CN111308533B - 建筑塔机塔顶三维动态检测与分级预警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑塔机塔顶位置三维动态检测与分级预警装置，用于建筑塔机系统，该建筑塔机系统包括建筑塔机的塔身、位于所述塔身顶部的GNSS检测站、位于施工现场的GNSS基准站，所述装置包括：三维动态检测计算单元，从该GNSS基准站和所述GNSS检测站接收高采样率的卫星定位数据，计算塔顶的北向、东向及天顶向的位置检测结果；检测参数确定单元，从塔顶的北向、东向及天顶向的位置检测结果，确定当前检测历元的塔顶三维动态检测参数；预警参数确定单元，根据GNSS检测站的标称检测精度，确定当前检测历元的预警参数；预警单元，将塔顶三维动态检测参数与所述预警参数进行比较并根据比较结果确定进行预警。

Description

建筑塔机塔顶三维动态检测与分级预警装置

技术领域

本发明涉及建筑塔机及其健康监测预警的技术领域。

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。随着塔身高度的增加，如果塔身出现较大的倾斜，则可能造成重大安全事故。因而实时准确地对塔身倾斜进行检测对于确保塔机安全运行具有重大的意义。

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。

根据本发明的一个方面，提供了一种建筑塔机塔顶位置三维动态检测与分级预警装置，用于建筑塔机系统，所述建筑塔机系统包括建筑塔机的塔身、位于所述塔身顶部的GNSS检测站、位于施工现场的GNSS基准站，所述装置包括：三维动态检测计算单元，从所述GNSS基准站和所述GNSS检测站接收高采样率的卫星定位数据，计算塔顶的北向、东向及天顶向的位置检测结果；检测参数确定单元，从所述塔顶的北向、东向及天顶向的位置检测结果，确定当前检测历元的塔顶三维动态检测参数；预警单元，根据所述GNSS检测站的标称检测精度，确定当前检测历元的预警参数；预警单元，将所述塔顶三维动态检测参数与所述预警参数进行比较并在超过所述预警参数时确定进行预警。

依据本发明的技术方案，能够实时检测塔身健康情况，结构简单，不用在塔身上安装复杂的倾角传感器等设备，提高建筑施工作业的安全性。

根据本发明，计算每个当前历元的应急预警参数，而不是使用一成不变的应急预警参数，使得预警的结果更加准确。

根据本发明，在计算中使用GNSS检测站的标称检测精度和塔身高度，进一步的使预警的结果更加准确。

根据本发明，可以采用多级预警，各级预警参数计算简单，快捷，并能够实现分级预警，使得对塔身安全的管理更加科学有效。

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，也不是按照比例绘制的，不是对本发明的保护范围的限制。

图1示出了使用本发明的建筑塔机塔顶位置三维动态检测与分级预警装置的一种实施方式的建筑塔基系统的示意图；

图2示出了依据本发明的一种实施方式的建筑塔机塔顶位置三维动态检测与分级预警装置的示意性功能方框图。

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任何限制。附图中没有示出虽然与建筑塔机的工作相关但对于理解本发明无关的部件，说明书中也没有描述这些部件，这些部件可以采用现在已知的或未来获知的各种技术，均在本发明的保护范围内。

图1示出了使用本发明一种实施方式的建筑塔机塔顶位置三维动态检测与分级预警装置的建筑塔基系统的一种实施方式的示意图。

如图1所示，可以应用本发明的建筑塔机包括塔身14、塔臂13，在塔顶安装有检测站(GNSS流动站，Rover station)12，该检测站12包括接收机(GNSS接收机)，可以和地面设置的基准站(Base station)11通信。基准站11可以架设在视野开阔、遮挡少的地方。基准站和监测站通过对卫星进行定位，而可以自身定位。该监测站12如何接收卫星信号、以及如何与基准站11进行交互，如何接收和使用GNSS卫星差分改正信号可以采用本领域所知的任何方法实现，在此不予赘述。

根据图1所示，假设基准站11和检测站12(检测站d)在某一历元时刻同步观测的导航卫星数为n^j，且以同步观测的导航卫星高度角最大的j作为参考卫星，则针对施工现场短基线情况下可列出n^j-1个单历元双差载波相位观测方程，其所对应的误差方程用矩阵形式表示为：

式中，

δX_d＝[δx_d δy_d δz_d]^T，

其中：V表示为双差观测值残差改正数矩阵，其中

表示为第n^j-1颗卫星双差观测值残差改正数；δX_d表示为检测站d单历元定位的位置参数修正量，其中δx_d、δy_d和δz_d表示为检测站d单历元定位的三维位置参数修正量；A和B表示为系数矩阵，其中

和

表示为第n^j-1颗卫星观测值单差方向余弦系数；

表示为双差整周模糊度参数矩阵，其中

表示为第n^j-1颗卫星观测值的双差整周模糊度参数；

表示为双差观测值常数矩阵，其中

表示为第n^j-1颗卫星双差观测值常数。

根据式(1)可知，一旦

(单历元双差整周模糊参数)快速确定，则由最小二乘参数估计原则V^TPV＝min可以获得如下检测结果：

式中，

表示为检测站d单历元定位的参数估值及其协因数阵；

表示为监测站d的待估参数初值；

表示为检测站d单历元定位的位置参数改正数及其协因数阵；P表示为单历元双差观测值的权矩阵，即：

式中，σ为载波相位观测量的单位权中误差。

根据本发明的一种实施方式，采用双频相关法(参考文献：孙红星，李德仁.使用双频相关法单历元解算GPS整周模糊值[J].测绘学报，2003，32(3)：208-212.))和直接计算法(参考文献：王新洲，花向红，邱蕾.GPS变形监测中整周模糊度解算的新方法[J].武汉大学学报(信息科学版)，2007，32(1)：24-26.)算法组合的快速确定单历元双差整周模糊参数。

根据本发明的一种实施方式的采用双频相关法和直接计算法组合进行快速确定单历元双差整周模糊参数的方法具体如下。

首先，对每个观测历元的导航卫星进行筛选分级处理，分为参考卫星、一级卫星和二级卫星。根据一种实施方式，将高度角最大的导航卫星确定为参考卫星，再依据导航卫星的高度角与方位角信息，筛选出空间几何分布最佳的5～7颗卫星确定为一级卫星，剩余的导航卫星确定为二级卫星。

然后，以参考卫星为基准星，构造一级卫星和二级卫星的双差观测值和双差整周模糊度参数。首先根据双频相关法单历元快速解算一级卫星双差整周模糊度参数，即可获得准确的一级卫星载波相位观测值，然后再根据最小二乘法原理，获得检测站坐标和点位中误差，称为单历元局部解；再以单历元局部解作为检测站初始位置，根据直接计算法直接解算二级卫星或再解一级卫星的双差整周模糊度参数，实现单历元快速确定双差整周模糊度。

再利用最小二乘参数估计器计算塔顶的北向、东向及天顶向的位置检测结果。这可以采用本领域技术人员所知悉或未来知悉的任何具体方法步骤来实现。

图2示出了依据本发明的一种实施方式的建筑塔机塔顶位置三维动态检测与分级预警装置的示意性功能方框图。

如图2所示，依据本发明的一种实施方式的建筑塔机塔顶位置三维动态检测与分级预警装置包括三维动态检测计算单元21、检测参数确定单元22、预警参数确定单元23、预警单元24。

三维动态检测计算单元21从GNSS基准站和所述GNSS检测站接收高采样率的卫星定位数据，计算塔顶的北向、东向及天顶向的位置检测结果。

检测参数确定单元22根据所述塔顶的北向、东向及天顶向的位置检测结果，确定当前检测历元的塔顶三维动态检测参数。根据一种实施方式，所述塔机塔顶的三维动态检测参数如下地确定：

其中，(ΔN_n,ΔE_n,ΔU_n)表示为建筑塔机塔顶第n个历元的历元位置在北向、东向及天顶向的三维动态检测量，n>1且为整数；(x_n,y_n,H_n)表示为所述GNSS检测站的第n个检测历元的北向、东向及天顶向的三维检测结果；(M_x,M_y,M_H)表示为所述建筑塔机的塔基中心化参考值，可以如下地计算：

当建筑塔机塔基中心位置的坐标为未知时，所述建筑塔机的塔基中心化参考值如下地计算：

此时，(M_x,M_y,M_H)表示为一种基于历史历元累积位移的北向、东向及天顶向的算术几何平均值。

当建筑塔机塔基中心位置的坐标为已知时，所述建筑塔机的塔基中心化参考值如下地计算：

其中，(x_o,y_o,H_o)表示为建筑塔机塔基中心位置的北向、东向及天顶向坐标。

预警参数确定单元23根据所述GNSS检测站的标称检测精度，确定当前检测历元的预警参数。预警单元24将所述检测历元的检测参数与所述预警参数进行比较而进行分级预警。

根据一种实施方式，预警参数确定单元23针对当前历元，计算多个预警参数，预警单元24将所述塔顶三维动态检测参数与所述预警参数分别进行比较并基于比较的结果进行分级预警。

根据一种实施方式，所述塔机的塔顶预警参数如下地确定(当n→∞)：

式中，

和

分别表示塔机塔顶三维动态检测的北向(North向)预警参数、东向(East向)预警参数和天顶向(Up向)预警参数；a、b分别表示为所述GNSS检测站的接收机的固定误差和比例误差；h表示为建筑塔机的塔身高度；k为分级预警临界系数，包括C级预警提示系数k_C、B级预警告警系数k_B和A级预警应急系数k_A。

根据一种实施方式，所述C级预警提示系数以2或3，即：

其中，k_C为所述C级预警提示系数。

置信概率是用来衡量统计推断可靠程度的概率。当k_C＝2时表示测量结果95.45％的概率可信；当k_C＝3时表示测量结果99.37％的概率可信。采用2或3的值，可以以较高的概率克服因GNSS检测站的测量误差导致的误警。

根据一种实施方式，所述B级预警告警系数如下地确定：

其中，k_B为所述B级预警告警系数；a、b分别表示为所述GNSS检测站的接收机的固定误差和比例误差；h表示为建筑塔机的塔身高度；m为所述塔机的塔身垂直度系数，m＝0.5～2。

根据一种实施方式，所述A级预警应急系数如下地确定：

其中，k_A为所述A级预警应急系数；a、b分别表示为所述GNSS检测站的接收机的固定误差和比例误差；h表示为建筑塔机的塔身高度；m为所述塔机的塔身垂直度系数，m＝0.5～2。

预警单元24可以包括比较单元和提醒单元。比较单元用于将所述检测历元的检测参数与所述预警参数进行比较，并确定是否预警，以及预警的级别，是A级、B级还是C级，分别对应于采用的各级预警应急系数所得的预警参数。提醒单元进行分级预警。提醒单元可以为能够发出不同强度的光、声等的各种装置，也可以是或包括能够向远程发送预警消息的有线或无线单元，例如通过微信、短信、预录音电话等通知远处的维修人员和作业负责人、安全负责人等。

根据本发明，计算每个当前历元的应急预警参数，而不是使用一成不变的应急预警参数，使得预警的结果更加准确。

根据本发明，在计算中使用GNSS检测站的标称检测精度和塔身高度，进一步的使预警的结果更加准确。

根据本发明，可以采用多级预警，各级预警参数计算简单，快捷，并能够实现分级预警，使得对塔身安全的管理更加科学有效。

本发明的各个单元可以由硬件实现，也可以由软件配合硬件来实现。

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 (5)

1.一种建筑塔机塔顶位置三维动态检测与分级预警装置，用于建筑塔机系统，所述建筑塔机系统包括建筑塔机的塔身、位于所述塔身顶部的GNSS检测站、位于施工现场的GNSS基准站，所述装置包括：

三维动态检测计算单元，从所述GNSS基准站和所述GNSS检测站接收卫星定位数据，计算塔顶的北向、东向及天顶向的位置检测结果；

检测参数确定单元，根据所述塔顶的北向、东向及天顶向的位置检测结果，确定当前检测历元的塔顶三维动态检测参数；

预警参数确定单元，根据所述GNSS检测站的标称检测精度，确定当前检测历元的预警参数；

预警单元，将所述塔顶三维动态检测参数与所述预警参数进行比较并根据比较结果确定进行预警，

其中，所述预警参数确定单元针对当前历元，计算多个预警参数，所述预警单元将所述塔顶三维动态检测参数与所述预警参数分别进行比较并基于比较的结果进行分级预警，

其中，当n→∞时，所述塔机塔顶的预警参数如下地确定：

式中，

和

分别表示为塔机塔顶三维动态检测的北向预警参数、东向预警参数和天顶向预警参数；a、b分别表示为所述GNSS检测站的接收机的固定误差和比例误差；h表示为建筑塔机的塔身高度；k为分级预警临界系数，包括C级预警提示系数k_C、B级预警告警系数k_B和A级预警应急系数k_A，

其中，所述B级预警告警系数如下地确定：

其中，k_B为所述B级预警告警系数；m为所述塔机的塔身垂直度系数，m＝0.5～2。

2.根据权利要求1所述的建筑塔机塔顶三维动态检测与分级预警装置，其特征在于，所述三维动态检测计算单元如下地确定塔顶的北向、东向及天顶向的位置检测结果：

对各观测历元的导航卫星进行筛选分级处理，分为参考卫星、一级卫星和二级卫星，将高度角最大的导航卫星确定为参考卫星，再依据卫星的高度角与方位角信息，筛选出空间几何分布最佳的预定数量的导航卫星确定为一级卫星，将剩余的导航卫星确定为二级卫星；

以参考卫星为基准星，根据双频相关法单历元快速解算一级卫星的双差整周模糊度参数，再根据最小二乘法原理，获得检测站坐标和点位中误差，称为单历元局部解；

再以单历元局部解作为检测站初始位置，根据直接计算法直接解算二级卫星的双差整周模糊度参数，从而确定双差整周模糊度；

根据双差整周模糊度，利用最小二乘参数估计器计算塔顶的北向、东向及天顶向的位置检测结果。

3.根据权利要求1所述的建筑塔机塔顶三维动态检测与分级预警装置，其特征在于，所述塔顶三维动态检测参数如下地确定：

其中，(ΔN_n,ΔE_n,ΔU_n)表示建筑塔机塔顶第n个历元的历元位置在北向、东向及天顶向的三维动态检测量，即塔顶三维动态检测参数，n>1且为整数；(x_n,y_n,H_n)表示所述GNSS检测站的第n个检测历元的北向、东向及天顶向的三维动态检测结果；(M_x,M_y,M_H)表示所述建筑塔机的塔基中心化参考值，可以如下地计算：

当建筑塔机塔基中心位置的坐标为未知时，所述建筑塔机的塔基中心化参考值如下地计算：

此时，(M_x,M_y,M_H)表示基于历史历元累积位移的北向、东向及天顶向的算术几何平均值；

当建筑塔机塔基中心位置的坐标为已知时，所述建筑塔机的塔基中心化参考值如下地计算：

其中，(x_o,y_o,H_o)表示为建筑塔机塔基中心位置的北向、东向及天顶向坐标。

4.根据权利要求1所述的建筑塔机塔顶三维动态检测与分级预警装置，其特征在于，所述C级预警提示系数为2或3，即：

其中，k_C为所述C级预警提示系数。

5.根据权利要求1所述的建筑塔机塔顶三维动态检测与分级预警装置，其特征在于，所述A级预警应急系数如下地确定：

其中，k_A为所述A级预警应急系数；a、b分别表示为所述GNSS检测站的接收机的固定误差和比例误差；h表示为建筑塔机的塔身高度；m为所述塔机的塔身垂直度系数，m＝0.5～2。

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