CN102409678A

CN102409678A - 基于gps的大坝混凝土料罐碰撞监测与导航定位方法

Info

Publication number: CN102409678A
Application number: CN2011102870176A
Authority: CN
Inventors: 吴浩; 陶婧; 李新平; 池秀文; 陈楠; 黎华
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: CN102409678B

Abstract

本发明涉及一种基于GPS的混凝土料罐防撞监测与导航定位方法，该方法根据GPS实时监测采集的料罐位置、运行速度信息，以及现场的障碍物信息，设计出基于时间和空间的料罐碰撞监测算法，从时间和空间两个角度实时地对料罐发生潜在碰撞可能性做出预警判断；同时，为了引导司机对混凝土料罐进行高效正确的操作，本发明提出静态和动态两种导航定位方法，为其快速化施工提供安全合理可靠的导航路径。本发明可以有效地减少施工过程中由于人为因素而导致的设备碰撞这一严重施工事故的发生。

Description

基于GPS的大坝混凝土料罐碰撞监测与导航定位方法

技术领域

本发明涉及一种碰撞监测和导航定位的方法，属于施工信息化技术领域，尤其是一种基于GPS的大坝混凝土浇筑中缆机料罐碰撞监测预警以及在此基础上对料罐运行轨迹进行导航定位的方法。

背景技术

平移式缆索起重机作为大坝建设中广泛采用的一种施工设备，主要进行浇筑和金属结构吊装工作。其起吊高度高、作业幅度大、工作时间长、吊装效率高，在大坝整个建设期间，占据着十分重要的作用。在施工工地，特别是坝体浇筑现场，缆机的料罐作业将受到周边建筑、大型设备或其他障碍物的影响，运行过程中存在着很多碰撞隐患。不仅如此，由于料罐作业高差很大，作业场所地处很高，常年云雾环绕，并且施工要求24小时连续作业，现场可视性非常差。因此，如何利用现代化技术，对复杂的施工现场进行安全准确的料罐定位，从而指导司机操作人员信息化施工，是个亟待解决的问题。

通过对现有专利文献检索，中国专利申请“基于超声传感网络的塔式起重机防碰撞在线监测预警系统及方法”(专利申请号：200910022444.4)，该申请公开了一种对塔式起重机在线监测防撞预警系统，利用超声传感网络技术的对周边障碍物进行识别与定位，从而主动地避免碰撞事故的发生；中国专利申请“塔吊群交叉作业的安全防护智能测控仪器”(专利申请号：200610041832.3)，该申请公开了一种塔吊群交叉作业时的安全防护智能监测仪器，利用电台模块进行数据采集，通过在每台作业塔吊上安装监测设备，对塔吊群之间的可能碰撞进行报警；中国专利申请“群塔作业防碰撞监测系统”(专利号200820079734.3)，该专利公开了一种包括微机、传感器和无线数据交换装置的群塔作业防碰撞监测系统，通过在塔吊相应部位安装传感器和无线数据交换装置，对相邻塔吊之间可能发生的碰撞进行监测和预警，保证群塔联合交叉作业时的安全。但这些防撞监测预警技术存在一些不足：首先，现有技术多采用传感器等监测设备进行障碍物的监测，传感器测距的精度有限，十几米以上测距精度不可靠，然而对于运行速度比较大的料罐来说，十几米的安全距离是不够的；其次，缆机料罐的运行是实时动态变化的，现有的监测预警技术没有和料罐本身的运行状态相结合，距离料罐相近的物体不一定是会与料罐碰撞的障碍物；最后，没有给司机操作人员提供一个安全并且直观的最优运行路径，在实际施工中，由于施工现场的复杂性和自然环境的恶劣性，操作人员不能仅仅依靠肉眼进行施工操作。综上所述，大型施工中防撞判断系统存在的主要问题是信息化程度不够高，没有主动地对施工进行可靠准确的指导。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以根据GPS实时监测采集的混凝土料罐信息以及施工现场障碍物信息对料罐做出准确可靠的防撞判断，并提供合理直观的导航路径，从而有效地提高施工信息化程度，安全可靠地指导施工的基于GPS的混凝土料罐防撞监测与导航定位方法，以克服上述现有技术存在的问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于GPS的混凝土料罐防撞监测与导航定位方法，该方法在每台缆机的料罐上安装GPS，用以测得料罐的实时位置X_l、Y_l、Z_l和运行速度；障碍物位置信息X_z、Y_z、Z_z事先由工作人员输入数据库。除此之外，工作人员还需设定好相关标准参数，例如料罐与障碍物之间的最小允许距离。由于障碍物众多需进行过滤，并且需要优先考虑距离比较近的障碍物，所以设置了第一层缓冲区。这个缓冲区是以吊罐为中心在速度方向上的一个半球形区域，半球的半径是可以设置的。所以这一步过滤掉了在缓冲区以外的障碍物，找到了距离吊罐比较近的障碍物。在确定了料罐位置以及最近障碍物的位置之后，采取距离预警和时间预警两种形式对料罐的运行状态进行预警。其具体方法如下：

距离预警：指当料罐在运行方向上与障碍物之间的距离l_d小于允许距离L时，即认为此时的运行状态是不安全的。运行方向由速度方向来判断。考虑到司机操作料罐运行分为水平和竖直两个方向，因此判断预警时需要从水平距离和垂直距离两个角度同时进行。预警的临界条件是：

\{\begin{matrix} l_{s} \leq L_{s} \\ l_{c} \leq L_{c} \end{matrix};

式中

l_{s} = \sqrt{{(X_{l} - X_{z})}^{2} + {(Y_{l} - Y_{z})}^{2}},

指水平运行方向上料罐与障碍物之间的距离；l_c＝|Z_l-Z_z|，指垂直运动方向上料罐与障碍物之间的距离；L_s和L_c分别指水平和垂直方向上最小允许距离。

时间预警：指输入水平和竖直方向上的预警时间，当吊罐按照当前时刻的速度及加速度继续前进的话到撞上障碍物的时间小于预警时间时则会报警。所以当前时刻的速度及加速度是实时计算的。先计算当前时刻吊罐水平面与竖直面在障碍物方向的分速度和分加速度，然后以当前速度和预警时间算出水平预警距离和竖直预警距离，然后根据按距离预警的方式进行预警判断。

除此之外，本发明提供静态和动态的导航路径用以指导司机的操作。静态路径，根据取料点与浇筑点的位置，以及当前最高障碍物的位置，分析出的一条最佳静态路径。为了保证路径安全的可靠性，取最高障碍物的高程，加上一个设定值，例如20m，作为导航曲线的一个点。实际上料罐在浇筑点浇筑时并不是直接靠近该点的，往往是先到达该点上方，然后垂直下降，因此在导航路径中考虑在浇筑点的高程上加上一个设定值，例如5m。然后将取料点、加上设定值的浇筑点和障碍物最高点，用最小二乘法做出二次曲线，即是静态导航路径。但是考虑到实际情况下司机可能并没有按照静态导航所提示的路径进行操作，这种情况下，有必要提出根据料罐所在的位置而做的实时动态的导航路径。动态导航路径是在静态路径的基础上，实时地将起点位置改变成当前料罐所在的位置而做出的二次曲线。需要说明的是，不论是静态导航路径还是动态导航路径，都是在大坝浇筑立面图上显示的，这是因为在现场浇筑过程中，缆机的主机和辅机始终保持在同一直线上，从平面图上看来，仅仅是从起点到终点的一条直线，因此，导航路径仅考虑在立面图上显示。

本发明的基于GPS缆机料罐碰撞监测与导航定位方法，紧密地结合了料罐实际施工运行的特点，具有准确性高、实时性好、抗干扰能力强、简单易用的特点。本发明的有益效果是：有效提高缆机监测水平和施工数字化程度，降低司机劳动强度，提高施工安全性，降低缆机料罐碰撞事故的发生的同时指导施工，使其安全、高效地运行。

附图说明

图1是本发明的碰撞监测工作流程图。

图2是本发明的障碍物分类示意图。

图3是本发明的防碰撞算法图。

图4是本发明的导航路径算法图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做出进一步详细说明，但不局限于下面所述内容。

本发明提供的基于GPS的大坝浇筑料罐碰撞监测与导航定位方法，是针对传统的依靠人工目视判断单一监测与导航模式，在复杂的施工环境中难以满足施工安全及操作效率的缺陷，而提出的依托GPS定位监测。首先确定当前工作状态下，障碍物的类型及分布；然后通过GPS数据库读取料罐当前位置数据和运行状态数据；继而利用相应算法对发生碰撞的潜在可能性做出判断与预警，同时，根据料罐取料浇筑的起点终点位置，以及障碍物信息，做出理想情况下的导航路径。

一.障碍物分类：

大坝浇筑过程中，对于料罐来说，如图2所示，其主要障碍物类型分为以下三类：

(1)周边地形。在大坝浇筑前期，坝体周边地形已开挖支护成形，对于浇筑过程中的料罐来说，每次浇筑需要到达坝体两边的取料平台，因此地形是一种障碍物。但是对于这种障碍物来说，在大坝的整个浇筑过程中，它的位置都不会改变，因此在程序中，事先将设计图纸和现场调查之后的地形数据作为固定数据输入，不再变更。

(2)坝体。大坝浇筑是分坝段、仓位来进行的，例如大岗山水电站将坝体分为29个坝段，按照不同位置受力强度的区分，按照1.5m或3m的间隔，将29个坝段细分为2000多个仓位。不同坝段的施工进度不一样，浇筑得较高的坝段会对正在浇筑较低坝段的料罐运行有影响，这一影响主要体现在高程上，而其平面位置数据是固定不变的。由于坝段的高程随着施工的进展而不同，因此，需要工作人员按照施工进度的不同，定期更新坝体高程数据。

(3)大型设备。在大坝浇筑期间，有一些设备用于辅助施工，例如塔吊。此类设备位置比较高、影响范围大，在很大程度上影响着料罐的运行。这种障碍物对于料罐运行的影响主要体现在高程上。在程序中，将此类障碍物影响区域进行5m*5m网格划分，在施工过程中，由工作人员对有影响网格进行高程赋值，从而表示此类障碍物的影响区域。

二.防撞算法：

如图3，该算法按照下述步骤进行：

(1)从GPS数据库中读取数据，按照用户设定的坐标点筛选标准将不合格的坐标点过滤掉，例如卫星信号不好时，坐标数据会出现较大的跳跃，此时的数据一般视为不合格坐标点；

(2)通过两相邻时间点采样的合格GPS坐标点坐标和间隔时间，计算出料罐的运行速度大小和方向。

(3)在料罐速度方向上，以料罐当前位置为中心，缓冲区半径设置值为半径，做半球形缓冲区。判断在缓冲区范围内的障碍物为当前障碍物，缓冲区以外的障碍物不在当前考虑范围内。

(4)选择预警模式，然后计算料罐到障碍物的水平距离和垂直距离。如果选择距离预警模式，水平和垂直距离的计算公式如下：

\{\begin{matrix} l_{s} = \sqrt{{(X_{l} - X_{z})}^{2} + {(Y_{l} - Y_{z})}^{2}} \\ l_{c} = | Z_{l} - Z_{z} | \end{matrix}

式中l_s和l_c分别指料罐与障碍物的水平、垂直距离，L_s和L_c分别指水平和垂直方向上最小允许距离，即预警值，X_l、Y_l、Z_l指料罐的位置坐标信息，X_z、Y_z、Z_z指障碍物的坐标信息。

如果选择时间预警模式，水平距离和垂直距离的计算公式如下：

\{\begin{matrix} l_{s} = v_{s} t_{s} + \frac{1}{2} a_{s} {t_{s}}^{2} \\ l_{c} = v_{c} t_{c} + \frac{1}{2} a_{c} {t_{c}}^{2} \end{matrix}

式中v_s、v_c分别指料罐当前水平方向和垂直方向的速度，a_s和a_c分别指水平方向和垂直方向的加速度，t_s和t_c分别指水平方向和垂直方向的预警时间。

(5)比较l_c和垂直预警距离L_c的大小，如果l_c＞L_c，那么此障碍物被排除，认为对于该障碍物来说，料罐的运行状态是安全的；如果l_c≤L_c，那么此障碍物具有与料罐发生碰撞的可能，进入下一步骤。

(6)比较l_s和水平预警距离L_s的大小，如果l_s＞L_s，那么此障碍物被排除，认为对于该障碍物来说，料罐的运行状态是安全的，回到步骤(1)，对下一个障碍物进行判断；如果l_s≤L_s，那么认定此障碍物会与料罐发生碰撞，进行报警。

三.导航算法：

如图4，该算法按照下述步骤进行：

(1)选择导航模式。如果选择静态导航模式，读取取料点高程坐标为A点；如果选择动态导航模式，从GPS数据库中读取当前料罐高程坐标为A点。

(2)从数据库中读取浇筑点即目的地的坐标，将其高程值加上垂直预警距离设定值之后设为C点。

(3)选择A点和C点中间坝段的最高障碍物点，读取其高程坐标，加上垂直预警距离设定值之后设为B点。

(4)将A、B、C点用最小二乘法进行曲线拟合，即得到立面图上的导航路径。

(5)静态模式下的导航路径在一次浇筑过程中是不变的；动态模式下的导航路径根据当前料罐的高程位置的改变而不断改变。

(6)对于料罐返程的导航路径来说原理是一样的，仅仅需要将起点和终点换位而已。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种基于GPS的混凝土料罐防撞监测与导航定位方法，该方法在每台缆机的料罐上安装GPS，用以测得料罐的实时位置X_l、Y_l、Z_l和运行速度；障碍物位置信息X_z、Y_z、Z_z，该方法事先由工作人员输入数据库，设定好相关标准参数，设置第一层缓冲区，该缓冲区是以吊罐为中心在速度方向上的一个半球形区域，半球的半径是预先设置的，在确定了料罐位置以及最近障碍物的位置之后，采取距离预警和时间预警两种形式对料罐的运行状态进行预警；导航定位方法包括静态导航路径和动态导航路径，其中：

静态导航路径：根据取料点与浇筑点的位置，以及当前最高障碍物的位置，分析出的一条最佳静态路径，具体为：取最高障碍物的高程，加上一个设定值，作为导航曲线的一个点，然后将取料点、加上设定值的浇筑点和障碍物最高点，用最小二乘法做出二次曲线，即是静态导航路径；

动态导航路径：在静态导航路径的基础上，实时地将起点位置改变成当前料罐所在的位置而做出的二次曲线，不论是静态导航路径还是动态导航路径，都是在大坝浇筑立面图上显示的。