【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于塔机吊装安全监测领域，更具体地，涉及一种基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法及系统。
技术介绍
1、作为当今建筑工地使用率最高的大型施工机械，塔式起重机(塔机)具有起升高度高，回转半径大，有效作业面积广等特点，并且容易拆卸和安装，操作也较为简单，它能将物料及构件准确吊运到建筑楼层的任意位置。由于塔机具有机体庞大、重心高、起吊重量大、作用范围广、运行速度快等特点，导致其在运行过程中蕴含的危险因素较多、事故发生的机率较大。因此，在实际施工过程中，需要对塔机的运行状态进行全面的安全监测，以防范危险事故的发生。然而，在当前塔机状态感知中，由于缺乏适用于准确监测吊钩起吊物体状态的传感器，因此对于作业起吊物体状态难以监测，比如起吊物体的摆动。同时，当前对于塔机安全状态的判断多依赖于人的参与，对相关人员的经验要求较高，而当遇到工人经验不足或操作失误的情况，将无法及时对塔机的危险状态进行识别，从而导致事故发生的概率升高。
2、对于此类塔机安全监测问题，已有机器视觉、模型解算和智能算法的方法被改进和应用，以加强对塔机运行状态的感知，从而进行安全监测。然而，现有的方法虽然提供了有益的探索，但关注点局限于单纯通过传感器监测或者单纯通过模型建立来获取塔机的作业状态，难以对塔机进行全面感知。此外，所获取的监测数据无法由计算机理解，这导致难以实现在塔机操控过程中对危险状态进行自学习和预判断。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于数字孪生语义模
2、为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提出了一种基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，包括模型构建阶段和模型应用阶段，其中：
3、模型构建阶段，包括：
4、构建数字孪生模型：根据塔机实际监测数据，将真实塔机运动状态映射到塔机虚拟模型上，获取仿真运动数据；以塔机实际监测数据和仿真运动数据作为孪生数据；
5、构建塔机安全监测领域本体，并基于行业规范文件生成swrl规则，添加到塔机安全监测领域本体中；
6、构建数字孪生语义模型：将孪生数据与塔机安全监测领域本体对齐，形成塔机安全监测知识图谱；
7、模型应用阶段，包括：
8、在塔机运行过程中，利用塔机实际监测数据对数字孪生语义模型进行实时更新，通过数字孪生语义模型实现塔机安全监测。
9、作为进一步优选的，在模型应用阶段，提取塔机运行过程中造成塔机吊钩危险摆动的操作指令序列，并生成swrl规则补充到塔机安全监测领域本体中，以支持此后同样作业任务下的危险操控预警。
10、作为进一步优选的，所述塔机虚拟模型的构建包括：
11、在虚拟平台，根据塔机几何构型和结构材料构建钢结构模型，根据钢丝绳的几何参数和材料，采用质量弹簧法构建钢丝绳模型；将所述钢结构模型和钢丝绳模型装配，得到三维视觉模型；
12、构建塔机动力学模型，将该塔机动力学模型与所述三维视觉模型绑定，生成可实时操控的塔机虚拟模型。
13、作为进一步优选的，所述塔机动力学模型包括起升机构动力学模型、变幅运动动力学模型和回转运动动力学模型。
14、作为进一步优选的，构建塔机安全监测领域本体，包括：
15、以塔机作为塔机安全监测领域的顶层本体，其下包括五个上层本体：实体塔机本体、操控系统本体、监测系统本体、虚拟塔机本体和危险行为本体。
16、作为进一步优选的，塔机运行过程中产生的孪生数据采用rdf语法，以三元组的形式进行存储。
17、作为进一步优选的，在模型应用阶段，利用知识图谱的知识提取功能实现对历史孪生数据的联合查询，利用一致性检查算法检测数字孪生语义模型的虚实映射功能。
18、作为进一步优选的，所述行业规范文件包括塔机操作手册中的操作要求和施工标准规范。
19、按照本专利技术的第二方面，提供了一种基于数字孪生语义模型的塔机安全监测系统，包括处理器，所述处理器用于执行上述基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法。
20、按照本专利技术的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法。
21、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
22、1.本专利技术利用知识图谱和数字孪生相结合的方法，构建了面向塔机安全监测的数字孪生语义模型，明晰了虚实数据间的关联关系，将计算机难以理解的定性的行业规范与计算机可理解的量化数据相匹配，进而通过塔机虚实融合地实时监测和语义推理实现了塔机安全监测。
23、2.本专利技术通过在线判别和提取危险操控指令序列，并自主生成swrl规则，实现了塔机数字孪生语义模型的在线自完善，以支持塔机吊装危险行为的早期预知和提前预警；可在对塔机状态进行全面准确的感知的同时，实现对塔机的危险状态的自主识别。
24、3.相比传统的塔机安全监测系统，本专利技术在保证对塔机状态全面准确感知的前提下，兼顾了基于知识图谱技术的塔机语义模型的构建，实现了计算机可理解的塔机安全监测过程，从而支持塔机复杂作业过程的智能化监测，实现了塔机安全状态的全感知自学习预判断。
25、4.本专利技术构建了塔机数字孪生模型，通过该模型可以在虚拟空间模拟塔机的吊装过程，判断吊装过程中操控行为的安全性，实现了对吊装操控的预判断，提高了操作安全性。
26、5.本专利技术构建了真实塔机与塔机虚拟模型之间的映射关系，通过数据驱动的方式，实现了实时数据对数字孪生虚拟模型的实时控制，同时通过虚拟模型模拟钢丝绳的行为，解决了现实吊装过程中钢丝绳状态难以测得的问题。
27、6.本专利技术通过模块化建模实现了多领域模型融合，综合了多体动力学和材料力学领域知识，实现了对吊钩安全状态的全面监测。
28、7.本专利技术利用本体建模技术将专家经验、操控行为、虚拟模型和传感网络等计算机不可识别信息分别转化为机器可理解的rdf模型，丰富数字孪生框架的语义。
29、8.本专利技术以知识图谱作为监测数据和仿真结果一致性检查的纽带，实现异构数据源的关联查询与互操作。
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1.一种基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，其特征在于，包括模型构建阶段和模型应用阶段，其中：
2.如权利要求1所述的基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，其特征在于，在模型应用阶段，提取塔机运行过程中造成塔机吊钩危险摆动的操作指令序列，并生成SWRL规则补充到塔机安全监测领域本体中，以支持此后同样作业任务下的危险操控预警。
3.如权利要求1所述的基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，其特征在于，所述塔机虚拟模型的构建包括：
4.如权利要求3所述的基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，其特征在于，所述塔机动力学模型包括起升机构动力学模型、变幅运动动力学模型和回转运动动力学模型。
5.如权利要求1所述的基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，其特征在于，构建塔机安全监测领域本体，包括：
6.如权利要求1所述的基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，其特征在于，塔机运行过程中产生的孪生数据采用RDF语法，以三元组的形式进行存储。
7.如权利要求6所述的基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，其特征在于，
8.如权利要求1-7任一项所述的基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，其特征在于，所述行业规范文件包括塔机操作手册中的操作要求和施工标准规范。
9.一种基于数字孪生语义模型的塔机安全监测系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行如权利要求1-8任一项所述的基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法。
...【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，其特征在于，包括模型构建阶段和模型应用阶段，其中：
2.如权利要求1所述的基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，其特征在于，在模型应用阶段，提取塔机运行过程中造成塔机吊钩危险摆动的操作指令序列，并生成swrl规则补充到塔机安全监测领域本体中，以支持此后同样作业任务下的危险操控预警。
3.如权利要求1所述的基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，其特征在于，所述塔机虚拟模型的构建包括：
4.如权利要求3所述的基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，其特征在于，所述塔机动力学模型包括起升机构动力学模型、变幅运动动力学模型和回转运动动力学模型。
5.如权利要求1所述的基于数字孪生语义模型的塔机安全监测方法，其特征在于，构建塔机安全监测领域本体，包括：
6.如权利要求1所述的基于数字孪生语义模型的塔机安...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢远龙，张鑫，王书亭，徐磊，罗庆良，肖瑞康，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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