Nuvem de pontos. Como desenvolvemos a tecnologia digital na construção

Talvez você esteja ciente, ou talvez não, mas estamos intimamente envolvidos no desenvolvimento de tecnologias da Indústria 4.0. IoT, aprendizado de máquina em produção real, a empresa digital dobra - sabemos todas essas coisas em primeira mão. Em outras palavras, sabemos como fazer amizade com uma “figura” com engenharia pesada brutal ou produção de petróleo.



Hoje, porém, queremos falar sobre desenvolvimentos um pouco menos heróicos para a indústria da construção igualmente dura. Decidimos encabeçar nossa história “Point Cloud” e muito em breve você entenderá por que isso acontece.

Vamos imaginar o canteiro de obras mais comum. Não é um edifício residencial, mas algo industrial. Em algum momento, a instalação precisará realizar um controle de qualidade do trabalho realizado. Empreiteiros construíram algo, mas o que? E como Você precisa entender o quanto a estrutura concluída ou parte dela corresponde ao projeto.

Você pode agir de acordo com o método tradicional: envie mocinhos com teodolitos para que eles medam tudo. Se o objeto for grande, pode levar muito tempo. Os mocinhos não serão capazes de subir em todos os cantos e sempre haverá um risco de erro.

Mas e se você automatizar o processo? Para executar o controle de qualidade rapidamente, usando equipamentos de alta precisão e, na saída, forneça imediatamente relatórios listando as deficiências encontradas?

Como isso funciona

Como o desenvolvimento foi originalmente focado em instalações industriais sérias, assumiremos que essas instalações sempre têm um projeto no formato de um modelo 3D. Em seguida, pegamos esse modelo 3D e digitalizamos o objeto usando a tecnologia de digitalização a laser.

O scanner a laser permite que, relativamente barato e com alta precisão, processe a estrutura em construção. Um rangefinder moderno de alta precisão pode digitalizar até vários milhões de pontos por segundo. Então, literalmente, em um dia de trabalho, você pode obter um modelo digital do objeto.

Sabemos a localização exata do scanner, a direção e a distância de cada ponto, o que significa que temos coordenadas 3D dos pontos. Temos uma nuvem de coordenadas que corresponde às superfícies do objeto construído. Essa é a nuvem de coordenadas que chamamos de "nuvem de pontos".

Naturalmente, mais de uma medição é realizada. Um objeto pode ter um layout complexo; colunas e outros elementos estruturais interessantes podem ser fornecidos em um projeto. O scanner é movido, o procedimento de digitalização é repetido várias vezes. Além disso, as "nuvens de pontos" resultantes devem ser "unidas" em uma.

Desenvolvemos uma solução que permite comparar automaticamente a “nuvem de pontos” com o projeto de construção em 3D. Agora, esse problema está sendo resolvido pelas pessoas, impondo uma “nuvem” em um modelo 3D e procurando desvios a olho nu. Existem muito poucas soluções automatizadas desse tipo e sua funcionalidade é limitada. Automatizamos completamente o processo e nomeamos nosso protótipo Jet Construction Monitor.

Por que pensamos que uma pessoa viva é ruim? Formalmente, está tudo bem: o problema está sendo resolvido. No entanto, ao trabalhar com um objeto grande, uma pessoa pode simplesmente não perceber um desvio relativamente pequeno, que, no entanto, vai além da tolerância. O segundo ponto é o tempo. O terceiro ponto é o fator humano: sempre há desvios, o funcionário determinará independentemente se eles cumprem os padrões ou não, o que fazer com eles. Sempre há uma chance de erro. O quarto ponto é que tal análise não pode ser realizada no local, será necessário equipamento suficientemente produtivo que ninguém mantenha lá.

O Jet Construction Monitor detecta desvios do modelo 3D de design nas “nuvens” digitalizadas. Nesse caso, as tolerâncias para cada classe de elementos estruturais são levadas em consideração. Quando um elemento ultrapassa a tolerância, um desvio é registrado.

Em palavras, tudo parece extremamente simples. Na prática, ao executar o sistema, encontramos algumas dificuldades. Quando há uma "nuvem de pontos" pronta, é difícil entender onde estão os limites reais do objeto. Portanto, definimos um certo intervalo de valores e, nessa região, procuramos pontos relacionados a um determinado elemento do modelo. Se pontos são encontrados, eles são considerados como caindo sobre esse elemento.

Se esses pontos não forem encontrados ou não caírem na área especificada, considera-se que o elemento não foi coberto pela varredura. Os desvios são calculados apenas para os elementos do modelo para os quais a porcentagem de cobertura está acima de um valor limite. Normalmente, o limite é definido em 75%. O Jet Construction Monitor leva em consideração os seguintes tipos de desvios: deslocamento lateral, redimensionamento, rotação.


Nuvem de pontos sobreposta ao modelo

Assim, alimentamos o sistema: uma “nuvem de pontos”, um modelo de design 3D e informações de referência sobre desvios para várias classes de elementos estruturais. O sistema produz o resultado em duas versões. O primeiro é a visualização 3D interativa, que pode ser vista de todos os lados. O segundo é um relatório na forma de uma tabela de desvios registrados.


Visualização 3D interativa com os desvios mostrados

Na visualização interativa, você vê que diferentes elementos estruturais são pintados em cores diferentes. A cor verde na visualização indica elementos para os quais os desvios não excedem os valores permitidos. Violeta indica desvios em uma direção, vermelho na outra direção.

Na visualização, podem ser mostradas áreas cinzentas que não são cobertas por uma "nuvem de pontos". Geralmente, esses são elementos de um modelo 3D de design que não podem ser digitalizados, por exemplo, partes da fundação. Também pode ser elementos em que o revestimento é inferior a 75%.

Os elementos do modelo, como já mencionado, são exibidos na forma de uma lista tabular com informações sobre desvios. Se os desvios forem maiores que os limites definidos, a célula na tabela será destacada em vermelho. A tabela pode ser exportada para o Excel, classificada pelo indicador de desvio e apresentada ao executor como um registro de desvios.


Tabela de elementos do modelo com desvios

O Jet Construction Monitor é construído na plataforma CloudCompare . Uma grande vantagem da nossa solução é a capacidade de gerar dados sobre elementos estruturais individuais. É com eles que designers e construtores trabalham. A Autodesk tem uma solução semelhante: também é possível aplicar uma “nuvem” ao modelo de design. No entanto, os desvios não estão vinculados à lista de elementos estruturais.

Onde aplicar

O Jet Construction Monitor é voltado principalmente para os clientes da construção - aqueles que supervisionam os empreiteiros. Ao mesmo tempo, não é necessário ter seu próprio scanner a laser e um especialista apropriado. Existem empresas que fornecem esse serviço por um preço razoável.

Mesmo para uma instalação industrial bastante grande, a digitalização e a criação de uma "nuvem de pontos" pronta podem ser feitas em um dia. Na prática, isso significa que é bastante realista receber um relatório semanal sobre o estado da construção que está sendo construída e, assim, controlar os empreiteiros. Ao mesmo tempo, é possível evitar interrupções no período de construção, monitorar a conformidade com os requisitos do projeto e os requisitos tecnológicos e evitar possíveis acidentes. E o mais importante - se você encontrar defeitos a tempo, eles são muito mais fáceis e baratos de corrigir.

Agora, em um grau ou outro, o Jet Construction Monitor suporta as seguintes funções:

• Pesquisa e visualização 3D interativa de desvios;
  
• Formação de um relatório de tabela com uma lista de elementos que vão além das tolerâncias;
  
• Integração com diretórios da indústria;
  
• Importar modelos para sistemas de design;
  
• Importar "nuvens de pontos";
  
• Reconhecimento de elementos estruturais.
  

Os principais consumidores dessa solução são grandes empresas, por exemplo, das indústrias de mineração e manufatura de recursos. Eles constroem instalações em grande escala: oficinas, fábricas, vários tipos de terminais, onde estamos falando de um alto grau de responsabilidade.

Planos futuros

Obviamente, gostaríamos de adicionar alguns recursos ao Jet Construction Monitor que tornarão a solução ainda mais eficiente e conveniente.

Estamos trabalhando em uma função de reconhecimento de padrões usando algoritmos de aprendizado de máquina. Agora, a solução é capaz de pesquisar e reconhecer apenas algumas dessas imagens na "nuvem de pontos", como "feixe", "coluna", "tubo dobrado". O reconhecimento automático melhorará a qualidade da construção de "nuvens" e detectará desvios, mesmo para os objetos que, por algum motivo, não estavam no modelo 3D de design. Ao mesmo tempo, tendo aprimorado a função de reconhecimento, planejamos otimizá-la e reduzir o tempo de processamento da "nuvem de pontos".

O segundo ponto que gostaria de melhorar está relacionado ao problema de exportar elementos estruturais. O Jet Construction Monitor foi fabricado com um dos mais populares softwares de design auxiliados por computador, Autodesk Revit . Esta é uma ferramenta de design BIM , que implementa uma hierarquia prática e conveniente de unidades e elementos estruturais. No entanto, ao exportar a hierarquia não é salva e a saída é uma lista "plana" de elementos. Para projetos de grande escala, essa lista é complicada, é difícil trabalhar com ela. Essa é outra área de refinamento.

Finalmente, estamos pensando em adicionar uma função para criar seções 2D - desenhos, nos quais os elementos que requerem atenção serão destacados. A planta baixa do edifício, onde são destacados elementos com desvios fora das tolerâncias, é uma espécie de versão intermediária da apresentação - entre a visualização 3D e a tabela.

Como resultado, temos um produto completo para controle automatizado das etapas e qualidade da construção de objetos complexos. E poderá se tornar uma parte importante do transportador BIM em gerenciamento de construção para grandes clientes da construção.