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高层建筑物智能清洗流程设计与过程控制
【摘要】针对高层建筑外墙清洗过程智能化严重滞后的实际问题，以高层建筑物智能清洗系统为研究对象，分析了高层建筑智能清洗过程性能指标与参数设置，提出了基于微域分析的高层建筑智能清洗过程特征信息计算方法，设计了高层建筑智能清洗过程信息智能处理流程。以外墙面是墙砖、玻璃和墙漆混合搭配的高层建筑为模型，运用Matlab仿真平台对智能清洗过程性能参数进行了仿真分析。结果表明，本系统能够准确捕捉智能清洗过程动态特征信息，精确控制高层建筑智能清洗过程，提高了高层建筑物外墙清洗过程控制的智能化程度。
0、引言
近年来，随着我国城市化建设进程的不断推进和建筑施工能力的不断提升，全国各地高层建筑物不断涌现，其智能化逐渐成为了业内关注话题。张利霞、王杏华等人对外墙清洗终端和通信方式进行了一定程度的探讨[1-2]，但未能涉及智能清洗流程领域的研究;高九岗、田静眉和方毅等人对清洗机器人结构进行了深入探讨，但没有与无人机相结合。
目前高层建筑物外墙清洗过程智能化程度极其低下，已成为时代共同关注的课题。另一方面，我国在无人机系统和机器人系统领域研究获得了突破性的发展，李鹏等人对无人机在航拍、航测、侦察、甚至中小型运输业务中的应用进行了深入研究，取得了巨大的进步;机器人在制造、控制和特殊领域的应用更是异军突起，日新月异。然而，目前学术界和工程技术界鲜有针对高层建筑物清廷的智能系统进行深入研究。
本论文着重论述基于无人机搭载的高层建筑物清洗系统特征信息提取、核心参数计算与动态更新方法，设计高层建筑外墙面智能清洗施工的信息处理流程，并对其关键性能进行仿真分析。
1、高层建筑清洗过程性能指标与参数设置
高层建筑清洗系统清洗施工过程，其实质就是高层建筑清洗系统与清洗对象连续不断地信息交互，进而实现精准控制的过程。在清洗过程中，高层建筑清洗系统必须根据不同的操作对象属性，高灵敏度地适时调整自己的工作性能参数，才能安全、迅速而且高质量地完成指定的清洗任务。
1.1静态性能指标与参数设置高层建筑清洗系统与清洗对象进行信息交互的性能参数，其中一部分是不随时间变化的，它们是对高层建筑清系统和清洗对外基本特点的描述，本文称作静态参数。根据高层建筑清洗系统在空中进行清洗施工实践需要，现将下文将涉及的静态参数意义和参数符号表示分别。
1.2动态性能指标与参数参数设置
高层建筑清洗系统与清洗对象进行信息交互的性能参数，其中一部分是随时间变化的，它们是对高层建筑清系统和清洗对象动态特征的描述，本文称作动态参数。根据高层建筑清洗系统在空中进行清洗施工实践需要，现将下文将涉及的静态参数意义和参数符号表示。
2、高层建筑清洗过程特征信息提取
2.1清洗过程特征信息提取思路
为准确提取清洗对象的特征信息，现引入微域理论思想对清洗对象工作面进行微域化处理。定义1：微域：指材质结构相同、空间位置连续、清洗方式相同的清洗对象的矩形小区域，清洗对象是由多个位置不同的微域构成，每个微域面积不相等而且有自己不同的材质结构、清洗方式等要求。因此，每个微域必有自己特定的喷水压力、喷水速度和能耗速度等信息。本论文涉及的不同微域材质与清洗方式所对应的性能参数。其中，V(k，j)为按第j种清洗要求，对第k种材质进行清洗的性能参数，下同。
设当前清洗对象有N个微域，其中第i个微域的面积、材质结构、清洗方式、喷水压力、喷水速度和能耗速度分别为S(i)，Kobj(i),Mope(i),Fwat(i),Vwat(i),Vcon(i),Vcur(i),i=1,2…N。再设清洗系统能提供的清洗方式共有L种，对第i微域，必须而且只能从中选取一种。于是高层建筑清洗系统清洗过程可以描述成上述参数根据清洗实践需要，按特定规律出现的参数组合。
(1)其中mux{}表示从中必须，而且只能选一。再考虑到建筑物外墙常见材质有陶瓷、玻璃、木材、塑料等种类，不失一般性，现在假设微域材质共有M种，则高层建筑清洗清洗过程参数矩阵可进一步修改为：(2)其中X(i,j,k)，i=1,2…N，j=mux{1,2…L},k=mux{1,2…M}为第i微域，按第j种清洗要求，对第k种材质进行清洗的性能参数。综上所述，高层建筑清洗过程可以视为根据清洗施工需要，按照特定规律从(2)中选取特定元数并作为性能控制参数以精确完成清洗施工任务的过程。
2.2高层建筑智能清洗业务特征信息提取实现
高层清洗对象可能由多个不同特征的微域构成。但对于当前既定微域，其材质、大小、清洗方式等信息已经确定，而且是高层建筑清洗系统为精确完成清洗任务所必须获取的关键信息。为此，令当前微域序号为i,i=1,2…N,清洗方式序号为j，j=mux{1,2…L},材质种类序号为k，k=mux{1,2…M},且设初始位置和边沿位置分别为则当前微域的特征信息如下：微域面积(3)工作时间(4)储能消耗量(5)储水消耗量(6)洗涤液减少量(7)重量减少量(8)
3、高层建筑清洗过程特征信息参数计算与动态更新随着清洗过程的不断推进，工作面微域不断地切换，清洗方式会不断改变，能量和资源消耗的速度会适时更新，总量也会不断增加。设当前已经完成第q个微域清洗，1≤q≤N。此时高层建筑清洗系统在时间、能量及资源损耗等方面的特征信息为：累计工作时间(9)累计电能消耗(10)累计储水消耗(11)累计洗液减量(12)累计重量减量(13)经过上述清洗工作过程，高层建筑清洗系统中的能量及其它资源都受到一定程度的损耗，而当前可用能量和资源是清洗正常工作所必须的条件，必须精确计算[9]。主要有：当前电能余量(14)安全续航时间(15)
4、高层建筑清洗过程智能信息处理流程设计
高层建筑智能清洗系统进入工作状态以前其能量和资源得到充足补给，本流程中视为初始静态信息;随着清洗任务的不断推进，其能量和资源等基本信息必然会随着时间不断改变，本流程中视为动态信息。然后运用式(14)～式(18)的计算方法，对高层建筑清洗系统清洗施工中所必须的储能余量、储水余量、续航时间、重量余量等信息进行计算，然后，再将其与新的任务需求及安全作业所必须的最低要求保障信息相比对，确认高层建筑清洗系统是否进入新的任务工作状态，以发出相应的指令控制信息。
5仿真实验设计与数据分析
5.1仿真实验设计高层建筑清洗系统对清洗对象的清洗施工过程，也可以等效成高层建筑清洗系统静止不动，多个清洗对象微域依次通过高层建筑清洗系统的过程，而且这些依次到来的清洗对象微域的材质结构、清洗方式等特征参数值会随时间不断变化，具有一定的随机特性;而对于某种既定材质微域在特定清洗方式下的特性参数则处于稳定状态，其参数为恒定值。根据这一特征，为直观地体现高层建筑清洗系统及信息处理流程的性能特点，现假定某清洗对象有个不同特征参数的工作微域，再由个清洗方式和个材质组合功能的高层建筑清洗系统对其进行清洗施工，取本次清洗施工相关的初始特性信息，运用式(9)～式(18)的参数计算方法，通过Matlab仿真平台编写仿真程序，对清洗过程中的喷水压力、续航时间、重量余量、储水余量、储能余量等特征参数进行仿真，得到清洗过程特性参数仿真结果。注：“结余”表示上一微域消耗后的余量。
5.2仿真数据分析
为对仿真结果进行正确分析，现将仿真曲线含义。对分析如下：由于各清洗微域由不同的材质构成，有不同的清洗要求，决定了随着清洗过程的推进高层建筑清洗系统的工作性能参数必定随之而变化。清洗不同单个微域所消耗的时间、资源和能量随着微域的改变而呈现出差异性，如微域1与微域2之间的增量较小，而微域4与微域5之间的增量较大。随着清洗微域数量的递增，时间、资源和能量消耗总量呈现不断递增趋势，而且递增的速度是不断变化的，体现了在高层建筑物清洗过程中本系统对清洗过程参数、能量和资源的精细控制。
对分析如下：随着已经清洗微域数量的不断增加，高层建筑清洗系统的能量、资源消耗必然不断增加，而自带的能量和资源量毕竟是有限的，于是在清洗过程中可用的能量、资源量必定不断减少。随着清洗过程的不断推进，续航时间余量、资源余量和能量余量呈现出单调递减的趋势，而且递减的速度是不断变化的，体现了不同材质和清洗要求微域需要不同的能量、资源消耗和工作时间等控制参数特性。实现了本系统在清洗过程中对高层建筑清洗的能量、资源和安全性能等方面的智能控制。
6、结论
针对高层建筑清洗系统在高层建筑外墙清洗过程中信息交互的特点，在分析高层建筑清洗系统及清洗对象微域的特征性能参数的基础上设置了能够表征高层建筑清洗系统在高层建筑外墙清洗作业动态特征的性能参数，并进行了精确的分析和计算。以此为基础，提出了实现高层建筑清洗系统在高层建筑外墙清洗作业特征信息处理流程，并用Matlab平台进行了性能仿真设计。通过仿真分析，证实了本系统在高层建筑外墙清洗过程中对特征信息处理与控制的精准性和有效性。
