CN111999220A - 一种追踪碎石颗粒运动轨迹的方法 - Google Patents
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Abstract
一种追踪碎石颗粒运动轨迹的方法，包括以下步骤：生成带有定位标签的碎石颗粒，并对定位标签进行标号；分别在室外和室内布设定位基站，确定室外定位基站的位置坐标，使其达到要求等级的精度，并通过室外定位基站测定室内定位基站的位置坐标；通过室内定位基站、室外定位基站获取定位标签发射的脉冲信号，确定碎石颗粒脉冲信号到达各定位基站的时刻；将多个带有定位标签的碎石颗粒与普通碎石进行混合料搅拌，定位基站实时记录和传输带有定位标签碎石颗粒的时刻信息；通过到达时间差定位计算带有定位标签碎石颗粒的位置，绘制运动轨迹。本发明能够精确获得碎石颗粒的位置坐标，实现碎石颗粒在搅拌、运输、摊铺、碾压和受荷服役等阶段的动态跟踪。
Description
技术领域
本发明属于道路工程领域，具体涉及一种追踪碎石颗粒运动轨迹的方法。
背景技术
碎石颗粒作为路面结构的主要组成部分，占路面组成材料的90％以上。从路面材料搅拌、运输、摊铺、压实和受荷服役等阶段，碎石颗粒都处于动态变化状态，颗粒动态变化直接影响着路面行为响应。在初始阶段的拌和、运输、摊铺和压实阶段，碎石颗粒的运动变化规律尤其显著，宏观体现为集料颗粒分布不均匀性或离析。在通车运行之后，由于荷载和环境的影响，集料颗粒仍在发生运动，但运动幅度相对较小，宏观体现为结构层的压密或永久变形。
为了获取碎石颗粒的运动规律，工程现场和室内试验都为实现该目标付诸了大量的投入，尤其在室内试验方面，从宏观、细观到微观等不同层面开展研究工作，以便获取路面结构内部的行为信息或揭示颗粒运动特性，如采用CT扫描试验、数字图像技术、DEM模拟、布设测试元件等方法研究结构内部颗粒空间信息。这些研究在获取颗粒运动信息时，均考虑到了颗粒的位置信息。尤其在复杂的工程现场环境，若缺失位置信息，则监测结果的变异性和准确性难以控制，严重影响结果的可信度。因此，位置信息是监测结果精确表达的首要前提。
获取路面结构行为及颗粒位置信息的常规方法主要依靠埋设传感器、路表测试和结构层取样等，但这些方式通常耗时费力，不仅对路面结构连续性造成破坏，而且无法对路面工程全周期进行长期动态监测。通过GPS定位芯片确定传感器的位置，提高了传感器布设的灵活性，使其应用范围扩大，无需确定固定的点位，为施工或制备试样带来便利，与真实状况相似度较高，位置信息获取简便。但是对于路面结构来说，GPS的定位精度不足，军用级别模式下的精度为30cm左右，相比厚度为10cm～20cm的路面面层，位置信息测量精度远不能满足要求，此外，GPS需要与卫星系统连接交换信息，在路面结构内部或室内条件下，GPS的信号强度被削弱，测量误差被扩大或不能获取信息，致使该方法应用受限。精准获取颗粒运动轨迹是路面行为全寿命智能监测的重要环节，道路工程智能化技术仍存在较大提升空间。
发明内容
本发明针对上述现有技术中获取路面结构行为及颗粒位置信息存在的问题，提供一种追踪碎石颗粒运动轨迹的方法，实现碎石颗粒在路面工程全过程周期的行为响应监测。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种追踪碎石颗粒运动轨迹的方法，包括以下步骤：
步骤1、生成带有定位标签的碎石颗粒，并对定位标签进行标号；
步骤2、分别在室外和室内布设定位基站，确定室外定位基站的位置坐标，使其达到要求等级的精度，并通过室外定位基站测定室内定位基站的位置坐标；
步骤3、通过室内定位基站、室外定位基站获取定位标签发射的脉冲信号，确定碎石颗粒脉冲信号到达各定位基站的时刻；
步骤4、将多个带有定位标签的碎石颗粒与普通碎石进行混合料搅拌，定位基站实时记录和传输带有定位标签碎石颗粒的时刻信息；
步骤5、通过到达时间差定位计算带有定位标签碎石颗粒的位置，绘制运动轨迹。
优选的，所述的步骤1采用3D打印生成带有定位标签的碎石颗粒。
优选的，所述的步骤1生成的碎石颗粒的粒径范围为9.5mm～31.5mm，碎石颗粒密度为2.2g/cm3～2.7g/cm3。
优选的，所述的步骤2分别在室外和室内布设8个定位基站，通过GPS或者BDS定位系统，采用RTK算法确定室外定位基站的位置坐标，使得室外定位基站的位置坐标达到厘米级的精度。
优选的，所述的步骤5先采用排列组合的方式从8个基站中选择4个作为组合C8 4进行定位解算，共70个值；再采用数学分析方法进行统计和残余分析，确定碎石颗粒的位置坐标。
优选的，待测定位标签i到第n个基站接收到标签所发出的脉冲信号的时刻分别为ti(i＝1，2，3，4...8)，且标签到第n个基站的距离为ri(i＝1，2，3，4...8)，相邻两个基站之间的距离为dij(i＝1，2，3...7，8；j＝2，3，4...8，1)，按照下式计算碎石颗粒的位置坐标：
式中：(x1,y1,z1),…,(x4,y4,z4)为所选四个基站的位置坐标；
(xi,yi,zi)为待求碎石颗粒的位置坐标；
c为脉冲信号的传播速度。
优选的，所述的步骤5在数据解算中心进行计算，数据解算中心采用python语言编写相应的程序代码。
相较于现有技术，本发明方法至少具有如下的有益效果：通过生成带有定位标签的碎石颗粒，由定位基站获取定位标签的脉冲信号，借助到达时间差定位计算碎石颗粒在搅拌、运输、摊铺、碾压及受荷服役等阶段的位置坐标，精确掌握碎石颗粒的空间分布和运动特征，从而对碎石颗粒在路面工程全过程周期的行为响应监测提供支持。本发明装备易获取、实施过程明确、可操作性高，不会对路面结构连续性造成破坏，未来应用前景广阔。本发明能够精确获得碎石颗粒的位置坐标，实现碎石颗粒在搅拌、运输、摊铺、碾压和受荷服役等阶段的动态跟踪，促进道路工程及土木工程领域智能建造与智能化技术发展。
附图说明
图1为本发明方法实施的流程图；
图2为定位基站与待求颗粒之间坐标关系图；
图3为碎石颗粒位置坐标解算流程图；
图4为搅拌试验中1#碎石颗粒X-方向的位置变化图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种追踪碎石颗粒运动轨迹的方法，包括如下步骤：
步骤一：采用3D打印技术生成带有定位标签的碎石颗粒，并对定位标签进行标号；3D打印的碎石颗粒粒径为9.5mm～31.5mm不等，碎石颗粒密度为2.2g/cm3～2.7g/cm3。
步骤二：室外和室内布设8个定位基站，通过GPS或者BDS(北斗)定位系统，基于RTK架构算法，精准确定室外定位基站的位置坐标，使其达到厘米级精度，并通过室外定位基站准确测定室内定位基站的位置坐标；
步骤三：通过室内外定位基站获取定位标签发射的脉冲信号，确定碎石颗粒脉冲信号到达各基站的时刻ti(i＝1,2,3,4...8)；
步骤四：将一定数量带有定位标签的碎石颗粒与普通碎石进行混合料搅拌，定位基站实时记录和传输带有定位标签碎石颗粒的时刻信息；
步骤五：在数据解算中心采用优化的室内定位算法TDOA(Time Difference ofArriva，到达时间差定位)计算该颗粒的精确位置，绘制碎石颗粒的运动轨迹。
优化的室内定位算法TDOA(Time Difference of Arriva，到达时间差定位)采用排列组合的方式从8个基站中选择4个作为组合
进行定位解算，共70个值；再采用数学分析方法进行统计和残余分析，确定碎石颗粒的位置坐标。
参见图2，假设待测标签i到第n个基站接收到标签所发出的脉冲信号的时刻分别为ti(i＝1,2,3,4...8)，且假设标签到第n个基站的距离为ri(i＝1,2,3,4...8)，相邻两个基站之间的距离为dij(i＝1,2,3...7,8；j＝2,3,4...8,1)，通过式(1)可计算碎石颗粒的位置坐标：
式中：(x1,y1,z1),…,(x4,y4,z4)为所选四个基站的位置坐标；
(xi,yi,zi)为待求碎石颗粒的位置坐标；
c为脉冲信号的传播速度。
采用python语言编写相应的程序代码，解算颗粒位置坐标，进行统计分析和残余分析，确定最终的位置坐标，流程如图3所示。先读取碎石颗粒的编号，并读取相应的时间信息，根据基站数量，判定基站数是否满足要求，若满足要求，按照
的组合方式选取4个基站的时间信息进行位置坐标求解；在此基础上，对位置坐标进行数学统计分析(包括分布描述，代表值，误差值及变异值)，确定碎石颗粒的位置坐标并输出。
实施例
以中值级配的级配碎石颗粒的室内搅拌试验为实施例，获取碎石颗粒位置坐标。采用3D打印技术生产20粒带有定位标签的碎石颗粒，其中16mm～19mm粒径的碎石颗粒10粒，9.5mm～13.2mm粒径的碎石颗粒10粒。
称取10Kg中值级配的级配碎石，将上述打印的碎石颗粒采用相同粒径的碎石进行替换，并一同投入单卧强制式搅拌锅内。
布设8个定位基站，采用静态RTK方式，获取基站的精确位置，采用西安80坐标系，8个基站的坐标分别是(36580124.22，3789247.57，394.34)、(36580135.86，3789262.33，394.66)、……、(36580130.94，3789238.46，394.48)。
开启信号接收器并调试数据解算处理程序，采用图3方法解算20粒碎石颗粒的初始位置坐标，进行统计分析与结果处理，确定颗粒坐标，以1#颗粒为例，其位置坐标为(36580133.26，3789241.46，394.68)。
启动搅拌机，搅拌90秒。数据记录频率为每秒一次，记录20粒碎石颗粒的时间信息，并进行位置坐标解算，并确定每粒碎石颗粒的位置坐标。
以1#颗粒为例，在搅拌过程中X-方向的位置变化如图4所示。
本发明能够精确获得碎石颗粒的位置坐标，实现碎石颗粒在搅拌、运输、摊铺、碾压和受荷服役等阶段的动态跟踪，便于掌握碎石颗粒的运动信息，对碎石颗粒在路面工程全过程周期的行为响应监测提供支持，促进道路工程及土木工程领域智能建造与智能化技术发展。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种追踪碎石颗粒运动轨迹的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、生成带有定位标签的碎石颗粒，并对定位标签进行标号；
步骤2、分别在室外和室内布设定位基站，确定室外定位基站的位置坐标，使其达到要求等级的精度，并通过室外定位基站测定室内定位基站的位置坐标；
步骤3、通过室内定位基站、室外定位基站获取定位标签发射的脉冲信号，确定碎石颗粒脉冲信号到达各定位基站的时刻；
步骤4、将多个带有定位标签的碎石颗粒与普通碎石进行混合料搅拌，定位基站实时记录和传输带有定位标签碎石颗粒的时刻信息；
步骤5、通过到达时间差定位计算带有定位标签碎石颗粒的位置，绘制运动轨迹。
2.根据权利要求1所述追踪碎石颗粒运动轨迹的方法，其特征在于：
所述的步骤1采用3D打印生成带有定位标签的碎石颗粒。
3.根据权利要求1或2所述追踪碎石颗粒运动轨迹的方法，其特征在于：所述步骤1生成的碎石颗粒的粒径范围为9.5mm～31.5mm，碎石颗粒密度为2.2g/cm3～2.7g/cm3。
4.根据权利要求1所述追踪碎石颗粒运动轨迹的方法，其特征在于：所述步骤2分别在室外和室内布设8个定位基站，通过GPS或者BDS定位系统，采用RTK算法确定室外定位基站的位置坐标，使得室外定位基站的位置坐标达到厘米级的精度。
5.根据权利要求4所述追踪碎石颗粒运动轨迹的方法，其特征在于：所述的步骤5先采用排列组合的方式从8个基站中选择4个作为组合
进行定位解算，共70个值；再采用数学分析方法进行统计和残余分析，确定碎石颗粒的位置坐标。
6.根据权利要求5所述追踪碎石颗粒运动轨迹的方法，其特征在于：
待测定位标签i到第n个基站接收到标签所发出的脉冲信号的时刻分别为ti(i＝1，2，3，4...8)，且标签到第n个基站的距离为ri(i＝1，2，3，4...8)，相邻两个基站之间的距离为dij(i＝1，2，3...7，8；j＝2，3，4...8，1)，按照下式计算碎石颗粒的位置坐标：
式中：(x1,y1,z1),…,(x4,y4,z4)为所选四个基站的位置坐标；
(xi,yi,zi)为待求碎石颗粒的位置坐标；
c为脉冲信号的传播速度。
7.根据权利要求1所述追踪碎石颗粒运动轨迹的方法，其特征在于：所述的步骤5在数据解算中心进行计算，数据解算中心采用python语言编写相应的程序代码。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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