CN110470210B - 一种基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统及方法，包括定位监测系统；定位监测系统包括测量单元和实时运算单元；测量单元，用于通过自身的卫星定位系统获取高大架体至少三个测量点的大地坐标值，其中一个测量点被设定为新坐标系原点，则其余测量点定义为非坐标系原点；非坐标系原点的测量点，用新坐标系原点的大地坐标和自身的大地坐标进行坐标变换，得到其在新坐标系下的实时坐标值；测量单元将获取到的所有的坐标值输出到实时运算单元；实时运算单元，接收测量单元发送的所有测量点的坐标值，并实时计算出垂直度，并实时将垂直度与设定的告警阈值进行比较，实时进行告警。对设备安装精度要求不高，实现了对高大架体垂直度的监测。

Description

一种基于卫星定位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监测系统，尤其涉及一种基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统及方法。
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。
由统计数据可以看出，高大架体相关部分呈现出“事故次数多，死亡总人数多，平均单次事故死亡人数多”的“三多”现象，是生产事故的易发部位，而且一旦发生问题，易造成人员伤亡的重大事故。因此高大架体应当是安全生产风险监控的重点部位。
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.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。
2.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。
3.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。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供了一种基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统及方法，对环境及设备安装精度要求不高，同时实现了对高大架体垂直度的监测。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统，包括定位监测系统；定位监测系统包括测量单元和实时运算单元，测量单元和实时运算单元均包含无线电台；
测量单元，用于通过自身的卫星定位系统获取高大架体至少三个测量点的大地坐标值，其中一个测量点被设定为新坐标系原点，则其余测量点定义为非坐标系原点；非坐标系原点的测量点，用新坐标系原点的大地坐标和自身的大地坐标进行坐标变换，得到其在新坐标系下的实时坐标值；测量单元将获取到的高大架体新坐标系下的所有测量点的坐标值，通过自身的无线电台输出到实时运算单元；
实时运算单元，通过自身的无线电台接收测量单元发送的高大架体新坐标系下的所有测量点的坐标值，并根据接收到的测量点的坐标值实时计算出垂直度，并实时将计算出的垂直度与设定的告警阈值进行比较，当垂直度中的垂直度值大于设定的告警阈值时，定位监测系统在现场实时进行告警。
所述的测量单元包括基准单元和多个监测单元；基准单元：是一个固定的地面基站，其作为参照点，包括卫星定位系统、无线电台和无线传输单元；用于通过自身的卫星定位系统获取自身位置的新坐标系原点的大地坐标值，并将其测量出来的差分信息和新坐标系原点的大地坐标值通过其自身的无线电台发送给监测单元进行RTK精密定位解算；
每个监测单元：其都安装于被测量高大架体的被监测点上，其包括卫星定位系统和无线电台；用于通过自身的卫星定位系统获取自身非坐标系原点的测量点的大地坐标值，并通过自身非坐标系原点的测量点的大地坐标值及从基准单元接收到的差分信息和新坐标系原点的大地坐标值，经过RTK方法的解算，获得高大架体新坐标系下的非坐标系原点的测量点的实时坐标值；并将当前非坐标系原点的测量点的实时坐标值的坐标信息发送到实时运算单元。
所述的卫星定位系统为BDS/GNSS接收机；所述的监测单元为两个，分别安装于高大架体高处和高大架体底部，其中，卫星定位系统的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。
实时运算单元，用于通过自身的无线电台接收测量单元发送的高大架体新坐标系下的所有测量点的坐标值，并根据接收到的高大架体新坐标系下的所有测量点的坐标值计算出实时垂直度，并将计算出的实时垂直度与设定的告警阈值进行比较，当实时垂直度中的垂直度值大于设定的告警阈值时，定位监测系统在现场进行告警，其中，实时垂直度是指，即包含垂直度信息，也包含高大架体的倾斜绝对方向角。
该系统还包括实时警示系统和云数据中心；
实时警示系统，其部署到高大架体的各处，用于接收定位监测系统向其发送的用来驱动其在现场进行告警的告警信号，实时警示系统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，用于获取定位监测系统使用无线传输模块发出的坐标值和垂直度，并将获取到的高大架体的测量点的坐标值和垂直度写入到自身的数据库中；云数据中心在数据库中存储高大架体运行时的测量点的坐标值和垂直度，并提供在工地现场监视、安监/质检管理以及移动APP应用；当云数据中心接收到的高大架体的测量点坐标值或垂直度的实时数据超过设定的告警阈值时，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。
所述的云数据中心上的TCP Server收到高大架体测量点的坐标值数据后，会将数据记录到云数据中心的数据库，同时TCP Server会将数据发送给云数据中心的WebServer，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。
一种基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测方法，包括以下步骤：
1)在高大架体附近地面坚固处安装基准单元，在此基准单元上设定坐标系xyz与坐标系原点O(Ox，Oy，Oz)，Zo为基准单元所在水平面，即xy轴所在平面，x轴表示纬度方向，y轴表示经度方向；
2)在高大架体底部安装监测单元，确定高大架体地面参考点Po(x0，y0，z0)，Zx为Po点所在水平面；
3)在高大架体高处安装监测单元，此监测单元跟随高大架体的高处监测点移动，实时获取监测点坐标Pa(x1，y1，z1)；
4)求得Pa点与Zx平面铅锤方向的交点Pb(x1，y1，z0)；
5)将垂直度的数值定义为
Figure GDA0002798411540000051
根据垂直度的数值定义，实时运算单元，将接收到的高大架体坐标系下的所有坐标值实时计算出垂直度，
Figure GDA0002798411540000052
即为所求高大架体的垂直度数值，其中，线段
Figure GDA0002798411540000053
表示高大架体，并实时将计算出的垂直度与设定的告警阈值进行比较，当垂直度中的垂直度值大于设定的告警阈值时，定位监测系统在现场实时驱动实时警示系统进行告警；
实时警示系统，其部署到高大架体的各处，其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，用于获取定位监测系统使用无线传输模块发出的坐标值和垂直度，并将获取到的高大架体的测量点的坐标值和垂直度写入到自身的数据库中；云数据中心在数据库中存储高大架体运行时的测量点的坐标值和垂直度，并提供在工地现场监视、安监/质检管理以及移动APP应用；当云数据中心接收到的高大架体的测量点坐标值或垂直度的实时数据超过设定的告警阈值时，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。
该方法还包括高大架体实时垂直度的监测，其方法具体为：
6)令矢量
Figure GDA0002798411540000061
则在Zx平面
Figure GDA0002798411540000062
可以表示为
Figure GDA0002798411540000063
则高大架体倾斜的绝对方向角
Figure GDA0002798411540000064
其绝对方向角度为α；其中，实时垂直度包括垂直度数值以及高大架体倾斜的绝对方向。
所述的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测方法，包括以下步骤：
1)在塔吊附近地面坚固处设定基准单元C点；确定塔吊底部监测点位置B处，安装监测单元；另一监测单元与实时运算单元安装于塔吊操作室下方标准节A处；
2)实时警示系统，实时警示系统的蜂鸣器，置于塔吊操作室内，实时警示系统从操作室内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室外的塔吊中、底部，提醒地面的工作人员；
3)A点监测单元和B点监测单元与基准单元C通过无线电台，以RTK方法进行空间定位运算，获得A点和B点以及C点的坐标，分别为PA＝(xA yA zA)，PB＝(xB yB zB)，PC＝(xC yCzC)；
4)B点监测单元将自己的坐标值回传到云数据中心，云数据中心首先对B点坐标进行中值滤波，后进行均值滤波，计算B点的精确坐标后，将B点坐标发送到A点监测单元；
5)A点监测单元收到B点坐标后，将自身根据RTK算法获取的坐标数据以及B点的坐标数据，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，根据公式
垂直度数值：
Figure GDA0002798411540000071
实时垂直度绝对方向角：arg(xA-xB yA-yB)
计算出塔吊的实时垂直度。
步骤3)具体为；
A点、B点监测单元会将自身坐标、绝对方向角，使用无线电台发送到C点，C点对数据打包后，使用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。
根据塔吊运行状态设定不同等级的阈值，A点设备经实时运算单元会输出不同等级的告警信号给实时警示系统；在垂直度数值大于第一设定告警阈值时，实时警示系统一旦接收到定位监测系统发出的告警信号，立刻光，电形式通知用户；在垂直度大于第二设定告警阈值时，实时警示系统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，以提醒现场人员进行撤离；
告警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将此设定的告警阈值与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接收到设定的告警阈值数据后，将此设定的告警阈值的数据和设备ID值，以无线通信的方式发送给使用TCPsocket连接的C点设备，C点设备收到此设定的告警阈值和设备ID后，根据设备ID，使用无线电台将设定的告警阈值发送给设备A，设备A接收到设定的告警阈值后，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：
本发明提供的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统及方法，通过卫星定位系统获取多个坐标点，并采用多坐标点的方法来计算高大架体的垂直度，避免了使用角度测量后通过角度的sin或者cos值计算垂直度方法中，对设备安装精度要求高的问题，同时实现了对高大架体垂直度的监测。同时，使用了卫星定位系统和RTK方法来确定所需计算点的精确坐标，这样不仅对现场使用环境要求不高，且保证了垂直度计算时不会出现较大偏差。同时，定位监测系统使用多模定位方式，增加定位的稳定性。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明提供的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统的原理图一；
图3为本发明提供的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统的原理图二；
图4为本发明提供的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统的具体图。
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2和图3，一种基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统，包括定位监测系统；定位监测系统包括测量单元和实时运算单元，测量单元和实时运算单元均包含无线电台；
测量单元，用于通过自身的卫星定位系统获取高大架体至少三个测量点的大地坐标值，其中一个测量点被设定为新坐标系原点，则其余测量点定义为非坐标系原点；非坐标系原点的测量点，用新坐标系原点的大地坐标和自身的大地坐标进行坐标变换，得到其在新坐标系下的实时坐标值；测量单元将获取到的高大架体新坐标系下的所有测量点的坐标值，通过自身的无线电台输出到实时运算单元。
具体的，所述的测量单元包括基准单元和多个监测单元；基准单元：是一个固定的地面基站，其作为参照点，包括卫星定位系统、无线电台和无线传输单元；用于通过自身的卫星定位系统获取自身位置的新坐标系原点的大地坐标值，并将其测量出来的差分信息和新坐标系原点的大地坐标值通过其自身的无线电台发送给监测单元进行RTK精密定位解算；
每个监测单元：其都安装于被测量高大架体的被监测点上，其包括卫星定位系统和无线电台；用于通过自身的卫星定位系统获取自身非坐标系原点的测量点的大地坐标值，并通过自身非坐标系原点的测量点的大地坐标值及从基准单元接收到的差分信息和新坐标系原点的大地坐标值，经过RTK方法的解算，获得高大架体新坐标系下的非坐标系原点的测量点的实时坐标值；并将当前非坐标系原点的测量点的实时坐标值的坐标信息发送到实时运算单元。
其中，所述的卫星定位系统为BDS/GNSS接收机；所述的监测单元为两个，分别安装于高大架体高处和高大架体底部，其中，卫星定位系统的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。
实时运算单元，通过自身的无线电台接收测量单元发送的高大架体新坐标系下的所有测量点的坐标值，并根据接收到的测量点的坐标值实时计算出垂直度，并实时将计算出的垂直度与设定的告警阈值进行比较，当垂直度中的垂直度值大于设定的告警阈值时，定位监测系统在现场实时进行告警。
进一步地，实时运算单元，用于通过自身的无线电台接收测量单元发送的高大架体新坐标系下的所有测量点的坐标值，并根据接收到的高大架体新坐标系下的所有测量点的坐标值计算出实时垂直度，并将计算出的实时垂直度与设定的告警阈值进行比较，当实时垂直度中的垂直度值大于设定的告警阈值时，定位监测系统在现场进行告警，其中，实时垂直度是指，即包含垂直度信息，也包含高大架体的倾斜绝对方向角。
参见图2、图3，该系统还包括实时警示系统和云数据中心；
实时警示系统，其部署到高大架体的各处，用于接收定位监测系统向其发送的用来驱动其在现场进行告警的告警信号，实时警示系统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，用于获取定位监测系统使用无线传输模块发出的坐标值和垂直度，并将获取到的高大架体的测量点的坐标值和垂直度写入到自身的数据库中；云数据中心在数据库中存储高大架体运行时的测量点的坐标值和垂直度，并提供在工地现场监视、安监/质检管理以及移动APP应用；当云数据中心接收到的高大架体的测量点坐标值或垂直度的实时数据超过设定的告警阈值时，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。
进一步地，所述的云数据中心上的TCP Server收到高大架体测量点的坐标值数据后，会将数据记录到云数据中心的数据库，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。
参见图1至图3，一种基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测方法，包括以下步骤：
1)在高大架体附近地面坚固处安装基准单元，在此基准单元上设定坐标系xyz与坐标系原点O(Ox，Oy，Oz)，Zo为基准单元所在水平面，即xy轴所在平面，x轴表示纬度方向，y轴表示经度方向；
2)在高大架体底部安装监测单元，确定高大架体地面参考点Po(x0，y0，z0)，Zx为Po点所在水平面；
3)在高大架体高处安装监测单元，此监测单元跟随高大架体的高处监测点移动，实时获取监测点坐标Pa(x1，y1，z1)；
4)求得Pa点与Zx平面铅锤方向的交点Pb(x1，y1，z0)；
5)将垂直度的数值定义为
Figure GDA0002798411540000111
根据垂直度的数值定义，实时运算单元，将接收到的高大架体坐标系下的所有坐标值实时计算出垂直度，
Figure GDA0002798411540000112
即为所求高大架体的垂直度数值，其中，线段
Figure GDA0002798411540000113
表示高大架体，并实时将计算出的垂直度与设定的告警阈值进行比较，当垂直度中的垂直度值大于设定的告警阈值时，定位监测系统在现场实时驱动实时警示系统进行告警；
实时警示系统，其部署到高大架体的各处，其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，用于获取定位监测系统使用无线传输模块发出的坐标值和垂直度，并将获取到的高大架体的测量点的坐标值和垂直度写入到自身的数据库中；云数据中心在数据库中存储高大架体运行时的测量点的坐标值和垂直度，并提供在工地现场监视、安监/质检管理以及移动APP应用；当云数据中心接收到的高大架体的测量点坐标值或垂直度的实时数据超过设定的告警阈值时，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。
进一步地，该方法还包括高大架体实时垂直度的监测，其方法具体为：
6)令矢量
Figure GDA0002798411540000121
则在Zx平面
Figure GDA0002798411540000122
可以表示为
Figure GDA0002798411540000123
则高大架体倾斜的绝对方向角
Figure GDA0002798411540000124
其绝对方向角度为α；其中，实时垂直度包括垂直度数值以及高大架体倾斜的绝对方向。
具体的，参见图4，基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统，包括以下步骤：
1)在塔吊附近地面坚固处设定基准单元C点；确定塔吊底部监测点位置B处，安装监测单元；另一监测单元与实时运算单元安装于塔吊操作室下方标准节A处；
2)实时警示系统，实时警示系统的蜂鸣器，置于塔吊操作室内，实时警示系统从操作室内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室外的塔吊中、底部，提醒地面的工作人员；
3)A点监测单元和B点监测单元与基准单元C通过无线电台，以RTK方法进行空间定位运算，获得A点和B点以及C点的坐标，分别为PA＝(xA yA zA)，PB＝(xB yB zB)，PC＝(xC yCzC)；
4)B点监测单元将自己的坐标值回传到云数据中心，云数据中心首先对B点坐标进行中值滤波，后进行均值滤波，计算B点的精确坐标后，将B点坐标发送到A点监测单元；
5)A点监测单元收到B点坐标后，将自身根据RTK算法获取的坐标数据以及B点的坐标数据，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，根据公式
垂直度数值：
Figure GDA0002798411540000125
实时垂直度绝对方向角：arg(xA-xB yA-yB)
计算出塔吊的实时垂直度。
具体的，步骤3)具体为；
A点、B点监测单元会将自身坐标、绝对方向角，使用无线电台发送到C点，C点对数据打包后，使用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。
具体的，根据塔吊运行状态设定不同等级的阈值，A点设备经实时运算单元会输出不同等级的告警信号给实时警示系统；在垂直度数值大于第一设定告警阈值时，实时警示系统一旦接收到定位监测系统发出的告警信号，立刻光，电形式通知用户；在垂直度大于第二设定告警阈值时，实时警示系统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，以提醒现场人员进行撤离；
告警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将此设定的告警阈值与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接收到设定的告警阈值数据后，将此设定的告警阈值的数据和设备ID值，以无线通信的方式发送给使用TCPsocket连接的C点设备，C点设备收到此设定的告警阈值和设备ID后，根据设备ID，使用无线电台将设定的告警阈值发送给设备A，设备A接收到设定的告警阈值后，会存储在自身固态存储器上。
具体的，本发明提供的一种基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统，由3个子系统组成：定位监测系统，实时警示系统，云数据中心。系统的原理图如图2所示：
定位监测系统由测量单元和实时运算单元组成，测量单元获得高大架体的测量点坐标后，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设定的告警阈值进行比较，当垂直度大于设定的告警阈值时，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。
参见图3，其中：定位监测系统：基于BDS/GNSS的卫星定位设备，由地面基准单元及安装于高大架体高处和高大架体底部的监测单元，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。
测量单元由两部分组成：基准单元和多个监测单元。其中：
基准单元：一个固定的地面基站，既可以通过卫星定位功能实现自身位置坐标的测量，又可以作为参照点，将测量出来的差分信息通过无线电台发送给监测单元进行RTK精密定位解算。
监测单元：安装于被测量高大架体顶部的被监测点上，其通过自身的卫星定位模块及从基准单元接收到的差分信息，经过RTK方法的解算，获得当前监测点的坐标信息。
具体的，线段
Figure GDA0002798411540000151
表示高大架体。实时垂直度包括垂直度数值以及高大架体倾斜的绝对方向。垂直度的数值定义为
Figure GDA0002798411540000152
其绝对方向角度为α，如图1所示。
1.在高大架体附近地面坚固处安装基准单元，在此基准单元上设定坐标系xyz与坐标系原点O(Ox，Oy，Oz)，Zo为监测单元所在水平面；
2.在高大架体底部安装监测单元，确定高大架体地面参考点Po(x0，y0，z0)，Zx为Po点所在水平面；
3.在高大架体高处安装监测单元，此监测单元跟随高大架体的高处监测点移动，实时获取监测点坐标Pa(x1，y1，z1)；
4.求得Pa点与Zx平面铅锤方向的交点Pb(x1,y1,z0)；
5.根据垂直度的数值定义，
Figure GDA0002798411540000153
即为所求高大架体的垂直度数值。
6.令矢量
Figure GDA0002798411540000154
则在Zx平面
Figure GDA0002798411540000155
可以表示为
Figure GDA0002798411540000156
则高大架体倾斜的绝对方向角
Figure GDA0002798411540000157
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。
如图4所示，实施例1
用于塔吊垂直度的测量。
设定基准单元C点，确定在施工工地的固定位置处；
确定塔吊底部监测点位置B处，安装监测单元；
另一监测单元安与实时运算单元装于塔吊操作室下方标准节A处；
实时警示系统，实时警示系统的蜂鸣器，置于操作室内，实时警示系统从操作室内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室外的塔吊中、底部，提醒地面的工作人员。
A点设备和B点设备与RTK基准单元C通过无线电台，以RTK方法进行空间定位运算，获得A点和B点以及C点的坐标，分别为PA＝(xA yA zA)，PB＝(xB yB zB)，PC＝(xC yC zC)
B点设备将自己的坐标值回传到云数据中心，云数据中心首先对B点坐标进行中值滤波，后进行3个小时的均值滤波，计算B点的精确坐标后，将B点坐标发送到A点设备。
A点设备收到B点坐标后，将自身根据RTK算法获取的坐标数据以及B点的坐标数据，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，根据公式：
垂直度数值：
Figure GDA0002798411540000161
实时垂直度绝对方向角：arg(xA-xB yA-yB)
计算出塔吊的实时垂直度。根据塔吊运行状态和设定不同等级的阈值，A点实时运算单元会输出不同等级的告警信号给实时警示系统。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。
A点、B点设备会将自身坐标、状态值等，使用无线电台发送到C点，C点对数据打包后，使用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TCPServer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C点设备，C点设备收到此设定阈值和设备ID后，根据设备ID，使用无线电台将设定阈值发送给设备A，设备A接收到设定阈值后，会存储在自身固态存储器上。
在B点设备的坐标值备精确计算后，B点设备可以被撤销。
本发明提供的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统及方法，通过卫星定位系统获取多个坐标点，并采用多坐标点的方法来计算高大架体的垂直度，避免了使用角度测量后通过角度的sin或者cos值计算垂直度方法中，对设备安装精度要求高的问题，同时实现了对高大架体垂直度的监测。同时，使用了卫星定位系统和RTK方法来确定所需计算点的精确坐标，这样不仅对现场使用环境要求不高，且保证了垂直度计算时不会出现较大偏差。同时，定位监测系统使用多模定位方式，增加定位的稳定性。
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 (10)

1.一种基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统，其特征在于，包括定位监测系统；定位监测系统包括测量单元和实时运算单元，测量单元和实时运算单元均包含无线电台；
测量单元，用于通过自身的卫星定位系统获取高大架体至少三个测量点的大地坐标值，其中一个测量点被设定为新坐标系原点，则其余测量点定义为非坐标系原点；非坐标系原点的测量点，用新坐标系原点的大地坐标和自身的大地坐标进行坐标变换，得到其在新坐标系下的实时坐标值；测量单元将获取到的高大架体新坐标系下的所有测量点的坐标值，通过自身的无线电台输出到实时运算单元；
实时运算单元，通过自身的无线电台接收测量单元发送的高大架体新坐标系下的所有测量点的坐标值，并根据接收到的测量点的坐标值实时计算出垂直度，并实时将计算出的垂直度与设定的告警阈值进行比较，当垂直度中的垂直度值大于设定的告警阈值时，定位监测系统在现场实时进行告警；
所述的测量单元包括基准单元和多个监测单元；
基准单元：是一个固定的地面基站，其作为参照点，包括卫星定位系统、无线电台和无线传输单元；用于通过自身的卫星定位系统获取自身位置的新坐标系原点的大地坐标值，并将其测量出来的差分信息和新坐标系原点的大地坐标值通过其自身的无线电台发送给监测单元进行RTK精密定位解算；
每个监测单元：其都安装于被测量高大架体的被监测点上，其包括卫星定位系统和无线电台；用于通过自身的卫星定位系统获取自身非坐标系原点的测量点的大地坐标值，并通过自身非坐标系原点的测量点的大地坐标值及从基准单元接收到的差分信息和新坐标系原点的大地坐标值，经过RTK方法的解算，获得高大架体新坐标系下的非坐标系原点的测量点的实时坐标值；并将当前非坐标系原点的测量点的实时坐标值的坐标信息发送到实时运算单元；其中，监测单元安装于高大架体高处和高大架体底部。
2.根据权利要求1所述的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统，其特征在于，所述的卫星定位系统为BDS/GNSS接收机；所述的监测单元为两个，分别安装于高大架体高处和高大架体底部，其中，卫星定位系统的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。
3.根据权利要求1所述的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统，其特征在于，实时运算单元，用于通过自身的无线电台接收测量单元发送的高大架体新坐标系下的所有测量点的坐标值，并根据接收到的高大架体新坐标系下的所有测量点的坐标值计算出实时垂直度，并将计算出的实时垂直度与设定的告警阈值进行比较，当实时垂直度中的垂直度值大于设定的告警阈值时，定位监测系统在现场进行告警，其中，实时垂直度是指，即包含垂直度信息，也包含高大架体的倾斜绝对方向角。
4.根据权利要求1所述的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统，其特征在于，该系统还包括实时警示系统和云数据中心；
实时警示系统，其部署到高大架体的各处，用于接收定位监测系统向其发送的用来驱动其在现场进行告警的告警信号，实时警示系统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，用于获取定位监测系统使用无线传输模块发出的坐标值和垂直度，并将获取到的高大架体的测量点的坐标值和垂直度写入到自身的数据库中；云数据中心在数据库中存储高大架体运行时的测量点的坐标值和垂直度，并提供在工地现场监视、安监/质检管理以及移动APP应用；当云数据中心接收到的高大架体的测量点坐标值或垂直度的实时数据超过设定的告警阈值时，云数据中心会以邮件、短信、APP推送形式发送告警信息给系统使用者。
5.根据权利要求4所述的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统，其特征在于，所述的云数据中心上的TCP Server收到高大架体测量点的坐标值数据后，会将数据记录到云数据中心的数据库，同时TCP Server会将数据发送给云数据中心的Web Server，WebServer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。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测系统的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在高大架体附近地面坚固处安装基准单元，在此基准单元上设定坐标系xyz与坐标系原点O(Ox，Oy，Oz)，Zo为基准单元所在水平面，即xy轴所在平面，x轴表示纬度方向，y轴表示经度方向；
2)在高大架体底部安装监测单元，确定高大架体地面参考点Po(x0，y0，z0)，Zx为Po点所在水平面；
3)在高大架体高处安装监测单元，此监测单元跟随高大架体的高处监测点移动，实时获取监测点坐标Pa(x1，y1，z1)；
4)求得Pa点与Zx平面铅锤方向的交点Pb(x1，y1，z0)；
5)将垂直度的数值定义为
Figure FDA0002798411530000031
根据垂直度的数值定义，实时运算单元，将接收到的高大架体坐标系下的所有坐标值实时计算出垂直度，
Figure FDA0002798411530000032
即为所求高大架体的垂直度数值，其中，线段
Figure FDA0002798411530000033
表示高大架体，并实时将计算出的垂直度与设定的告警阈值进行比较，当垂直度中的垂直度值大于设定的告警阈值时，定位监测系统在现场实时驱动实时警示系统进行告警；
实时警示系统，其部署到高大架体的各处，其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，用于获取定位监测系统使用无线传输模块发出的坐标值和垂直度，并将获取到的高大架体的测量点的坐标值和垂直度写入到自身的数据库中；云数据中心在数据库中存储高大架体运行时的测量点的坐标值和垂直度，并提供在工地现场监视、安监/质检管理以及移动APP应用；当云数据中心接收到的高大架体的测量点坐标值或垂直度的实时数据超过设定的告警阈值时，云数据中心会以邮件、短信、APP推送形式发送告警信息给系统使用者。
7.根据权利要求6所述的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测方法，其特征在于，该方法还包括高大架体实时垂直度的监测，其方法具体为：
6)令矢量
Figure FDA0002798411530000041
则在Zx平面
Figure FDA0002798411530000042
表示为
Figure FDA0002798411530000043
则高大架体倾斜的绝对方向角
Figure FDA0002798411530000044
其绝对方向角度为α；其中，实时垂直度包括垂直度数值以及高大架体倾斜的绝对方向。
8.根据权利要求7所述的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测方法，其特征在于，所述的高大架体为塔吊时，其垂直度监测方法包括以下步骤：
1)在塔吊附近地面坚固处设定基准单元C点；确定塔吊底部监测点位置B处，安装监测单元；另一监测单元与实时运算单元安装于塔吊操作室下方标准节A处；
2)实时警示系统，实时警示系统的蜂鸣器，置于塔吊操作室内，实时警示系统从操作室内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室外的塔吊中、底部，提醒地面的工作人员；
3)A点监测单元和B点监测单元与基准单元C通过无线电台，以RTK方法进行空间定位运算，获得A点和B点以及C点的坐标，分别为PA＝(xA yA zA)，PB＝(xB yB zB)，Pc＝(xc yc zc)；
4)B点监测单元将自己的坐标值回传到云数据中心，云数据中心首先对B点坐标进行中值滤波，后进行均值滤波，计算B点的精确坐标后，将B点坐标发送到A点监测单元；
5)A点监测单元收到B点坐标后，将自身根据RTK算法获取的坐标数据以及B点的坐标数据，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，根据公式
垂直度数值：
Figure FDA0002798411530000051
实时垂直度绝对方向角：arg(xA-xB yA-yB)
计算出塔吊的实时垂直度。
9.根据权利要求8所述的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测方法，其特征在于，步骤3)具体为；
A点、B点监测单元会将自身坐标、绝对方向角，使用无线电台发送到C点，C点对数据打包后，使用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。
10.根据权利要求8所述的基于卫星定位系统的高大架体垂直度监测方法，其特征在于，根据塔吊运行状态设定不同等级的阈值，A点设备经实时运算单元会输出不同等级的告警信号给实时警示系统；在垂直度数值大于第一设定告警阈值时，实时警示系统一旦接收到定位监测系统发出的告警信号，立刻光，电形式通知用户；在垂直度大于第二设定告警阈值时，实时警示系统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，以提醒现场人员进行撤离；
告警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将此设定的告警阈值与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接收到设定的告警阈值数据后，将此设定的告警阈值的数据和设备ID值，以无线通信的方式发送给使用TCP socket连接的C点设备，C点设备收到此设定的告警阈值和设备ID后，根据设备ID，使用无线电台将设定的告警阈值发送给设备A，设备A接收到设定的告警阈值后，会存储在自身固态存储器上。
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