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基于CAD的用于核电站建设的起重机部署计划4D评估系统
1、摘要:优化起重机部署计划是降低建造成本的重要问题。以前的研究集中在自动开发找到最佳起重机部署计划的方法，其最小化在物理约束，例如负载能力下的总操作时间。这些研究没有关注在施工期间起重机利用率的评估转变。与一般的高层建筑不同，核电厂（NPP）的施工计划往往不会采取一般建筑周期中的一系列施工周期形式。因此，在建设核电厂时，需要评估起重机利用率的变化。
本文的目的是开发一个基于4D CAD的评估系统，该系统自动计算利用率的转换，用于在建设核电厂时规划起重机部署。为了自动和准确地计算利用率，开发了两个功能。第一个函数通过使用基于“轴对齐边界框”的快速几何干涉检查方法在3D对象和携带任务之间映射数据。第二个函数通过使用数据挖掘来估计早期施工规划阶段中的安装材料数量技术，称为“随机森林”。基于先前施工数据的验证测试的结果表明，所提出的系统将明显减少创建起重机部署计划所需的时间并提高其准确性。
2、绪论：核电厂（NPP）由许多分类为机械，电气和暖通空调（加热，通风和空调）的设施组成。例如，设备数量达到几千，管道部件的总长度达到100,000公里。这些设施复杂地布置在由厚混凝土墙包围的几百个区域中。与一般的高层建筑不同，一个NPP的楼层计划根据地势差异很大，因此NPP的施工进度往往不会采取一般建筑周期的一系列施工周期的形式。因此，作为一个项目，建设一个核电厂是如此庞大和复杂，需要几年和几十亿美元完成，任何延误项目造成巨大的损失。
NPP [1,2]采用“开顶施工法”。对于这种方法，在建筑物和安装设施中所涉及的活动在核电厂的施工现场同时进行。虽然这种方法可以减少施工期，但是它需要在负责建筑框架工作和设备工作两种类型的活动的公司之间共享起重机。因此，正确制定起重机的部署计划，包括起重机的数量，起重机的位置以及使用起重机的时间表，对于防止建筑项目的延误至关重要。
在效率方面，部署起重机的计划的质量取决于计划者根据他们的经验的专有技术。如果起重机的要求超过起重机的能力，并且预测延误，则必须部署额外的起重机，并且必须安排超时工作。这些措施自然增加成本。为了解决这个问题，有必要开发一种能够创建鲁棒计划的系统，而不需要熟练的规划者基于从关于建筑数据的先前统计提取的规则。
定量评估起重机部署计划的方法之一是估算起重机的利用率。它需要确定哪些起重机分配给哪种材料。然而，存在的问题是用于构造NPP的材料的数量太大，以至于不能手动地确定起重机的分配。此外，还有一个问题是，在起重机部署的早期规划阶段中所需的材料的数量和要建造的设施的数量是不确定的。这是因为当时由于工程和建筑规划之间的并行性，NPP的工程还不完整。
研究方法有效地创建准确的起重机部署计划，黄等开发了一种用于自动创建塔式起重机部署计划的规划方法（采用混合整数线性规划技术），这是一种应用“粒子蜂算法”的方法。这些方法自动计算起重机部署计划; 然而，这些研究主要针对普通高层建筑，因此它们不涉及起重机利用率的转变。这是因为一般高层建筑，在典型的楼层的施工进度往往采取一系列建筑周期的形式。另一方面，根据地势，NPP的楼层计划差别很大，因此起重机利用率可能因地区而有很大差异。评估起重机利用率的转变在NPP构造中是重要的，以减少偏差并提高生产率。
此外，这些研究不涉及如何准备输入数据，例如每个起重机承载的材料量。为了减少人力来准备输入数据，万玲开发了“火焰算法”与建筑信息建模（BIM）。在这项研究中，每个起重机承载的材料数量是根据建筑BIM（C-BIM）自动计算的，其中包括建筑支撑模型，如脚手架和模板。然而，在核电厂的建设中，C-BIM并没有完全形成。例如，通常情况下，支持模型不是作为3D模型创建，而是作为2D模型创建。此外，在早期规划阶段，某些种类的材料（如管道组件）的数量未固定。因此，材料量的增加是最佳起重机部署计划的关键问题。
为了评估基于起重机部署计划和施工进度的起重机利用率的变化，我们集中在集成3D模型和时间维度的4D CAD。 4D CAD用于将施工进度可视化为用于验证施工计划的直观动画[6-9]。作为这些研究的结果，4D CAD变得如此普遍，以至于商业3D CAD软件包括它的功能。最近，李康开发了基于4D CAD的模拟系统，用于评估和可视化建设项目中涉及的风险。
在这项研究中，开发了一个用于评估和可视化起重机部署计划的有效性的模拟系统。4D CAD用于计算起重机利用率的转换，并使用称为“随机森林”（RF）的数据挖掘技术在早期规划阶段计算来自不完全C-BIM的物质数量。
- 起重机部署规划：
3.1起重机部署：为了有效地建设核电厂的建筑设施，正确部署起重机是重要的。在构造NPP塔式（在固定位置固定时上下移动）和履带式（可上下移动并且可以通过履带沿地面移动）的两种类型的起重机被部署。如图1所示。如图1所示，起重机可以操作的区域（以下称为“操作区域”）被建模为半径等于起重机的操作半径的圆柱体。如图2所示，所有材料和设施必须由起重机的操作区域覆盖。起重机的数量也是一个关键考虑因素。如果太低，起重机的利用率将超过其能力。另一方面，过多的起重机导致大的成本并且可能引起运行的起重机之间的物理干扰。此外，还必须考虑起重机的载荷极限。
3.2进货时间表：建筑物框架工作和设备工作的序列，特别是用于在建筑物中携带设备和管道部件的序列，如图3所示，在步骤1和2中，构建区域的地板和墙壁。在步骤3中，诸如设备和管道部件的设施从起重机被从上方运载到这些区域中。在步骤4中，构建天花板。在步骤4之后，设施安装在这些区域。这种顺序的主要原因是，在添加区域的天花板之后，大型设施不能通过建筑物的输送入口运输到区域。虽然这一系列的建筑工程和一个地区的机械和电气工程是串行进行的，但这些工程在几个地区同时进行。
在建筑物内进行的材料和设施分为两种类型：（a）建筑框架工程，例如结构，钢筋，模具和脚手架，以及（b）机械和电气工程，如设备，管道组件，金属部件和脚手架。
工作计划中的每个活动都有属性，如建筑名称，地形名称，NPP系统的名称和图号。这些属性使得可以将活动自动链接到3D对象，这在下文中称为映射。映射的示例在图4中示出。假设活动具有执行它们的区域名称，并且3D对象具有作为携带或安装它们的区域名称。因此，可以根据区域名称自动创建活动和3D对象之间的映射。
3.3起重机分配材料数量：起重机的数量受到建筑工地可用空间以及起重机的交付和运营成本的限制。因此，负责建筑工程和机电工程的公司必须共享起重机。
起重机的操作区域必须尽可能多地重叠，使得每个起重机的依赖性减小并且可以减少延迟的风险。
为了计算起重机的利用率，必须为每个3D对象分配起重机。图5示出了两个起重机的操作区域重叠的情况下的分配的示例。管道1可以由起重机1承载，管道3可以由起重机2承载。另一方面，管道2可以由两个起重机1和2承载。在该研究中，管道2的数量是平均分配给两台起重机，因为它的分配在早期规划阶段并不那么重要。在详细规划阶段，根据一些指标，如距离，利用率和起重机规格，管道2应分配给起重机1或起重机2。
3.4管道组件数量：当计算起重机的利用率时，由于设计和施工规划之间的并行性，当时核电厂的详细设计尚未完成，因此所运载的材料和设施的数量是不确定的。对于作为预制管道部件的单元的管道卷轴，通过制造，运输，安装和焊接考虑可操作性和成本来进行设计过程。因此，完成设计过程需要很长时间。图6显示了管道组件和管道阀芯的示例。
数量已经根据参考工厂中的数据以及建造中的当前工厂和参考工厂的建筑物尺寸（例如，地板和地板空间数量）之间的差异进行了预测。这种方法可以精确预测在以单位计算时的数量。然而，当以更详细的单位（例如面积）预测量时，预测精度变差。这是关于预测起重机的利用率的问题，因为起重机操作区域小于地板空间。
4、用于模拟起重机部署的系统
该系统的目的是提高起重机部署计划的质量。为了解决上述问题，在开发的起重机-部署模拟系统中应用4D仿真技术和称为“随机森林”的数据挖掘技术。 系统的功能描述如下。
第一个函数通过使用称为“快速几何干涉检查”的方法在3D对象，携带任务和起重机之间映射数据。计算时间是一个重要问题，如下面的小节所述。第二个通过使用称为“随机森林”的数据挖掘技术来估计在建筑规划的早期阶段的安装材料的数量，该数据挖掘技术从先前项目的结果推断数据。
4.1系统配置：开发系统的配置如图7所示。输入到系统中的数据包括起重机的规格和位置数据，工厂3D模型，施工计划，以及每种材料的搬运的工作时间的基本单位。规格和位置数据包括起重机的操作半径和起重机部署的点的坐标。工厂3D模型至少包括建筑物框架，大型设备和大直径管道（即使它们没有被分割成卷轴）。3D对象数据包括形状和属性的参数，例如系统名称，图形号和重量。施工进度数据包括名称，开始日期，最后日期和用于指定工作细节（例如工作区域）的属性。
在步骤1中，根据规格和位置数据在工厂3D模型中创建起重机的3D模型。
在步骤2中，描述为“映射：起重机-工厂3D”的功能连接其可以携带到建筑物中的工厂3D模型中的起重机和3D对象。
在步骤3中，被描述为“映射：计划工厂3D”的功能通过匹配它们的属性来连接工厂3D模型中的施工进度表和3D对象中的活动。
在步骤4中，称为“预测量”的函数基于工厂3D模型计算混凝土，钢筋，设备和管线阀芯的量。此外，在完成管线卷轴的工程之前，该功能根据以前项目中的3D模型预测管线卷轴的数量。
在步骤5中，称为“计算起重机利用率”的函数计算起重机的利用率。利用率是指特定期间起重机以月或周为单位的运行时间。它是基于进料时间的数量和基本单位计算的。基本单位运载时间，这意味着起重机将材料或设施之一运载到建筑物中所花费的操作时间是基于先前项目的结果来决定的。 这些值是为每种材料和设施定义的。
最后，在步骤6中，称为“可视化”的功能以2D或3D图形的形式可视化起重机的预测利用率。
4.2. 创建起重机的3D模型：该系统具有使用户能够容易地在3D模型上部署起重机的接口。界面的图像，如图8所示，用户可以添加和删除起重机的名称和规格（如操作半径），并修改其位置和规格。起重机可以使用此接口手动部署，也可以使用文本数据（其格式如表1所示）的输入功能自动部署。对于起重机的3D模型，已经创建了一些模板，并且将在起重机的每个位置处附接到NPP的3D模型。
4.3起重机和3D模型之间的映射：为了确定哪些3D对象位于每个起重机的操作区域内，可以使用由商业3D-CAD软件提供的干涉检查功能。例如，起重机的操作区域可以被建模为气缸，并且可以执行气缸和构成NPP的3D对象之间的干涉检查。然而，这种检查需要很长的时间来计算干扰的可能性。这是因为干涉检查功能精确地考虑了3D对象的详细形状。 当必须评估几个部署计划时，此计算时间是一个重要问题。因此，开发了使用“轴对齐边界框”（AABB）的快速干涉检查方法。
在起重机操作区域中的3D物体和管道组件之间的干涉检查的图像在图9中示出。
当圆柱体的中心轴线与AABB的边缘的交点之间的距离小于起重机半径时，3D对象和起重机被认为是干扰的。
4.4计划和3D模型之间的映射：为了将施工进度表的活动与3D对象相关联，可以使用它们的属性的匹配。例如，可以基于执行活动的区域的名称与3D对象所位于的区域的名称匹配来链接它们。
另外，在3D对象没有被给予属性的情况下，开发了用于在简单输入数据的基础上附加诸如区域名称的属性的功能。输入数据是其中将区域名称手动分配给由建筑物的基线分隔的每个体素的文本数据。然后，通过使用AABB的快速干扰检查将具有它们的区域名称的体素链接到3D对象。结果，给每个3D对象其所在的区域名称命名。
4.5计算3D对象的数量：通常情况下，3D对象和数量不能容易地链接，因为由于未完成的NPP的详细设计，建筑工程的属性不足。对于管道部件，在完成包括焊接点和管道阀芯的详细设计之前，不可能计算阀芯的数量，这相当于将被输送到建筑物中的管道部件的数量。在这种情况下，需要基于未被卷绕的管道对象的长度以及诸如直径的其它属性来预测卷轴的数量。该预测方法在下一部分中详细描述。
对于设备，基于诸如设备ID，设备的部件名称和构成设备的3D对象的数量的属性来对数量进行计数。至于建筑工程（例如钢筋）的材料，它们的数量是基于构成建筑物框架的物体的空间和体积预测的。
关于需要通过起重机运送到建筑物中的材料，钢筋的量基于混凝土体积计算。具体体积由建筑物框架的3D对象组成的体积计算。此外，钢框架的数量基于3D对象的数量和体积进行计算。
考虑其他材料如脚手架的数量，它们不是在工厂3D模型中设计的，因此其数量难以直接计算，我们使用墙壁和天花板的表面积，以及建筑物中根据3D对象计算的每个区域的体积。
4.6管道阀芯数量预测：下面详细描述用于预测未由线轴分组的线轴数量的数据挖掘技术。
该方法的输入参数是管道对象的长度，以该管对象所属的配管线路的长度，管子的直径，在其中它位于建筑物的类型，即它属于核电站系统的名称，以及数的弯管。输出参数是管道线路中线轴的平均长度。要确定管道对象的数量，对象的实际长度除以预测的管段平均长度。 “随机森林”（RF）适用于确定输入参数和输出参数之间的关系。 RF是一个“集成学习技术”，使用多种学习算法的弱学习并合并他们的预测准确预测的东西。它使用决策树（或回归树）作为弱学习者。
决策树（回归树）的技术通过使用树结构将
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