增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等新興建筑技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了建筑行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展和建設(shè)效率。然而，作為全球最古老行業(yè)之一的建筑行業(yè)，在麥肯錫數(shù)字化指數(shù)（首次按行業(yè)測評美國經(jīng)濟(jì)數(shù)字化程度的指數(shù)）中卻排名倒數(shù)第二。迄今為止，技術(shù)行業(yè)所關(guān)注的，一直都是移動(dòng)信息而非材料原子。材料原子是建筑的本質(zhì)，在建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的本地化和勞動(dòng)密集型活動(dòng)中，將原子排列到相關(guān)活動(dòng)中。但是，隨著傳感器、小型化、機(jī)器人技術(shù)、無人機(jī)、計(jì)算能力和智能算法等最新技術(shù)發(fā)展，我們得以了解如何將數(shù)字和物理相結(jié)合，從而能夠在較短的時(shí)間內(nèi)，建造更便宜、更環(huán)保、更耐久的建筑物。
如果可以即時(shí)訪問建筑工地、個(gè)人、每個(gè)工具和每個(gè)螺栓最微小細(xì)節(jié)的所有信息；如果可以確定屋梁的最終測量結(jié)果或切口中的土壤體積是否接近填充的體積；如果能夠即時(shí)跟蹤物料的供應(yīng)情況，在接近用完的時(shí)候自動(dòng)重新訂購；那么，建筑行業(yè)將會(huì)迎來哪些變革呢？
這一切，都可以通過“數(shù)字孿生”來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字孿生是對物理對象進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字化表示的概念。通常，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)由傳感器形成，傳感器會(huì)持續(xù)監(jiān)控環(huán)境變化，以測量和圖片的形式報(bào)告更新后的狀態(tài)。
在本文中，我們將回顧數(shù)字孿生技術(shù)的使用實(shí)例，及其能夠給建設(shè)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)帶來的具體幫助。然后，本文將展示當(dāng)前用于從建筑工地收集原始圖像數(shù)據(jù)的技術(shù)，以及處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以重建建筑工地的3D數(shù)字表示的方法。
數(shù)字孿生的綻放
數(shù)字孿生技術(shù)的概念首次于2002年提出，最先應(yīng)用于航空航天、制造和產(chǎn)品生命周期管理領(lǐng)域。比如，美國國家航空航天局（NASA）的月球探索任務(wù)阿波羅13號(hào)（Apollo 13）和火星漫游者（Mars Rover Curiosity）。
本質(zhì)上，數(shù)字孿生使用來自傳感器的持續(xù)數(shù)據(jù)，將物理對象及其數(shù)字表示連接起來。所有數(shù)據(jù)均來自連接在物理對象上的傳感器，相關(guān)數(shù)據(jù)用于建立虛擬對象的表示。
圖1數(shù)字孿生
該數(shù)字表示可用于可視化、建模、分析和仿真等，相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)觸發(fā)決策和工作流變化的反饋回路，這些工作流變化會(huì)影響實(shí)際對象系統(tǒng)的控制過程。
對于建筑而言，數(shù)字孿生技術(shù)的使用，可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)訪問已建立和已設(shè)計(jì)的模型，這些模型會(huì)實(shí)時(shí)進(jìn)行同步。這樣一來，公司可以根據(jù)4D BIM模型中列出的時(shí)間表即時(shí)監(jiān)控進(jìn)度。
圖2數(shù)字孿生在建筑中的使用
甚至可以使用模型預(yù)測控制的方法，基于建筑物的當(dāng)前狀態(tài)和正向模擬做出決策，即時(shí)分析不同的行動(dòng)路徑，并估計(jì)其概率和相應(yīng)的成本函數(shù)，為下一步工作選擇（或調(diào)整）最佳的決策。
建筑工地上的實(shí)時(shí)數(shù)字孿生
1、自動(dòng)化進(jìn)度監(jiān)控
進(jìn)度監(jiān)控可驗(yàn)證已完成的工作是否與計(jì)劃和規(guī)范一致，是否需要進(jìn)行實(shí)地觀察，以核實(shí)所報(bào)告工作量的百分比并明確項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)程。
通過重建建筑物或結(jié)構(gòu)的建成狀態(tài)，我們可以將其與BIM中的計(jì)劃執(zhí)行情況進(jìn)行比較，并采取相應(yīng)的措施來糾正出現(xiàn)的偏差。一般來說，我們會(huì)重建建筑物的幾何形狀并將放進(jìn)模型坐標(biāo)系中，然后按照形狀和對象，與計(jì)劃模型進(jìn)行比較。
一般而言，由于進(jìn)度監(jiān)控的數(shù)據(jù)是通過現(xiàn)場人員收集的，因此，相關(guān)數(shù)據(jù)可能會(huì)非常主觀。例如，在項(xiàng)目開始階段，報(bào)告的已完成工作百分比會(huì)大于實(shí)際數(shù)據(jù)，而在項(xiàng)目結(jié)束階段，則可能會(huì)小于實(shí)際數(shù)據(jù)。這是因?yàn)轫?xiàng)目開始階段，人們對實(shí)際進(jìn)度和完成工作所需的時(shí)間會(huì)持更加樂觀的態(tài)度。
因此，采用自動(dòng)化的數(shù)據(jù)收集和比較方法，就意味著將生成的模型轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)好的BIM模型，從而減少人工失誤。數(shù)字孿生技術(shù)可以解決施工過程中的這些常見問題。
2、竣工模型與設(shè)計(jì)模型
使用實(shí)時(shí)數(shù)字孿生技術(shù)，可以每天、甚至每小時(shí)地跟蹤建成模型的變化情況，盡早發(fā)現(xiàn)差異也可以幫助我們對之前的建模數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，從而為后續(xù)決策流程提供多一層信息。
圖3竣工模型和設(shè)計(jì)模型
然后，項(xiàng)目經(jīng)理可以重構(gòu)導(dǎo)致錯(cuò)誤的步驟，更改將來的工作計(jì)劃，以防發(fā)生類似的錯(cuò)誤。還可以找出表現(xiàn)不佳的因素，從而及時(shí)解決項(xiàng)目中出現(xiàn)的問題，或?qū)φ麄€(gè)項(xiàng)目的預(yù)算和時(shí)間表進(jìn)行及時(shí)、必要的更改。
3、資源計(jì)劃與物流
根據(jù)建筑工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，大約25％的生產(chǎn)時(shí)間都浪費(fèi)在了不必要的材料移動(dòng)和處理上。
數(shù)字孿生技術(shù)提供了自動(dòng)資源分配監(jiān)控和廢物跟蹤功能，為資源管理提供了一種可預(yù)測的精益方法。數(shù)字孿生技術(shù)的使用，可以避免過度分配并動(dòng)態(tài)預(yù)測建筑工地上的資源需求，從而能夠避免長距離移動(dòng)資源的情況，還能進(jìn)一步完善時(shí)間管理。
4、安全監(jiān)控
建筑業(yè)是世界上最危險(xiǎn)的行業(yè)之一。根據(jù)美國勞工統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)，2008年至2012年之間，就有4000多名建筑工人死于施工現(xiàn)場。
作為數(shù)字孿生技術(shù)的典型功能，實(shí)時(shí)站點(diǎn)重建功能的應(yīng)用，使得業(yè)內(nèi)公司可以跟蹤站點(diǎn)上的工作人員和危險(xiǎn)場所，以防止危險(xiǎn)行為的發(fā)生、使用不安全的材料以及在危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行活動(dòng)。公司可以開發(fā)一個(gè)預(yù)先通知系統(tǒng)，在現(xiàn)場工作人員處于危險(xiǎn)的工作設(shè)備附近時(shí)，該系統(tǒng)可以通知建筑經(jīng)理，然后將通知發(fā)送到該工人的可穿戴設(shè)備上。
近期，微軟公司也分享了自己的一個(gè)偉大愿景，即如何將AI與攝像機(jī)和移動(dòng)設(shè)備相結(jié)合，為工作場所建立廣泛的安全網(wǎng)。
5、設(shè)備使用優(yōu)化
設(shè)備利用率最大化是建筑公司一直追求的重要指標(biāo)。未使用的機(jī)器應(yīng)提前投入設(shè)備池中，以便其他人可以在需要的站點(diǎn)上使用。借助先進(jìn)的可視化和自動(dòng)跟蹤功能，可以知道每臺(tái)機(jī)器使用了多少次、在建筑工地的哪個(gè)位置使用，以及用于哪項(xiàng)具體的工作。
6、監(jiān)控和跟蹤工人
對如何監(jiān)控建筑工地上的人員，一些國家有著嚴(yán)格的規(guī)定，比如對所有人員及其在現(xiàn)場的位置形成明確的數(shù)字記錄，以供救援隊(duì)在緊急情況下使用，這其實(shí)是數(shù)字孿生的另外一項(xiàng)應(yīng)用。盡管如此，最佳做法仍是將基于數(shù)字孿生的監(jiān)控與自動(dòng)進(jìn)出登記系統(tǒng)集成在一起，以便把多模式數(shù)據(jù)融合到單個(gè)分析系統(tǒng)中。
獲取數(shù)字孿生數(shù)據(jù)
可以通過使用多模式傳感器數(shù)據(jù)，以及基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法，來獲得物理模型（如建筑工地）的虛擬表示。獲取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)有多種方法，可采用不同傳感器來推斷3D結(jié)構(gòu)，比如激光掃描儀（LIDAR）、雷達(dá)、熱像儀以及標(biāo)準(zhǔn)的照片和攝像機(jī)。
也可以用更加方便的方式，如照相機(jī)和攝像機(jī)拍攝的圖像可視化方法。獲取圖像輸入，然后從中獲取圖像，以重構(gòu)數(shù)字孿生模型。
1、智能手機(jī)攝像頭
智能手機(jī)的價(jià)格和制造組件的成本在不斷下降，現(xiàn)在，哪怕是最便宜的智能手機(jī)，其攝像頭也具有足夠的分辨率和圖像質(zhì)量，可在施工現(xiàn)場重構(gòu)墻壁、光束的形狀和設(shè)備。因此，此類數(shù)字孿生數(shù)據(jù)很容易獲取。
例如，可以使用具有不同攝像頭和照明條件的各種智能手機(jī)，來每日隨機(jī)拍攝一些建筑照片，以比較竣工的重構(gòu)模型與竣工的BIM模型，從而監(jiān)控建筑進(jìn)度。此外，還可用于跟蹤基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場的臨時(shí)性資源，例如人員、設(shè)備和材料等。
2、延時(shí)攝影機(jī)
延時(shí)視頻是一系列拍攝速度小于播放速度的照片，也就是說，延時(shí)視頻的時(shí)間移動(dòng)速度慢于標(biāo)準(zhǔn)視頻。
至少從1989年開始，此類視頻就已經(jīng)用于建筑工地的記錄和進(jìn)度監(jiān)控，那時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)8毫米和超級8毫米之類的老膠片相機(jī)很流行。當(dāng)前，相機(jī)更便宜，體積上更小，在延時(shí)模式下，可以借助電池長時(shí)間工作好幾周的時(shí)間。
3、自主無人機(jī)和機(jī)器人
數(shù)字孿生數(shù)據(jù)還可由UAV獲取，比如無人機(jī)或有高分辨率攝像頭和傳感器的固定翼飛機(jī)，它們都能夠在完全自主模式下運(yùn)行。
隨著建筑中人工成本的不斷增加，人們越來越愿意采用全自動(dòng)的數(shù)據(jù)采集和處理方法。移動(dòng)行業(yè)已經(jīng)生產(chǎn)出了價(jià)格低廉、基于MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）的傳感器，這些傳感器正逐漸應(yīng)用于有高分辨率相機(jī)的無人機(jī)和移動(dòng)機(jī)器人中。無人機(jī)制造商也正致力于制造結(jié)合了數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的專用無人機(jī)，該平臺(tái)可以自動(dòng)執(zhí)行測量、制圖、3D重建以及體積測量。
但是，由于行業(yè)缺乏足夠的時(shí)間來手動(dòng)處理大量的TB級視頻數(shù)據(jù)，因此，全自動(dòng)的數(shù)據(jù)捕獲機(jī)器人將需要更高的自動(dòng)化分析和數(shù)據(jù)處理能力。相關(guān)數(shù)據(jù)處理技術(shù)將在后文詳細(xì)討論。
4、視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)
視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)捕獲和處理技術(shù)與延時(shí)視頻相似，但是具有更高的幀速率——正常播放速度。使用30fps的常規(guī)視頻捕獲速率，可以從構(gòu)造場景中提取更精細(xì)的細(xì)節(jié)，從而更好地跟蹤臨時(shí)對象的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)變化。
5、頭戴式攝像機(jī)和人體攝像機(jī)
盡管相關(guān)技術(shù)，比如頭戴式攝像機(jī)和人體攝像機(jī)等圖像捕獲技術(shù)，尚未在建筑中廣泛使用，但可以預(yù)測，技術(shù)的發(fā)展和AR頭戴式耳機(jī)（包含攝像機(jī)）的不斷小型化，將使其能夠在建筑工地中獲得更廣泛的應(yīng)用。
最近，Microsoft HoloLens正通過安裝在安全帽上的方式，逐漸應(yīng)用于施工現(xiàn)場。主要用于查看真實(shí)空間上的3D模型，幫助將設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為空間表示。
谷歌近期發(fā)布了Google Clip，這是一款微型的電池供電AI相機(jī)，其目標(biāo)客戶是家庭消費(fèi)市場。作為專用硬件與機(jī)載AI軟件（或ASICS中的硬件實(shí)現(xiàn)）的結(jié)合，它將針對不同的市場，對特定領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)處理和分析。
數(shù)字孿生創(chuàng)作的圖像數(shù)據(jù)處理算法
現(xiàn)在，我們已經(jīng)從各種攝像機(jī)獲取了原始圖像數(shù)據(jù)輸入，接下來，我們將進(jìn)一步分析可用于構(gòu)建施工現(xiàn)場的數(shù)字孿生表示技術(shù)。
從數(shù)據(jù)的捕獲和分析，到知識(shí)和決策，高速率地生成數(shù)據(jù)需要更高的數(shù)據(jù)處理速率和全自動(dòng)流程。計(jì)算能力、GPU處理、廣泛的數(shù)據(jù)集和深度學(xué)習(xí)算法的最新發(fā)展，都為自動(dòng)數(shù)據(jù)處理打開了大門。
自動(dòng)駕駛汽車的蓬勃發(fā)展，讓我們可以獲得1-2GB/秒的數(shù)據(jù)，這也促使各個(gè)公司去探尋解決方案，在不將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到云的情況下，快速、實(shí)時(shí)地提取知識(shí)并做出決策。建筑工地是一個(gè)封閉且受控的環(huán)境，以與自動(dòng)駕駛汽車相同的速度生成數(shù)據(jù)，因此，我們可以在其中應(yīng)用自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)，從而能夠按照計(jì)劃，以更少的資源和更高的安全標(biāo)準(zhǔn)，來更好地指導(dǎo)項(xiàng)目的實(shí)施。有了數(shù)字孿生技術(shù)，公司也將處于技術(shù)創(chuàng)新的業(yè)界最前沿。
我們將選擇圖像和視頻處理方法，這些方法可用于構(gòu)建建筑工地的數(shù)字孿生表示，并從原始圖像數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取知識(shí)。
1、3D重建：常規(guī)攝影測量
攝影測量，即能夠測量照片并恢復(fù)表面點(diǎn)精確位置的學(xué)科。現(xiàn)在，攝影測量已被應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如建筑、工程、制造、質(zhì)量控制等。在大多數(shù)情況下，攝影測量的目標(biāo)是通過將實(shí)際坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)對齊并最終生成點(diǎn)云，從給定的照片中重建3D場景。
攝影測量有兩種類型：
——航空攝影：從高處（例如起重機(jī)、飛機(jī)、山脈等）拍攝的。
——近距離攝影測量：指相機(jī)距離物體更近，且通常是手持式或安裝在三腳架上。
近距離攝影測量可提供高度精確的站點(diǎn)模型，但空間分辨率較低，僅包含大約數(shù)百個(gè)分散點(diǎn)。
2、3D重建：運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)
運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)（SfM）一開始只是攝影測量學(xué)的一個(gè)子領(lǐng)域。它對管線的各個(gè)部分都使用相同的算法：特征/目標(biāo)跟蹤，三角剖分，相機(jī)姿態(tài)估計(jì)和束調(diào)整。
現(xiàn)在，SfM和攝影測量法一起用于創(chuàng)建更密集的3D表示，與單獨(dú)使用其他方法相比，使用SfM和攝影測量法能夠獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
3、對象檢測與識(shí)別
對象檢測與識(shí)別是建筑工地機(jī)器人應(yīng)用的基石，因?yàn)闄C(jī)器人需要知道障礙物的位置以進(jìn)行導(dǎo)航和路徑規(guī)劃。此外，這對于操控機(jī)器人的工人也很重要：他們也需獲得要提起或移動(dòng)物體的精確位置。
在數(shù)字孿生模型中，建筑公司可以使用對象檢測與識(shí)別方法，來創(chuàng)建更好的危險(xiǎn)空間模型，在現(xiàn)場監(jiān)控復(fù)雜的機(jī)械。
4、本地化
同時(shí)定位和地圖繪制（SLAM）是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域。它涉及到構(gòu)建或更新未知環(huán)境地圖，同時(shí)跟蹤相關(guān)人員在其中位置的計(jì)算問題。
如果人員在移動(dòng)的話，通常會(huì)涉及到一系列傳感器的組合，例如攝像機(jī)、雷達(dá)、LIDAR和慣性測量單元（IMU）。相關(guān)人員可以指機(jī)器人、起重機(jī)或工人在建筑工地上佩戴的頭戴式顯示器。
借助各種圖像，我們可以實(shí)現(xiàn)在坐標(biāo)空間中定位對象。
5、對象追蹤
對象追蹤指的是：在每個(gè)時(shí)間識(shí)別對象的位置、速度和動(dòng)態(tài)。在機(jī)器人技術(shù)中通常將其用于實(shí)時(shí)預(yù)測控制任務(wù)，也可用于預(yù)測建筑工人和設(shè)備在施工現(xiàn)場的位置。
對象追蹤還被用于基于視頻路徑規(guī)劃的相關(guān)任務(wù)，可以幫助躲避障礙。
現(xiàn)在，街頭監(jiān)控?cái)z像機(jī)拍攝的物體識(shí)別和跟蹤已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。
對象追蹤的另一種用途是識(shí)別人機(jī)交互中的手勢，利用該手勢可以自動(dòng)識(shí)別建筑工地上工人的手勢。
結(jié)論
本文研究了數(shù)字孿生如何通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)捕獲技術(shù)（僅使用攝像頭以及具有密集3D模型和結(jié)構(gòu)重建的智能后處理），來構(gòu)建施工現(xiàn)場的虛擬表示。
將數(shù)字孿生概念與建筑工地上的可穿戴和移動(dòng)設(shè)備配合使用，可以幫助我們更好地實(shí)現(xiàn)在建項(xiàng)目的即時(shí)表示?？蓪⒆钚碌男畔⒎答伒浆F(xiàn)場，以減少錯(cuò)誤和返工的次數(shù)。
通過對人員和設(shè)備的持續(xù)定位和跟蹤，可以完全監(jiān)控時(shí)間利用率，并實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)分配，從而減少等待空閑機(jī)器的時(shí)間，或低效使用昂貴設(shè)備的時(shí)間。
此外，實(shí)時(shí)監(jiān)控還可以將危險(xiǎn)情況的安全警報(bào)直接發(fā)送至工人的手機(jī)或耳機(jī)，從而提高建筑工地的安全性。在緊急情況下，明確施工現(xiàn)場都有哪些人員及其位置也至關(guān)重要。
隨著人工智能、深度學(xué)習(xí)和更強(qiáng)大GPU相關(guān)的技術(shù)，從硬件到軟件的全面集成和創(chuàng)新解決方案，數(shù)字孿生將大幅度提高施工現(xiàn)場的效率和安全性。
