綠色智能建造概論 課件全套 第1-7章 緒論- 建筑綠色智能運(yùn)維

綠色智能建造

一、緒論二、綠色智能建造技術(shù)三、綠色智能建造軟件四、綠色智能建造裝備五、綠色建造設(shè)計(jì)六、綠色智能施工七、綠色智能維運(yùn)目錄21.1、智能建造1.2、綠色建造1.3、綠色智能建造智能建造的重要性中國(guó)工程建造的歷史性發(fā)展：

改革開放以來，中國(guó)土木工程取得了重大成就，從大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)到標(biāo)志性工程項(xiàng)目的涌現(xiàn)。國(guó)家經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)：

建筑行業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，在推動(dòng)城鎮(zhèn)化、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。智能建造的背景與契機(jī)：

面對(duì)全球建筑行業(yè)資源耗費(fèi)和環(huán)境壓力，中國(guó)智能建造的轉(zhuǎn)型升級(jí)迎來了前所未有的歷史機(jī)遇。政策驅(qū)動(dòng)與技術(shù)支持重要指示：

在2019年新年賀詞中提出“中國(guó)制造、中國(guó)創(chuàng)造、中國(guó)建造共同發(fā)力，繼續(xù)改變著中國(guó)的面貌”。全球領(lǐng)先的建筑規(guī)模：

根據(jù)阿卡迪全球建筑資產(chǎn)財(cái)富指數(shù)，中國(guó)建筑資產(chǎn)規(guī)模已超過美國(guó)，成為全球最大的建筑市場(chǎng)。政策與技術(shù)雙輪驅(qū)動(dòng)：

智能建造背后，政策引導(dǎo)與技術(shù)創(chuàng)新并行，為建筑行業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型提供了有力支持。1.1.1智能建造的背景1.1.1智能建造的背景重大工程領(lǐng)域的突破：

在超高層建筑、大跨度空間結(jié)構(gòu)、跨江跨海超長(zhǎng)橋隧領(lǐng)域，我國(guó)已處于世界領(lǐng)先地位，并創(chuàng)造了多個(gè)世界第一。高鐵建設(shè)的全球名片：

中國(guó)高鐵建設(shè)不僅在國(guó)內(nèi)構(gòu)建了便捷的交通網(wǎng)絡(luò)，也成為全球基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的標(biāo)桿。結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新：

以鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)、大跨度空間結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)等為代表的新型技術(shù)，已經(jīng)成為全球工程建設(shè)的先進(jìn)典范，具有資源節(jié)約、提升安全、改善品質(zhì)、減少勞動(dòng)力等多重優(yōu)勢(shì)。我國(guó)工程建造科技的國(guó)際地位

建筑行業(yè)貢獻(xiàn)了全球40%的能源消耗、40%的固體廢棄物產(chǎn)生、38%的溫室氣體排放和12%的水資源消耗。

2021年中國(guó)建筑全過程碳排放總量達(dá)到了40.7億噸CO2，占全國(guó)能源相關(guān)碳排放的38.2%。

在碳達(dá)峰、碳中和政策推動(dòng)下，建筑行業(yè)減排壓力巨大，亟需通過技術(shù)創(chuàng)新和模式轉(zhuǎn)型來降低碳足跡。1.1.1智能建造的背景建筑行業(yè)的環(huán)境挑戰(zhàn)“雙碳”背景下的減排壓力:我國(guó)建筑碳排放的現(xiàn)狀：全球建筑業(yè)資源耗費(fèi)和環(huán)境影響：010203傳統(tǒng)模式的劣勢(shì)：

傳統(tǒng)建筑模式工業(yè)化程度低，依賴大量勞動(dòng)力，生產(chǎn)方式落后且效率不高，難以滿足現(xiàn)代需求。勞動(dòng)力減少的挑戰(zhàn)：

隨著人口老齡化加劇，勞動(dòng)力供給逐步減少，傳統(tǒng)建造模式面臨持續(xù)轉(zhuǎn)型升級(jí)的緊迫性。1.1.1智能建造的背景傳統(tǒng)建造模式的問題1.1.1智能建造的背景智能化轉(zhuǎn)型的必要性提升勞動(dòng)生產(chǎn)率的需求：

通過技術(shù)和生產(chǎn)模式的變革提升行業(yè)生產(chǎn)率，減少對(duì)勞動(dòng)力的依賴，成為建筑行業(yè)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的核心途徑。智能化轉(zhuǎn)型的方向：通過智能技術(shù)應(yīng)用，推動(dòng)行業(yè)向工業(yè)化、信息化、智能化方向發(fā)展，順應(yīng)全球建筑業(yè)現(xiàn)代化趨勢(shì)。3D建筑機(jī)器人智能施工系統(tǒng)信息技術(shù)推動(dòng)的建造變革01物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算與AI的驅(qū)動(dòng)新一代信息技術(shù)正在推動(dòng)建筑行業(yè)進(jìn)行深刻的變革，賦予建筑項(xiàng)目從設(shè)計(jì)到施工全流程智能化能力。3D打印技術(shù)的應(yīng)用3D打印技術(shù)為土木工程建造提供了新的實(shí)現(xiàn)方式，具備快速成型、精準(zhǔn)制造等優(yōu)勢(shì)，有效提升建筑效率。大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合信息技術(shù)的融入，將徹底改變碎片化、粗放式的建筑模式，實(shí)現(xiàn)建筑全過程的智能化管控。1.1.1智能建造的背景0203多維度節(jié)約：

智能建造通過技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，帶來了節(jié)水、節(jié)能、節(jié)時(shí)、節(jié)材、節(jié)地等綜合效益，大幅提升項(xiàng)目整體效益。綠色建造與可持續(xù)發(fā)展：

隨著智能技術(shù)普及，綠色建造理念逐步深入，推動(dòng)建筑業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。智能建造帶來的效益1.1.1智能建造的背景不同行業(yè)智能化應(yīng)用比例美國(guó)：自2007年起，美國(guó)通過規(guī)定重要項(xiàng)目使用BIM技術(shù)，以推動(dòng)低碳綠色建造；2017年發(fā)布的《美國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施重建戰(zhàn)略規(guī)劃》進(jìn)一步強(qiáng)化建造過程的智能化發(fā)展。新加坡：作為最早應(yīng)用BIM技術(shù)處理建筑全生命周期管理的國(guó)家，新加坡在2015年要求所有公私建筑項(xiàng)目全面導(dǎo)入BIM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效建筑管理。英國(guó)：英國(guó)在《英國(guó)建造2025》戰(zhàn)略中提出，增加裝配式建筑比例，提升BIM應(yīng)用水平，推進(jìn)智能技術(shù)在建筑業(yè)中的廣泛應(yīng)用。日本：日本通過“i-Construction”戰(zhàn)略，設(shè)定了提高建筑生產(chǎn)率和安全性等目標(biāo)，將三維數(shù)據(jù)與施工生產(chǎn)過程全面結(jié)合。德國(guó)：德國(guó)發(fā)布《數(shù)字化設(shè)計(jì)與建造發(fā)展路線圖》，在工業(yè)4.0背景下，通過推廣BIM優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)精度和成本控制，并推動(dòng)建筑業(yè)的數(shù)字化升級(jí)。各國(guó)智能建造戰(zhàn)略概覽1.1.1智能建造的背景國(guó)家戰(zhàn)略推動(dòng)：

2018年，強(qiáng)調(diào)要推進(jìn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化融合發(fā)展。此后，國(guó)家高度重視智能建造發(fā)展，并逐步制定和完善相關(guān)政策體系。頂層設(shè)計(jì)形成：

2020年后，國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合多個(gè)部門出臺(tái)了《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》，形成智能建造的頂層制度設(shè)計(jì)。各國(guó)智能建造戰(zhàn)略概覽1.1.1智能建造的背景各省市政策響應(yīng)：

重慶、廣東、陜西等多地積極響應(yīng)國(guó)家政策，出臺(tái)了推動(dòng)智能建造發(fā)展的實(shí)施意見，推動(dòng)相關(guān)任務(wù)落實(shí)落地。

2022年11月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部將北京市、天津市、重慶市等24個(gè)城市列為智能建造試點(diǎn)城市，試點(diǎn)期為3年，全面推動(dòng)智能建造試點(diǎn)示范。地方響應(yīng)與試點(diǎn)1.1.1智能建造的背景試點(diǎn)城市：2020年7月:《關(guān)于推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出，到2025年，我國(guó)將建立智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的政策體系和產(chǎn)業(yè)體系，推動(dòng)中國(guó)建造進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先行列。2021年3月:《加快培育新型消費(fèi)實(shí)施方案》提出，加快發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑，推動(dòng)智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展。2021年8月:民航局發(fā)布《關(guān)于推動(dòng)民航智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的行動(dòng)方案》，提升民航建設(shè)管理水平，推動(dòng)智能建造示范性項(xiàng)目的形成。2021年11月:《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，實(shí)施智能建造能力提升工程，培育智能建造產(chǎn)業(yè)基地，推動(dòng)建筑業(yè)數(shù)字化升級(jí)。2022年6月:《城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案》提出，到2030年，培育100個(gè)智能建造產(chǎn)業(yè)基地，推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)。國(guó)家政策框架1.1.1智能建造的背景

未來建筑行業(yè)將深度融合信息技術(shù)與傳統(tǒng)建造技術(shù)，推動(dòng)建筑業(yè)全方位智能化升級(jí)。通過智能建造，推動(dòng)建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳、環(huán)保、節(jié)能的發(fā)展模式，助力實(shí)現(xiàn)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)。中國(guó)智能建造的未來發(fā)展路徑1.1.1智能建造的背景工業(yè)化、信息化、智能化的融合發(fā)展：綠色與可持續(xù)發(fā)展：提升生產(chǎn)率與效益：智能建造有助于提高建筑行業(yè)的生產(chǎn)率，減少對(duì)資源和能源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的優(yōu)化。推動(dòng)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)：智能建造將加速建筑行業(yè)向現(xiàn)代化、智能化、綠色化方向轉(zhuǎn)型，推動(dòng)建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。智能建造對(duì)未來建筑行業(yè)的深遠(yuǎn)影響1.1.1智能建造的背景1.1.2智能建造的概念丁烈云院士提到，所謂智能建造，是新一代信息技術(shù)與工程建造融合形成的工程建造創(chuàng)新模式：即利用以“三化”（數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化）和“三算”（算據(jù)、算力、算法）為特征的新一代信息技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)工程建造要素資源數(shù)字化的基礎(chǔ)上，通過規(guī)范化建模、網(wǎng)絡(luò)化交互、可視化認(rèn)知、高性能計(jì)算以及智能化決策支持，實(shí)現(xiàn)數(shù)字鏈驅(qū)動(dòng)下的工程立項(xiàng)策劃、規(guī)劃設(shè)計(jì)、施（加）工生產(chǎn)、運(yùn)維服務(wù)一體化集成與高效率協(xié)同，不斷拓展工程建造價(jià)值鏈、改造產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)形態(tài)，向用戶交付以人為本、綠色可持續(xù)的智能化工程產(chǎn)品與服務(wù)。名家看法三算:

算據(jù)、算力、算法三化:

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化肖緒文院士的觀點(diǎn)智能建造核心包括三方面:1.1.2智能建造的概念名家看法1.EIM管控平臺(tái):針對(duì)全過程、全要素的多源信息自動(dòng)化管控系統(tǒng)2.數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì):對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行全專業(yè)、全過程、全系統(tǒng)協(xié)同策劃3.機(jī)器人施工:機(jī)器人替代人類完成重復(fù)性、危險(xiǎn)性作業(yè)天花板施工機(jī)器人錢七虎院士的看法智能建造通過技術(shù)集成和創(chuàng)新改造建造過程核心理念：

可持續(xù)發(fā)展以人為本實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、數(shù)字化、自動(dòng)化、可視化與智能化1.1.2智能建造的概念名家看法目標(biāo)：節(jié)約資源

保護(hù)環(huán)境

降低勞動(dòng)強(qiáng)度提高工程質(zhì)量

智能建造是結(jié)合全生命周期和精益建造理念，利用先進(jìn)的信息技術(shù)和建造技術(shù)，對(duì)建造的全過程進(jìn)行技術(shù)和管理的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)建設(shè)過程數(shù)字化、自動(dòng)化向集成化、智慧化的變革，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低碳、安全的工程建造模式和管理模式。1.1.2智能建造的概念1.1、智能建造1.2、綠色建造1.3、綠色智能建造主要目標(biāo)節(jié)約資源

（節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)材）減少污染

（固體廢棄物、水、氣體、噪聲）以人為本:

減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件1.節(jié)約資源:

強(qiáng)調(diào)能源、材料、水資源、人力資源和設(shè)備的高效利用2.環(huán)境保護(hù):

控制污染，減少碳排放，推進(jìn)綠色施工3.機(jī)械化與工業(yè)化:

推進(jìn)建筑行業(yè)的機(jī)械化、工業(yè)化和信息化4.項(xiàng)目管理模式創(chuàng)新:

PEPC+DCS（全生命周期項(xiàng)目管理模式）結(jié)合1.2綠色建造美國(guó):

2017年發(fā)布《美國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施重建戰(zhàn)略規(guī)劃》，提出到2030年實(shí)現(xiàn)碳中性設(shè)計(jì)英國(guó):

推出《英國(guó)建造2025》，強(qiáng)調(diào)低碳、可持續(xù)建筑的戰(zhàn)略措施日本:

實(shí)行“i-Construction”戰(zhàn)略，提升工地管理水平，確保綠色建造綠色建造的國(guó)際背景1.2綠色建造2020年:

在湖南、深圳、常州開展綠色建造試點(diǎn)2021年:

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《綠色建造技術(shù)導(dǎo)則（試行）》2022年:

發(fā)布《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》，提出城鎮(zhèn)新建建筑全面轉(zhuǎn)向綠色建筑中國(guó)綠色建造政策時(shí)間軸綠色建造的未來發(fā)展趨勢(shì)全面綠色建筑:

到2025年，城鎮(zhèn)新建建筑全部轉(zhuǎn)型為綠色建筑低碳發(fā)展:

提高建筑能源利用效率，優(yōu)化建筑用能結(jié)構(gòu)推動(dòng)碳達(dá)峰:

實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、循環(huán)的建設(shè)方式，為2030年碳達(dá)峰奠定基礎(chǔ)1.2綠色建造如何有效推廣綠色建材、提高建筑能效、實(shí)現(xiàn)全生命周期綠色管理1.2綠色建造綠色建造的意義:未來的挑戰(zhàn):

節(jié)約資源、減少污染、推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展1.1、智能建造1.2、綠色建造1.3、綠色智能建造1234綠色智能建造的背景隨著建筑業(yè)的飛速發(fā)展，綠色可持續(xù)成為全球建筑行業(yè)的共同目標(biāo)。智能建造與綠色發(fā)展相結(jié)合，成為未來建筑業(yè)的重要方向。綠色智能建造強(qiáng)調(diào)全生命周期節(jié)能、環(huán)保和高效管理。關(guān)鍵詞：

可持續(xù)發(fā)展、智能建造、全生命周期管理、節(jié)能環(huán)保1.3綠色智能建造綠色智能建造的概念定義：

綠色智能建造是綠色發(fā)展引領(lǐng)下的智能化建造方式，旨在通過智能化技術(shù)支撐實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的節(jié)能、減排和資源優(yōu)化。核心目標(biāo)：1.以用戶為核心，提供智能化服務(wù)，改善生活環(huán)境。2.提升建筑的環(huán)境適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。3.促進(jìn)人與自然和諧，確保綠色可持續(xù)發(fā)展。

本質(zhì)：

以綠色發(fā)展引領(lǐng)智能建造。1.3綠色智能建造智能建造與綠色發(fā)展的關(guān)系兩者結(jié)合：

綠色智能建造以綠色理念為指導(dǎo)，依靠智能建造技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑全生命周期的綠色化。1.3綠色智能建造綠色發(fā)展：

以節(jié)能、環(huán)保為核心，減少建筑全過程中的資源消耗。智能建造：

通過數(shù)字化和智能化技術(shù)，優(yōu)化建造流程，提高施工效率。綠色智能建造的應(yīng)用領(lǐng)域1.設(shè)計(jì)階段通過BIM（建筑信息模型）和數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)，確保施工過程高效。2.施工階段采用裝配式建造方式和3D打印、機(jī)器人等智能設(shè)備，減少資源浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率。3.運(yùn)維階段實(shí)現(xiàn)建筑的數(shù)字化交付，利用IOT和云數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和維護(hù)，提升建筑后期運(yùn)維效率。1.3綠色智能建造3D打印趙州橋設(shè)計(jì)技術(shù)：BIM技術(shù)：

建筑信息模型技術(shù)，通過3D建模模擬建筑全生命周期，優(yōu)化施工流程。數(shù)字孿生：

將實(shí)體建筑與虛擬模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步，提供決策支持。設(shè)計(jì)階段1.3綠色智能建造綠色施工技術(shù)：1.裝配式建造

預(yù)制建筑構(gòu)件，在工廠制造，現(xiàn)場(chǎng)拼裝，減少現(xiàn)場(chǎng)工作量。2.3D打印技術(shù)

利用數(shù)字技術(shù)打印建筑構(gòu)件，減少材料浪費(fèi)。3.建筑機(jī)器人

如鋼筋綁扎機(jī)器人，提升施工效率，減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度。設(shè)計(jì)技術(shù)：1.3綠色智能建造案例：北京亦莊藍(lán)領(lǐng)公寓項(xiàng)目92%裝配率，施工現(xiàn)場(chǎng)免濕作業(yè)，節(jié)水70%，建筑垃圾減少80%。設(shè)計(jì)技術(shù)：1.3綠色智能建造綠色施工技術(shù)：綠色智能建造技術(shù)示例：智能設(shè)備鋼筋綁扎機(jī)器人

自動(dòng)識(shí)別鋼筋節(jié)點(diǎn)，完成高效綁扎作業(yè)。

提高生產(chǎn)效率，減少人力需求。案例：

在某裝配式建筑工廠，鋼筋綁扎機(jī)器人提高了4倍的生產(chǎn)效率，良品率提升至95%以上。設(shè)計(jì)技術(shù)：1.3綠色智能建造綠色智能建造技術(shù)示例：運(yùn)維階段傳統(tǒng)物理交付的局限：數(shù)據(jù)難以查詢和使用，建筑運(yùn)維階段缺乏高效管理手段。

數(shù)字交付的優(yōu)勢(shì)：通過BIM、IOT、云數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)監(jiān)控建筑設(shè)備，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，確保運(yùn)維效率。案例：地下管線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

項(xiàng)目組每天采集地下管道數(shù)據(jù)，更新三維模型，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)技術(shù)：1.3綠色智能建造總結(jié)綠色智能建造

是綠色發(fā)展與智能技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，強(qiáng)調(diào)節(jié)能、環(huán)保和高效管理。通過BIM、裝配式建筑、智能機(jī)器人等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全生命周期的綠色化和智能化管理。全球范圍內(nèi)，各國(guó)正大力推動(dòng)綠色智能建造的發(fā)展，綠色智能建造的未來前景廣闊。設(shè)計(jì)技術(shù)：1.3綠色智能建造智能建造發(fā)展前景

人工智能、數(shù)據(jù)經(jīng)濟(jì)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、“一帶一路”、智慧城市等國(guó)家倡議的技術(shù)正在助推建設(shè)工程行業(yè)從工業(yè)化、信息化到智能化進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)。云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、3D打印、智慧傳感等新技術(shù)正在重構(gòu)建筑生產(chǎn)體系——綠色智能建造。設(shè)計(jì)技術(shù)：總結(jié)

綠色智能建造的興起必將會(huì)引領(lǐng)整個(gè)建筑行業(yè)的變革，是建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，有著十分廣闊的前景。設(shè)計(jì)技術(shù)：總結(jié)思考題1.什么是智能建造？2.什么是綠色建造？

3.什么是綠色智能建造？

4.舉例說明應(yīng)用綠色智能建造技術(shù)的實(shí)際工程，并闡釋其應(yīng)用。第2章綠色建造智能化技術(shù)2.1BIM技術(shù)2.2三維逆向建模技術(shù)2.3數(shù)字孿生技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2.55G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2.6云計(jì)算技術(shù)2.7大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)2.8GIS技術(shù)第2章綠色建造智能化技術(shù)2.1

BIM技術(shù)2.1.1BIM技術(shù)概述

建筑信息模型（BuildingInformationModeling，縮寫：BIM），是建筑學(xué)、工程學(xué)及土木工程的新工具。BIM的出現(xiàn)引發(fā)了繼CAD替代圖板之后，整個(gè)工程建設(shè)領(lǐng)域的第二次數(shù)字革命。BIM促進(jìn)了建筑行業(yè)現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)生產(chǎn)組織模式和管理方式產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。對(duì)于BIM的定義，在我國(guó)2017年發(fā)布的《建筑信息模型應(yīng)用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51212—2016）中是這樣描述的：在建設(shè)工程及設(shè)施全生命期內(nèi)，對(duì)其物理和功能特性進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)，并依此設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)的過程和結(jié)果的總稱。BIM的核心是在計(jì)算機(jī)中建立虛擬的建筑工程三維模型，同時(shí)利用數(shù)字化技術(shù)，將建筑設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)各環(huán)節(jié)的信息集成到一個(gè)共享的模型中，實(shí)現(xiàn)全過程的協(xié)同管理，為建筑全生命周期提供完整的建筑工程數(shù)據(jù)庫(kù)。2.1

BIM技術(shù)2.1.1BIM技術(shù)概述

(1)BIM技術(shù)特點(diǎn)

①可視化：BIM技術(shù)的出現(xiàn)，給人們帶來了視覺上的沖擊，建筑不僅僅是平面和普通的線條，而是以三維的模式呈現(xiàn)，每一個(gè)構(gòu)件都包含著具體的物理和幾何信息，從前期的設(shè)計(jì)到施工，從建設(shè)到交付使用，甚至是后期的運(yùn)作維護(hù)，項(xiàng)目的全生命期都可以通過BIM平臺(tái)在可視化的情況下展示出來，直觀的感受避免了許多時(shí)間和資金上的浪費(fèi)，可視化這一特點(diǎn)也成了建筑業(yè)十分重要的變革。2.1

BIM技術(shù)2.1.1BIM技術(shù)概述

(1)BIM技術(shù)特點(diǎn)

②協(xié)調(diào)性：項(xiàng)目在施工階段，因?yàn)閷I(yè)的不同而致使建筑的某些構(gòu)件出現(xiàn)設(shè)計(jì)問題，這時(shí)就需要各個(gè)參與方共同協(xié)商，解決問題，然后做出變更，參與方各司其職，但因?yàn)樵谛畔⒔徊娴牟糠指鞣綔贤ㄆ饋矸浅＠щy，所以也使得解決問題的過程變得十分冗長(zhǎng)。BIM作為一個(gè)信息資源共享的平臺(tái)，發(fā)揮了它協(xié)調(diào)性的特點(diǎn)，可以在設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)各專業(yè)之間的碰撞問題，并提出解決方案，使得項(xiàng)目的各參與方能夠規(guī)避出現(xiàn)問題的風(fēng)險(xiǎn)，做到事前控制。2.1

BIM技術(shù)2.1.1BIM技術(shù)概述

(1)BIM技術(shù)特點(diǎn)

③模擬性：BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的不僅僅是建筑構(gòu)件的模擬，除了三維搭建建筑并賦予建筑物理、幾何信息外，在設(shè)計(jì)階段，BIM技術(shù)可以模擬日照、節(jié)能、暖通等生態(tài)條件，以便滿足客戶的多元化要求；在施工階段，BIM技術(shù)可以模擬實(shí)際施工狀態(tài)，加上進(jìn)度信息和成本信息可實(shí)現(xiàn)5D施工模擬（圖2-2為基于BIM5D的施工組織設(shè)計(jì)），合理利用現(xiàn)場(chǎng)已有資源，制訂更為完善的施工計(jì)劃；在后期運(yùn)維階段，BIM技術(shù)可以模擬建筑緊急疏散演練，做好充分的準(zhǔn)備以應(yīng)對(duì)緊急情況。2.1

BIM技術(shù)2.1.1BIM技術(shù)概述

(1)BIM技術(shù)特點(diǎn)

④優(yōu)化性：隨著建設(shè)項(xiàng)目日趨復(fù)雜化，業(yè)主對(duì)建筑的期待已經(jīng)不限于滿足外觀要求那么簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)者有時(shí)候甚至?xí)鴧s步。BIM技術(shù)的出現(xiàn)使之不再是難題，將項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案與投資回報(bào)結(jié)合起來分析，優(yōu)化項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，為業(yè)主提供更多的選擇，而不用拘泥于外觀；在施工階段，也可提前模擬實(shí)際施工，依據(jù)模擬效果優(yōu)化施工方案，使施工過程更為高效低耗。2.1

BIM技術(shù)2.1.1BIM技術(shù)概述

(1)BIM技術(shù)特點(diǎn)

⑤可出圖性：除了普通的CAD二維圖紙，BIM技術(shù)還可以生成所需要的構(gòu)件詳圖、綜合管線分布圖等，另外還有一些報(bào)告、表格等，如碰撞報(bào)告、預(yù)算表等。BIM技術(shù)的可出圖性不再單一，而是更加多樣性，滿足更多人的需求。2.1

BIM技術(shù)2.1.1BIM技術(shù)概述

(2)BIM技術(shù)相關(guān)軟件

序號(hào)主要功能軟件名稱1核心建模RevitArchitecture、ArchiCAD、CATIA等2結(jié)構(gòu)分析PKPM、STAAD.Pro、Robot等3碰撞檢查AutodeskNavisworks、ProjectNavigator等4造價(jià)與施工管理廣聯(lián)達(dá)、魯班、VisualEstimating等5深化設(shè)計(jì)Xsteel、Athena等6可視化3DMax、Lumior、Lightscape等2.1

BIM技術(shù)2.1.2BIM技術(shù)發(fā)展歷程

BIM技術(shù)最早起源于上世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)名為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer-AidedDesign，簡(jiǎn)稱CAD）技術(shù)的相關(guān)概念開始出現(xiàn)。1980年至1990年，CAD技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)和繪圖，但信息量有限，缺乏數(shù)據(jù)化的建筑模型。1990年至2000年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)開始逐漸實(shí)現(xiàn)三維建模。進(jìn)入21世紀(jì)，BIM技術(shù)正式嶄露頭角。2010年，中國(guó)政府發(fā)布了關(guān)于建筑信息模型應(yīng)用推廣的指導(dǎo)意見，提出到2025年，要實(shí)現(xiàn)全行業(yè)的BIM應(yīng)用。截至目前，中國(guó)已經(jīng)頒布了一系列BIM相關(guān)的政策和標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)了BIM技術(shù)的推廣和應(yīng)用。2.1

BIM技術(shù)2.1.3BIM技術(shù)應(yīng)用

在項(xiàng)目投資決策階段，通過建立BIM模型數(shù)據(jù)庫(kù)，為決策者提供類似的建筑模型，可快速對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行成本估算；BIM技術(shù)還可以快速提取工程量并自動(dòng)套定額，相較于人工手動(dòng)計(jì)算等繁雜的步驟，可降低出錯(cuò)率并節(jié)省大量的時(shí)間。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)問題往往是造成工程變更返工的主要原因，BIM技術(shù)的應(yīng)用可以減少預(yù)算外的變更；運(yùn)用BIM技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行三維碰撞檢測(cè)，快速形成碰撞報(bào)告，避免因?qū)I(yè)不同而產(chǎn)生的設(shè)計(jì)問題。2.1

BIM技術(shù)2.1.3BIM技術(shù)應(yīng)用

在項(xiàng)目施工階段，BIM技術(shù)可以在施工前進(jìn)行施工模擬，模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工狀況（見圖2-3），合理安排現(xiàn)有資源；還可以跟蹤構(gòu)件使用情況，與進(jìn)度成本相關(guān)聯(lián)，在出現(xiàn)偏差時(shí)，及時(shí)采取糾偏措施。

在項(xiàng)目后期運(yùn)維階段，項(xiàng)目竣工驗(yàn)收后，項(xiàng)目的BIM模型數(shù)據(jù)均可以交給業(yè)主，業(yè)主可以在項(xiàng)目使用過程中對(duì)項(xiàng)目的損耗進(jìn)行預(yù)演，及時(shí)維修，避免出現(xiàn)意外情況?？傊珺IM技術(shù)帶給建筑行業(yè)的價(jià)值還遠(yuǎn)不止這些，隨著BIM技術(shù)的逐漸成熟，BIM能做到的可能會(huì)更多。2.1BIM技術(shù)2.2三維逆向建模技術(shù)2.3數(shù)字孿生技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2.55G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2.6云計(jì)算技術(shù)2.7大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)2.8GIS技術(shù)第2章綠色建造智能化技術(shù)2.2三維逆向建模技術(shù)2.2.1三維逆向建模技術(shù)概述

從重建的規(guī)模上看，三維逆向建模技術(shù)主要應(yīng)用于小型三維物體重構(gòu)和大規(guī)模三維場(chǎng)景重建，而目前的難度主要集中在室外大規(guī)模的重建。

從獲取的信息類型上看，三維逆向建模技術(shù)獲取幾何信息的方式主要是二維圖形圖像和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，相比圖像而言，點(diǎn)云數(shù)據(jù)更能表征真實(shí)空間。點(diǎn)云的精細(xì)度和準(zhǔn)確度決定著三維模型的質(zhì)量，因此，點(diǎn)云技術(shù)與三維逆向建模密不可分。2.2三維逆向建模技術(shù)2.2.1三維逆向建模技術(shù)概述

三維逆向建模技術(shù)的核心在于基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)重建，其原理與二維圖像處理技術(shù)類似，即通過光學(xué)傳感器獲取物體表面上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行空間坐標(biāo)的計(jì)算和處理，從而得到物體表面的幾何形狀信息。具體來說，在點(diǎn)云重建過程中，一般可以采用結(jié)構(gòu)光、激光雷達(dá)等光學(xué)傳感器獲取物體表面上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括每個(gè)點(diǎn)的XYZ坐標(biāo)和RGB顏色信息。然后，通過對(duì)這些點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以構(gòu)建出物體表面的三維幾何模型，包括其形狀、大小、表面紋理等信息。2.2三維逆向建模技術(shù)2.2.2三維逆向建模關(guān)鍵技術(shù)

（1）三維逆向建模算法的基本原理

點(diǎn)云是由大量的點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成的，可以看作是三維空間中的一個(gè)離散采樣。對(duì)于一個(gè)物體或場(chǎng)景的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，我們希望通過算法將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)具有表面結(jié)構(gòu)的三維模型，以便于后續(xù)的分析和應(yīng)用。三維逆向建模算法的基本原理就是利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的幾何關(guān)系和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將其映射到一個(gè)三維空間中的表面。2.2三維逆向建模技術(shù)2.2.2三維逆向建模關(guān)鍵技術(shù)

在實(shí)際應(yīng)用中，三維逆向建模算法通常分為以下幾個(gè)步驟：

①點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲??；

②數(shù)據(jù)預(yù)處理；

③特征提??；

④拓?fù)浞治觯?/p>

⑤三維逆向建模；

⑥優(yōu)化調(diào)整。

2.2三維逆向建模技術(shù)2.2.2三維逆向建模關(guān)鍵技術(shù)

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方法

點(diǎn)云數(shù)據(jù)來源渠道較多，包括通過逆向工程轉(zhuǎn)換得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)（逆向點(diǎn)云），但更多的是在未知三維模型的情況下，試圖通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集來表示三維物體或場(chǎng)景，這類方法大致分為三種：主動(dòng)視覺法、被動(dòng)視覺法和主被動(dòng)視覺結(jié)合法。2.2三維逆向建模技術(shù)2.2.2三維逆向建模關(guān)鍵技術(shù)

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方法

主動(dòng)視覺法是指利用三維掃描設(shè)備將激光、聲波等光源或能量源發(fā)射至目標(biāo)物體，通過接收返回的信號(hào)進(jìn)行采樣、處理、計(jì)算等，將三維信息數(shù)字化輸出成點(diǎn)云數(shù)據(jù)，常用的三維掃描設(shè)備有LiDAR激光雷達(dá)、結(jié)構(gòu)光傳感器以及TOF相機(jī)等。

被動(dòng)視覺法是指利用周圍環(huán)境，如自然光的反射，將得到的圖像或視頻通過算法進(jìn)行立體匹配獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些方法包括雙目立體相機(jī)、運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)、機(jī)器學(xué)習(xí)等。2.2三維逆向建模技術(shù)2.2.2三維逆向建模關(guān)鍵技術(shù)

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方法

除了上述兩大類外，當(dāng)前還存在一類將主被動(dòng)視覺相結(jié)合的方法，例如利用RGB-D相機(jī)來實(shí)現(xiàn)。RGB-D相機(jī)又稱深度相機(jī)，結(jié)合了主動(dòng)和被動(dòng)傳感器的優(yōu)點(diǎn)，由被動(dòng)RGB相機(jī)和主動(dòng)深度傳感器組成。

通常點(diǎn)云數(shù)據(jù)在生成后需要導(dǎo)入到建模軟件中二次加工，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)到三維模型的轉(zhuǎn)換，因此，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和導(dǎo)出有一定的公共格式，目前常用的點(diǎn)云格式有“.PTS”、“XYZ”、“PTX”、“.LAS”、“.E57”五種。2.2三維逆向建模技術(shù)2.2.2三維逆向建模關(guān)鍵技術(shù)

（3）常用的三維逆向建模算法

①基于三維掃描的重建算法：這種算法通過使用激光掃描儀等設(shè)備收集大量的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并利用三維逆向建模將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為表面模型。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是能夠獲得高分辨率和高精度的三維模型，但需要昂貴的設(shè)備和大量的時(shí)間成本。

②基于圖像的重建算法：這種算法通過將點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到圖像平面上，利用計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理技術(shù)進(jìn)行特征匹配和三維逆向建模。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易用，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的三維逆向建模，但對(duì)于復(fù)雜的場(chǎng)景和物體可能存在一定的限制。2.2三維逆向建模技術(shù)2.2.2三維逆向建模關(guān)鍵技術(shù)

（3）常用的三維逆向建模算法

③基于深度學(xué)習(xí)的重建算法：近年來，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展，也被應(yīng)用到三維逆向建模中。這種算法通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征提取和三維逆向建模，能夠獲得更加精確和準(zhǔn)確的三維模型。2.2三維逆向建模技術(shù)2.2.3三維逆向建模技術(shù)發(fā)展歷程

從二維（2D）圖像到3D點(diǎn)云的轉(zhuǎn)換過程充滿了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的3D重建技術(shù)依賴于復(fù)雜的算法和大量的計(jì)算資源，且在處理具有豐富細(xì)節(jié)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的場(chǎng)景時(shí)往往效果有限。為了克服這些限制，深度學(xué)習(xí)技術(shù)被引入到3D點(diǎn)云處理領(lǐng)域，希望通過從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)特征來提高重建的質(zhì)量和效率。

在這樣的技術(shù)背景下，DiffPoint作為一種創(chuàng)新的3D點(diǎn)云重建方法應(yīng)運(yùn)而生。這種方法的核心在于它能夠處理點(diǎn)云的局部細(xì)節(jié)和全局結(jié)構(gòu)，從而在3D重建任務(wù)中實(shí)現(xiàn)更高的精度和靈活性。

2.2三維逆向建模技術(shù)2.2.4三維逆向建模技術(shù)應(yīng)用

（1）老舊建筑的運(yùn)行維護(hù)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)大規(guī)?；ㄒ堰M(jìn)入尾聲，已建設(shè)的大量工業(yè)、民用建筑，尤其八九十年代的建筑進(jìn)入運(yùn)行維護(hù)期，而部分老舊建筑基礎(chǔ)資料缺失嚴(yán)重，在建筑結(jié)構(gòu)加固維護(hù)過程中困難重重。三維逆向建模技術(shù)可快速生成建筑三維模型，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)老舊建筑的運(yùn)行和維護(hù)。2.2三維逆向建模技術(shù)2.2.4三維逆向建模技術(shù)應(yīng)用

（2）古建筑加固和修復(fù)

古建筑是人類物質(zhì)文明和精神文明的產(chǎn)物，是人類歷史的見證留存。由于自然地理氣候等原因，古建筑逐漸破敗消亡，保護(hù)古建筑傳承歷史刻不容緩。近年來，通過實(shí)景三維技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行精細(xì)化重建，能夠有效的實(shí)現(xiàn)文物全方位的、立體化的數(shù)字化管理存檔，有利于形成文物數(shù)字治理新格局。2.2三維逆向建模技術(shù)2.2.4三維逆向建模技術(shù)應(yīng)用

（3）隧道運(yùn)行維護(hù)

采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行隧道工程測(cè)量級(jí)三維重構(gòu)，可克服常規(guī)測(cè)量方法環(huán)境適應(yīng)能力差、效率低的缺點(diǎn)，為隧道工程測(cè)量、運(yùn)營(yíng)維護(hù)足夠準(zhǔn)確、科學(xué)的空間數(shù)據(jù)。

2.1BIM技術(shù)2.2三維逆向建模技術(shù)2.3數(shù)字孿生技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2.55G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2.6云計(jì)算技術(shù)2.7大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)2.8GIS技術(shù)第2章綠色建造智能化技術(shù)2.3數(shù)字孿生技術(shù)2.3.1數(shù)字孿生技術(shù)概述

數(shù)字孿生（DigitalTwin）尚無標(biāo)準(zhǔn)定義，但對(duì)其基本含義有比較清晰的認(rèn)知，即數(shù)字孿生是以數(shù)字化的方式拷貝一個(gè)物理對(duì)象，模擬此對(duì)象在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，對(duì)產(chǎn)品、制造過程乃至整個(gè)工廠進(jìn)行虛擬仿真，從而提高制造企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)和制造的生產(chǎn)效率。

從概念上來看，有幾個(gè)核心點(diǎn)：一是物理世界與數(shù)字世界之間的映射；二是動(dòng)態(tài)的映射；三是不僅僅是物理的映射，還是邏輯、行為、流程的映射；四是不單純是物理世界向數(shù)字世界的映射，而是雙向的關(guān)系；五是全生命周期，數(shù)字孿生體與實(shí)體的孿生體是與生共有、同生同長(zhǎng)，任何一個(gè)實(shí)體孿生體發(fā)生的事件都應(yīng)該上傳大數(shù)字孿生體作為計(jì)算和記錄，實(shí)體孿生體在這個(gè)過程中的勞損。2.3數(shù)字孿生技術(shù)2.3.2數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)及特點(diǎn)

（1）數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)分為物理層、數(shù)據(jù)層、模型層、功能層和應(yīng)用層。物理實(shí)體、數(shù)據(jù)、虛擬模型、連接、應(yīng)用是數(shù)字孿生的核心要素。

物理層：就是數(shù)字孿生系統(tǒng)描述刻畫的現(xiàn)實(shí)世界中的物理對(duì)象。不同類型的數(shù)字孿生應(yīng)用，物理實(shí)體是不一樣的，像智能工廠數(shù)字孿生，所描述刻畫的物理對(duì)象，就是工廠、車間，產(chǎn)線，工位，及工廠中的人、機(jī)、料、法、環(huán)等生產(chǎn)要素。不同的行業(yè)，其描述刻畫的物理對(duì)象也會(huì)有所差異。2.3數(shù)字孿生技術(shù)2.3.2數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)及特點(diǎn)

（1）數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)層：數(shù)字孿生是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，數(shù)據(jù)層就是物理實(shí)體與虛擬孿生體之間連接的橋梁，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的傳輸，以及數(shù)據(jù)的處理等。

模型層：模型層是數(shù)字孿生的核心，它包括幾何模型、規(guī)則模型、機(jī)理模型、算法模型等。

功能層：在數(shù)據(jù)層和模型層之上，數(shù)字孿生以軟件為載體，就具備了對(duì)物理對(duì)象的描述、診斷、預(yù)測(cè)和決策的能力。

應(yīng)用層：有數(shù)字孿生下面的四層技術(shù)架構(gòu)作支撐，就可以開發(fā)出面向不同行業(yè)和場(chǎng)景的數(shù)字孿生應(yīng)用。2.3數(shù)字孿生技術(shù)2.3.2數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)及特點(diǎn)

（1）數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)

不同視角下的技術(shù)架構(gòu)：從應(yīng)用視角來看，數(shù)字孿生的主要應(yīng)用在智能工廠、車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智慧建筑、智慧醫(yī)療等應(yīng)用場(chǎng)景。從功能視角來看，主要包括描述、診斷、預(yù)測(cè)、決策四個(gè)能力等級(jí)。從部署視角來看，主要包括設(shè)想、確定方案、試運(yùn)行、產(chǎn)業(yè)化、效果后評(píng)價(jià)五個(gè)階段。2.3數(shù)字孿生技術(shù)2.3.2數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)及特點(diǎn)

（2）數(shù)字孿生技術(shù)的特點(diǎn)

①數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)：數(shù)字孿生的本質(zhì)是在比特的汪洋中重構(gòu)原子的運(yùn)行軌道，以數(shù)據(jù)的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)物理世界的資源優(yōu)化。

②模型支撐：數(shù)字孿生的核心是面向物理實(shí)體和邏輯對(duì)象建立機(jī)理模型或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，形成物理空間在賽博空間的虛實(shí)交互。

③軟件定義：數(shù)字孿生的關(guān)鍵是將模型代碼化、標(biāo)準(zhǔn)化，以軟件的形式動(dòng)態(tài)模擬或監(jiān)測(cè)物理空間的真實(shí)狀態(tài)、行為和規(guī)則。

④精準(zhǔn)映射：通過感知、建模、軟件等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理空間在賽博空間的全面呈現(xiàn)精準(zhǔn)表達(dá)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

⑤智能決策：未來數(shù)字孿生將融合人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理空間和賽博空間的虛實(shí)互動(dòng)輔助決策和持續(xù)優(yōu)化。2.3數(shù)字孿生技術(shù)2.3.3數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展歷程

2002年10月由邁克爾·格里弗斯（MichaelGrieves）博士在美國(guó)制造工程協(xié)會(huì)管理論壇上提出“數(shù)字孿生”初始的概念模型。

2009年，美國(guó)空軍相關(guān)實(shí)驗(yàn)室明確提出帶有數(shù)字孿生的概念：“機(jī)身數(shù)字孿生（AirframeDigitalTwin）”。

2010年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在《建模、仿真、信息技術(shù)和處理》和《材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和制造》兩份技術(shù)路線圖中正式開始使用數(shù)字孿生（DigitalTwin）這一名稱。

伴隨著二十世紀(jì)末期到二十一世紀(jì)初期電子技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，新一代數(shù)字技術(shù)不斷提高，數(shù)字孿生技術(shù)所需的萬物互聯(lián)技術(shù)逐步走向現(xiàn)實(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模推廣及應(yīng)用所需的最后一塊版圖被補(bǔ)齊。2.3數(shù)字孿生技術(shù)2.3.4數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用

數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)智能建造的關(guān)鍵前提，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬空間與物理空間的信息融合與交互，并向物理空間實(shí)時(shí)傳遞虛擬空間反饋的信息，從而實(shí)現(xiàn)建筑工程的全物理空間映射、全生命期動(dòng)態(tài)建模、全過程實(shí)時(shí)信息交互、全階段反饋控制。2.3數(shù)字孿生技術(shù)2.3.4數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用

在設(shè)計(jì)階段，基于數(shù)字孿生的設(shè)計(jì)，主要是應(yīng)用BIM技術(shù)，不同專業(yè)可在數(shù)字孿生協(xié)同平臺(tái)進(jìn)行并行設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行建筑、結(jié)構(gòu)和機(jī)電等模型的設(shè)計(jì)。

在施工階段，通過數(shù)字孿生技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)施工場(chǎng)地管理、施工現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)源辨識(shí)、技術(shù)交底、碰撞檢查、進(jìn)度管理、成本管理、生產(chǎn)質(zhì)量和安全管理。

在運(yùn)維階段，數(shù)字孿生建筑具有較好的綜合分析和預(yù)測(cè)能力，為預(yù)測(cè)維修建筑物的智能設(shè)施提供了有效的技術(shù)支持，是智能建筑物運(yùn)行與智能系統(tǒng)一體化的主要模式。2.1BIM技術(shù)2.2三維逆向建模技術(shù)2.3數(shù)字孿生技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2.55G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2.6云計(jì)算技術(shù)2.7大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)2.8GIS技術(shù)第2章綠色建造智能化技術(shù)大家身邊的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用舉例？為什么物聯(lián)網(wǎng)成為智能建造的重要技術(shù)之一？2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1999年來自于麻省理工學(xué)院Auto-ID實(shí)驗(yàn)室的KevinAshton教授最早闡釋了“物聯(lián)網(wǎng)”的基本內(nèi)涵，受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平。Ashton提出的“物聯(lián)網(wǎng)”概念是基于無線射頻技術(shù)（RFID）與無線通信技術(shù)。2.4.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述美國(guó)將各種傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別設(shè)備、紅外傳感設(shè)備、全球定位系統(tǒng)等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)，其目的是讓所有的物品均與網(wǎng)絡(luò)連接在一起，方別識(shí)別與管理。歐盟將現(xiàn)有互聯(lián)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到互聯(lián)的物品網(wǎng)絡(luò)。國(guó)際電信聯(lián)盟任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，我們都能與任何東西相連。物聯(lián)網(wǎng)主要解決物與物、人與人、人與物之間的互連2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

我國(guó)對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的定義可以參考2010年在第十一屆全國(guó)人民代表大會(huì)第三次會(huì)議上所做的政府工作報(bào)告注釋：“物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)?！?.4.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)是通過智能傳感器、射頻識(shí)別（RFID）設(shè)備、衛(wèi)星定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把各種物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)所要實(shí)現(xiàn)的是物與物之間的互聯(lián)互通，因此又被稱為“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，英文名稱是InternetofThings(IoT)。當(dāng)前公認(rèn)的物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)包括三個(gè)邏輯層，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。2.4.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知層：是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)鍵在于具備更精確、更全面的感知能力，并解決低功耗、小型化和低成本問題。感知層位于物聯(lián)網(wǎng)的底層，傳感器系統(tǒng)、標(biāo)識(shí)系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)及相應(yīng)的信息化支撐設(shè)備（如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、終端設(shè)備）組成了感知層的基礎(chǔ)部件，其功能是采集包括各類物理量、標(biāo)識(shí)、音頻和視頻數(shù)據(jù)等在內(nèi)的物理世界中發(fā)生的事件和數(shù)據(jù)。2.4.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層主要以廣泛覆蓋的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)設(shè)施，由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)等組成。在物聯(lián)網(wǎng)中起到信息傳輸?shù)淖饔?，該層主要用于感知層和?yīng)用層之間的數(shù)據(jù)傳遞，是連接感知層和應(yīng)用層之間的橋梁。網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從感知層傳輸至應(yīng)用層（平臺(tái)層），分為物接入互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)傳輸兩部分。物接入物聯(lián)網(wǎng)：以太網(wǎng)/光纖、串口通訊、ZigBee、WIFI、Bluetooth（藍(lán)牙）、LORA、NB-LOT、4G/5G?；ヂ?lián)網(wǎng)傳輸：主流的協(xié)議是MQTT和CoAP。2.4.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用層：主要包括云計(jì)算、云服務(wù)和模塊決策，其功能是完成相關(guān)數(shù)據(jù)的管理及處理，并將數(shù)據(jù)與各行業(yè)信息化需求相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用的解決方案。

此外，還有一個(gè)公共技術(shù)層。公共技術(shù)層包括標(biāo)識(shí)與解析、安全、網(wǎng)絡(luò)管理和服務(wù)質(zhì)量（QoS）管理等技術(shù)，他們被同時(shí)應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)邏輯層。2.4.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2.4.2物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)具有數(shù)據(jù)海量化、連接設(shè)備種類多樣化、應(yīng)用終端智能化等特點(diǎn)，其發(fā)展依賴于感知和標(biāo)識(shí)技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、信息處理技術(shù)、信息安全技術(shù)等。

感知層技術(shù)

感知層技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，用于采集物理世界中發(fā)生的事件和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)外部世界信息的感知和識(shí)別，主要包括傳感器技術(shù)、識(shí)別技術(shù)、圖像與視頻技術(shù)、定位技術(shù)和三位激光掃描。2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《傳感器通用術(shù)語》將傳感器定義為能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置的總稱。傳感器技術(shù)作為信息獲取的重要手段，與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。

傳感器已被應(yīng)用于諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查等及其廣泛的領(lǐng)域。

傳感器的特點(diǎn)包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

感知層技術(shù)——傳感器技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（1）傳感器的構(gòu)成

①電源。電源將為傳感器提供能源。

②感知部件。不同類型傳感器的感知部件將感知不同類型的外界信息，通常據(jù)其基本感知功能可分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件和味敏元件等，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

感知層技術(shù)——傳感器技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

感知層技術(shù)——傳感器技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（1）傳感器的構(gòu)成

③處理器和儲(chǔ)存器。負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各部件的工作，對(duì)獲取的信息進(jìn)行必要的處理。

④通信部件。負(fù)責(zé)傳感器之間或與觀察者的通信。

⑤軟件。為傳感器提供如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等軟件支持。

感知層技術(shù)——傳感器技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（3）傳感器技術(shù)發(fā)展歷程

①第一代傳感器。誕生于20世紀(jì)50年代，第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號(hào)。代表電阻式傳感器，早期：稱重，70年代，物理傳感器，例如電阻應(yīng)變式傳感器，它是利用金屬材料發(fā)生彈性形變時(shí)電阻的變化來轉(zhuǎn)化電信號(hào)的。

感知層技術(shù)——傳感器技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（3）傳感器技術(shù)發(fā)展歷程②第二代傳感器（集成傳感器）。是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的固體型傳感器，這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料某些特性制成。如能夠進(jìn)行聲音感應(yīng)、光感應(yīng)和觸屏的傳感器、雷達(dá)設(shè)備、紅外線傳感器。

感知層技術(shù)——傳感器技術(shù)手機(jī)屏幕：光線傳感器類似于手機(jī)的眼睛?？梢宰屖謾C(jī)感測(cè)環(huán)境光線的強(qiáng)度，用來調(diào)節(jié)手機(jī)屏幕的亮度。

指紋鎖：依靠光、壓力、溫度等多種傳感器2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（3）第三代傳感器—智能傳感器

智能傳感器是利用嵌入式技術(shù)將傳感器與微處理器集成在一起，具有環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理、智能控制與通信功能的智能終端設(shè)備。其具有自學(xué)習(xí)、自診斷、自補(bǔ)償能力，復(fù)合感知能力及靈活的通信能力。智能傳感器在感知物理世界的時(shí)候反饋給物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、更全面，可達(dá)到精確感知的目的。

感知層技術(shù)——傳感器技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（4）傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在作業(yè)區(qū)域內(nèi)的、具有無線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)將協(xié)調(diào)各個(gè)傳感器，將覆蓋區(qū)域內(nèi)感知的信息綜合處理，并發(fā)布給觀察者。一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等。

感知層技術(shù)——傳感器技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（5）傳感器技術(shù)在智能建造中的應(yīng)用

以智慧工地為例。施工現(xiàn)場(chǎng)的傳感器主要用于采集施工構(gòu)件的溫度、變形、受力、設(shè)備的運(yùn)行等反映施工生產(chǎn)要素狀態(tài)的數(shù)據(jù)。目前施工現(xiàn)場(chǎng)常用的傳感器包括：

①振弦式傳感器：用于支護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑構(gòu)件應(yīng)力監(jiān)測(cè)等。如振弦式表面應(yīng)變計(jì)、振弦式鋼筋計(jì)和振弦式裂縫計(jì)。1.2物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)

感知層技術(shù)——傳感器技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)②重量傳感器、幅度傳感器、高度傳感器和回轉(zhuǎn)傳感器可被用于塔吊、升降機(jī)等垂直運(yùn)輸機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，對(duì)塔吊、升降機(jī)發(fā)生超載和碰撞事故進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警。

感知層技術(shù)——傳感器技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（5）傳感器技術(shù)在智能建造中的應(yīng)用

③旁壓傳感器主要用于卸料平臺(tái)的安全監(jiān)控。

④環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器（PM2.5、PM10、噪聲、風(fēng)速等）負(fù)責(zé)施工現(xiàn)場(chǎng)各區(qū)域的勞動(dòng)環(huán)境監(jiān)測(cè)。

⑤煙霧感應(yīng)傳感器主要用于現(xiàn)場(chǎng)防火區(qū)域的消防監(jiān)測(cè)。

⑥紅外線傳感器主要用于周界入侵的監(jiān)測(cè)。

⑦溫度傳感器對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)、裂縫，以及冬期施工的環(huán)境溫度進(jìn)行控制。

⑧運(yùn)動(dòng)傳感器既可以用于施工機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，記錄機(jī)械運(yùn)行軌跡和效率，也可以進(jìn)行勞動(dòng)人員運(yùn)動(dòng)和職業(yè)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

感知層技術(shù)——傳感器技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（6）傳感器企業(yè)

國(guó)外知名的傳感器企業(yè)有博世、意法半導(dǎo)體、霍尼韋爾、飛思卡爾、德州儀器、飛利浦、日立等。國(guó)內(nèi)知名的傳感器企業(yè)有漢威電子、大立科技、華工科技、遠(yuǎn)望谷、耐威科技等。目前，全球傳感器市場(chǎng)由美國(guó)、日本、德國(guó)的幾家公司主導(dǎo)。全球傳感器約有2.2萬余種，中國(guó)可以生產(chǎn)月7000種，而90%以上的高端傳感器仍依賴進(jìn)口。

（7）國(guó)內(nèi)傳感器生產(chǎn)基地

三大生產(chǎn)基地：安徽基地、陜西基地、黑龍江基地。在相關(guān)技術(shù)方面，我國(guó)企業(yè)已基本具備了中、低端傳感器研發(fā)能力，并逐漸向高端領(lǐng)域拓展。

感知層技術(shù)——傳感器技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)物理世界的識(shí)別是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的基礎(chǔ)，常用的識(shí)別技術(shù)有二維碼、RFID、條形碼等，涵蓋物品識(shí)別、位置識(shí)別和地理識(shí)別。RFID是通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。該技術(shù)不僅無須在識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸，而且能在多種惡劣環(huán)境下進(jìn)行信息傳輸，因此，在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中有著重要的意義。

感知層技術(shù)——無線射頻識(shí)別技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID-RadioFrequencyIdentification）是一種可以通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。

（1）RFID的構(gòu)成和工作原理RFID由應(yīng)答器、閱讀器和應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成。

感知層技術(shù)——無線射頻識(shí)別技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（1）RFID的構(gòu)成和工作原理

感知層技術(shù)——無線射頻識(shí)別技術(shù)①應(yīng)答器（標(biāo)簽）。由天線、耦合元件及芯片組成，一般來說都是用標(biāo)簽作為應(yīng)答器，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)記目標(biāo)對(duì)象。2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（1）RFID的構(gòu)成和工作原理

②讀寫器。由天線、耦合元件和芯片組成，讀取或?qū)懭霕?biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式讀寫器或固定式讀寫器。

感知層技術(shù)——無線射頻識(shí)別技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（1）RFID的構(gòu)成和工作原理

③應(yīng)用軟件系統(tǒng)。把收集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，為人們所使用。

感知層技術(shù)——無線射頻識(shí)別技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在RFID工作過程中，物理讀寫器會(huì)通過天線發(fā)射出射頻信號(hào)，此信號(hào)帶有固定頻率，當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)和應(yīng)答器相遇時(shí)，應(yīng)答器就發(fā)生反應(yīng)。應(yīng)答器通過感應(yīng)電流獲取一定的能量后，向讀寫器發(fā)送相應(yīng)的編碼，編碼中是含有預(yù)先存儲(chǔ)好的產(chǎn)品攜帶的信息的。當(dāng)讀寫器接收到編碼以后，便會(huì)對(duì)所發(fā)送過來的編碼進(jìn)行解碼翻譯，將相應(yīng)的信息及數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并反映給決策者。RFID的工作原理示意圖如下。

感知層技術(shù)——無線射頻識(shí)別技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2）RFID技術(shù)的發(fā)展RFID技術(shù)最早起源于英國(guó)，應(yīng)用于第二次世界大戰(zhàn)中辨別敵我飛機(jī)身份，20世紀(jì)60年代，開始商用。美國(guó)國(guó)防部自2005年規(guī)定，所有軍需都要使用RFID標(biāo)簽；美國(guó)食品與藥品管理局建議制藥商從2006年起利用RFID跟蹤藥品生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售過程。Walmart（美國(guó)沃爾瑪）、Metro（德國(guó)麥德龍超市）零售業(yè)應(yīng)用RFID技術(shù)等一系列行動(dòng)更是推動(dòng)了RFID在全世界的應(yīng)用熱潮。2000年時(shí)，每個(gè)RFID標(biāo)簽的價(jià)格是1美元，現(xiàn)在超高頻RFID的價(jià)格已經(jīng)降到10美分左右。

感知層技術(shù)——無線射頻識(shí)別技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（3）RFID技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

①讀取性強(qiáng)，非接觸識(shí)別

②讀寫速度快，大多數(shù)情況不到100ms

③抗污染能力和耐久性高

④可重復(fù)使用，RFID標(biāo)簽可重復(fù)增刪改，方便信息更新

⑤信息容量大，RFID能夠適應(yīng)容量需求增加的趨勢(shì)

⑥安全性強(qiáng)。

感知層技術(shù)——無線射頻識(shí)別技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（4）RFID產(chǎn)品類型RFID技術(shù)中所衍生的產(chǎn)品大概有三大類

①無源RFID產(chǎn)品。該類產(chǎn)品發(fā)展最早，也是發(fā)展最成熟、市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。比如公交卡、食堂餐卡、銀行卡等，這些在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見，屬于近距離接觸式識(shí)別類。

②有源RFID產(chǎn)品。該類產(chǎn)品是最近幾年慢慢發(fā)展起來的，因其遠(yuǎn)距離自動(dòng)識(shí)別的特性，有巨大的應(yīng)用空間和市場(chǎng)潛質(zhì)。③半有源RFID產(chǎn)品。該類產(chǎn)品結(jié)合有源RFID產(chǎn)品及無源RFID產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，在低頻125kHz頻率的觸發(fā)下，讓微波發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。利用低頻近距離精確定位，微波遠(yuǎn)距離識(shí)別和上傳數(shù)據(jù)。

感知層技術(shù)——無線射頻識(shí)別技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（4）RFID技術(shù)在智能建造中的應(yīng)用此技術(shù)近年在施工領(lǐng)域的研究和應(yīng)用中得到了快速發(fā)展，相關(guān)研究廣泛分析了RFID在物料追蹤、施工安全管理、進(jìn)度檢測(cè)等方面的應(yīng)用價(jià)值，可以與BIM技術(shù)等建筑信息技術(shù)結(jié)合，在多個(gè)方面提高施工管理水平。

①RFID用于身份識(shí)別、人員管理、預(yù)制構(gòu)件和危險(xiǎn)物品追蹤等

②將RFID技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的施工現(xiàn)場(chǎng)管理內(nèi)容，基于RFID形成全新的施工管理內(nèi)容。

感知層技術(shù)——無線射頻識(shí)別技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（1）圖像與視頻技術(shù)概述

圖像與視頻技術(shù)包括采集、處理、識(shí)別等一系列相關(guān)技術(shù)的總稱，就是利用圖像和視頻技術(shù)代替人眼做測(cè)量和判斷的技術(shù)。

機(jī)器視覺系統(tǒng)是通過機(jī)器視覺的產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，傳給專有的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，再由圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，抽取目標(biāo)特征，進(jìn)而判斷和控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備。

工業(yè)照相機(jī)和視頻監(jiān)控?cái)z像頭是圖像和視頻采集的前端設(shè)備。

感知層技術(shù)——圖像與視頻技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（1）圖像與視頻技術(shù)概述

圖像分割是圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)，至今已經(jīng)提出了數(shù)以千計(jì)的分割理論和算法，閾值分割方法、邊緣檢測(cè)方法、區(qū)域提取方法、結(jié)合特定理論工具的分割方法是現(xiàn)有常見的分割方法。

圖像和視頻技術(shù)應(yīng)用類別包括測(cè)量、檢測(cè)、定位、識(shí)別。目前對(duì)獲取的圖像與視頻需滿足一定要求，才能保證應(yīng)用精度。包括圖像反差最大化、控制照片和曝光、控制分辨率和清晰度、避免圖像畸變、保持待測(cè)物體成像大小一致，提高圖像和視頻技術(shù)的使用靈活度，成為目前科研和工業(yè)應(yīng)用的重點(diǎn)工作內(nèi)容。

感知層技術(shù)——圖像與視頻技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2）圖像識(shí)別與視頻識(shí)別由于機(jī)器學(xué)習(xí)等大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，基于圖像和視頻技術(shù)的物體、動(dòng)作識(shí)別成了圖像與視頻技術(shù)目前最重要的發(fā)展方向。

①圖像識(shí)別。指利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識(shí)別各種不同目標(biāo)和對(duì)象的技術(shù)，工業(yè)實(shí)踐中的圖像來源為工業(yè)相機(jī)拍攝的圖片。針對(duì)圖像識(shí)別，主流的處理方法是進(jìn)行局部特征點(diǎn)提取。一幅圖像的數(shù)據(jù)矩陣中可能包括很多無用信息，必須根據(jù)這些數(shù)據(jù)提取出圖像中的關(guān)鍵信息，一些基本元件以及他們的關(guān)系。最為廣泛的應(yīng)用包括了手寫文字識(shí)別、人臉識(shí)別等。

感知層技術(shù)——圖像與視頻技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)②視頻識(shí)別是對(duì)采集的視頻畫面進(jìn)行識(shí)別。針對(duì)視頻識(shí)別，主流的方法是單幀識(shí)別，就是將視頻進(jìn)行截幀，然后基于圖像粒度（單幀）進(jìn)行識(shí)別表達(dá)。然而一幀圖相對(duì)整個(gè)視頻是很小的一部分，特別是當(dāng)這幀圖沒有很好的區(qū)分度，或是一些和視頻主題無關(guān)的圖像，則會(huì)讓分類器摸不著頭腦。因此，學(xué)習(xí)視頻時(shí)間域上的表達(dá)是提高視頻識(shí)別的主要因素。視頻識(shí)別為自動(dòng)駕駛等需要處理視頻畫面的應(yīng)用提供了自動(dòng)的物體識(shí)別支持。

在智能建造框架下，圖像和視頻相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)圖像和視頻的采集、處理和分析，是信息的重要來源之一。

感知層技術(shù)——圖像與視頻技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（3）視頻監(jiān)控的構(gòu)成視頻圖像信息技術(shù)中的視頻監(jiān)控主要由三部分構(gòu)成：

①視頻數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集過程中使用的設(shè)備包括攝像機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備等。通過攝像設(shè)備對(duì)工程施工現(xiàn)場(chǎng)錄像，聯(lián)網(wǎng)保存。一旦發(fā)生工程施工問題，通過錄像對(duì)實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的情況再現(xiàn)，保證工程施工的準(zhǔn)確性。

②信息數(shù)據(jù)傳輸。主要利用計(jì)算機(jī)將收集到的信息進(jìn)行壓縮處理，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞準(zhǔn)確地將信息交給視頻監(jiān)管人員。視頻傳輸與網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性相關(guān)，只有保障網(wǎng)絡(luò)安全，才能促使工程共享信息的準(zhǔn)確性。

感知層技術(shù)——圖像與視頻技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（3）視頻監(jiān)控的構(gòu)成視頻圖像信息技術(shù)中的視頻監(jiān)控主要由三部分構(gòu)成：

③計(jì)算機(jī)監(jiān)控。依靠計(jì)算機(jī)硬件支持，實(shí)時(shí)分析處理信息，監(jiān)控工程現(xiàn)場(chǎng)施工，對(duì)施工中出現(xiàn)不當(dāng)情況及時(shí)改正。

感知層技術(shù)——圖像與視頻技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（4）圖像和視頻技術(shù)在智能建造中的應(yīng)用以智慧工地為例。部分圖像和視頻技術(shù)已經(jīng)成熟地應(yīng)用在施工現(xiàn)場(chǎng)。目前，應(yīng)用最為廣泛的為施工現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控，主要通過施工現(xiàn)場(chǎng)布置的攝像頭獲取視頻信號(hào)，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理和分析，以實(shí)現(xiàn)施工新廠周圍區(qū)域和內(nèi)部區(qū)域的管理。

三方面：一是施工現(xiàn)場(chǎng)人員危險(xiǎn)性行為或是錯(cuò)誤操作的監(jiān)控；二是施工現(xiàn)場(chǎng)建筑物情形的監(jiān)控；三是人臉考勤監(jiān)控。

感知層技術(shù)——圖像與視頻技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

感知層技術(shù)——定位技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)1.2.1感知層技術(shù)——定位技術(shù)①室外定位技術(shù)——全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)：美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS（格洛納斯）、歐盟的Galileo（伽利略）、我國(guó)的北斗等。②室內(nèi)定位技術(shù)——Wifi定位、藍(lán)牙定位、紅外線定位、超寬帶定位、RFID定位、Zigbee定位和超聲波定位。2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（1）室外定位技術(shù)

基于衛(wèi)星和基站的定位系統(tǒng)通常被用于室外定位。

衛(wèi)星定位是通過接收太空中衛(wèi)星提供的經(jīng)緯度坐標(biāo)信號(hào)進(jìn)行定位，其中GPS系統(tǒng)是現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的衛(wèi)星定位技術(shù)，我國(guó)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)也逐漸成熟。衛(wèi)星定位系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分、用戶設(shè)備部分三部分組成。

基站定位是指利用手機(jī)通信的基站進(jìn)行定位，在電子地圖平臺(tái)的支持下，通過電信移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)獲取移動(dòng)終端用戶的位置信息。衛(wèi)星定位和基站定位相比，衛(wèi)星定位的精度更高，但受天氣影響大，而基站定位定位速度更快，受天氣的影響較小

感知層技術(shù)——定位技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（1）室外定位技術(shù)

室外定位技術(shù)在包括高層建筑、港口工程、橋梁等施工的定位觀測(cè)和施工測(cè)量有著廣泛的應(yīng)用前景，主要包括以下三個(gè)方面：

①用于高效的大地測(cè)量，只需將定位儀安裝即可，定位儀便可以自動(dòng)地完成大地測(cè)量。

②用于室外人員和機(jī)械定位跟蹤，便于合理地完成人員和機(jī)械調(diào)度。

③用于獲取施工坐標(biāo)與大地坐標(biāo)的換算關(guān)系，對(duì)建筑物變形和振動(dòng)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。

感知層技術(shù)——定位技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2）室內(nèi)定位技術(shù)

室內(nèi)定位在零售、餐飲、物流、制造、化工等行業(yè)均展現(xiàn)了廣闊的市場(chǎng)前景。而室內(nèi)場(chǎng)景收到建筑物的遮擋，室外定位技術(shù)并不適用于室內(nèi)定位。

目前，最為常見的室內(nèi)定位技術(shù)包括Wi-Fi定位、藍(lán)牙定位、RFID定位、超寬帶（UWB）定位等。

感知層技術(shù)——定位技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2）室內(nèi)定位技術(shù)①Wi-Fi定位技術(shù)。主要由兩種方法，一種是通過移動(dòng)設(shè)備和三個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的無線信號(hào)強(qiáng)度，通過差分算法對(duì)人和車輛進(jìn)行三角定位；另一種是實(shí)現(xiàn)記錄巨量的確定位置點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，通過用新加入的設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)，以確定位置。Wi-Fi定位精度大概為2m，常用于室內(nèi)人和車導(dǎo)航，可用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)、主題公園、工廠、商場(chǎng)等各種需要室內(nèi)定位導(dǎo)航的場(chǎng)所。

感知層技術(shù)——定位技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2）室內(nèi)定位技術(shù)②藍(lán)牙定位技術(shù)。目前部署的較多，是相對(duì)比較成熟的技術(shù)。藍(lán)牙定位原理和Wi-Fi定位原理類似，都利用了三角定位技術(shù)，使用藍(lán)牙基站幫助確定定位物體的室內(nèi)位置。藍(lán)牙定位的精度比Wi-Fi定位精度高，達(dá)到亞米級(jí)。藍(lán)牙室內(nèi)定位最大的優(yōu)勢(shì)是設(shè)備體積校、短距離、低功耗，容易集成在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備中。藍(lán)牙傳輸不受視距的影響，但對(duì)于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號(hào)干擾大。

感知層技術(shù)——定位技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2）室內(nèi)定位技術(shù)③RFID定位技術(shù)。是通過一組固定的讀寫器讀取目標(biāo)RFID標(biāo)簽的特征信息，同樣可以采用近鄰法、多變定位法、接收信號(hào)強(qiáng)度等方法確定標(biāo)簽所在位置。射頻識(shí)別室內(nèi)定位技術(shù)作用距離很近，可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級(jí)定位精度的信息，且由于電磁場(chǎng)非視距等優(yōu)點(diǎn)，傳輸范圍很大，而且標(biāo)識(shí)的體積比較小，造價(jià)比較低。但其不具有通信能力，抗干擾能力較差，不便于整合到其他系統(tǒng)之中，且用戶的安全隱私保障和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化都不夠完善。

感知層技術(shù)——定位技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2）室內(nèi)定位技術(shù)④超寬帶定位技術(shù)。是一種新興的無線通信技術(shù)，利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點(diǎn)和橋節(jié)點(diǎn)，與新加入的盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，同樣利用三角定位方式來確定位置。超寬帶通信通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，因此具有GHz量級(jí)的寬帶，不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波。

超寬帶定位的定位誤差已達(dá)到2cm以內(nèi)，從定位精度、安全性、抗干擾、功耗等角度來分析，超寬帶定位技術(shù)是最理想的工業(yè)室內(nèi)定位技術(shù)之一，目前已經(jīng)應(yīng)用到工地施工人員定位、工廠工人定位、設(shè)備定位、隧道人員定位等。

感知層技術(shù)——定位技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2）室內(nèi)定位技術(shù)此外，ZigBee、紅外定位、超聲波定位等也可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

利用室內(nèi)定位技術(shù)，可對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)或較小范圍的室外場(chǎng)地中國(guó)施工人員、建筑材料、施工機(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，定位數(shù)據(jù)可被應(yīng)用于施工質(zhì)量監(jiān)管、人員管理、安全管理等。

感知層技術(shù)——定位技術(shù)2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（1）三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是20世紀(jì)90年代中期開始出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)。三維激光掃描技術(shù)是利用激光測(cè)距的原理，通過記錄被測(cè)物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。

三維激光掃描的優(yōu)勢(shì)在于能夠快速地、精確地對(duì)不規(guī)則、復(fù)雜的場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)量，并與多種軟件平臺(tái)互聯(lián)。

感知層技術(shù)——三維激光掃描2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（1）三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描儀每次測(cè)量的數(shù)據(jù)可以包含三維x、y、z軸點(diǎn)的信息，還包括了R、G、B顏色信息，同時(shí)還有物體反色率的信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實(shí)再現(xiàn)的感覺，是一般測(cè)量手段無法做到的。在智能建造框架下，它將成為一種快速、精確的施工現(xiàn)場(chǎng)狀況測(cè)量手段。

感知層技術(shù)——三維激光掃描2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2）三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成

三維激光掃描系統(tǒng)主要包括三維激光掃描儀、計(jì)算機(jī)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、支架以及系統(tǒng)配套軟件等。三維激光掃描儀是三維激光掃描系統(tǒng)的主要組成部分，由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、馬達(dá)控制可旋轉(zhuǎn)的濾光鏡、控制電路板、微電腦、軟件等組成。

感知層技術(shù)——三維激光掃描光測(cè)距技術(shù)是三維激光掃描儀的主要技術(shù)之一。激光測(cè)距的原理主要有基于脈沖測(cè)距法、相位測(cè)距法、激光三角法、脈沖—相位式四種類型。目前，測(cè)繪領(lǐng)域所使用的三維激光掃描儀主要是基于脈沖測(cè)距法測(cè)距，近距離的三維激光掃描儀主要采用相位干涉法測(cè)距和激光三角法測(cè)距。2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（2）三維激光掃描系統(tǒng)的構(gòu)成

三維激光掃描儀工作原理是通過測(cè)距系統(tǒng)獲取掃描儀到待測(cè)物體的距離。再通過測(cè)角系統(tǒng)獲取掃描儀至待測(cè)物體的水平角和垂直角，進(jìn)而計(jì)算出待測(cè)物體的三維坐標(biāo)信息。

在掃描的過程中再利用本身的垂直和水平馬達(dá)等傳動(dòng)裝置完成對(duì)物體的全方位掃描，這樣連續(xù)地對(duì)空間以一定地取樣密度進(jìn)行掃描測(cè)量，就能得到被測(cè)目標(biāo)物體密度的三維彩色散點(diǎn)數(shù)據(jù)，稱為點(diǎn)云。

通過獲取到點(diǎn)云，影像數(shù)據(jù)，通過后期技術(shù)處理，可快速建立二維圖紙，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場(chǎng)景的三維可視化模型，生成正射影響等。

感知層技術(shù)——三維激光掃描2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（3）三維激光掃描系統(tǒng)的分類

三維激光掃描系統(tǒng)從操作的空間位置可以劃分為如下四類：

①機(jī)載型激光掃描系統(tǒng)。這類系統(tǒng)在小型飛機(jī)或直升機(jī)上搭載，由激光掃描儀、成像裝置、定位系統(tǒng)、飛行慣導(dǎo)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集器、記錄器、處理軟件和電源構(gòu)成。它可以在很短時(shí)間內(nèi)取得大范圍的三維地物數(shù)據(jù)。

②地面型激光掃描系統(tǒng)。此種系統(tǒng)是一種利用激光脈沖對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行掃描，可以大面積、快速度、高精度、大密度的取得地物的三維形態(tài)及坐標(biāo)的一種測(cè)量設(shè)備。

感知層技術(shù)——三維激光掃描2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（3）三維激光掃描系統(tǒng)的分類

三維激光掃描系統(tǒng)從操作的空間位置可以劃分為如下四類：

③手持型激光掃描儀。此類設(shè)備多用于采集小型物體的三維數(shù)據(jù)，一般配以柔性機(jī)械臂使用。優(yōu)點(diǎn)是快速、簡(jiǎn)潔、精確。適用于機(jī)械制造與開發(fā)、產(chǎn)品誤差檢測(cè)、影視動(dòng)畫制作與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

④特殊場(chǎng)合應(yīng)用的激光掃描儀。在特定非常危險(xiǎn)或難以到達(dá)的環(huán)境中，如地下礦山隧道、溶洞洞穴、人工開鑿的隧道等狹小、細(xì)長(zhǎng)型空間范圍內(nèi)，三維激光掃描技術(shù)亦可以進(jìn)行三維掃描，此類設(shè)備可以在狹小的空間內(nèi)開展掃描操作。

感知層技術(shù)——三維激光掃描2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（4）三維激光掃描系統(tǒng)在施工現(xiàn)場(chǎng)