CN111260894A - 一种桥梁施工现场的智能预警系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种桥梁施工现场的智能预警系统，包括：UWB定位模块，包括UWB基站、UWB标签和同步控制器，所述UWB标签安装在桥梁施工现场的人员和车辆上，所述UWB标签用于发射脉冲信号，所述UWB基站用于接收脉冲信号，所述同步控制器连接所述UWB基站，用于生成标签位置数据；智能预警模块，用于根据标签位置数据，进行标签状态预警。与现有技术相比，本发明有效解决了现有桥梁施工中仅凭借人工监督无法对潜在施工风险进行及时预警的问题，具有预警过程智能化程度高、预警速度快、预警效率高等优点。

Description

一种桥梁施工现场的智能预警系统
技术领域
本发明涉及桥梁施工预警技术领域，尤其是涉及一种桥梁施工现场的智能预警系统。
背景技术
在桥梁工程建设全过程中，风险因素无处不在，且桥梁工程项目投资大、工期长、施工环境复杂，在建设过程中，工程事故一旦发生，造成的损失及社会影响巨大，因此，对风险进行管理，显得尤为重要。
目前，为了避免施工事故发生，桥梁施工现场配有专门人员实时监督现场安全，同时，还有专门人员定期检查施工现场，排除施工现场潜在风险。尽管如此，桥梁施工现场事故仍然时有发生。仅仅依靠人工进行安全监督和安全排查，效率较低，而且很难做到及时预警，此外，仅通过人工监督或排查的方式需要消耗大量人力。因此，有必要寻找一种高效可行的风险管理方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高效可行的桥梁施工现场的智能预警系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种桥梁施工现场的智能预警系统，包括：
UWB定位模块，包括UWB基站、UWB标签和同步控制器，所述UWB标签安装在桥梁施工现场的人员和车辆上，所述UWB标签用于发射脉冲信号，所述UWB基站用于接收脉冲信号，所述同步控制器连接所述UWB基站，用于生成标签位置数据；
智能预警模块，用于根据标签位置数据，进行标签状态预警。
超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，尤其适用于密集多径场所的高速无线接入。
进一步地，所述UWB基站设有多个，所述同步控制器根据各UWB基站传递信号的到达时间，生成标签位置数据，所述标签位置数据包括标签号、数据采集时间和位置坐标。
进一步地，所述UWB基站通过光纤连接所述同步控制器。
UWB基站在接收到UWB标签发射的脉冲信号后，经由光纤将信号传递给同步控制器。同步控制器统计由各个UWB基站传递来的信号的到达时间，采用UDP的方式发送给指定用户。
进一步地，所述UWB标签安装在所述人员的安全帽上。
进一步地，所述智能预警模块的处理过程包括以下步骤：
数据接收步骤：实时接收标签位置数据；
数据提取步骤：从标签位置数据中提取标签号、数据采集时间和位置坐标；
坐标转换步骤：将位置坐标转换至XYZ坐标系中；
数据分析步骤：分析人员和车辆是否存在危险；
预警实现步骤：若人员或车辆存在危险，则向对应的UWB标签发送预警信号。
进一步地，预警实现步骤中，所述UWB标签接收预警信号后振动或鸣叫。
进一步地，数据分析步骤中，所述危险包括人车相撞、易触电区域内有人或易燃区域内存在动火作业员、安全员或防护员不在作用现场监督施工和高空作业员靠近易坠落区域。
进一步地，所述智能预警模块还用于生成标签状态数据，所述智能预警系统还包括：
危险源接口，用于获取标签位置数据和标签状态数据；
网络端BIM模型，用于读取危险源接口接收的标签位置数据和标签状态数据，展示施工现场人员、车辆运动状态和安全状况。
进一步地，所述危险源接口为数据库管理接口，所述危险源接口连接有数据库，所述数据库用于存储标签位置数据和标签状态数据，所述危险源接口能够对所述数据库内数据进行实时添加和修改。
进一步地，所述危险源接口和所述网络端BIM模型均通过网络地址访问。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用UWB基站、UWB标签和同步控制器实时定位现场人员、车辆的位置坐标，并通过智能预警模块实现预警，有效解决了现有桥梁施工中仅凭借人工监督无法对潜在施工风险进行及时预警的问题，同时预警过程智能化程度高、预警速度快、预警效率高。
(2)本发明采用UWB定位技术定位人和车辆，具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点。
(3)本发明UWB基站通过光纤连接同步控制器，降低信号传输时延，提高预警速度。
(4)本发明可将UWB标签设置在现场人员的安全帽上，方便携带且可靠。
(5)本发明可通过危险源接口连接网络端BIM模型，网络端BIM模型根据接收到的状态数据和位置数据实时更新现场人员和车辆的位置移动和颜色变化，从而达到实时展示施工现场安全情况的目的。
附图说明
图1为本发明智能预警过程示意图；
图2为本发明UWB定位模块的结构示意图；
图3为本发明智能预警系统的定位原理示意图；
图4为本发明数据库数据图；
图5为本发明Web端BIM模型图；
图6为本发明实施例1中车的三维模型图；
图7为本发明实施例1中人的三维模型图；
图8为本发明预警程序框图；
图9为本发明人车相撞过程的第一状态示意图；
图10为本发明人车相撞过程的第二状态示意图；
图11为本发明人车相撞过程的第三状态示意图；
图12为本发明动火作业员靠近易燃区域过程的第一状态示意图；
图13为本发明动火作业员靠近易燃区域过程的第二状态示意图；
图14为本发明动火作业员靠近易燃区域过程的第三状态示意图；
图15为本发明安全员离开监督区域过程的第一状态示意图；
图16为本发明安全员离开监督区域过程的第二状态示意图；
图17为本发明安全员离开监督区域过程的第三状态示意图；
图中，1、人，2、车，3、桥梁施工现场，4、易燃区域，5、动火作业员，6、监督区域，7、现场作业人员，8、安全员，9、UWB定位模块，901、UWB标签，902、第一UWB基站，903、第二UWB基站，904、第三UWB基站，905、第四UWB基站，906、同步控制器，10、智能预警模块，11、危险源接口，12、网络端BIM模型，13、施工现场电脑。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种桥梁施工现场的智能预警系统，预警过程如图所示。首先现场人员均需戴上安全帽，安全帽上装有UWB标签，UWB系统负责实时定位现场标签位置，并将位置数据实时传输到预警程序(智能预警模块)和危险源接口，预警程序则根据接收到的位置数据进行实时分析，若发现标签存在潜在风险，预警程序会控制标签振动或鸣叫，同时还会将会标签的状态数据传输至危险源接口。三维模型实时读取接口收到的位置和状态数据，并在模型内实时展示相应标签的位置变化和状态变化。
如图2和图3所示，本实施例采用了UWB定位技术实时定位现场人员、车辆的位置坐标，并实时传输至预警程序和危险源接口。UWB定位系统中硬件主要包含UWB基站、UWB标签和同步控制器。其中，UWB标签发射脉冲信号，UWB基站接收脉冲信号，UWB基站通过光纤与同步控制器串联在一起。UWB基站在接收到UWB标签发射的脉冲信号后，经由光纤将信号传递给同步控制器。同步控制器统计由各个UWB基站传递来的信号的到达时间，采用UDP的方式发送给指定用户。
危险源接口为数据库管理接口，所有标签信息存放在数据库内，数据库提供数据管理接口，通过该接口，能够对数据库内数据进行实时添加、修改。接口主要有以下类型：添加危险源、更新危险源位置、修改危险源类型、修改危险源状态、获取所有危险源信息。接口采用http连接，以GET或POST方式进行调用。服务器地址为106.14.152.66，端口号为8084。数据库数据参见图4。其中id表示数据库内数据编号，dCode表示标签号，dType表示标签类型(如人、车)，dStatus表示标签目前的状态(如安全、存在撞车危险、安全员不在场、存在触电危险等)，directX、directY、directZ表示标签的坐标值，active表示标签是否活跃，etlTime、createTime、updateTime分别表示标签采集时间、创建时间和更新时间。
Web端BIM模型(网络端BIM模型)读取危险源接口接收的位置数据和状态数据，并展示标签的运动轨迹和状态变化过程。桥梁BIM模型以及人车模型如图5至7所示。本实施例中Web端BIM模型为桥梁三维模型，可以通过网络地址http://106.14.152.66:8084/dangerMonitor/bimfooOSGB/Apps/osgbModel_njbridge0.html访问，三维模型根据接收到的状态数据和位置数据实时更新现场人员和车辆的位置移动和颜色变化，从而达到实时展示施工现场安全情况的目的。
预警程序实时分析标签位置数据，若有风险，及时发出报警信息，并将报警信息发送至危险源接口，三维模型中实时展示现场工人、车辆的位置和状态变化。当标签位置和状态数据发生变化时，标签对应的三维模型位置和颜色随之变化。本发明基于南京长江大桥维修施工现场。南京长江大桥维修现场主要有以下几种风险事件需要预警：
1.人车相撞需要预警
2.易触电区域内有人或易燃区域内存在动火作业员需要预警
3.安全员或防护员不在作用现场监督施工需要预警
4.高空作业员靠近易坠落区域需要预警
由于现场每个工人、汽车的标签号都是不同的，因此程序可以通过标签号来识别接收的数据。为了便于程序内部对数据进行分类处理，可以将施工现场所有人员按照表1进行分类，不同人员对应于不同范围的标签号,同时每个工人都有相应的状态值对应于不同的安全状态。UWB系统与风险源预警程序连接同一个路由器，位于同一局域网下，UWB实时将测量的标签号位置坐标及采集时间传输至端口5566，数据传输采用UDP协议。预警程序实时从5566端口接收数据，之后对数据进行详细分析，如果标签号存在危险，预警程序会及时控制标签振动或鸣叫，同时向危险源接口传送危险标签号的风险状态dStatus值。
表1现场作业人员标签号范围
Figure BDA0002371621080000061
预警程序位于施工现场电脑上，可以与UWB程序位于同一台电脑上，也可以与UWB程序位于现场不同的电脑上。两个程序一同连接在相同的路由器下。预警程序的工作流程包含数据接收、数据提取、坐标转换、数据分析、预警实现五部分。首先采用Windows socket函数实现实时数据接收。数据接收完存放到字符数组后，接着需要把字符数组里的标签号、数据采集时间和位置坐标分别取出。由于三维模型内坐标系统为WGS84，即经纬度、高程坐标系统，所以地下车库现场实测的坐标为经纬度、高程坐标，而预警程序内部进行分析时采用的是上海地方局部直角坐标系，所示在预警程序实时接收现场数据后，需要把经纬度、高程坐标转化为直角坐标。对风险源预警情况进行总结归纳，有以下两种预警方式。
1工人到一个区域的距离小于或大于某一预定值，进行预警。
2工人与汽车即将撞击时进行预警。
一旦出现需要预警的情况，程序首先会调用标签振动或鸣叫命令，使存在危险的标签振动，达到预警作用，同时程序还会修改危险源接口对应标签号的状态值dStaus，当标签号的状态值dStaus发生改变时，三维模型颜色会随之改变，从而做到实时反映现场情况。预警算法流程图可以参考图8。首先接收UWB实时传入的数据，并提取数据中的标签号、位置坐标和测量时间。接着根据标签号不同分别将提取的数据放入不同的数组中。然后遍历所有标签，计算所有工人与车辆即将撞击的时间，工人到作业区域的距离，当计算值不在允许值范围内时，认为工人存在危险，预警程序会控制标签振动或鸣叫以提醒工人注意安全，同时修改危险源接口标签状态值，Web端BIM模型会实时读取危险源接口标签状态值。
智能预警系统已经在同济大学地下车库试验验证。车库试验情况如图9至17所示，现场演示时，主要依靠人手持标签移动来模拟工人和车辆运动，UWB系统将现场标签的位置坐标实时传输至危险源接口，三维展示模型会根据更新的标签位置坐标实时展示模型的移动过程。如果预警程序发现潜在危险的标签，会向危险源接口实时传输相应标签的状态值，不同的状态值dStatus则在模型里对应于不同的颜色，三维展示模型会根据更新的标签状态值实时展示模型的颜色变化。
综上，本实施例所提供的桥梁施工智能预警系统有效解决了现有桥梁施工中仅凭借人工监督无法对潜在施工风险进行及时预警的问题，同时预警过程智能化程度高、预警速度快、预警效率高。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种桥梁施工现场的智能预警系统，其特征在于，包括：
UWB定位模块，包括UWB基站、UWB标签和同步控制器，所述UWB标签安装在桥梁施工现场的人员和车辆上，所述UWB标签用于发射脉冲信号，所述UWB基站用于接收脉冲信号，所述同步控制器连接所述UWB基站，用于生成标签位置数据；
智能预警模块，用于根据标签位置数据，进行标签状态预警。
2.根据权利要求1所述的一种桥梁施工现场的智能预警系统，其特征在于，所述UWB基站设有多个，所述同步控制器根据各UWB基站传递信号的到达时间，生成标签位置数据，所述标签位置数据包括标签号、数据采集时间和位置坐标。
3.根据权利要求1所述的一种桥梁施工现场的智能预警系统，其特征在于，所述UWB基站通过光纤连接所述同步控制器。
4.根据权利要求1所述的一种桥梁施工现场的智能预警系统，其特征在于，所述UWB标签安装在所述人员的安全帽上。
5.根据权利要求2所述的一种桥梁施工现场的智能预警系统，其特征在于，所述智能预警模块的处理过程包括以下步骤：
数据接收步骤：实时接收标签位置数据；
数据提取步骤：从标签位置数据中提取标签号、数据采集时间和位置坐标；
坐标转换步骤：将位置坐标转换至XYZ坐标系中；
数据分析步骤：分析人员和车辆是否存在危险；
预警实现步骤：若人员或车辆存在危险，则向对应的UWB标签发送预警信号。
6.根据权利要求5所述的一种桥梁施工现场的智能预警系统，其特征在于，预警实现步骤中，所述UWB标签接收预警信号后振动或鸣叫。
7.根据权利要求5所述的一种桥梁施工现场的智能预警系统，其特征在于，数据分析步骤中，所述危险包括人车相撞、易触电区域内有人或易燃区域内存在动火作业员、安全员或防护员不在作用现场监督施工和高空作业员靠近易坠落区域。
8.根据权利要求1所述的一种桥梁施工现场的智能预警系统，其特征在于，所述智能预警模块还用于生成标签状态数据，所述智能预警系统还包括：
危险源接口，用于获取标签位置数据和标签状态数据；
网络端BIM模型，用于读取危险源接口接收的标签位置数据和标签状态数据，展示施工现场人员、车辆运动状态和安全状况。
9.根据权利要求8所述的一种桥梁施工现场的智能预警系统，其特征在于，所述危险源接口为数据库管理接口，所述危险源接口连接有数据库，所述数据库用于存储标签位置数据和标签状态数据，所述危险源接口能够对所述数据库内数据进行实时添加和修改。
10.根据权利要求8所述的一种桥梁施工现场的智能预警系统，其特征在于，所述危险源接口和所述网络端BIM模型均通过网络地址访问。
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