CN110377594A - 基于远程监控系统的大型铁路施工设备实时运动仿真方法 - Google Patents

基于远程监控系统的大型铁路施工设备实时运动仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于远程监控系统的大型铁路施工设备实时运动仿真方法，该方法包括以下步骤：1)对大型铁路施工设备按照运动部件进行拆分；2)对拆分后的部件布置传感器，采集监控数据；3)对传感器采集的监控数据进行预处理；4)根据设备拆分后的各个部件的图纸，绘制模拟动画的设备仿真模型；5)使用处理后的数据实现对动画模型的驱动：根据监控数据的实际值，折算成在模型上的坐标值，驱动模型进行动作。本发明根据远端施工设备上的实时数据，对设备的施工状态进行实时运动仿真，进行数据的可视化，更加有效和直观的呈现出用户需要的设备工作状态，使其更易于理解进而帮助用户做出分析诊断和决策。

Description

基于远程监控系统的大型铁路施工设备实时运动仿真方法
技术领域
本发明涉及工程技术，尤其涉及一种基于远程监控系统的大型铁路施工设备实时运动仿真方法。
背景技术
近年来，随着铁路建设规模逐步扩大，机械化程度急剧提升，设备保有数量迅速加大，这些设备在提升了施工的效率和质量的同时也带来了相应的铁路施工安全问题。由于这些设备多为特种非标专用设备，设备分布区域广泛、所处施工环境恶劣、信息沟通困难，给施工单位的统一管理、及时掌握施工设备的运行状态、分析设备工效以及对施工作业中风险管控带来了一定难度。
远程监控是国内外发展迅速的前沿技术，近年来，随着无线通讯技术、微电子技术、控制技术、数据可视化技术飞速发展，大量的工程机械安装了远程监控系统，实时监控也存在盲区。然而，民用工业领域的实时监控仍停留在起步阶段，目前主要以施工设备的状态监测和管理为主，对数据的清洗和挖掘程度不够，无法根据用户需求制定友好的可视化展示界面。缺乏有效的数据分析处理和显示手段。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于远程监控系统的大型铁路施工设备实时运动仿真方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于远程监控系统的大型铁路施工设备实时运动仿真方法，包括以下步骤：
1)对大型铁路施工设备按照运动部件进行拆分，拆分遵循以下原则：根据部件的运动特性(运动轨迹和运动规律)来划分为以下几类；
a.具有纵向移动特性的部件；
b.具有横向移动特性的部件；
c.具有垂直移动特性的部件；
d.具有倾斜或旋转移动特性的部件；
e.工作过程中承重外部物件的部件；
2)对拆分后的部件布置传感器，使用传感器采集数据；所述传感器包括：用于移动距离测量的距离传感器、角度传感器和重量传感器；
在具有纵向移动特性的部件上，安装用于移动距离测量的编码器，如距离编码器、计程轮等类型的传感器。对于机臂而言，测量机臂纵向移动距离，能够反映设备整体的移动距离，对于吊梁小车而言，可以反映吊梁小车在轨道上相对于轨道末端的位置。
在具有横向移动特性的部件上，安装用于移动距离测量的编码器，如距离编码器、计程轮等类型的传感器。对于吊梁小车和机臂而言，可以反映部件的横移距离。
对于具有垂直运动特性的部件，通过安装编码器、激光传感器、超声波探测仪等，可以反映部件在垂直方向上的位置，如吊具、吊物。
对于具有倾斜或旋转移动特性的部件，如机臂和支腿而言，其垂直度和水平度直接影响整机的稳定性，当支腿垂直度超出设计范围时，架桥机可能发生倾覆。对于这类部件，在支腿上和主梁上安装角度传感器，测量垂直度和倾斜度。
对于吊具，一般在卷扬支座或者固定绳头段或者定滑轮轴销上安装重量传感器，测量吊物重量，防止超重或者偏载造成安全事故。
3)对传感器采集的数据进行预处理，所述预处理包括：
1、数据清洗；
2、数据转换
数据清洗主要是通过滤波消除杂音干扰，处理无效值和缺失值。数据转换是将原始的电流或者脉冲的信号转换成数字信号，并转换为实际的距离、重量、倾斜度等数值。
4)根据设备拆分后的部件的图纸，绘制模拟动画的设备仿真模型；
5)使用处理后的数据实现对动画模型的驱动。根据监控参数的实际值，折算成在模型上的坐标值，驱动模型进行动作。
本发明产生的有益效果是：
1、根据远端施工设备上的实时数据，对设备的施工状态进行实时运动仿真，进行数据的可视化，更加有效和直观的呈现出用户需要的设备工作状态，使其更易于理解进而帮助用户做出分析诊断和决策。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的方法流程图；
图2是本发明实施例的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种基于远程监控系统的大型铁路施工设备实时运动仿真方法，包括以下步骤：
1)对大型铁路施工设备按照运动部件进行拆分，拆分遵循以下原则：根据部件的运动特性(运动轨迹和运动规律)来划分如下几类：
a.具有纵向移动特性的部件，如机臂、吊梁小车、支腿等；
b.具有横向移动特性的部件，如吊梁小车等；
c.具有垂直移动特性的部件，如吊钩、支腿等；
d.具有倾斜或旋转移动特性的部件，如支腿、机臂等；
e.工作过程中承重外部物件的部件，如吊具；
2)对拆分后的部件布置传感器，采集数据；所述传感器包括：距离传感器、角度传感器和重量传感器；
在a、b、c类部件上均布置距离传感器；d类部件上均布置角度传感器；e类部件上均布置重量传感器；
在具有纵向移动特性的部件上，安装距离传感器(可采用编码器、计程轮等类型的传感器)，对于机臂而言，测量机臂纵向移动距离，能够反映设备整体的移动距离，对于吊梁小车而言，可以反映吊梁小车在轨道上相对于轨道末端的位置。
在具有横向移动特性的部件上，安装距离传感器，对于吊梁小车和机臂而言，可以反映部件的横移距离。
对于具有垂直移动特性的部件，通过安装距离传感器(编码器、激光传感器、超声波探测仪等)，可以反映部件在垂直方向上的位置，如吊具、吊物。
对于机臂和支腿而言，其垂直度和水平度直接影响整机的稳定性，当支腿垂直度超出设计范围时，架桥机可能发生倾覆。对于这类部件，在支腿上和主梁上安装角度传感器，测量垂直度和倾斜度。
对于吊具，一般在卷扬支座或者固定绳头段或者定滑轮轴销上安装重量传感器，测量吊物重量，防止超重或者偏载造成安全事故。
3)对传感器采集的数据进行预处理，所述预处理包括：数据清洗和数据转换；
所述数据清洗通过滤波消除杂音干扰，处理无效值和缺失值；
所述数据转换是将原始的电流或者脉冲的传感器信号转换成数字信号，并转换为实际的距离、重量、倾斜度等数值；
4)在施工设备上安装通讯装置，和中央服务器建立通讯连接，将采集到的数据实时发送至中央服务器。
5)搭建Web服务器，即通过JAVA+JS+Html等技术，搭建系统网站，为仿真系统提供人机交互界面，实现对数据进行可视化展示。
6)根据设备拆分后的部件的图纸，绘制模拟动画的模型；
7)使用步骤3)处理后的数据实现对动画模型的驱动。根据监控参数的实际值，折算成在模型上的坐标值，驱动模型进行动作。具体处理流程如下：
a)加载舞台
绘制画布，根据不同设备类型调整画布大小以及区域定位。
b)初始化参数
EQType：指定设备类型，根据设备类型加载不同的画布类型
Sprites:{}：通过它获取不同设备配置信息的url；
Config:{}：通过它获取不同设备配置信息；
W：物体吊物重量(只针对吊具、吊梁小车和钢丝绳)；
LH：左侧高度；
RH：右侧高度；
LM：左侧移动距离；
RM：右侧移动距离；
State1：状态值，控制设备特定状态；
Degree：旋转角度。
c)配置设备参数信息
X,Y:初始化坐标；
AX,AY:锚点位置；
GZOffY:钢丝绳从零点偏移到梁下面边界的距离；
InitLPH：初始化高度；
InitLPRM：初始化移动距离；
hig:总高度(米)/higPx:总高度(像素)进行比例：看钢丝绳从梁下面到放好位置的比例；
move:移动距离(米)/movePx:移动距离(像素)进行比例：看小车移动的最左边和最右边像素点跟实际距离比例；
top：钢丝绳纵移顶端限制值；
left：小车左移边界值限制；
right：小车右移边界值限制；
GZBottom,SZBottom,LPBottom：钢丝绳以及吊物的底部边界限制值；
flipY:纵移方向的指向标识符；
根据上述参数中大多数静态信息就可以定位模型的坐标位置，通过不断地调整就可以将各个部件实现定位，吊物以及吊梁小车、钢丝绳等运动信息定位以及动作需要通过逻辑控制实现，在下文f)步骤中详细阐述。
d)调用PIXI引擎加载配置
Web系统的前端人机交互界面采用了Pixi.js引擎，Pixi.js使用WebGL，是一个超快的HTML5动画渲染引擎。作为一个Javascript的渲染器，Pixi.js的目标是提供一个快速的、轻量级而且是兼任所有设备的动画库。通过动画名字调用PIXI动画库，依据设定的type值的类型分别做出正常动画，正常动画(隐藏初始化)，拉伸动画，文本写入四种不同的模式动作，这种多类型模式能够满足不同部件的工况仿真还原。
在这个大前提下，通过Sprites:{}和Config:{}获取部件配置信息几图片坐标数据，为数据使用做好准备。
e)数据获取及处理
数据获取驱动：
以key-value([{k,v},{..}])形式进行数据传输，将属性与值紧紧绑定，数据取自后台采集而来的信息，主要注意以下数据获取：吊点左重、吊点右重、起升左高度、起升右高度、吊点左移、吊点右移、状态、角度，有的设备需要全部这些属性，有的只需取其中一部分，程序可以进行灵活自由配置。
数据做限制处理：高度边界限制、左右边界限制和限制吊物倾斜度；
从以上三个方面将明显不合理的数据进行筛选过滤，防止不实数据的较大影响。
f)仿真模型定位计算
初始化吊物位置
主要针对吊物位置对应坐标点做计算：
①左右移动比例系数multMove＝像素移动距离/移动距离
②高度比例系数multHig＝像素总高度/总高度
③右吊具高度RH＝吊物初始化值*高度比例系数
④左吊具高度LH＝吊物初始化值*高度比例系数
⑤吊物初始移动值＝吊物初始化移动距离*左右比例系数
⑥吊物初始高度＝top高度值
⑦钢丝绳初始高度＝top高度值
⑧钢丝绳初始高度＝top高度值
⑨吊物左边界x坐标点＝吊物x微调值+吊物初始移动值
⑩吊物右边界x坐标点＝吊物左边界坐标点+吊物跨度值
吊物左高y坐标点＝吊物初始化高度+标志量*吊点左高
吊物右高y坐标点＝吊物初始化高度+标志量*吊点右高
吊物行程计算
这部分内容的计算主要依托小车的行程实现，并且有前提条件--左右吊点均有重量(即吊物为提起的状态)：
①吊物右边界x坐标值＝小车x坐标值+5(这个5是一个常数，可以微调做到更精确的定位)；
②吊物左边界x坐标值＝吊物右边界x坐标值-吊物跨度值
③吊物右高度y坐标值＝吊物初始值+标志量*右高
④吊物左高度y坐标值＝吊物初始值+标志量*左高
①)检测部件位置(包括吊梁小车、钢丝绳、吊具等部件)
①右移距离值＝初始化右移值*左右移动比例系数
②左移距离值＝初始化左移值*左右移动比例系数
③右移高度值＝初始化右高值*高度比例系数
④左移高度值＝初始化左高值*高度比例系数
⑤右小车x实际坐标值＝右小车配置信息X值+右移距离值
⑥右钢丝绳x实际坐标值＝右钢丝绳配置信息PTX值+右移距离值
⑦右吊具x实际坐标值＝右吊具配置信息X值+右移距离值
⑧右钢丝绳y实际坐标值＝钢丝绳最大高度+标志量*右高值+钢丝绳从零点偏移到梁下面边界的距离(GZOffY)
⑨右吊具y实际坐标值＝吊具最大高度+标志量*右高值+钢丝绳从零点偏移到梁下面边界的距离(GZOffY)
⑩左小车x实际坐标值＝左小车配置信息X值+左移距离值
左钢丝绳x实际坐标值＝左钢丝绳配置信息PTX值+左移距离值
左吊具x实际坐标值＝左吊具配置信息X值+左移距离值
左钢丝绳y实际坐标值＝钢丝绳最大高度+标志量*左高值+钢丝绳从零点偏移到梁下面边界的距离(GZOffY)
左吊具y实际坐标值＝吊具最大高度+标志量*左高值+钢丝绳从零点偏移到梁下面边界的距离(GZOffY)
g)信息刷新
通过不断调用检测函数不断添加刷新信息做到实时更新，实现数据的动态获取，将设备工况及时且真实的反映在画布区域，配合动画渲染实现直观简洁的运动效果。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于远程监控系统的大型铁路施工设备实时运动仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对大型铁路施工设备按照运动部件进行拆分，拆分遵循以下原则：根据部件的运动轨迹和运动规律来划分如下几类：
a.具有纵向移动特性的部件；
b.具有横向移动特性的部件；
c.具有垂直移动特性的部件；
d.具有倾斜或旋转移动特性的部件；
e.工作过程中承重外部物件的部件；
2)对拆分后的部件布置传感器，采集监控数据；所述传感器包括：距离传感器、角度传感器和重量传感器；
在步骤1)中的a、b、c类部件上均布置距离传感器；在步骤1)中的d类部件上均布置角度传感器；在步骤1)中的e类部件上均布置重量传感器；
3)对传感器采集的监控数据进行预处理，所述预处理包括：数据清洗和数据转换；
4)根据设备拆分后的各个部件的图纸，绘制模拟动画的设备仿真模型；
5)使用处理后的数据实现对动画模型的驱动：根据监控数据的实际值，折算成在模型上的坐标值，驱动模型进行动作。
2.根据权利要求1所述的基于远程监控系统的大型铁路施工设备实时运动仿真方法，其特征在于，所述步骤3)中所述数据清洗为通过滤波消除杂音干扰，处理无效值和缺失值；所述数据转换是将原始的电流或者脉冲的信号转换成数字信号，并转换为实际的距离、重量、角度数值。
3.根据权利要求1所述的基于远程监控系统的大型铁路施工设备实时运动仿真方法，其特征在于，所述步骤5)使用处理后的数据实现对动画模型的驱动具体如下：
5.1)加载舞台
绘制画布，根据不同设备类型调整画布大小以及区域定位；
5.2)为设备仿真模型初始化参数；
5.3)配置设备参数信息；
5.4)调用PIXI渲染引擎加载配置，获取部件配置信息和图片坐标数据，为数据使用做好准备；
5.5)数据获取及处理
从采集的数据中获取驱动所需的数据，并对数据作限制处理，滤除不合理的数据；所述限制包括高度边界限制、左右边界限制和吊物倾斜度限制；
5.6)仿真模型定位计算
对每个部件，初始化其位置，根据处理后的数据计算部件上坐标点的初始坐标和行程变化；
5.7)信息刷新
通过不断添加驱动所需的数据，并刷新信息做到实时更新，实现数据的动态获取，将设备工况及时且真实的反映在画布区域，配合动画渲染实现运动效果。
4.根据权利要求3所述的基于远程监控系统的大型铁路施工设备实时运动仿真方法，其特征在于，所述步骤5.2)中设备仿真模型初始化参数，主要参数包括：
(1)EQType：srtring类型，可以指定设备类型，根据设备类型加载不同的画布类型
(2)isInit：标识变量，为bool类型，意指是否做了相关初始化工作；
(3)Sprites:{}：通过它获取不同设备配置信息的url；
(4)Config:{}：通过它获取不同设备配置信息；
(5)richText：PIXI库中文本模块变量；
(6)isInitLP：bool类型，吊物是否做了初始化工作；
(7)W：物体吊物重量；
(8)LH：左侧高度；
(9)RH：右侧高度；
(10)LM：左侧移动距离；
(11)RM：右侧移动距离；
(12)State1：状态值，控制设备特定状态；
(13)Degree：旋转角度。
5.根据权利要求3所述的基于远程监控系统的大型铁路施工设备实时运动仿真方法，其特征在于，所述步骤5.3)中配置设备参数信息包括：
(1)Name:动画名字；
(2)X,Y:初始化坐标；
(3)AX,AY:锚点位置；
(4)Res:模型资源；
(5)Type:1-正常动画、2-拉伸动画、3-隐藏初始化的正常动画、4-文字；
(6)GZOffY:绳子从零点偏移到吊物下面边界的距离；
(7)InitLPH：初始化高度；
(8)InitLPRM：初始化移动距离；
(9)hig/higPx:总高度与总像素高度进行比例：看钩子从吊物下面到放好位置的比例；
(10)move/movePx：移动距离与移动像素距离进行比例：起重小车移动的最左边和最右边像素点跟实际距离比例；
(11)top：钩子纵移顶端限制值；
(12)left：起重小车左移边界值限制；
(13)right：起重小车右移边界值限制；
(14)GZBottom,SZBottom,LPBottom：钩子绳子以及吊物的底部边界限制值；
(15)flipY:纵移方向的指向标识符；
(16)params:与后台设备配置的字段进行匹配，作为动态获取数据的索引。
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