CN111458737B - 一种用于钢塔整体吊装的实时监测系统及实时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于钢塔整体吊装的实时监测系统及实时监测方法，涉及钢塔吊装技术领域，钢塔的设计吊点处固定有用于连接吊具的扁担梁，该系统包括：倾角传感器组，其设置于钢塔上，倾角传感器组用于实时采集钢塔的倾角数据；GPS模块组，其设置于扁担梁上，GPS模块组用于实时采集钢塔的定位数据，进而得到钢塔在工程独立坐标系下的三维坐标；监控终端用于按照设定时间间隔接收当前时刻的倾角数据确定钢塔的瞬时倾角，以及接收当前时刻的三维坐标确定钢塔的瞬时吊高。本发明，通过GPS模块组和倾角传感器组将各自采集的瞬时数据传输至监控终端，进而通过监控终端显示并监测钢塔的瞬时吊高和瞬时倾角，指导钢塔吊装，提高钢塔的吊装效率。

Description

一种用于钢塔整体吊装的实时监测系统及实时监测方法

技术领域

本发明涉及钢塔吊装技术领域，具体涉及一种用于钢塔整体吊装的实时监测系统及实时监测方法。

背景技术

目前，大跨度斜拉桥越来越多，江、海上大型浮吊也越来越多，相应的塔柱施工技术也得到了日新月异发展，部分斜拉桥钢塔采用整体吊装方式进行整体安装，能极大提高施工效率。

在斜拉桥钢塔整体安装过程中，钢塔需要从平面旋转到竖直面，然后再走行至钢塔安装位置进行精确安装。相关技术中，由于潮位、水深等不可控因素的影响，对钢塔吊装及安装过程中的姿态及位置要求非常严格，尤其是在钢塔从平面旋转到竖直面的传动过程中，需每转动5度确认一次塔柱姿态。采用常规测量方法不仅很难进行测量，且花费时间较多，精度也不足，因此，很难满足吊装设计要求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于钢塔整体吊装的实时监测系统及实时监测方法，可实时监测钢塔的吊高和倾角。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种用于钢塔整体吊装的实时监测系统，钢塔的设计吊点处固定有用于连接吊具的扁担梁，上述系统包括：

倾角传感器组，其设置于钢塔上，倾角传感器组用于实时采集钢塔的倾角数据；

GPS模块组，其设置于扁担梁上，GPS模块组用于实时采集钢塔的定位数据，进而得到钢塔在工程独立坐标系下的三维坐标；

监控终端，其分别与倾角传感器组和GPS模块组连接，监控终端用于按照设定时间间隔接收当前时刻的倾角数据确定钢塔的瞬时倾角，以及接收当前时刻的三维坐标确定钢塔的瞬时吊高。

在上述技术方案的基础上，监控终端还用于预设多组吊高阈值和倾角阈值，每组吊高阈值和倾角阈值对应相应的吊装阶段；

监控终端还用于将当前时刻的瞬时吊高和瞬时倾角分别与当前吊装阶段对应的吊高阈值和倾角阈值进行比较；

当钢塔的瞬时吊高和瞬时倾角均达到阈值时，停止钢塔吊装，然后继续下一吊装阶段。

在上述技术方案的基础上，倾角传感器组包括设置于钢塔塔顶的第一倾角传感器、以及设置于钢塔塔底的第二倾角传感器和第三倾角传感器，第二倾角传感器和第三倾角传感器对称设置于钢塔塔底的两个支腿上；

第一倾角传感器、第二倾角传感器和第三倾角传感器均为双轴倾角传感器，且其安装平面均与钢塔所在平面垂直。

一种基于上述用于钢塔整体吊装的实时监测系统的实时监测方法，其包括步骤：

在钢塔上安装倾角传感器组；

在钢塔的设计吊点处固定扁担梁，并在扁担梁上安装GPS模块组；

吊装钢塔时，通过GPS模块组实时采集钢塔中部的定位数据，进而得到钢塔在工程独立坐标系下的三维坐标，以及通过倾角传感器组实时采集钢塔的倾角数据；

监控终端按照设定时间间隔接收当前时刻的倾角数据确定钢塔的瞬时吊倾角，以及接收当前时刻的三维坐标确定钢塔的瞬时吊高。

在上述技术方案的基础上，还包括：

预设多组吊高阈值和倾角阈值，每组吊高阈值和倾角阈值对应相应的吊装阶段；

监控终端将当前时刻的瞬时吊高和瞬时倾角分别与当前吊装阶段对应的吊高阈值和倾角阈值进行比较；

当钢塔的瞬时吊高和瞬时倾角均达到阈值时，停止钢塔吊装；

继续下一吊装阶段，并将钢塔的瞬时吊高和瞬时倾角分别与下一组的吊高阈值和倾角阈值进行比较，直至钢塔安装完成。

在上述技术方案的基础上，倾角传感器组中的倾角传感器均为双轴倾角传感器；

监控终端按照设定时间间隔接收当前时刻的倾角数据确定钢塔的瞬时吊倾角，具体包括：

判断每个倾角传感器在某一时刻采集的纵向倾角和横向倾角的互差值的绝对值是否均不大于差值阈值；

若均不大于差值阈值，则将所有倾角传感器在该时刻采集的纵向倾角和横向倾角取均值，作为钢塔该时刻的瞬时倾角；

若有一个倾角传感器在该时刻采集的纵向倾角和横向倾角的互差值的绝对值大于差值阈值，则剔除该倾角传感器该时刻采集的倾角数据，并将剩余倾角传感器在该时刻采集的纵向倾角和横向倾角取均值，作为钢塔该时刻的瞬时倾角。

在上述技术方案的基础上，若有两个或以上倾角传感器在该时刻采集的纵向倾角和横向倾角的互差值的绝对值大于差值阈值时，剔除该次采集的所有倾角数据；

若连续两次剔除所有倾角数据，则停止钢塔吊装，并查找原因。

在上述技术方案的基础上，在钢塔的设计吊点处固定扁担梁，并在扁担梁上安装GPS模块组，具体包括：

在钢塔的设计吊点处固定扁担梁；

在扁担梁的两端对称焊接连接杆，并在每个连接杆上分别安装一个GPS模块。

在上述技术方案的基础上，监控终端将两个GPS模块采集的三维坐标取均值，得到钢塔的中心坐标，进而确定钢塔的瞬时吊高。

在上述技术方案的基础上，还包括：

在施工场地建立GPS基站；

通过GPS基站测得WGS-84椭球下的大地坐标，并以高斯投影将大地坐标变换至同椭球下的平面坐标；

将WGS-84椭球的平面坐标转换成工程独立坐标；

将WGS-84坐标系转换为工程独立坐标系的转换公式为：

其中，X₂、Y₂、Z₂为工程独立坐标系坐标，X₁、Y₁、Z₁为WGS坐标系坐标，m为尺度变化参数，ΔX₀、ΔY₀、ΔZ₀为平移变化参数，ε_X、ε_Y、ε_Z为旋转变化参数。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的用于钢塔整体吊装的实时监测系统，在扁担梁上安装GPS模块组，在钢塔上安装倾角传感器组，通过GPS模块组和倾角传感器组将各自采集的瞬时数据传输至监控终端，进而通过监控终端显示并监测钢塔的瞬时吊高和瞬时倾角，指导钢塔吊装，提高钢塔的吊装效率。

(2)本发明的用于钢塔整体吊装的实时监测系统，按照设定时间间隔将钢塔当前时刻的瞬时吊高和瞬时倾角分别与当前吊装阶段对应的吊高阈值和倾角阈值进行比较，可确保钢塔吊装过程中的安全，降低安全隐患。

附图说明

图1为本发明实施例中实时监测系统的示意图；

图2为本发明实施例中实时监测方法的流程图；

图3为本发明实施例钢塔的吊装示意图；

图4为本发明实施例中倾角传感器组的安装示意图；

图5为本发明实施例中GPS模块组的安装示意图。

附图标记：

1-钢塔，2-扁担梁，3-第一倾角传感器，4-第二倾角传感器，5-第三倾角传感器，6-GPS模块。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种用于钢塔整体吊装的实时监测系统，上述钢塔1的设计吊点处固定有用于连接吊具的扁担梁2，通过扁担梁2连接吊具可整体吊装上述钢塔1。上述实时监测系统包括倾角传感器组、GPS模块组和监控终端。

上述倾角传感器组设置在上述钢塔1上，上述倾角传感器组用于实时采集上述钢塔1的倾角数据。

GPS模块组设置在上述扁担梁2上，上述GPS模块组用于实时采集上述钢塔1的定位数据，进而得到钢塔1在工程独立坐标系下的三维坐标。

监控终端分别与上述倾角传感器组和GPS模块组连接。上述监控终端用于按照设定时间间隔接收当前时刻的倾角数据确定钢塔1的瞬时倾角，以及接收当前时刻的三维坐标确定钢塔1的瞬时吊高。可选地，设定时间为10s，以便于消除部分抖动造成的误差。

本实施例的实时监测系统，在扁担梁2上安装GPS模块组，在钢塔1上安装倾角传感器组，通过GPS模块组和倾角传感器组将各自采集的瞬时数据传输至监控终端，进而通过监控终端显示并监控钢塔1的瞬时吊高和瞬时倾角，以实时可视化显示出钢塔1在吊装过程中的位置及姿态，进而指导钢塔1吊装，提高钢塔1的吊装效率。

优选地，钢塔1吊装过程分为多个吊装阶段，每个吊装阶段都具有相应吊高和倾角，只有在钢塔1满足当前吊装阶段的吊高和倾角，才可进行下一步骤的吊装。因此，监控终端还用于预设多组吊高阈值和倾角阈值，每组吊高阈值和倾角阈值对应相应的吊装阶段。

监控终端还用于根据钢塔1当前时刻的瞬时吊高和瞬时倾角确定当前吊装阶段，并将钢塔1当前时刻的瞬时吊高和瞬时倾角分别与当前吊装阶段对应的吊高阈值和倾角阈值进行比较，以确保钢塔1吊装过程中的安全，降低安全隐患。

当上述钢塔1的瞬时吊高达到当前吊装阶段对应的吊高阈值，且上述瞬时倾角达到当前吊装阶段对应的倾角阈值时，停止钢塔1吊装，然后继续下一吊装阶段，直至完成钢塔1的安装。

本实施例中，上述GPS模块组与GPS基站通讯连接，上述GPS基站用于通过点校正将WGS-84坐标系转换为工程独立坐标系。

进一步地，上述倾角传感器组包括设置于钢塔1塔顶的塔顶无线倾角传感器以及设置于上述钢塔1塔底的塔底无线倾角传感器。塔顶无线倾角传感器包括第一倾角传感器3，塔底无线倾角传感器包括第二倾角传感器4和第三倾角传感器5，第二倾角传感器4和第三倾角传感器5对称设置于上述钢塔1塔底的两个支腿上。

本实施例中，上述第一倾角传感器3、第二倾角传感器4和第三倾角传感器5均为无线双轴倾角传感器，其量程为±90°，采用电瓶供电。第一倾角传感器3、第二倾角传感器4和第三倾角传感器5的安装平面均与上述钢塔1所在平面垂直，与地面平行，即倾角传感器所显示的纵向倾角和横向倾角均为0°，误差在0.1°内。

参见图2和图3所示，本发明实施例还提供一种用于钢塔整体吊装的实时监测方法，其包括步骤：

S1.在钢塔1上安装倾角传感器组。

S2.在钢塔1的设计吊点处固定扁担梁2，并在扁担梁2上安装GPS模块组。

S3.吊装上述钢塔1时，通过上述GPS模块组实时采集上述钢塔1中部的定位数据，进而得到钢塔1在工程独立坐标系下的三维坐标，以及通过上述倾角传感器组实时采集上述钢塔1的倾角数据。

S4.上述监控终端按照设定时间间隔接收当前时刻的倾角数据确定上述钢塔1的瞬时吊倾角，以及接收当前时刻的三维坐标确定上述钢塔1的瞬时吊高，进而可根据钢塔1的瞬时吊高和瞬时倾角，通过控制软件推算并可视化显示出钢塔1整体姿态及位置，以指导钢塔1吊装。

进一步地，本实施例方法还包括通过监控终端预设多组吊高阈值和倾角阈值，每组吊高阈值和倾角阈值分别对应相应的吊装阶段，只有在钢塔1满足当前吊装阶段对应的吊高阈值和倾角阈值，才可进行下一步骤的吊装。

因此，上述监控终端还需根据钢塔1当前时刻的瞬时吊高和瞬时倾角确定当前吊装阶段，并将上述钢塔1当前时刻的瞬时吊高和瞬时倾角分别与当前吊装阶段对应的吊高阈值和倾角阈值进行比较，以确定钢塔1吊装姿态是否满足设定姿态。

当上述钢塔1的瞬时吊高达到当前吊装阶段的吊高阈值，且上述瞬时倾角达到当前吊装阶段的倾角阈值时，需要停止钢塔1吊装。然后才可继续下一吊装阶段，并将钢塔1的瞬时吊高和瞬时倾角分别与下一组的吊高阈值和倾角阈值进行比较，直至钢塔1安装完成。

具体地，在第一吊装阶段时，监控终端将上述钢塔1当前时刻的瞬时吊高和瞬时倾角分别与第一组吊高阈值和倾角阈值进行比较，直至钢塔1的瞬时吊高和瞬时倾角均达到第一组阈值时，停止钢塔1吊装，并调整钢塔1第二吊装阶段的初始姿态，进行第二吊装阶段。依次完成各个吊装阶段，钢塔1安装完成。

本实施例中，上述倾角传感器组中的倾角传感器均为双轴倾角传感器，且双轴倾角传感器的量程为±90°。

为了剔除粗差数据，使倾角更贴合实际，需要对比每个倾角传感器的横向角度和纵向角度。

上述步骤S4中监控终端按照设定时间间隔接收当前时刻的倾角数据确定钢塔1的瞬时吊倾角，具体包括：

首先，判断每个倾角传感器在某一时刻采集的纵向倾角和横向倾角的互差值的绝对值是否均不大于差值阈值。本实施例中，差值阈值为0.5°。

若均不大于差值阈值，则将所有倾角传感器在该时刻采集的纵向倾角和横向倾角取均值，作为钢塔1该时刻的瞬时倾角。

其中，多个倾角传感器在该时刻采集的纵向倾角的均值为上述钢塔1的纵向倾角，采集的横向倾角的均值为上述钢塔1的横向倾角，钢塔1的纵向倾角和横向倾角的均值为钢塔1该时刻的瞬时倾角。

若有一个倾角传感器在该时刻采集的纵向倾角和横向倾角的互差值的绝对值大于差值阈值，则剔除该倾角传感器该时刻采集的倾角数据，并将剩余倾角传感器在该时刻采集的纵向倾角和横向倾角取均值，作为钢塔1该时刻的瞬时倾角。

进一步地，若有两个或以上倾角传感器在该时刻采集的纵向倾角和横向倾角的互差值的绝对值大于差值阈值时，剔除该次采集的所有倾角数据。

若连续两次剔除所有倾角数据，则停止钢塔1吊装，并查找原因。然后在钢塔1静止过程中通过倾角传感器重新采集倾角，直至两个以上的倾角传感器采集的倾角合格，即其采集的纵向倾角和横向倾角的互差值的绝对值小于差值阈值，方可继续吊装。

参见图4所示，本实施例中，上述步骤S1具体包括：

钢塔1在厂内进行整体卧拼并验收合格后，在上述钢塔1塔顶及钢塔1塔底的两个支腿上各安装一个倾角传感器，并保证所有的倾角传感器的安装平面均与上述钢塔1所在平面垂直，且与地面平行。

参见图5所示，本实施例中，上述步骤S2具体包括：

首先，在钢塔1的设计吊点处固定上述扁担梁2。钢塔1的纵轴线与横轴线组成的平面与钢塔1所在平面垂直，且与地面平行。

然后，在扁担梁2的两端对称焊接连接杆，连接杆与扁担梁2相垂直。

最后，在每个连接杆上分别安装一个GPS模块6，两个GPS模块6对称安装，因此，两个GPS模块6连线的中点为扁担梁2中心。GPS模块6包括GPS仪器，GPS仪器采用电瓶供电。该GPS仪器配置有移动无线传输装置，以便于将GPS仪器采集的数据实时传输至监控终端。本实施例中，GPS仪器为GPS RTK测量仪器。随后，即可将钢塔1运输至施工现场，进行整体吊装。

本实施例中，上述监控终端将两个GPS模块6采集的三维坐标取均值，得到扁担梁2的中心坐标，即上述钢塔1的中心坐标，进而确定上述钢塔1的瞬时吊高。

本实施例中，钢塔1在运输至吊装现场后，还需进行整个监测系统的可靠性及精度测试，包括测试GPS仪器的精度、倾角传感器精度、数据传输可靠性、监控终端的可靠性等。测试合格后，方可进行吊装施工。

进一步地，上述实时监测方法还包括：通过点校正将WGS-84坐标系转换为工程独立坐标系。

本实施例中，上述通过点校正将WGS-84坐标系转换为工程独立坐标系具体包括：

首先，在钢塔1吊装的施工场地建立GPS网络基站。

然后，通过上述GPS网络基站测得WGS-84椭球下的大地坐标，并以高斯投影将上述大地坐标变换至同椭球下的平面坐标。

最后，将上述WGS-84椭球的平面坐标转换成工程独立坐标。将WGS-84坐标系转换为工程独立坐标系的转换公式为：

其中，X₂、Y₂、Z₂为工程独立坐标系坐标，X₁、Y₁、Z₁为WGS坐标系坐标，m为尺度变化参数，ΔX₀、ΔY₀、ΔZ₀为平移变化参数，ε_X、ε_Y、ε_Z为旋转变化参数。尺度变化参数、平移变化参数及旋转变化参数均可通过推算得到。

本实施例的实时监测方法，适用于上述各实时监测系统，通过监控终端显示并监测钢塔的瞬时吊高和瞬时倾角，并可视化显示出钢塔整体姿态及位置，以指导钢塔吊装，同时还可确保钢塔吊装过程中的安全，降低安全隐患。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种用于钢塔整体吊装的实时监测系统，所述钢塔(1)的设计吊点处固定有用于连接吊具的扁担梁(2)，其特征在于，所述系统包括：

倾角传感器组，其设置于所述钢塔(1)上，所述倾角传感器组用于实时采集所述钢塔(1)的倾角数据；

GPS模块组，其设置于所述扁担梁(2)上，所述GPS模块组用于实时采集所述钢塔(1)的定位数据，进而得到钢塔(1)在工程独立坐标系下的三维坐标；

监控终端，其分别与所述倾角传感器组和GPS模块组连接，所述监控终端用于按照设定时间间隔接收当前时刻的倾角数据确定所述钢塔(1)的瞬时倾角，以及接收当前时刻的三维坐标确定所述钢塔(1)的瞬时吊高；

其中，所述倾角传感器组包括设置于钢塔(1)塔顶的第一倾角传感器(3)、以及设置于所述钢塔(1)塔底的第二倾角传感器(4)和第三倾角传感器(5)，第二倾角传感器(4)和第三倾角传感器(5)对称设置于所述钢塔(1)塔底的两个支腿上；

所述第一倾角传感器(3)、第二倾角传感器(4)和第三倾角传感器(5)均为双轴倾角传感器，且其安装平面均与所述钢塔(1)所在平面垂直。

2.如权利要求1所述的用于钢塔整体吊装的实时监测系统，其特征在于：

所述监控终端还用于预设多组吊高阈值和倾角阈值，每组吊高阈值和倾角阈值对应相应的吊装阶段；

所述监控终端还用于将当前时刻的瞬时吊高和瞬时倾角分别与当前吊装阶段对应的吊高阈值和倾角阈值进行比较；

当所述钢塔(1)的瞬时吊高和瞬时倾角均达到阈值时，停止钢塔(1)吊装，然后继续下一吊装阶段。

3.一种基于权利要求1所述用于钢塔整体吊装的实时监测系统的实时监测方法，其特征在于，其包括步骤：

在钢塔(1)上安装倾角传感器组；

在钢塔(1)的设计吊点处固定扁担梁(2)，并在所述扁担梁(2)上安装GPS模块组；

吊装所述钢塔(1)时，通过所述GPS模块组实时采集所述钢塔(1)中部的定位数据，进而得到钢塔(1)在工程独立坐标系下的三维坐标，以及通过所述倾角传感器组实时采集所述钢塔(1)的倾角数据；

监控终端按照设定时间间隔接收当前时刻的倾角数据确定所述钢塔(1)的瞬时吊倾角，以及接收当前时刻的三维坐标确定所述钢塔(1)的瞬时吊高；

其中，所述倾角传感器组中的倾角传感器均为双轴倾角传感器；

所述监控终端按照设定时间间隔接收当前时刻的倾角数据确定所述钢塔(1)的瞬时吊倾角，具体包括：

判断每个倾角传感器在某一时刻采集的纵向倾角和横向倾角的互差值的绝对值是否均不大于差值阈值；

若均不大于差值阈值，则将所有倾角传感器在该时刻采集的纵向倾角和横向倾角取均值，作为所述钢塔(1)该时刻的瞬时倾角；

若有一个倾角传感器在该时刻采集的纵向倾角和横向倾角的互差值的绝对值大于差值阈值，则剔除该倾角传感器该时刻采集的倾角数据，并将剩余倾角传感器在该时刻采集的纵向倾角和横向倾角取均值，作为所述钢塔(1)该时刻的瞬时倾角。

4.如权利要求3所述的实时监测方法，其特征在于，还包括：

预设多组吊高阈值和倾角阈值，每组吊高阈值和倾角阈值对应相应的吊装阶段；

所述监控终端将当前时刻的瞬时吊高和瞬时倾角分别与当前吊装阶段对应的吊高阈值和倾角阈值进行比较；

当所述钢塔(1)的瞬时吊高和瞬时倾角均达到阈值时，停止钢塔(1)吊装；

继续下一吊装阶段，并将所述钢塔(1)的瞬时吊高和瞬时倾角分别与下一组的吊高阈值和倾角阈值进行比较，直至钢塔(1)安装完成。

5.如权利要求3所述的实时监测方法，其特征在于：

若有两个或以上倾角传感器在该时刻采集的纵向倾角和横向倾角的互差值的绝对值大于差值阈值时，剔除该次采集的所有倾角数据；

若连续两次剔除所有倾角数据，则停止钢塔(1)吊装，并查找原因。

6.如权利要求3所述的实时监测方法，其特征在于，在钢塔(1)的设计吊点处固定扁担梁(2)，并在所述扁担梁(2)上安装GPS模块组，具体包括：

在所述钢塔(1)的设计吊点处固定扁担梁(2)；

在所述扁担梁(2)的两端对称焊接连接杆，并在每个连接杆上分别安装一个GPS模块(6)。

7.如权利要求6所述的实时监测方法，其特征在于：

所述监控终端将两个GPS模块(6)采集的三维坐标取均值，得到所述钢塔(1)的中心坐标，进而确定所述钢塔(1)的瞬时吊高。

8.如权利要求3所述的实时监测方法，其特征在于，还包括：

在施工场地建立GPS基站；

通过所述GPS基站测得WGS-84椭球下的大地坐标，并以高斯投影将所述大地坐标变换至同椭球下的平面坐标；

将所述WGS-84椭球的平面坐标转换成工程独立坐标；

将WGS-84坐标系转换为工程独立坐标系的转换公式为：

其中，X₂、Y₂、Z₂为工程独立坐标系坐标，X₁、Y₁、Z₁为WGS坐标系坐标，m为尺度变化参数，ΔX₀、ΔY₀、ΔZ₀为平移变化参数，ε_X、ε_Y、ε_Z为旋转变化参数。

Images