论文题目：智能建造背景下人机交互安全管理方法研究
摘要：建筑业正面临着工人老龄化、特殊工种短缺、安全生产形势严峻和生产效率低下等问题,智能建造被认为是解决上述问题的有效途径。近年来,施工机器人和自动化建造系统等智能化机械正得到持续关注与应用。考虑到建筑业与建设项目的独特性,人与智能施工机械将在施工现场长期共存,且存在大量的人-机迫近交互作业,故存在人-机碰撞风险。然而,对此当前尚缺乏有效的安全管理方法。本研究的目的就是构建智能建造背景下人机迫近交互中施工机械的安全运行管理方法,即通过改变施工机械的运行决策,保障人机交互系统的安全。首先,结合文献综述和调研,界定了智能建造领域人机交互的内涵,确定速度和分离监测适用于智能建造下人机交互的安全管理;通过半结构化访谈和实体-联系图,结构化描述了智能建造中的多人机交互场景。然后,结合人机运动速度,建立了某时刻下人机需要保持的安全距离（即保护性分离距离）和人机能够接近的最低距离（即停止保护距离）的计算方法,提出了以保护性分离距离和停止保护距离为双重临界的单人单机迫近交互的施工机械运行决策方法,支持施工机械运动的动态调整。进而,构建了基于施工组织计划和作业空间资源状况的施工机械优先级比较原则,形成了多人多机交互场景的施工机械安全运行机制。此外,针对上述方法,本研究设计实施了人机迫近交互下施工机械安全运行模拟实验。结果表明:（1）在静态环境中,构建的施工机械安全运行方法能够有效控制机械的原速运行、减速运行和停止运行,降低人机交互系统的碰撞风险;（2）在动态环境中,构建的施工机械安全运行方法能够实现人机交互系统的原速安全状态、减速安全状态和停止保护状态之间的相互转换,在人机迫近或远离的过程中保护人机交互系统的安全;（3）与传统安全距离保护机制相比,本研究构建的施工机械安全运行方法提升了施工机械的有效作业占比,在一定程度上提升了人机交互系统的效率。可见,本研究构建的人机迫近交互下施工机械安全运行管理方法,既丰富了智能建造安全管控知识体系,又有利于人机迫近中的碰撞预防,从而推进智能建造的发展与深入应用。
关键词：智能建造;人机交互;安全管理;速度和分离监测;运动决策
学科专业：管理科学与工程
摘要
Abstract
第1章 引言
1.1 研究背景
1.1.1 工人老龄化
1.1.2 安全形势严峻
1.2 研究目的及意义
1.2.1 研究目的
1.2.2 研究意义
1.3 国内外研究现状分析
1.3.1 智能建造研究
1.3.2 施工安全管理研究
1.3.3 人机交互安全管理研究
1.4 主要研究内容
1.5 研究方法和技术路线
1.5.1 研究方法
1.5.2 技术路线
第2章 人机交互安全管理的基本理论
2.1 人机交互内涵界定
2.1.1 工业领域人机交互
2.1.2 工业领域人机协作
2.1.3 智能建造领域人机交互
2.2 人机交互方式分类
2.2.1 工业领域人机交互方式
2.2.2 智能建造领域人机交互方式
2.3 人机交互安全管理方法分析
2.3.1 安全性监测停止
2.3.2 手动引导
2.3.3 速度和分离监测
2.3.4 功率和力限制
2.3.5 安全管理方法对比分析
2.4 智能建造人机交互场景的结构化描述
2.4.1 典型智能建造人机交互场景分析
2.4.2 人机交互场景的结构化描述
2.5 本章小结
第3章 单人机迫近交互的施工机械运行决策方法
3.1 研究思路与框架
3.2 人机运动速度的计算方法与监测设备选取
3.2.1 人机运动速度计算方法
3.2.2 人机运动速度监测设备选取
3.3 人-机分离距离的计算方法与监测设备选取
3.3.1 人-机分离距离的计算方法
3.3.2 人-机分离距离监测设备选取
3.4 动态保护性分离距离的计算方法
3.4.1 人对保护性分离距离的贡献分析
3.4.2 机对保护性分离距离的贡献分析
3.4.3 入侵距离及系统误差的贡献分析
3.4.4 保护性分离距离的计算方法构建
3.4.5 反应时间和停止时间对保护性分离距离的影响分析
3.5 面向安全的施工机械运行决策方法
3.5.1 分离距离对机械运行速度的影响分析
3.5.2 基于分离距离的施工机械运行决策方法
3.6 本章小结
第4章 多人机迫近交互的施工机械安全运行机制
4.1 研究思路与框架
4.2 施工机械优先级比较原则构建
4.2.1 基于施工组织计划的机械优先级比较
4.2.2 基于作业空间资源状况的机械优先级比较
4.3 人机“一对多”交互的施工机械安全运行机制构建
4.3.1 安全运行机制构建
4.3.2 安全运行流程建立
4.4 人机“多对一”交互的施工机械安全运行机制构建
4.4.1 安全运行机制构建
4.4.2 安全运行流程建立
4.5 人机“多对多”交互的施工机械安全运行机制构建
4.5.1 安全运行机制构建
4.5.2 安全运行流程建立
4.6 本章小结
第5章 人机迫近交互下施工机械安全运行管理方法模拟
5.1 实验设计与场景搭建
5.1.1 实验背景
5.1.2 实验目的
5.1.3 实验设计
5.1.4 实验场景搭建
5.2 静态场景下施工机械安全运行方法模拟
5.2.1 实验过程
5.2.2 实验结果
5.2.3 结果讨论
5.3 动态场景下施工机械安全运行方法模拟
5.3.1 实验过程
5.3.2 实验结果
5.3.3 结果讨论
5.4 施工机械运行效率实验分析
5.4.1 实验过程
5.4.2 实验结果
5.4.3 结果讨论
5.5 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 研究工作和结论
6.2 不足与展望
参考文献
致谢
指导教师学术评语
答辩委员会决议书