CN110411431A - 基于北斗双天线系统的高大架体垂直度监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统，包括定位监测系统；定位监测系统包括装在高大架体上的测量单元；用于通过北斗双天线系统观测每个天线的载波相位，将观测到的载波相位采用短基线双差求解的算法，求出两个天线连线的法线与正北方向的实时夹角α，并通过重力加速度传感器获取其上表面法线与铅锤方向的实时夹角θ，实时将夹角α和θ的角度值输出到实时运算单元；实时运算单元，用于接收测量单元实时发送的夹角α和θ的角度值，并实时计算出高大架体的垂直度，来得到高大架体的实时垂直度，实时将计算出的垂直度通过实时警示系统在现场进行告警；并发送到云数据中心。实现了对高大架体实时垂直度的实时在线监测。

Description

基于北斗双天线系统的高大架体垂直度监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种垂直度实时在线监测系统，尤其涉及一种基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统及方法。

背景技术

无论是高速公路建设，还是高层建筑施工现场的高大架体，例如塔吊等，具有结构高度高、受力复杂多变、形变预兆性低、坍塌速度快、监控难度大、监测方式落后、人员无法主动逃生等等特点，且受现场地理、天气环境等外界因素扰动大，是施工现场不可忽视的最重要的安全风险源之一，一旦高大架体发生倾覆，会造成重大的生命财产损失。在相关的国家标准和行业标准中，都有对高大架体垂直度的监测标准以及巡检要求。现行标准中对高大架体垂直度的测量主要依靠经纬仪或全站仪完成，巡检时间间隔以1个月为主。由于经纬仪或全站仪对高大架体垂直度的测量数据依靠人工读取，复杂现场环境下的测量还需设备使用人员具备一定的经验，因此其测量数据的准确性具有一定的主观性。且每隔一月的监测粒度较大，往往忽视了雨雪天气、地质环境、现场施工等因素对高大架体的垂直度的影响。因此对高大架体的垂直度实时在线监测系统进行研究，是十分迫切的且有重要的现实意义。

随着中国综合国力的不断提升，我国陆地、航空、水路交通建设实现了历史性跨越，高速公路建设成就举世瞩目。2017年末，全国高速公路总里程达到13.65万公里，里程规模居世界第一。但是，随着公路工程进展的不断变化，安全事故也会呈递增趋势，安全生产形势依然严峻，不容乐观，这必须引起生产管理者的高度重视。

在与桥梁桩柱相关的高大架体如塔式起重机、施工升降机和液压爬升模板等设备，其垂直度是非常重要的指标。垂直度的数值以及变化规律，直接表征着高大架体的竖直稳定性。现行的国家、行业标准中，对于高大架体的垂直度测量和允许偏差值有明确的规定，而且对监测的周期也有明确规定。如中华人民共和国国家标准《塔式起重机GB/T 5031-2008》中的规定，建设部行业规范《施工现场机械设备检查技术规程JGJ160-2008》中的强制规定，《建筑施工塔式起重机安装、使用、拆卸安全技术规程JGJ196-2010》都对施工现场的塔式起重机的垂直度有强制要求。

对在施工过程中具有重大安全风险的高大架体，已经有诸多国标和行规来规定测量方法和监测周期。但是还存在如下问题：

(1)国标或者行规中规定使用经纬仪或者全站仪对高大架体进行测量，此类仪器对使用者的要求较高，又往往需要很多的工作人员来参与作业，且获得的读数具有一定的主观性。

(2)国标或者行规中对于高大架体的监测周期粒度基本为一个月，而施工现场的环境复杂多变，考虑到天气、地址环境、现场施工影响，一个月的粒度显得过大。

(3)在现有技术条件下，缺乏实时的报警措施，当高大架体将要发生倾覆前，施工现场缺少应急报警装置提醒人员疏散。

(4)缺乏对高大架体竖直度的统计规律分析，无法做到预先告警。

因此针对施工过程中具有重大安全风险的高大架体，采用高技术手段，建立实时在线的监测系统是十分必要的。

发明专利申请201810320263.9公开了一种使用激光设备的塔吊垂直度监测装置。此发明专利利用激光发射器，在接收器上使用刻度标尺，然后通过读取刻度值来获得塔吊的垂直度。此技术有以下问题：

1.没有实时在线的监测数据。数据的读取还是需要人工，无法自动完成，无法实时远程在线观测、统计。

2.对安装精度要求高。激光发射器必须完全水平安装，否则垂直度的计算会出现较大偏差。

3.对现场使用环境要求高。在激光传递路线上不能有遮蔽和干扰。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统及方法，实现了对高大架体实时垂直度的实时在线监测。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统，包括定位监测系统、实时警示系统和云数据中心；定位监测系统包括测量单元、实时运算单元和无线传输单元；

测量单元，安装在高大架体上，用于先通过北斗双天线系统观测每个天线的载波相位，将观测到的每个天线的载波相位采用短基线双差求解的算法，求出两个天线连线的法线与正北方向的实时夹角α，即高大架体的倾斜绝对方向角，并通过重力加速度传感器获取重力加速度传感器上表面法线与铅锤方向的实时夹角θ，实时将夹角α和θ的角度值输出到实时运算单元；

实时运算单元，用于接收测量单元实时发送的夹角α和θ的角度值，并根据接收到的实时夹角θ的角度值，通过三角函数sin θ，实时计算出高大架体的垂直度，从而得到高大架体的实时垂直度，其中，实时垂直度是指，即包含标准所定义的垂直度信息sin θ，也包含高大架体的倾斜绝对方向角α；同时实时将计算出的垂直度与告警阈值进行比较，当垂直度大于设定阈值时，定位监测系统驱动实时警示系统在现场进行告警；并通过无线传输单元将实时垂直度的数据发送到云数据中心；

实时警示系统：部署到高大架体的各处，用于接收实时运算单元发出的告警信号，一旦接收到定位监测系统发出的告警信号，立刻以声，光，电形式通知用户，起到本地及时警示的作用；

云数据中心，用于接收定位监测系统通过无线传输单元发送到云数据中心的数据；并存储高大架体运行时的定位信息，并提供在工地现场监视、安监/质检管理以及移APP应用；当云数据中心接收到的实时数据超过设定阈值时，云数据中心会以邮件、短信、APP推送等形式发送告警信息给系统使用者。

所述的测量单元包括铅锤方向测量单元和位姿测量单元；

其中，铅锤方向测量单元，用于使用重力加速度传感器测量重力加速度传感器上表面法线与铅锤方向的实时夹角θ，并将测量的重力加速度传感器上表面法线与铅锤方向的实时夹角θ发送到实时运算单元；

位姿测量单元，用于通过北斗双天线系统观测每个天线的载波相位，将观测到的每个天线的载波相位采用短基线双差求解的算法，求出两个天线连线的法线与正北方向的实时夹角α，即高大架体倾斜的方向与正北方向的绝对偏离角度，并将测量的高大架体倾斜的方向与正北方向的绝对偏离角度α发送到实时运算单元。

所述的北斗双天线系统为双BDS/GNSS的卫星定位设备，定位监测系统的BDS/GNSS接收机使用多模的方式接收除北斗定位信号外的GPS、 GLONASS信号。

所述的告警信号分为不同的等级，对应不同等级的告警，实时警示系统的输出不同，在低等级的告警时以驾驶舱内的蜂鸣为主、高等级的告警时在工作现场以警报器进行警示。

一种基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测方法，包括以下步骤：

1)在待测高大架体的顶部Pa处水平安装定位监测系统，定位监测系统包括测量单元、实时运算单元和无线传输单元；在xyz坐标系下，采用测量单元的重力加速度传感器测量重力加速度的g值在x轴、y轴和z轴三个方向上的分量所组成的向量为利用向量测量出待测高大架体与铅锤方向的倾角θ，则根据垂直度数值的定义，求得高大架体的垂直度；其中，线段表示待测高大架体，Zx平面是过Po点的水平面，是垂直于Zx平面的线段，Pb在Zx平面上；

同时通过测量单元的双卫星天线以及卫星定位功能，通过短基线双差求解的方法，建立坐标系，且可以确定水平坐标轴中x轴正方向指向正北方向；在xy平面的投影与x轴的夹角α，即为物体倾斜方向和正北方向的绝对夹角值；由测量单元的重力加速度传感器测量的在xyz坐标系下，重力加速度的g值在x轴、y轴和z轴三个方向上的分量所组成的向量为则α＝arg(g_x g_y)；测量单元实时将夹角α和θ的角度值输出到实时运算单元；

实时运算单元，用于接收测量单元实时发送的夹角α和θ的角度值，并根据接收到的实时夹角θ的角度值，通过三角函数sin θ，实时计算出高大架体的垂直度，从而得到高大架体的实时垂直度，其中，实时垂直度是指，即包含标准所定义的垂直度信息sin θ，也包含高大架体的倾斜绝对方向角α；

同时实时将计算出的垂直度与告警阈值进行比较，当垂直度大于设定阈值时，定位监测系统驱动实时警示系统在现场进行告警；并通过无线传输单元将实时垂直度的数据发送到云数据中心；

实时警示系统：部署到高大架体的各处，用于接收实时运算单元发出的告警信号，一旦接收到定位监测系统发出的告警信号，立刻以声，光，电形式通知用户，起到本地及时警示的作用；

云数据中心，用于接收定位监测系统通过无线传输单元发送到云数据中心的数据；并存储高大架体运行时的定位信息，并提供在工地现场监视、安监/质检管理以及移APP应用；当云数据中心接收到的实时数据超过设定阈值时，云数据中心会以邮件、短信、APP推送等形式发送告警信息给系统使用者。

实时垂直度在线监测方法具体包括以下步骤：

1)将定位监测系统安装在塔吊操作室下方标准节A处，且与塔吊标准节的横梁上平面保持平行；

2)实时警示系统，实时警示系统的蜂鸣器，置于操作间内，实时警示系统从操作间内220VAC取电，蜂鸣器用来提醒塔吊操作人员；另有连接实时警示系统的警示铃置于操作间外的塔吊中、底部，提醒地面的工作人员；

3)A点设备以重力加速度的方向为z轴，水平面为xy平面，构造满足右手坐标系的xyz坐标系统，使得A点设备内的重力加速度传感器上表面的法向量在xyz坐标系下，在x轴、y轴和z轴三个方向上的分量所组成的向量为其中(g_x g_y g_z)^T为重力加速度传感器测量的重力加速度向量，则实时的垂直度由实时的垂直度数值＝sin θ获得；

4)根据短基线双差求解，获得A点设备与正北方向的水平扭转角度为γ，则塔吊的倾斜绝对方向可以求解为：α＝γ+arg(g_x g_y)；

5)观测到自身的方向角和与铅锤方向的夹角，发送到实时运算单元，实时运算单元根据实时垂直度的定义，计算出塔吊的实时垂直度；在垂直度数值大于第一设定阈值时，实时告警单元会驱动驾驶室内蜂鸣器体行驾驶员有异常，须进行停机等操作；在垂直度大于第二设定阈值时，实时告警单元的报警器会被驱动，以提醒现场人员进行撤离。

还包括以下步骤：

A点设备会将实时垂直度通过4g/5g无线通信模块，以TCP soket的方式发送到云数据中心；云数据中心上的TCP Server收到数据后，会将数据记录到数据库，同时TCPServer会将数据发送给云数据中心的Web Server，Web Server使用Web Socket协议将接收到的数据推送给用户的Web界面，用户的Web界面会进行自动的刷新，以显示新的数据；同时云数据中心会根据设备运行状态记录对应的告警，以及通过短信、邮件的方式通知现场维护人员或者监管人员；

阈值设定值需要根据现场情况确定，设定方法是在云数据中心提供的 Web页面中，通过页面UI写入此设备的告警阈值，然后Web页面通过Web API将此设定阈值与A点设备的设备ID值传输给云数据中心；云数据中心的Web Sever接收到设定数据后，将此设定数据和设备ID值，以无线通信的方式发送给使用TCP socket连接的A点设备，A点设备接收到设定阈值后，会存储在自身固态存储器上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统及方法，采用北斗双天线系统与重力加速度传感器进行信息融合，计算高大架体垂直度和倾斜方向。采用北斗和GPS多模信号，进行信号融合，有利于加快定位速度，提高抗干扰和抗信号遮蔽的性能。

附图说明

图1为基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统的工作原理示意图；

图2为基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统的整体结构示意图1；

图3为基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统中的短基线双差求解原理；

图4为基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统的整体结构示意图2；

图5为基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统的实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1至图5，一种基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统，其特征在于，包括定位监测系统、实时警示系统和云数据中心；定位监测系统包括测量单元、实时运算单元和无线传输单元；

测量单元，安装在高大架体上，用于先通过北斗双天线系统观测每个天线的载波相位，将观测到的每个天线的载波相位采用短基线双差求解的算法，求出两个天线连线的法线与正北方向的实时夹角α，即高大架体的倾斜绝对方向角，并通过重力加速度传感器获取重力加速度传感器上表面法线与铅锤方向的实时夹角θ，实时将夹角α和θ的角度值输出到实时运算单元。

其中，所述的北斗双天线系统为双BDS/GNSS的卫星定位设备，定位监测系统的BDS/GNSS接收机使用多模的方式接收除北斗定位信号外的GPS、 GLONASS信号。

具体的，所述的测量单元包括铅锤方向测量单元和位姿测量单元；其中，铅锤方向测量单元，用于使用重力加速度传感器测量重力加速度传感器上表面法线与铅锤方向的实时夹角θ，并将测量的重力加速度传感器上表面法线与铅锤方向的实时夹角θ发送到实时运算单元；

位姿测量单元，用于通过北斗双天线系统观测每个天线的载波相位，将观测到的每个天线的载波相位采用短基线双差求解的算法，求出两个天线连线的法线与正北方向的实时夹角α，即高大架体倾斜的方向与正北方向的绝对偏离角度，并将测量的高大架体倾斜的方向与正北方向的绝对偏离角度α发送到实时运算单元。

实时运算单元，用于接收测量单元实时发送的夹角α和θ的角度值，并根据接收到的实时夹角θ的角度值，通过三角函数sin θ，实时计算出高大架体的垂直度，从而得到高大架体的实时垂直度，其中，实时垂直度是指，即包含标准所定义的垂直度信息sin θ，也包含高大架体的倾斜绝对方向角α；同时实时将计算出的垂直度与告警阈值进行比较，当垂直度大于设定阈值时，定位监测系统驱动实时警示系统在现场进行告警；并通过无线传输单元将实时垂直度的数据发送到云数据中心；

实时警示系统：部署到高大架体的各处，用于接收实时运算单元发出的告警信号，一旦接收到定位监测系统发出的告警信号，立刻以声，光，电形式通知用户，起到本地及时警示的作用；

云数据中心，用于接收定位监测系统通过无线传输单元发送到云数据中心的数据；并存储高大架体运行时的定位信息，并提供在工地现场监视、安监/质检管理以及移APP应用；当云数据中心接收到的实时数据超过设定阈值时，云数据中心会以邮件、短信、APP推送等形式发送告警信息给系统使用者。

具体的，所述的告警信号分为不同的等级，对应不同等级的告警，实时警示系统的输出不同，在低等级的告警时以驾驶舱内的蜂鸣为主、高等级的告警时在工作现场以警报器进行警示。

进一步地，一种基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测方法，包括以下步骤：

1)在待测高大架体的顶部Pa处水平安装定位监测系统，定位监测系统包括测量单元、实时运算单元和无线传输单元；在xyz坐标系下，采用测量单元的重力加速度传感器测量重力加速度的g值在x轴、y轴和z轴三个方向上的分量所组成的向量为利用向量测量出待测高大架体与铅锤方向的倾角θ，则根据垂直度数值的定义，求得高大架体的垂直度；其中，线段表示待测高大架体，Zx平面是过Po点的水平面，是垂直于Zx平面的线段，Pb在Zx平面上；

同时通过测量单元的双卫星天线以及卫星定位功能，通过短基线双差求解的方法，建立坐标系，且可以确定水平坐标轴中x轴正方向指向正北方向；在xy平面的投影与x轴的夹角α，即为物体倾斜方向和正北方向的绝对夹角值；由测量单元的重力加速度传感器测量的在xyz坐标系下，重力加速度的g值在x轴、y轴和z轴三个方向上的分量所组成的向量为则α＝arg(g_x g_y)；测量单元实时将夹角α和θ的角度值输出到实时运算单元；

实时运算单元，用于接收测量单元实时发送的夹角α和θ的角度值，并根据接收到的实时夹角θ的角度值，通过三角函数sin θ，实时计算出高大架体的垂直度，从而得到高大架体的实时垂直度，其中，实时垂直度是指，即包含标准所定义的垂直度信息sin θ，也包含高大架体的倾斜绝对方向角α；

同时实时将计算出的垂直度与告警阈值进行比较，当垂直度大于设定阈值时，定位监测系统驱动实时警示系统在现场进行告警；并通过无线传输单元将实时垂直度的数据发送到云数据中心；

实时警示系统：部署到高大架体的各处，用于接收实时运算单元发出的告警信号，一旦接收到定位监测系统发出的告警信号，立刻以声，光，电形式通知用户，起到本地及时警示的作用；

云数据中心，用于接收定位监测系统通过无线传输单元发送到云数据中心的数据；并存储高大架体运行时的定位信息，并提供在工地现场监视、安监/质检管理以及移APP应用；当云数据中心接收到的实时数据超过设定阈值时，云数据中心会以邮件、短信、APP推送等形式发送告警信息给系统使用者。

具体的，基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测方法，具体包括以下步骤：

1)将定位监测系统安装在塔吊操作室下方标准节A处，且与塔吊标准节的横梁上平面保持平行；

2)实时警示系统，实时警示系统的蜂鸣器，置于操作间内，实时警示系统从操作间内220VAC取电，蜂鸣器用来提醒塔吊操作人员；另有连接实时警示系统的警示铃置于操作间外的塔吊中、底部，提醒地面的工作人员；

3)A点设备以重力加速度的方向为z轴，水平面为xy平面，构造满足右手坐标系的xyz坐标系统，使得A点设备内的重力加速度传感器上表面的法向量在xyz坐标系下，在x轴、y轴和z轴三个方向上的分量所组成的向量为其中(g_x g_y g_z)^T为重力加速度传感器测量的重力加速度向量，则实时的垂直度由实时的垂直度数值＝sin θ获得；

4)根据短基线双差求解，获得A点设备与正北方向的水平扭转角度为γ，则塔吊的倾斜绝对方向可以求解为：α＝γ+arg(g_x g_y)；

5)观测到自身的方向角和与铅锤方向的夹角，发送到实时运算单元，实时运算单元根据实时垂直度的定义，计算出塔吊的实时垂直度；在垂直度数值大于第一设定阈值时，实时告警单元会驱动驾驶室内蜂鸣器体行驾驶员有异常，须进行停机等操作；在垂直度大于第二设定阈值时，实时告警单元的报警器会被驱动，以提醒现场人员进行撤离。

进一步地，还包括以下步骤：

A点设备会将实时垂直度通过4g/5g无线通信模块，以TCP soket的方式发送到云数据中心；云数据中心上的TCP Server收到数据后，会将数据记录到数据库，同时TCPServer会将数据发送给云数据中心的Web Server，Web Server使用Web Socket协议将接收到的数据推送给用户的Web界面，用户的 Web界面会进行自动的刷新，以显示新的数据；同时云数据中心会根据设备运行状态记录对应的告警，以及通过短信、邮件的方式通知现场维护人员或者监管人员；

阈值设定值需要根据现场情况确定，设定方法是在云数据中心提供的Web页面中，通过页面UI写入此设备的告警阈值，然后Web页面通过Web API将此设定阈值与A点设备的设备ID值传输给云数据中心；云数据中心的Web Sever接收到设定数据后，将此设定数据和设备ID值，以无线通信的方式发送给使用TCP socket连接的A点设备，A点设备接收到设定阈值后，会存储在自身固态存储器上。

具体的，参见图1至图5，一种基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统，整个在线监测系统由3个子系统组成：定位监测系统，实时警示系统和云数据中心。

定位监测系统由测量单元、实时运算单元和无线传输单元组成，测量单元通过观测载波相位，采用短基线双差求解的算法，获得高大架体的测量点的朝向角度，以及通过重力加速度传感器获取与铅锤方向的夹角，输出到实时运算单元，由实时运算单元计算出实时垂直度后与告警阈值进行比较，当垂直度大于设定阈值时，定位监测系统驱动实时警示系统在现场进行告警。同时定位监测系统会将数据通过无线传输单元发送到云数据中心。云数据中心存储塔吊运行时的定位信息，并提供在工地现场监视、安监/质检管理以及移APP应用。当云数据中心接收到的实时数据超过设定阈值时，云数据中心会以邮件、短信、APP推送等形式发送告警信息给系统使用者。

其中：

定位监测系统：基于双BDS/GNSS的卫星定位设备，由位姿测量单元和铅锤方向测量单元，以及计算高大架体的实时运算单元组成，实时计算垂直度，实时输出告警信号；定位监测系统的BDS/GNSS接收机可以使用多模的方式接收除北斗定位信号外的GPS、GLONASS信号等。

实时垂直度是指，即包含标准所定义的垂直度信息，也包含高大架体的倾斜绝对方向角，例如高大架体实时垂直度为0.003，倾斜方向为与正北方向夹角305°。其测量原理如下所示。

高大架体的实时垂直度测量主要由安装在高大架体上的测量单元完成。测量单元主要由两部分组成：铅锤方向测量单元和位姿测量单元。其中：

铅锤方向测量单元：使用重力加速度传感器惯性器件，用于测量绝对铅锤方向与高大架体的倾斜角度。

位姿测量单元：北斗双天线系统，用于测量高大架体倾斜的方向与正北方向的绝对偏离角度。

具体的，线段表示高大架体。Zx平面是过Po点的水平面，是垂直于Zx平面的线段，Pb在Zx平面上。实时垂直度的数值定义为其绝对方向角度为α。

1.将测量单元安装在高大架体的顶部Pa处，底部与待测架体的顶部水平安装牢固，则重力加速度传感器可以测量出架体与铅锤方向的倾角θ，根据垂直度数值的定义，即为所求高大架体的垂直度。

其中，架体与铅锤方向的倾角θ的计算算法为：设由重力加速度传感器测量的在xyz坐标系下，重力加速度的g值在x轴、y轴和z轴三个方向上的分量所组成的向量为则

2.通过双卫星天线以及卫星定位功能，通过短基线双差求解的方法，建立坐标系，且可以确定水平坐标轴中x轴正方向指向正北方向。在xy平面的投影与x轴的夹角α，即为物体倾斜方向和正北方向的绝对夹角值。设由重力加速度传感器测量的在xyz坐标系下，重力加速度的g值在x轴、y 轴和z轴三个方向上的分量所组成的向量为则α＝arg(g_x g_y)。

实时警示系统：实时警示系统可以同时部署到高大架体的各处，一旦接收到定位监测系统发出的告警信号，立刻以声，光，电等形式通知用户，起到本地及时警示的作用；告警信号可以分为不同的等级，对应不同等级的告警，实时警示系统的输出不同，例如在低等级的告警时以驾驶舱内的蜂鸣为主、高等级的告警时在工作现场以警报器进行警示；

实施例1

用于塔吊实时垂直度的测量。

将定位监测系统安装在塔吊操作室下方标准节A处，且与塔吊标准节的横梁上平面保持平行；

实时警示系统，实时警示系统的蜂鸣器，置于操作间内，实时警示系统从操作间内220VAC取电，蜂鸣器用来提醒塔吊操作人员；另有连接实时警示系统的警示铃置于操作间外的塔吊中、底部，提醒地面的工作人员。

A点设备以重力加速度的方向为z轴，水平面为xy平面，构造满足右手坐标系的xyz坐标系统，使得A点设备内的重力加速度传感器芯片上表面的法向量在xyz坐标系下，在x轴、y轴和z轴三个方向上的分量所组成的向量为其中(g_x g_y g_z)^T为重力加速度传感器测量的重力加速度向量。则实时的垂直度可以由实时的垂直度数值＝sin θ获得。

根据短基线双差求解，获得A点设备与正北方向的水平扭转角度为γ，则塔吊的倾斜绝对方向可以求解为：

α＝γ+arg(g_x g_y)

观测到自身的方向角和与铅锤方向的夹角，发送到实时运算单元，实时运算单元根据实时垂直度的定义，计算出塔吊的实时垂直度。在垂直度数值大于第一设定阈值时，实时告警单元会驱动驾驶室内蜂鸣器体行驾驶员有异常，须进行停机等操作；在垂直度大于第二设定阈值时，实时告警单元的报警器会被驱动，以提醒现场人员进行撤离。

同时A点会将实时垂直度通过4g/5g无线通信模块，以TCP soket的方式发送到云数据中心。云数据中心上的TCP Server收到数据后，会将数据记录到数据库，同时TCPServer会将数据发送给云数据中心的Web Server，Web Server使用Web Socket协议将接收到的数据推送给用户的Web界面，用户的Web界面会进行自动的刷新，以显示新的数据；同时云数据中心会根据设备运行状态记录对应的告警，以及通过短信、邮件的方式通知现场维护人员或者监管人员。

阈值设定值需要根据现场情况确定，设定方法是在云数据中心提供的 Web页面中，通过页面UI写入此设备的告警阈值，然后Web页面通过Web API将此设定阈值与A点设备的设备ID值传输给云数据中心。云数据中心的Web Sever接收到设定数据后，将此设定数据和设备ID值，以无线通信的方式发送给使用TCP socket连接的A点设备，A点设备接收到设定阈值后，会存储在自身固态存储器上。

本发明提供的基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统及方法，采用北斗双天线系统与重力加速度传感器进行信息融合，计算高大架体垂直度和倾斜方向。采用北斗和GPS多模信号，进行信号融合，有利于加快定位速度，提高抗干扰和抗信号遮蔽的性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统，其特征在于，包括定位监测系统、实时警示系统和云数据中心；定位监测系统包括测量单元、实时运算单元和无线传输单元；

测量单元，安装在高大架体上，用于先通过北斗双天线系统观测每个天线的载波相位，将观测到的每个天线的载波相位采用短基线双差求解的算法，求出两个天线连线的法线与正北方向的实时夹角α，即高大架体的倾斜绝对方向角，并通过重力加速度传感器获取重力加速度传感器上表面法线与铅锤方向的实时夹角θ，实时将夹角α和θ的角度值输出到实时运算单元；

实时运算单元，用于接收测量单元实时发送的夹角α和θ的角度值，并根据接收到的实时夹角θ的角度值，通过三角函数sinθ，实时计算出高大架体的垂直度，从而得到高大架体的实时垂直度，其中，实时垂直度是指，即包含标准所定义的垂直度信息sinθ，也包含高大架体的倾斜绝对方向角α；同时实时将计算出的垂直度与告警阈值进行比较，当垂直度大于设定阈值时，定位监测系统驱动实时警示系统在现场进行告警；并通过无线传输单元将实时垂直度的数据发送到云数据中心；

实时警示系统：部署到高大架体的各处，用于接收实时运算单元发出的告警信号，一旦接收到定位监测系统发出的告警信号，立刻以声，光，电形式通知用户，起到本地及时警示的作用；

云数据中心，用于接收定位监测系统通过无线传输单元发送到云数据中心的数据；并存储高大架体运行时的定位信息，并提供在工地现场监视、安监/质检管理以及移APP应用；当云数据中心接收到的实时数据超过设定阈值时，云数据中心会以邮件、短信、APP推送等形式发送告警信息给系统使用者。

2.根据权利要求1所述的基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统，其特征在于，所述的测量单元包括铅锤方向测量单元和位姿测量单元；

其中，铅锤方向测量单元，用于使用重力加速度传感器测量重力加速度传感器上表面法线与铅锤方向的实时夹角θ，并将测量的重力加速度传感器上表面法线与铅锤方向的实时夹角θ发送到实时运算单元；

位姿测量单元，用于通过北斗双天线系统观测每个天线的载波相位，将观测到的每个天线的载波相位采用短基线双差求解的算法，求出两个天线连线的法线与正北方向的实时夹角α，即高大架体倾斜的方向与正北方向的绝对偏离角度，并将测量的高大架体倾斜的方向与正北方向的绝对偏离角度α发送到实时运算单元。

3.根据权利要求2所述的基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统，其特征在于，所述的北斗双天线系统为双BDS/GNSS的卫星定位设备，定位监测系统的BDS/GNSS接收机使用多模的方式接收除北斗定位信号外的GPS、GLONASS信号。

4.根据权利要求1所述的基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测系统，其特征在于，所述的告警信号分为不同的等级，对应不同等级的告警，实时警示系统的输出不同，在低等级的告警时以驾驶舱内的蜂鸣为主、高等级的告警时在工作现场以警报器进行警示。

5.一种基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在待测高大架体的顶部Pa处水平安装定位监测系统，定位监测系统包括测量单元、实时运算单元和无线传输单元；在xyz坐标系下，采用测量单元的重力加速度传感器测量重力加速度的g值在x轴、y轴和z轴三个方向上的分量所组成的向量为利用向量测量出待测高大架体与铅锤方向的倾角θ，则根据垂直度数值的定义，求得高大架体的垂直度；其中，线段表示待测高大架体，Zx平面是过Po点的水平面，是垂直于Zx平面的线段，Pb在Zx平面上；

同时，通过测量单元的双卫星天线以及卫星定位功能，通过短基线双差求解的方法，建立坐标系，且可以确定水平坐标轴中x轴正方向指向正北方向；在xy平面的投影与x轴的夹角α，即为物体倾斜方向和正北方向的绝对夹角值；由测量单元的重力加速度传感器测量的在xyz坐标系下，重力加速度的g值在x轴、y轴和z轴三个方向上的分量所组成的向量为则α＝arg(g_x g_y)；测量单元实时将夹角α和θ的角度值输出到实时运算单元；

实时运算单元，用于接收测量单元实时发送的夹角α和θ的角度值，并根据接收到的实时夹角θ的角度值，通过三角函数sinθ，实时计算出高大架体的垂直度，从而得到高大架体的实时垂直度，其中，实时垂直度是指，即包含标准所定义的垂直度信息sinθ，也包含高大架体的倾斜绝对方向角α；同时实时将计算出的垂直度与告警阈值进行比较，当垂直度大于设定阈值时，定位监测系统驱动实时警示系统在现场进行告警；并通过无线传输单元将实时垂直度的数据发送到云数据中心；

实时警示系统：部署到高大架体的各处，用于接收实时运算单元发出的告警信号，一旦接收到定位监测系统发出的告警信号，立刻以声，光，电形式通知用户，起到本地及时警示的作用；

云数据中心，用于接收定位监测系统通过无线传输单元发送到云数据中心的数据；并存储高大架体运行时的定位信息，并提供在工地现场监视、安监/质检管理以及移APP应用；当云数据中心接收到的实时数据超过设定阈值时，云数据中心会以邮件、短信、APP推送等形式发送告警信息给系统使用者。

6.根据权利要求5所述的基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测方法，其特征在于，实时垂直度在线监测方法具体包括以下步骤：

1)将定位监测系统安装在塔吊操作室下方标准节A处，且与塔吊标准节的横梁上平面保持平行；

2)实时警示系统，实时警示系统的蜂鸣器，置于操作间内，实时警示系统从操作间内220VAC取电，蜂鸣器用来提醒塔吊操作人员；另有连接实时警示系统的警示铃置于操作间外的塔吊中、底部，提醒地面的工作人员；

3)A点设备以重力加速度的方向为z轴，水平面为xy平面，构造满足右手坐标系的xyz坐标系统，使得A点设备内的重力加速度传感器上表面的法向量在xyz坐标系下，在x轴、y轴和z轴三个方向上的分量所组成的向量为其中(g_x g_y g_z)^T为重力加速度传感器测量的重力加速度向量，则实时的垂直度由实时的垂直度数值＝sinθ获得；

4)根据短基线双差求解，获得A点设备与正北方向的水平扭转角度为γ，则塔吊的倾斜绝对方向可以求解为：α＝γ+arg(g_x g_y)；

5)观测到自身的方向角和与铅锤方向的夹角，发送到实时运算单元，实时运算单元根据实时垂直度的定义，计算出塔吊的实时垂直度；在垂直度数值大于第一设定阈值时，实时告警单元会驱动驾驶室内蜂鸣器体行驾驶员有异常，须进行停机等操作；在垂直度大于第二设定阈值时，实时告警单元的报警器会被驱动，以提醒现场人员进行撤离。

7.根据权利要求6所述的基于北斗双天线系统的高大架体实时垂直度在线监测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

A点设备会将实时垂直度通过4g/5g无线通信模块，以TCP soket的方式发送到云数据中心；云数据中心上的TCP Server收到数据后，会将数据记录到数据库，同时TCP Server会将数据发送给云数据中心的Web Server，Web Server使用Web Socket协议将接收到的数据推送给用户的Web界面，用户的Web界面会进行自动的刷新，以显示新的数据；同时云数据中心会根据设备运行状态记录对应的告警，以及通过短信、邮件的方式通知现场维护人员或者监管人员；

阈值设定值需要根据现场情况确定，设定方法是在云数据中心提供的Web页面中，通过页面UI写入此设备的告警阈值，然后Web页面通过Web API将此设定阈值与A点设备的设备ID值传输给云数据中心；云数据中心的Web Sever接收到设定数据后，将此设定数据和设备ID值，以无线通信的方式发送给使用TCP socket连接的A点设备，A点设备接收到设定阈值后，会存储在自身固态存储器上。