、空间位置等，Eik表示第i个工况的理论设计模型上的工装、用料、环境等标注信息，mi表示第i个工况的数字孪生模型上的静力学信息的数量，ni表示第i个工况的理论设计模型上标注信息的数量；
所述实际监测模型公式为：其中，MAM,i为第i个工况的实际监测模型，O′Ge,i表示第i个工况的实际监测模型的几何信息，S′ij表示第i个工况实际监测模型包含的静力学信息，包括内力、空间位置等，E′ik表示第i个工况的实际监测模型上的工装、用料、环境等标注信息，m′i表示第i个工况的实际监测模型上的静力学信息的数量，n′i表示第i个工况的实际监测模型上标注信息的数量；
所述场景模拟模块对火灾危险性与危害性进行计算分析的公式为：其中t为火灾有效燃烧发生后的时间，t0为开始有效燃烧所需的时间，R为货物距火源中心的距离，q为受辐射作用引燃可燃物的最小热通量。
在一个优选的实施方式中，所述3D建模软件为3ds Max、C4D、Maya、SU、Aut℃AD、Zbrush6中的任意一种，在此不作具体限定。
在一个优选的实施方式中，所述信息采集与传输模块包括物理要素单元、感知单元以及网络单元，所述物理要素单元负责采集最原始的物理数据源，例如：施工人员数据、机械设备数据、物料数据等，并在建造活动中产生多源异构数据传送至虚拟空间，所述感知单元负责数据的感知采集，通过安装在机械设备或建筑材料上的不同类型传感器来进行状态感知、质量感知以及位置感知，同时采集多源异构数据，所述网络单元负责完成数据向虚拟空间的传输，建立一套标准的数据接口与通信协议，实现对不同来源的数据的统一转换与传输，将建造活动的实时数据上传至虚拟空间。
在一个优选的实施方式中，所述模型建立模块包括时间维模型单元、信息维模型单元以及种类维信息单元，所述时间维模型单元包括设计阶段子单元、施工阶段子单元以及反馈修正阶段子单元，所述信息维模型单元在虚拟空间中进行几何建模，反映仓库的尺寸、大小、形状、位置关系等几何信息，形成三维模型，通过安装在机械设备或建筑材料上的多类型传感器采集反映仓库物理属性的信息，进行物理建模，包括应力、疲劳、损伤等，将采集到的物理属性信息与三维模型进行融合，并赋予模型行为与反应能力，进行行为建模，可以对建造过程中的人工操作或者***指令做出相应的响应，最后对仓库进行规则建模，包括评价规则、决策规则、预测规则等，并与行为模型进行关联，最终建立起信息维度的数字孪生模型，所述种类维信息单元包括但不限于建立BIM模型、有限元模型、三维激光扫描点云模型等，在此不做具体限定，BIM模型为虚拟空间提供可视化功能，将建造活动进行真实的模拟与展示，并提供施工人员、机械设备、施工物料、施工环境全要素信息，有限元模型进行建造过程实时力学仿真分析，模拟结构的力学性能，三维扫描点云模型提供建造过程的实时位形数据，确保几何模型与实体仓库的高度一致。
在一个优选的实施方式中，所述设计阶段子单元在仓库设计阶段建立理论BIM模型与理论有限元分析模型，同时引入大数据技术进行数据收集与挖掘，构建模型循环修正体系，所述施工阶段子单元在仓库施工阶段为施工模拟、施工方案比对选择等提供指导，物理空间利用传感器采集包含仓库物理信息的实时数据，并利用三维激光扫描仪建立包含仓库几何信息的点云模型，二者经数据融合后为实际监测模型，可作为施工阶段物理对象的实时映射，准确反映真实施工情况，所述反馈修正阶段子单元在仓库建造完毕后，将点云数据链接到理论BIM模型中得到修正后的BIM模型，二者共同作为修正模型，消除了实际施工误差，使得数字孪生模型更接近真实物理对象。
在一个优选的实施方式中，所述智能辅助决策模块包括方案设计单元与实时修正单元，所述方案设计单元利用BIM技术、有限元技术等建立包含施工人员、机械设备、施工物料、施工环境信息的理论设计模型，所述实时修正单元利用数据建立实际监测模型，与理论设计模型进行实时对比，进而对仓库的实际施工过程进行调整与修正。
在一个优选的实施方式中，所述方案设计单元包括以下步骤：
步骤S11：首先依据设计图纸建立对象BIM模型；
步骤S12：从BIM模型中提取关键节点坐标建立对象有限元模型；
步骤S13：在BIM三维模型中模拟施工对象的复杂施工工艺，在有限元模型中对结构进行施工仿真分析；
步骤S14：给出合理的施工方案。
在一个优选的实施方式中，所述实时修正单元包括以下步骤：
步骤S21：安装在机械设备与施工材料上的各种类传感器实时采集并上传监测数据，包括结构关键构件和节点处的内力、位移等；
步骤S22：利用三维扫描仪建立实际结构的点云模型；
步骤S23：利用以上数据建立实际监测模型，并与理论设计模型实时对比，通过逻辑算法对二者数据进行计算分析，对仓库的实际施工过程进行调整与修正。
在一个优选的实施方式中，所述实际监测模型与理论设计模型进行对比的公式为：其中，Sim(MTD,iMAM,i)表示理论设计模型与实际监测模型的相似度，α，β，γ表示几何信息、静力学信息、标注信息在二者对比公式中所占的权重，Sim(MTD,iMAM,i)的值越小，代表实际监测模型与理论设计模型的差异越小，即现场施工过程与施工方案越接近，更符合理论计算的要求。
所述场景模拟模块在虚拟空间设置火源点，通过计算分析不同火源点对各存货区货物的影响，通过计算不同火源点与货物之间的距离来判断是否会对货物产生热辐射引燃，进而判断自动灭火***是否能及时扑灭或控制火灾，进而制定相应的应对方案。
Claims (9)
1.一种基于3D建模数字孪生的仓库建造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S01：以图纸为数据基础，构建仓库平面坐标图以及3D空间立体模型，采用3D建模软件进行数字化建模；
步骤S02：基于3D建模数字孪生的仓库建造***为实现虚拟空间与物理空间的信息整合与交互，以高保真度的虚拟空间立体模型为基础构建智能建造多维模型，并进行数据传输；
步骤S03：虚拟建造模型与物理建造实体进行虚实交互，基于3D建模数字孪生的仓库建造***对物理建造实体的施工过程进行动态调控；
智能建造多维模型公式为：MBDT＝(BPE，BVE，BSs，BDD，BCN)，其中，BPE表示物理建造实体，BVE表示虚拟建造模型，BSs表示基于3D建模数字孪生的仓库建造***，BDD表示仓库全生命周期数据，BCN表示各模块之间的连接。
2.一种用于执行权利要求1所述方法的基于3D建模数字孪生的仓库建造***，其特征在于：包括信息采集与传输模块、模型建立模块、智能辅助决策模块以及场景模拟模块；所述信息采集与传输模块对数据进行采集，并传输至模型建立模块，所述模型建立模块对数据进行处理，并建立相应的时间维模型、信息维模型与种类维模型，所述智能辅助决策模块对结构进行施工仿真分析，给出合理的施工方案，并利用数据建立实际监测模型并与理论设计模型进行实时对比，进而对物理空间的实际施工过程进行调整与修正，所述场景模拟模块依据仓库内部结构、用途和内部可燃物等具体情况，在考虑自动灭火***启动和失效两种情况下，通过计算分析对火灾危险性与危害性进行定性或定量的分析评估；
所述理论设计模型公式为：其中，MTD,i为第i个工况的理论设计模型，OGe,i表示第i个工况的理论设计模型的几何信息，Sij表示第i个工况包含的静力学信息，包括内力、空间位置等，Eik表示第i个工况的理论设计模型上的工装、用料、环境等标注信息，mi表示第i个工况的数字孪生模型上的静力学信息的数量，ni表示第i个工况的理论设计模型上标注信息的数量；
所述实际监测模型公式为：其中，MAM,i为第i个工况的实际监测模型，O′Ge,i表示第i个工况的实际监测模型的几何信息，S′ij表示第i个工况实际监测模型包含的静力学信息，包括内力、空间位置等，E′ik表示第i个工况的实际监测模型上的工装、用料、环境等标注信息，m′i表示第i个工况的实际监测模型上的静力学信息的数量，n′i表示第i个工况的实际监测模型上标注信息的数量；
所述场景模拟模块对火灾危险性与危害性进行计算分析的公式为：
其中t为火灾有效燃烧发生后的时间，t0为开始有效燃烧所需的时间，R为货物距火源中心的距离，q为受辐射作用引燃可燃物的最小热通量。
3.根据权利要求1所述的基于3D建模数字孪生的仓库建造***，其特征在于：所述信息采集与传输模块包括物理要素单元、感知单元以及网络单元，所述物理要素单元负责采集最原始的物理数据源，并在建造活动中产生多源异构数据传送至虚拟空间，所述感知单元负责数据的感知采集，通过安装在机械设备或建筑材料上的不同类型传感器来进行状态感知、质量感知以及位置感知，同时采集多源异构数据，所述网络单元负责完成数据向虚拟空间的传输，建立一套标准的数据接口与通信协议，实现对不同来源的数据的统一转换与传输，将建造活动的实时数据上传至虚拟空间。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D建模数字孪生的仓库建造***，其特征在于：所述模型建立模块包括时间维模型单元、信息维模型单元以及种类维信息单元，所述时间维模型单元包括设计阶段子单元、施工阶段子单元以及反馈修正阶段子单元，所述信息维模型单元在虚拟空间中进行几何建模，通过传感器采集反映仓库物理属性的信息，进行物理建模，将物理属性信息与三维模型进行融合进行行为建模，最终建立起信息维度的数字孪生模型，所述种类维信息单元负责建立BIM模型、有限元模型以及三维激光扫描点云模型。
5.根据权利要求1所述的基于3D建模数字孪生的仓库建造***，其特征在于：所述设计阶段子单元在仓库设计阶段建立理论BIM模型与理论有限元分析模型，所述施工阶段子单元在仓库施工阶段为施工模拟、施工方案比对选择等提供指导，所述反馈修正阶段子单元在仓库建造完毕后，将点云数据链接到理论BIM模型中得到修正后的BIM模型，消除实际施工误差。
6.根据权利要求1所述的基于3D建模数字孪生的仓库建造***，其特征在于：所述智能辅助决策模块包括方案设计单元与实时修正单元，所述方案设计单元利用BIM技术、有限元技术等建立包含施工人员、机械设备、施工物料、施工环境信息的理论设计模型，所述实时修正单元利用数据建立实际监测模型，与理论设计模型进行实时对比，进而对仓库的实际施工过程进行调整与修正。
7.根据权利要求1所述的基于3D建模数字孪生的仓库建造***，其特征在于：所述方案设计单元包括以下步骤：
步骤S11：首先依据设计图纸建立对象BIM模型；
步骤S12：从BIM模型中提取关键节点坐标建立对象有限元模型；
步骤S13：在BIM三维模型中模拟施工对象的复杂施工工艺，在有限元模型中对结构进行施工仿真分析；
步骤S14：给出合理的施工方案。
8.根据权利要求1所述的基于3D建模数字孪生的仓库建造***，其特征在于：所述实时修正单元包括以下步骤：
步骤S21：安装在机械设备与施工材料上的各种类传感器实时采集并上传监测数据，包括结构关键构件和节点处的内力、位移等；
步骤S22：利用三维扫描仪建立实际结构的点云模型；
步骤S23：利用以上数据建立实际监测模型，并与理论设计模型实时对比，通过逻辑算法对二者数据进行计算分析，对仓库的实际施工过程进行调整与修正。
9.根据权利要求1所述的一种基于3D建模数字孪生的仓库建造***，其特征在于：所述实际监测模型与理论设计模型进行对比的公式为：
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311247311.3A CN117150627A (zh) | 2023-09-25 | 2023-09-25 | 一种基于3d建模数字孪生的仓库建造方法及*** |
Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117387559A (zh) * | 2023-12-12 | 2024-01-12 | 华东交通大学 | 基于数字孪生的混凝土桥监测***及方法 |
| CN117726145A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-19 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 电缆巡检处理方法、装置、电子设备和计算机可读介质 |
-
2023
- 2023-09-25 CN CN202311247311.3A patent/CN117150627A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117387559A (zh) * | 2023-12-12 | 2024-01-12 | 华东交通大学 | 基于数字孪生的混凝土桥监测***及方法 |
| CN117387559B (zh) * | 2023-12-12 | 2024-03-12 | 华东交通大学 | 基于数字孪生的混凝土桥监测***及方法 |
| CN117726145A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-19 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 电缆巡检处理方法、装置、电子设备和计算机可读介质 |
| CN117726145B (zh) * | 2024-02-07 | 2024-05-10 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 电缆巡检处理方法、装置、电子设备和计算机可读介质 |
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