CN108873020B - 一种利用gnss测速技术的塔机倾斜监控预警系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用GNSS测速技术的塔机倾斜监控预警系统，该塔机包括塔臂、塔身，该系统包括：塔身GNSS监测站、倾斜监控装置和预警装置，塔身GNSS监测站安装在塔身的顶部，接收GNSS导航卫星播发的GNSS多普勒观测值信号，用于确定塔身顶部瞬时三维晃动速度，并将该瞬时三维晃动速度发送给倾斜监控装置，所述倾斜监控装置根据该瞬时三维晃动速度，确定所述塔身的实时倾斜三维变动量，若所述实时倾斜三维变动量超出预警值，则触发所述预警装置进行告警提示。

Description

一种利用GNSS测速技术的塔机倾斜监控预警系统
技术领域
本发明涉及建筑施工塔机，尤其涉及一种利用GNSS测速技术的塔机倾斜监控预警系统。
背景技术
建筑施工塔吊机偶有事故发生，一旦发生事故就会造成较大的损失，有些事故是因为外力造成的，例如飓风、碰撞等。有些事故是塔吊机坍塌、塔臂断裂等造成的。塔吊机坍塌的原因较多，但无论何种原因造成的坍塌，如果在坍塌时能够及时报警，都会对减少人员伤害和财产损失起到极大的帮助。
发明内容
本发明鉴于以上情况，提出用于缓解或消除现有技术中存在的一项或更多的缺点，至少提供一种有益的选择。
为实现以上目的，本发明公开了一种利用GNSS测速技术的塔机倾斜监控预警系统，所述塔机包括塔臂、塔身，其中，该系统包括：塔身GNSS监测站、倾斜监控装置和预警装置，所述塔身GNSS监测站接收并处理GNSS多普勒观测值信号，用于确定塔身顶部瞬时三维晃动速度，并将所述塔身顶部瞬时三维晃动速度发送给所述倾斜监控装置，所述倾斜监控装置根据所述塔身顶部瞬时三维晃动速度，确定所述塔身的实时倾斜三维变动量，若所述实时倾斜三维变动量超出预警值，则触发所述预警装置进行告警提示。
根据一种实施方式，该利用GNSS测速技术的塔机倾斜监控预警系统还包括塔臂GNSS监测站，所述塔臂GNSS监测站接收GNSS导航卫星播发的GNSS多普勒观测值信号，用于确定塔身顶部瞬时三维晃动量，并将所述塔身顶部瞬时三维晃动量发送给所述监控装置，倾斜监控装置17根据所述塔臂顶部瞬时三维晃动量，确定所述塔臂的瞬时倾斜三维变动量。
根据一种实施方式，若所述塔臂的瞬时倾斜三维变动量超出预警值，则所述预警装置进行预警。
根据一种实施方式，将所述塔臂的瞬时倾斜三维变动量和所述塔身的瞬时倾斜三维变动量进行综合换算，当综合换算得出的变动量超出预警值，则所述预警装置18进行预警。
根据本发明的另一方面，提供了一种基于塔臂倾斜的GNSS塔机倾斜监控预警系统，所述系统包括塔身GNSS监测站、塔臂GNSS监测站、倾斜监控装置和预警装置，所述塔身GNSS监测站接收并处理GNSS多普勒观测值信号，用于确定塔身顶部瞬时三维晃动速度，并将所述塔身顶部瞬时三维晃动速度发送给所述倾斜监控装置，所述塔臂GNSS监测站采集GNSS导航卫星播发的GNSS观测值信号，包括多普勒观测值、载波相位观测值和伪距观测值，利用最小二乘参数估计方法实时处理4颗及以上有效导航卫星的GNSS多普勒观测值信号，求解获得所述塔臂GNSS监测站的瞬时速度，并进行去噪滤波平滑处理，获得平滑结果作为所述塔身顶部瞬时三维晃动速度，并将塔臂首端的瞬时三维晃动速度发送给所述倾斜监控装置，所述倾斜监控装置根据所述塔臂首端的瞬时垂向晃动速度，获得所述塔臂首端的瞬时实际垂向晃动速度，根据所述塔臂首端的瞬时实际垂向晃动速度，确定所述塔臂首端的实时实际垂向晃动量，若所述实时实际垂向晃动量超出预警值，则触发所述预警装置进行告警提示。
根据一种实施方式的基于塔臂倾斜的GNSS塔机倾斜监控预警系统，所述塔臂首端的实时实际垂向晃动量如下地计算：
Figure BDA0001727958520000031
其中，
Figure BDA0001727958520000032
为所述塔臂首端的实时实际垂向晃动量，hB为所述塔臂的高度，hS为所述塔身的高度，H为所述塔臂首端到所述塔臂GNSS监测站的所述GNSS天线的相位中心的垂高，T为所述塔臂GNSS监测站的所述GNSS主机的数据采样间隔，
Figure BDA0001727958520000033
为所述塔臂首端的瞬时实际垂向晃动速度。
根据一种实施方式的基于塔臂倾斜的GNSS塔机倾斜监控预警系统，所述塔臂首端的瞬时实际垂向晃动速度满足如下关系式：
Figure BDA0001727958520000034
其中，
Figure BDA0001727958520000035
和
Figure BDA0001727958520000036
为所述塔身顶部瞬时三维晃动速度，LB为所述塔臂的长度，hS为所述塔身的高度，h为所述塔身顶部到所述塔身GNSS监测站的所述GNSS天线的相位中心的垂高，
Figure BDA0001727958520000041
为所述塔臂首端的瞬时实际垂向晃动速度。
根据一种实施方式的基于塔臂倾斜的GNSS塔机倾斜监控预警系统，当所述实时实际垂向晃动量大于预警量EB时，进行塔臂垂向倾斜预警，其中所述预警量如下地计算：
Figure BDA0001727958520000042
其中，a、b分别是所述塔臂GNSS监测站的所述GNSS主机的固定误差和比例误差；LB为所述塔臂的长度，k为预警系数，预警系数计算公式如下：
k＝(2～3)·n
其中，n为所述塔臂的折旧系数，取值0.6～1。
依据本发明的技术方案，能够提高建筑施工塔吊机群吊装作业的安全性。
附图说明
结合附图，可以更好地理解本发明。但是附图仅仅是示例性的，不是对本发明的保护范围的限制。
图1示出了依据本发明的一种实施方式的基于测速技术的GNSS监测站塔机倾斜监控预警系统的示意图；
图2示出了依据本发明的又一种实施方式的基于测速技术的GNSS监测站塔机倾斜监控预警系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步详述，但不构成对本发明的限制。
图1示出了依据本发明的一种实施方式的利用GNSS测速技术的塔机倾斜监控预警系统的示意图。
如图1所示，可以应用本发明的一种实施方式的建筑施工塔吊机包括固定装置11、塔身12、塔臂13、吊装移动车14、吊钩部件15。吊装移动车14可以在塔臂上移动。依据本发明的一种实施方式的利用GNSS测速技术的塔机倾斜监控预警系统包括塔身GNSS监测站16、倾斜监控装置17和预警装置18，所述塔身GNSS监测站16安装在塔身12的顶部(在一种实施方式中，可以位于顶部中心位置)，该塔身GNSS监测站16接收导航卫星播发的GNSS多普勒观测值信号，确定塔身顶部瞬时三维晃动速度，并将该塔身顶部瞬时三维晃动速度发送给所述倾斜监控装置17，倾斜监控装置17根据所述塔身顶部瞬时三维晃动速度，确定所述塔身的实时倾斜三维变动量，若所述实时倾斜三维变动量超出预警值，则触发所述预警装置18进行告警提示。
根据一种实施方式，塔身GNSS监测站16可以包括GNSS天线、GNSS主机和数据处理装置，所述GNSS天线与所述GNSS主机通过数据信号线连接，所述GNSS主机与所述数据处理装置通过数据信号线连接，GNSS天线安装在所述塔身的顶部，采集GNSS导航卫星播发的GNSS观测值信号，包括多普勒观测值、载波相位观测值和伪距观测值，GNSS主机可以安装在所述塔机的驾驶室，接收GNSS多普勒观测值信号，数据处理装置可以安装在塔机的驾驶室中，实时处理GNSS多普勒观测值信号，用于确定塔身顶部瞬时三维晃动速度，并将该塔身顶部瞬时三维晃动速度发送给倾斜监控装置17。
根据一种实施方式，计算塔身顶部瞬时三维晃动速度包括利用原始多普勒频移观测值或构造的多普勒频移观测值建立GNSS多普勒测速观测模型，当所述塔身GNSS监测站观测到4颗及以上有效导航卫星时，利用最小二乘参数估计求解所述塔身GNSS监测站的瞬时速度，并进行去噪滤波平滑处理，获得平滑结果作为所述塔身顶部瞬时三维晃动速度，所述GNSS多普勒测速观测模型如下地表示：
Figure BDA0001727958520000061
其中，
Figure BDA0001727958520000062
为t时刻所述塔身GNSS监测站接收的从导航卫星j到GNSS监测站r之间的原始多普勒观测值或构造多普勒观测值，λ为导航卫星发射信号频率的载波波长，
Figure BDA0001727958520000063
为t时刻导航卫星j到所述塔身GNSS监测站r之间的几何距离，
Figure BDA0001727958520000064
为
Figure BDA0001727958520000065
时刻导航卫星j的位置，
Figure BDA0001727958520000066
为t时刻所述塔身GNSS监测站r的位置，
Figure BDA0001727958520000067
为
Figure BDA0001727958520000068
时刻导航卫星j的瞬时速度，
Figure BDA0001727958520000069
为t时刻所述塔身GNSS监测站r的瞬时速度，
Figure BDA00017279585200000610
为导航卫星j到GNSS监测站r之间的信号传播时间，c为信号传播的速度，
Figure BDA00017279585200000611
为t时刻所述塔身GNSS监测站r的钟速，
Figure BDA00017279585200000612
为
Figure BDA00017279585200000613
时刻导航卫星j的钟速，
Figure BDA00017279585200000614
为t时刻导航卫星j到所述塔身GNSS监测站r之间的观测噪声。
如上所述，当塔身GNSS监测站16观测到4颗及以上有效导航卫星时，可依据上式，利用最小二乘参数估计求解塔身GNSS监测站16的瞬时速度
Figure BDA0001727958520000071
并进行去噪滤波平滑处理，从而可以获得塔身顶部瞬时三维晃动速度
Figure BDA0001727958520000072
和
Figure BDA0001727958520000073
根据一种实施方式，塔身的实时倾斜三维变动量如下地确定：
Figure BDA0001727958520000074
其中，
Figure BDA0001727958520000075
和
Figure BDA0001727958520000076
为塔身的实时倾斜三维变动量，
Figure BDA0001727958520000077
和
Figure BDA0001727958520000078
为塔身顶部瞬时三维晃动速度，hB为所述塔臂的高度，hS为所述塔身的高度，h为所述塔身顶部到所述GNSS监测站的所述GNSS天线的相位中心的垂高，T为所述塔身GNSS监测站的所述GNSS主机的数据采样间隔。
根据一种实施方式，当所述塔身的实时倾斜三维变动量大于预警量ET时，进行塔身倾斜预警，其中所述预警量如下地计算：
Figure BDA0001727958520000079
其中，a、b分别是所述GNSS监测站的所述GNSS主机的固定误差和比例误差；hS为所述塔身的高度，h为所述塔身顶部到所述GNSS监测站的所述GNSS天线的相位中心的垂高，k为预警系数，预警系数计算公式如下：
k＝(2～3)·m
式中，m为所述塔身的折旧系数，取值0.6～1。
图2示出了依据本发明的又一种实施方式的利用GNSS测速技术的塔机倾斜监控预警系统的示意图。如图2所示，依据本发明的又一种实施方式的利用GNSS测速技术的塔机倾斜监控预警系统还包括塔臂GNSS监测站19，塔臂GNSS监测站19安装在塔臂的首端，倾斜监控装置根据塔臂GNSS监测站19的监测结果计算塔臂变动量，预警装置18根据塔臂变动量和塔身变动量两者进行预警。
在一种实施方式中，塔臂GNSS监测站19接收GNSS导航卫星播发的GNSS多普勒观测值信号，用于确定塔身顶部瞬时三维晃动速度，并将所述塔身顶部瞬时三维晃动速度发送给所述监控装置17，倾斜监控装置17根据所述塔臂顶部瞬时三维晃动速度，确定所述塔臂的瞬时倾斜三维变动量。
根据一种实施方式，若所述塔臂的瞬时倾斜三维变动量超出预警值，则所述预警装置18进行预警。
根据一种实施方式，将所述塔臂的瞬时倾斜三维变动量和所述塔身的瞬时倾斜三维变动量进行综合换算，当综合换算得出的变动量超出预警值，则所述预警装置18进行预警。
根据一种实施方式，塔臂GNSS监测站19包括GNSS天线、GNSS主机和数据处理装置，所述GNSS天线与所述GNSS主机通过数据信号线连接，所述GNSS主机与所述数据处理装置通过数据信号线连接，所述GNSS天线安装在所述塔臂的首端的顶部，采集GNSS导航卫星播发的GNSS观测值信号，包括多普勒观测值、载波相位观测值和伪距观测值，所述GNSS主机可以安装在所述塔机的驾驶室，接收GNSS多普勒观测值信号，所述数据处理装置安装在所述塔机的驾驶室，利用最小二乘参数估计方法实时处理4颗及以上有效导航卫星的GNSS多普勒观测值信号，求解获得所述塔臂GNSS监测站的瞬时速度，并进行去噪滤波平滑处理，获得平滑结果作为所述塔身顶部瞬时三维晃动速度，并将塔臂首端的瞬时三维晃动速度发送给所述倾斜监控装置，所述倾斜监控装置根据所述塔臂首端的瞬时垂向晃动速度，获得所述塔臂首端的瞬时实际垂向晃动速度，根据所述塔臂首端的瞬时实际垂向晃动速度，确定所述塔臂首端的实时实际垂向晃动量，若所述实时实际垂向晃动量超出预警值，则触发所述预警装置进行告警提示。
依据一种实施方式，所述塔臂首端的实时实际垂向晃动量如下地计算：
Figure BDA0001727958520000091
其中，
Figure BDA0001727958520000092
为所述塔臂首端的实时实际垂向晃动量，hB为所述塔臂的高度，hS为所述塔身的高度，H为所述塔臂首端到所述塔臂GNSS监测站的所述GNSS天线的相位中心的垂高，T为所述塔臂GNSS监测站的所述GNSS主机的数据采样间隔，
Figure BDA0001727958520000093
为所述塔臂首端的瞬时实际垂向晃动速度。
根据一种实施方式，所述塔臂首端的瞬时实际垂向晃动速度满足如下关系式：
Figure BDA0001727958520000101
其中，
Figure BDA0001727958520000102
和
Figure BDA0001727958520000103
为所述塔身顶部瞬时三维晃动速度，LB为所述塔臂的长度，hS为所述塔身的高度，h为所述塔身顶部到所述塔身GNSS监测站的所述GNSS天线的相位中心的垂高，
Figure BDA0001727958520000104
为所述塔臂首端的瞬时实际垂向晃动速度。
依据一种实施方式，当所述实时实际垂向晃动量大于预警量EB时，进行塔臂垂向倾斜预警，其中所述预警量如下地计算：
Figure BDA0001727958520000105
其中，a、b分别是所述塔臂GNSS监测站的所述GNSS主机的固定误差和比例误差；LB为所述塔臂的长度，k为预警系数，预警系数计算公式如下：
k＝(2～3)·n
其中，n为所述塔臂的折旧系数，取值0.6～1。
根据这种方式，可以将塔臂的变动量与塔身的变动量进行相互确认，从而降低误警的可能性。
本发明的上述详细的描述仅仅给本领域技术人员更进一步的相信内容，以用于实施本发明的优选方面，并且不会对本发明的范围进行限制。仅有权利要求用于确定本发明的保护范围。因此，在前述详细描述中的特征和步骤的结合不是必要的用于在最宽广的范围内实施本发明，并且可替换地仅对本发明的特别详细描述的代表性实施例给出教导。此外，为了获得本发明的附加有用实施例，在说明书中给出教导的各种不同的特征可通过多种方式结合，然而这些方式没有特别地被例举出来。

Claims (7)

1.一种利用GNSS测速技术的塔机倾斜监控预警系统，所述塔机包括塔臂、塔身，其中，该系统包括：塔身GNSS监测站、倾斜监控装置和预警装置，所述塔身GNSS监测站设置在所述塔身的顶部，所述塔身GNSS监测站包括塔身GNSS天线和塔身GNSS主机，
所述塔身GNSS监测站接收并处理GNSS多普勒观测值信号，用于确定塔身顶部瞬时三维晃动速度，并将所述塔身顶部瞬时三维晃动速度发送给所述倾斜监控装置，
所述倾斜监控装置根据所述塔身顶部瞬时三维晃动速度，确定所述塔身的实时倾斜三维变动量，若所述实时倾斜三维变动量超出预警值，则触发所述预警装置进行告警提示，
其中，所述塔身的实时倾斜三维变动量如下地确定：
Figure FDA0003323539810000011
其中，
Figure FDA0003323539810000012
和
Figure FDA0003323539810000013
为所述塔身的实时倾斜三维变动量，
Figure FDA0003323539810000014
和
Figure FDA0003323539810000015
为所述塔身顶部瞬时三维晃动速度，hB为所述塔臂的高度，hS为所述塔身的高度，h为所述塔身顶部到所述塔身GNSS监测站的所述塔身GNSS天线的相位中心的垂高，T为所述塔身GNSS监测站的所述塔身GNSS主机的数据采样间隔。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述GNSS多普勒观测值信号包括所述塔身GNSS监测站的原始多普勒观测值，还包括采用由所述塔身GNSS监测站的载波相位观测值经历元间差分获得的构造多普勒观测值，所述构造多普勒观测值如下地表示：
Figure FDA0003323539810000021
其中，
Figure FDA0003323539810000022
为t时刻的构造多普勒观测值，
Figure FDA0003323539810000023
为t时刻后m1历元的载波相位观测值，
Figure FDA0003323539810000024
为t时刻前n1历元的载波相位观测值，Δt为GNSS观测值数据的采样间隔，m1、n1为整数。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，计算塔身顶部瞬时三维晃动速度包括利用原始多普勒频移观测值或构造的多普勒频移观测值建立GNSS多普勒测速观测模型，当所述塔身GNSS监测站观测到4颗及以上有效导航卫星时，利用最小二乘参数估计求解所述塔身GNSS监测站的瞬时速度，并进行去噪滤波平滑处理，获得平滑结果作为所述塔身顶部瞬时三维晃动速度，所述GNSS多普勒测速观测模型如下地表示：
Figure FDA0003323539810000025
其中，
Figure FDA0003323539810000026
为t时刻所述塔身GNSS监测站接收的从导航卫星j到塔身GNSS监测站r之间的原始多普勒观测值或构造多普勒观测值，λ为导航卫星发射信号频率的载波波长，
Figure FDA0003323539810000027
为t时刻导航卫星j到所述塔身GNSS监测站r之间的几何距离，
Figure FDA0003323539810000028
为
Figure FDA0003323539810000029
时刻导航卫星j的位置，
Figure FDA00033235398100000210
为t时刻所述塔身GNSS监测站r的位置，
Figure FDA00033235398100000211
为
Figure FDA00033235398100000212
时刻导航卫星j的瞬时速度，
Figure FDA00033235398100000213
为t时刻所述塔身GNSS监测站r的瞬时速度，
Figure FDA00033235398100000214
为导航卫星j到所述塔身GNSS监测站r之间的信号传播时间，c为信号传播的速度，
Figure FDA0003323539810000031
为t时刻所述塔身GNSS监测站r的钟速，
Figure FDA0003323539810000032
为
Figure FDA0003323539810000033
时刻导航卫星j的钟速，
Figure FDA0003323539810000034
为t时刻导航卫星j到所述塔身GNSS监测站r之间的观测噪声。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当所述塔身的实时倾斜三维变动量大于预警量ET时，进行塔身倾斜预警，其中所述预警量如下地计算：
Figure FDA0003323539810000035
其中，a、b分别是所述塔身GNSS监测站的所述塔身GNSS主机的固定误差和比例误差；hS为所述塔身的高度，h为所述塔身顶部到所述塔身GNSS监测站的所述塔身GNSS天线的相位中心的垂高，k为预警系数，预警系数计算公式如下：
k＝(2～3)·m
式中，m为所述塔身的折旧系数，取值0.6～1。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括塔臂GNSS监测站，
所述塔臂GNSS监测站包括GNSS天线、GNSS主机和数据处理装置，所述GNSS天线与所述GNSS主机通过数据信号线连接，所述GNSS主机与所述数据处理装置通过数据信号线连接，
所述GNSS天线安装在所述塔臂的首端的顶部，采集GNSS导航卫星播发的GNSS观测值信号，包括多普勒观测值、载波相位观测值和伪距观测值，
所述GNSS主机安装在所述塔机的驾驶室，接收GNSS多普勒观测值信号，
所述数据处理装置安装在所述塔机的驾驶室，利用最小二乘参数估计方法实时处理4颗及以上有效导航卫星的GNSS多普勒观测值信号，求解获得所述塔臂GNSS监测站的瞬时速度，并进行去噪滤波平滑处理，获得平滑结果作为所述塔身顶部瞬时三维晃动速度，并将塔臂首端的瞬时三维晃动速度发送给所述倾斜监控装置，
所述倾斜监控装置根据所述塔臂首端的瞬时垂向晃动速度与所述塔身的瞬时三维晃动速度在垂向H方向的速度进行逻辑求差运算，获得所述塔臂首端的瞬时实际垂向晃动速度，根据所述塔臂首端的瞬时实际垂向晃动速度，确定所述塔臂首端的实时实际垂向晃动量，用于计算塔臂上的吊装移动车所在位置的实时实际垂向倾斜量，若所述实时实际垂向倾斜量超出预警值，则触发所述预警装置进行告警提示。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述塔臂首端的实时实际垂向晃动量如下地计算：
Figure FDA0003323539810000041
其中，
Figure FDA0003323539810000042
为所述塔臂首端的实时实际垂向晃动量，hB为所述塔臂的高度，hS为所述塔身的高度，H为所述塔臂首端到所述塔臂GNSS监测站的所述GNSS天线的相位中心的垂高，T为所述塔臂GNSS监测站的所述GNSS主机的数据采样间隔，
Figure FDA0003323539810000051
为所述塔臂首端的瞬时实际垂向晃动速度。
7.如权利要求5所述的系统，其特征在于，当所述吊装移动车所在位置的实时实际垂向倾斜量大于预警量EB时，进行塔臂垂向倾斜预警，其中所述预警量如下地计算：
Figure FDA0003323539810000052
Figure FDA0003323539810000053
方向
其中，a1、b1分别是所述塔臂GNSS监测站的所述GNSS主机的固定误差和比例误差；LB为所述塔臂的长度，k为预警系数，预警系数计算公式如下：
k＝(2～3)·n
其中，n为所述塔臂的折旧系数，取值0.6～1。
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