虚拟原型（VP）视角下施工机械操作自动化模拟机理研究

Due to the complex and dynamic environment, non-repeated processes, and complicated motions of construction equipment operations (CEOs), current Virtual Prototyping (VP) -related process simulation approaches are not yet suitable for the automated simulation of CEOs. Aiming at the selection, location, path planning, and motions of construction equipment, this research makes an effort to study the automated simulation mechanism of CEOs via integrating VP, robotic path planning method (e.g. Rapidly-exploring Random Trees, RRT), and Inverse Kinematics (IK). Specifically, it involves the VP-based automated generation mechanism of construction equipment workspace, the VP-based automated selection and location algorithms of construction equipment; the approach to converting VP to the space for obstacles and C-space (Configuration Space) needed by RRT, the mechanism of RRT-based automated path planning; the rules for integrating construction methods with the specific operations of construction equipment, the VP-based automated generation mechanism of specific operations, the IK-based automated generation mechanism of construction equipment motions; and the VP-based visualized simulation mechanism of CEOs. This research may provide a new idea and theory for the research and practice in the automated and visualized simulation of CEOs in the future.

由于施工机械作业环境的复杂性与多变性、作业过程的惟一性及作业行为的复杂性，现有虚拟原型（VP）相关过程模拟方法仍难以自动模拟施工机械的操作行为。本研究将针对施工机械的选取与定位、路径规划与作业行为，通过集成虚拟原型方法、机器人路径规划方法（RRT）、逆运动学（IK）等方法，研究施工机械操作自动化模拟机理。具体而言，基于VP构建机械自动选取算法；通过研究机械作业空间自动生成机制，建立基于VP的机械自动定位算法；通过研究VP与RRT环境模型、C-space之间的映射方法与机制，建立基于RRT的施工机械自动寻径机理；通过构建施工方法与机械操作的匹配规则，研究基于VP的机械操作步骤自动生成机理，以及基于IK的机械作业行为自动生成机理；在上述研究基础上，结合VP进一步研究机械操作可视化模拟机理。本研究可为施工机械操作可视化、自动化模拟研究与实践提供新的思路与理论支持。

施工生产力水平低下、安全事故频发，是全球建筑业面临的难以逾越的问题。特别是，施工机械的配置与操作，既影响到施工作业的效率，又影响到施工作业的安全。目前，施工机械操作规划主要依据工程师或操作人员的经验，结合目标物的体量和位置、机械相关参数、二维图纸、进度计划等进行分析，难以满足现场作业实际需要。将先进的管理理念与信息技术引入建筑业以提高施工生产与管理的效率和效益，一直受到国内外专家与学者的广泛关注。近年来，虚拟原型（Virtual Prototyping, VP）思想越来越得到行业认可。然而，由于施工机械作业环境的复杂性与多变性、作业过程的惟一性及作业行为的复杂性，现有虚拟原型相关过程模拟方法仍难以自动模拟施工机械的操作行为。为此，本项目通过集成虚拟原型、机器人路径规划等方法，研究了施工机械操作自动化模拟机理。一是针对施工机械选取与定位，通过研究机械作业空间自动生成机制和机械操作信息需求，构建了基于虚拟原型的施工机械自动选取与定位算法；二是针对施工机械操作路径规划，通过研究VP模型与RRT（Rapidly-exploring Random Trees）的C空间之间的自动映射方法以及VP 模型与RRT环境模型之间的互动方法，建立了动态作业环境下施工机械操作自动寻径算法；三是针对机械作业行为模拟，通过研究施工机械操作步骤及相应动作序列自动生成机制，建立了基于虚拟原型的施工机械操作行为可视化模拟算法，并开发了原型系统以测试研究成果。测试结果表明，本项目建立的施工机械操作自动化模拟机理是有效的、可行的。本项目成果不仅可以为施工过程智能模拟和施工作业自动化研究提供基本方法支持，而且可以直接服务于施工生产实践，如辅助施工规划等，因此具有较好的科学意义和实践意义。