CN112051817B - 一种土石坝智能摊铺监控系统及其监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土石坝智能摊铺监控系统及其监控方法，包括差分基站、中继站、分控站、推土机监控终端、车载导航系统、自卸车卸料定位装置、北斗测量杆、北斗指挥机和服务器；推土机监控终端通过差分基站获取的推土机的定位差分信息与观测定位卫星获取的卫星定位信息得到该推土机的实时空间定位信息并将其发送给中继站；北斗测量杆将建仓坐标数据发送给分控站以获得仓面初始信息；自卸车卸料定位装置将自卸车卸料信息发送给北斗指挥机；服务器获取中继站、分控站和北斗指挥机发送的相关信息，并将仓面实时信息发送给推土机监控终端、将摊铺过程信息和推土机实时空间定位信息发送给车载导航系统。本发明能实现摊铺作业过程的标准化和智能化。

Description

一种土石坝智能摊铺监控系统及其监控方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程施工质量监控，特别涉及一种应用于土石坝摊铺作业的智能监控系统及其监控方法。

背景技术

相较于大多数类型的土木工程，水利工程具有建设周期长，工程量大，施工环境恶劣等特点。土石坝作为技术较为成熟的传统坝型，得到了广泛应用。摊铺是土石坝主体工程施工的重要环节，摊铺作业的质量直接影响后续的碾压是否达标，对大坝填筑质量起着至关重要的影响。然而，目前施工现场具体的推土机摊铺作业路径完全依靠操作人员的经验进行确定，导致不同操作人员的工作效率具有明显差距，难以保证摊铺厚度与平整度。

在传统的作业方式中，摊铺一般采用推土机进占法进行作业，此种作业方式具有较大的灵活性和不确定性，同时《水利水电工程施工组织设计手册》中并未对其作业细节作出明确规定，传统的摊铺施工监管是由现场施工人员预先设定一个标准高程，再由现场施工人员指挥摊铺机施工。虽然钟登华等开发了摊铺过程实时监控系统，通过对摊铺工艺中推土机的仓面位置坐标等信息进行监控，实现了仓面平整度与厚度的实时监控。然而现场管理相对粗放，对于摊铺过程的管控也只限于作业的目标(摊铺厚度与摊铺平整度)控制，而并未对作业过程进行详细的指导。因此摊铺作业多依赖于推土机操作人员的施工经验以及熟练度，导致作业效率与摊铺质量差异较大，摊铺厚度的控制精度不高。同时，随着水利水电工程建设的发展和推进，更多的水利水电工程建设在高寒高海拔地区，缺氧低温等恶劣环境会降低推土机操作人员分析与控制的准确性，难以实现摊铺作业过程的高效管控。

发明内容

本发明的目的是针对现有摊铺作业存在的管理粗放，监控不到位以及依赖工程经验确定摊铺路径，导致难以确保摊铺质量等问题，提供一种土石坝智能摊铺监控系统及其监控方法。利用本发明提供的土石坝智能摊铺监控系统，可以收集摊铺施工过程中经纬度坐标，高程，机械行驶速度等各类信息，同时实现数字化建仓，定点卸料，推土机的实时定位和智能引导，并且可以在单次施工结束后，利用收集到的信息对本次施工进行评价。利用本发明提供的土石坝智能摊铺监控方法，可以感知摊铺施工过程中的各类施工信息，实现对推土机最优作业路径的智能分析，并利用AR技术，对推土机进行引导。另外，在施工结束时，还可以对采集到的数据进行解析和计算，生成图形报告，直观反映此次施工的高程，厚度的情况，可为施工质量评定提供科学参考。采用本发明系统及方法，可以有效减轻摊铺作业过程监管人员的工作压力，减少对操作手施工经验的依赖程度，提升摊铺作业质量，实现摊铺作业过程的标准化和智能化。

本发明所采用的技术方案是：一种土石坝智能摊铺监控系统，包括：

差分基站；

中继站；

分控站；

推土机监控终端，所述推土机监控终端安装在推土机上，所述推土机监控终端分别与所述差分基站和所述中继站相连接，所述推土机监控终端通过将所述差分基站获取该推土机监控终端所在推土机的定位差分信息与观测定位卫星得到的卫星定位信息进行差分计算得到该推土机的实时空间定位信息，并将此实时空间定位信息发送给所述中继站；

车载导航系统，所述车载导航系统安装在推土机上，所述车载导航系统包括显示屏；

自卸车卸料定位装置，所述自卸车卸料定位装置安装在自卸车上；

北斗测量杆，所述北斗测量杆用于测量建仓坐标，所述北斗测量杆与所述分控站相连接，将建仓坐标数据发送给所述分控站以获得仓面初始信息；

北斗指挥机，所述自卸车卸料定位装置与所述北斗指挥机相连接，将自卸车卸料信息发送给所述北斗指挥机；以及；

服务器，所述中继站、分控站、推土机监控终端)、车载导航系统和北斗指挥机均与所述服务器相连接，所述服务器获取所述中继站发送的推土机实时空间定位信息、所述分控站发送的仓面初始信息和所述北斗指挥机发送的自卸车卸料信息，并将仓面实时信息发送给所述推土机监控终端、将摊铺过程信息和推土机实时空间定位信息发送给所述车载导航系统。

进一步地，所述差分基站包括基站定位天线、基站数传天线、基站GPS接收机和基站数传电台，所述基站GPS接收机处理所述基站定位天线接收到的定位信号，并将该定位信号组织成定位差分信息，所述基站数传电台获取所述基站GPS接收机处理得到的定位差分信息，并将该定位差分信息进行整理，所述基站数传天线将所述基站数传电台整理好的定位差分信息通过无线电发送至所述推土机监控终端。

进一步地，所述中继站包括中继站数传天线和中继站数传电台，所述中继站数传天线接收所述推土机监控终端传回的实时空间定位信息，所述中继站数传电台处理该实时空间定位信息，并将该实时空间定位信息传输至所述服务器。

进一步地，所述推土机监控终端包括推土机圆盘天线、推土机差分天线、推土机GPS接收机、推土机控制器、推土机数传电台和推土机数传天线；所述推土机圆盘天线、所述推土机差分天线和所述推土机数传天线均安装在所述推土机的车顶；所述推土机GPS接收机、所述推土机控制器和所述推土机数传电台均位于所述推土机的驾驶室内；所述推土机GPS接收机获取所述推土机圆盘天线的定位信号和所述推土机差分天线的定位差分信息，所述推土机控制器将该定位信号和定位差分信息进行处理得到推土机实时空间定位信息，所述推土机数传电台获取所述推土机控制器处理得到的推土机实时空间定位信息，并对该推土机实时空间定位信息进行整理，所述推土机数传天线将所述推土机数传电台整理好的推土机实时空间定位信息发送至所述中继站。

进一步地，所述自卸车卸料定位装置包括车载北斗定位装置和卸料传感器，所述卸料传感器安装在所述自卸车的料斗下方的车梁上，通过所述卸料传感器所感知的料斗底面距离车梁的距离判断所述自卸车是否为卸料状态；所述车载北斗定位装置安装在所述自卸车的车顶，所述车载北斗定位装置获取自卸车定位信息和所述卸料传感器的卸料信号，并将该自卸车定位信息和卸料信号整合为自卸车卸料信息发送至所述北斗指挥机。

本发明的另一技术方案为：一种基于上述土石坝智能摊铺监控系统的监控方法，包括以下步骤：

步骤1，基础设施建设，包括差分基站、中继站、分控站、北斗指挥机和服务器的建设，推土机监控终端、车载导航系统和自卸车卸料定位装置的安装，以及服务端、电脑客户端、车载客户端的开发，其中，所述服务端安装在服务器上，所述电脑客户端安装在分控站的电脑上，所述车载客户端安装在车载导航系统上；

步骤2，规划摊铺施工仓面，并获取作业仓面的初始信息；

步骤3，根据作业仓面的初始信息，在车载客户端中建立元胞学习自动机仿真模型；

步骤4，车载客户端获取自卸车卸料信息并进行分析处理；

步骤5，车载客户端获取推土机实时空间定位信息并进行分析处理；

步骤6，车载客户端对步骤2、步骤4和步骤5获得的信息进行分析并指导推土机行动；

步骤7，推土机操作手按照步骤6的指示作业；

步骤8，车载客户端评价当前摊铺是否合格，若合格，则本次摊铺结束；若尚未合格，则重复步骤4至步骤8直到摊铺合格。

进一步地，步骤2中，所述的规划摊铺施工仓面包括：根据施工工艺要求选定大致的摊铺施工仓面，再采用北斗测量杆测定仓面各角点坐标；测量完成后，将仓面各角点坐标发送至电脑客户端进行建仓；建仓完成后，电脑客户端将该建仓信息传输至服务端，由服务端处理该建仓信息并储存至服务器的数据库中；其中，自卸车卸料定位装置将卸料土堆位置由服务端储存至服务器的数据库中；推土机监控终端将实时推土机位置由服务端储存至服务器的数据库中；由碾压监控系统获得仓面碾压后各位置高程作为作业仓面位置初始高程并由服务端储存至服务器的数据库中；

所述的获取作业仓面的初始信息包括：从服务器的数据库中所储存的信息中获得建仓信息以及作业仓面的初始信息，所述作业仓面的初始信息包括土堆位置、推土机初始位置和作业仓面各位置的初始高程。

进一步地，步骤3中，所述的在车载客户端中建立元胞学习自动机仿真模型包括：创建模拟仓面并将该模拟仓面进行网格划分，每个元胞对应一个网格，每个元胞中均包含该元胞所对应网格的坐标位置、摊铺高程和摊铺厚度，每个元胞中均包含一个学习自动机；

其中，所述的坐标位置通过载波相位差分方法根据差分基站发送的定位差分信息对当前推土机坐标进行实时修正获得；所述的摊铺高程和摊铺厚度通过服务器将推土机监控终端发送的实时空间定位信息与仓面该位置初始高程信息相结合进行分析处理得到。

进一步地，步骤4中，所述的车载客户端获取自卸车卸料信息并进行分析处理包括：车载客户端通过服务端读取自卸车卸料信息，根据该自卸车卸料信息中的自卸车定位信息确定卸料行为所在的网格，激活该网格对应元胞中的学习自动机；该元胞中的学习自动机根据该自卸车卸料信息更新该网格以及预估的受卸料影响的网格中元胞的摊铺质量信息并确定土堆位置。

进一步地，步骤5中，所述的车载客户端获取推土机实时空间定位信息并进行分析处理包括：车载客户端通过服务端读取推土机实时空间定位信息，在推土机行驶到某个网格时，该网格对应元胞中的学习自动机会激活，并根据从服务器的数据库中读到的推土机实时空间定位信息更新该网格对应元胞的摊铺质量信息。

进一步地，步骤6中，所述的车载客户端对步骤2、步骤4和步骤5获得的信息进行分析并指导推土机行动包括：

根据步骤2获得的建仓信息以及仓面初始信息、步骤4获得的自卸车卸料信息、步骤5获得的推土机实时空间定位信息和全仓面摊铺质量信息，结合进占法的施工方法，将推土机的作业状态划分为推土和转场；

推土机在推土状态下，首先，确定目标土堆的影响范围，再统合该影响范围内元胞中的摊铺质量信息，建立平均厚度函数和平整度函数，利用平均厚度值和平整度值判断受影响范围是否已经平整，综合推土机的运动学特点以及受影响范围的摊铺质量信息确定推土机下一步的行动方向，并将该行动方向以箭头的形式在车载导航系统的显示屏上显示；当平均厚度值和平整度值均满足规定要求则判断目标土堆已推平，推土机进入转场状态；

推土机在转场状态下，根据步骤2和步骤4中读到的土堆位置，选择最近的土堆作为目标，并根据推土机的行进方向得到目标土堆相对位置，将该行进方向以箭头的形式在车载导航系统的显示屏上显示；如果推土机已经行驶进入目标土堆的影响范围，则将推土机的状态由转场状态切换为推土状态。

进一步地，步骤8中，所述的评价当前摊铺是否合格的标准为：仓面平均厚度和仓面平整度是否均满足要求。

本发明的有益效果是：

1.本发明是针对土石坝的施工特点提出的，利用物联网技术，通过硬件设施的连接，实现了对摊铺过程信息的收集，储存以及利用，同时，实现了对土石坝摊铺作业过程的智能监控，能够对摊铺作业的质量进行有效控制。

2.本发明可以通过监控与指导并行的方式实现对摊铺作业过程的全方位把控，实现对摊铺施工的精细化、智能化监控，可以起到提高施工效率，保证施工质量的作用。

3.利用土石坝智能摊铺监控系统及其监控方法，实现了对推土机作业路径的实时规划，解决了传统摊铺作业过程由于依赖施工作业人员经验导致的施工质量参差不齐，施工效率不稳定的问题。

4.本发明的效果不局限于土石坝的某个分区，凡是有相似摊铺施工方式的分区，都可以利用本发明进行监控和管理。

附图说明

图1：本发明的土石坝智能摊铺监控系统示意图；

图2：本发明的自卸车卸料定位装置图；

图3：本发明的推土机设备安装示意图；

图4：本发明的土石坝智能摊铺监控方法流程图；

图5：本发明的车载客户端端界面图。

附图标注：

1——差分基站； 2——中继站；

3——分控站； 4——推土机监控终端；

4a——监控终端天线； 5——车载导航系统；

6——自卸车卸料定位装置； 6a——车载北斗定位装置；

6b——卸料传感器； 7——北斗测量杆；

8——北斗指挥机； 9——服务器；

10——北斗卫星定位系统； 11——GPS卫星定位系统；

12——GLONASS卫星定位系统。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

针对摊铺作业过程中出现的监管不完善以及高度依赖人工经验的问题，为了使推土机稳定高效的完成摊铺任务，并确保摊铺质量，本发明提出土石坝智能摊铺监控系统以及土石坝智能摊铺监控方法。技术方案是监控系统部分需要利用精确有效的硬件系统对摊铺作业进行监控与指导；监控方法部分可以从两方面入手，一方面可以对仓面中厚度、平整度等信息的变化进行实时监控，另一方面，在对仓面信息变化实时反映的基础上，通过学习熟练操作手的施工经验并结合现场施工工艺，对作业路径进行规划，指导施工，以此对施工质量进行全方位的把控，达到提高施工质量的目的。

具体实施方式如下：

实施例1

监控系统部分将物联网技术与水利工程施工工艺结合。其中，物联网技术可以通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。

本发明提出一种土石坝智能摊铺监控系统，首先，在建仓过程中，利用北斗测量杆7测定仓面的角点坐标，并将数据通过无线网络传输到服务器9，实现精确建仓；其次，通过在运输车上安装车载北斗定位装置6a以及卸料传感器6b，结合建仓信息可以确定自卸车卸料位置；然后，在推土机上安装推土机监控终端4和车载导航系统5，前者可以实时获取推土机坐标，后者可以根据当前仓面信息以及推土机坐标信息显示最优作业路径，指导操作手施工；最后，在摊铺完成后，可以对以上收集到的信息进行分析处理，得到监控仓面平整度和厚度的图形报告，作为质量验收的参考材料。

本发明提出的一种土石坝智能摊铺监控系统，通过将物联网技术与水利工程施工工艺结合，实现了对摊铺过程中多种信息的感知和分析，并实现了对摊铺过程中机械作业方式的指导，使得摊铺工艺更加可靠和智能。如图1所示，该土石坝智能摊铺监控系统包括差分基站1、中继站2、分控站3、推土机监控终端4、车载导航系统5、自卸车卸料定位装置6、北斗测量杆7和服务器机房。

所述差分基站1应布置在场区的开阔区域，用于将获取到的卫星定位信号结合其自身精确坐标进行修正，并将此实时定位差分信息反馈至推土机监控终端4，以保证监控的精确性。所述差分基站1包括基站定位天线、基站数传天线、基站GPS接收机和基站数传电台，所述基站GPS接收机处理所述基站定位天线接收到的定位信号，并将该定位信号组织成定位差分信息，所述基站数传电台获取所述基站GPS接收机处理得到的定位差分信息，并将该定位差分信息进行整理，所述基站数传天线将所述基站数传电台整理好的定位差分信息通过无线电发送至所述推土机监控终端4。

所述中继站2用于接收推土机监控终端4发送的实时位置信息，并将该推土机实时位置信息通过有线网络传输到服务器9，应布设在施工现场。所述中继站2包括中继站数传天线和中继站数传电台，所述中继站数传天线接收所述推土机监控终端4传回的实时位置信息，所述中继站数传电台处理该实时位置信息，并将该实时位置信息传输至所述服务器9。

如图3所示，所述推土机监控终端4安装在推土机上，所述推土机监控终端4分别与所述差分基站1和所述中继站2相连接，所述推土机监控终端4接收卫星定位信息以及所述差分基站1的实时差分信息，通过算法解析出精确的推土机实时空间定位信息，并将该推土机实时空间定位信息通过无线传输发送给所述中继站2。其中，所述推土机监控终端4包括推土机圆盘天线、推土机差分天线、推土机GPS接收机、推土机控制器、推土机数传电台和推土机数传天线，可通过12/24V电压供电；所述推土机圆盘天线、所述推土机差分天线和所述推土机数传天线统称为监控终端天线4a，安装在所述推土机的车顶；所述推土机GPS接收机、所述推土机控制器和所述推土机数传电台均位于所述推土机的驾驶室内；所述推土机GPS接收机获取所述推土机圆盘天线的定位信号和所述推土机差分天线的定位差分信息，所述推土机控制器将该定位信号和定位差分信息进行处理得到推土机实时空间定位信息，所述推土机数传电台获取所述推土机控制器处理得到的推土机实时空间定位信息，并对该推土机实时空间定位信息进行整理，所述推土机数传天线将所述推土机数传电台整理好的推土机实时空间定位信息发送至所述中继站2。

如图3所示，所述车载导航系统5安装在推土机的驾驶舱内，自带电池也可通过220V交流电供电。所述车载导航系统5包括显示屏和后置摄像头。所述车载导航系统5通过连接无线网络访问服务器9的数据库，获取摊铺过程信息和推土机实时空间定位信息，并将推土机当前最优作业路径显示在屏幕上。

如图2所示，所述自卸车卸料定位装置6安装在自卸车上。其中，所述自卸车卸料定位装置6包括车载北斗定位装置6a和卸料传感器6b，用于收集自卸车卸料位置的坐标以及卸料时间等信息并将此信息利用相应的通讯设备传输到服务器9。所述卸料传感器6b安装在所述自卸车的料下方的车梁上，通过所述卸料传感器6b所感知的料斗底面距离车梁的距离判断所述自卸车是否为卸料状态；所述车载北斗定位装置6a安装在所述自卸车的车顶，所述车载北斗定位装置6a获取自卸车定位信息和所述卸料传感器6b的卸料信号，并将该自卸车定位信息和卸料信号整合为自卸车卸料信息发送至所述北斗指挥机8。

所述北斗测量杆7由工程测量队使用，可以实时接收卫星定位信息，用于测量建仓坐标。所述北斗测量杆7与所述分控站3相连接，将建仓坐标数据发送给所述分控站3。所述北斗测量杆7一般为手持式，方便移动测量。测量队利用北斗测量杆7测定监控仓面的各个角点坐标，并将此角点坐标与其他建仓信息整合后由所述分控站3整合为仓面初始信息后导入服务器9的数据库中，监理同意后开启仓面。

所述服务器9用于接收摊铺作业过程中的所有数据，并将其分别储存在对应数据库中，如实现了有线网络的布设，则可将服务器9部署在后方营地。所述服务器机房包括不间断电源(UPS)、北斗指挥机8和服务器9。所述自卸车卸料定位装置6与所述北斗指挥机8相连接，将自卸车卸料信息发送给所述北斗指挥机8。所述中继站2、分控站3、推土机监控终端4、车载导航系统5和北斗指挥机8均与所述服务器9相连接，所述服务器9获取所述中继站2发送的推土机实时空间定位信息、所述北斗指挥机8发送的自卸车卸料信息以及所述分控站3发送的仓面初始信息，并将仓面实时信息、摊铺过程信息和推土机实时空间定位信息整合为摊铺实时质量信息发送给所述车载导航系统5。

实施例2

监控方法部分基于元胞学习自动机建模和物联网技术。其中，元胞学习自动机主要包括了元胞自动机与学习自动机两个部分。元胞自动机是由数学家Stanislaw M.UIam与von Neumann于1948年提出的，最初用于模拟生命系统的自复制现象，是描述自然界复杂现象的简化数学模型。该方法在气体扩散、土地利用演进、城市发展以及洪水演进的研究中得到了广泛应用。每个元胞作为一个包含规则的离散个体，其自身的情况只受自身状态以及周围元胞状态的影响。学习自动机是一种适用于未知复杂环境的简单实体。每个个体有几种可选的行为方式时，个体选择的每一种行为方式，都对应着环境的一个改变，环境改变后又促使个体产生新的行为，从而构成一个闭合环，推动整个体系的运行。元胞学习自动机是以上两者的结合，即每个元胞内都有一个学习自动机，存在于每个元胞邻居中的学习自动机组成此元胞的区域环境，此元胞中的学习自动机根据周围邻居元胞的状态产生行为，此行为又影响到周围邻居元胞的状态，形成一个循环，推动此系统不断运行。物联网技术可以通过信息传感设备，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。

本发明提出一种土石坝智能摊铺监控方法，首先，根据摊铺作业过程的特点，通过将摊铺作业过程抽象化，建立了元胞学习自动机仿真模型；其次，依据元胞学习自动机仿真模型，通过在推土机上安装监控设备，实时将数据传回后方服务器9，并根据元胞学习自动机仿真模型需求从服务器9的数据库获取仓面各位置处的摊铺信息，再由车载导航系统5对数据进行分析和计算，实现了摊铺作业的智能作业路径规划；然后，利用AR技术，可以对推土机摊铺作业过程进行实时引导，实现了摊铺作业路径的实时反馈；最后，在摊铺结束时，系统会发出提示，提醒操作手停止施工，提示分控站3管理人员关仓，并可根据数据分析生成高程、厚度等图形报告，可为施工质量评定提供科学参考。

本发明一种土石坝智能摊铺监控方法，基于元胞学习自动机建模和物联网技术，利用物联网技术收集摊铺过程中的信息，并利用元胞学习自动机原理对信息进行处理和分析。基于本发明，利用物联网技术获取到推土机实时空间定位信息并传输到远程服务器9上，车载导航系统5通过无线网络访问服务器9的数据，并将数据以及坐标信息等根据元胞学习自动机理论分别储存在不同元胞中，并通过元胞内置的学习自动机与环境进行交互，推土机的摊铺过程使得其所在元胞的学习自动机产生一个行动，此行动对环境信息造成影响，可以实现环境信息的更新；更新后的环境信息又作为推土机作业过程的输入条件，基于元胞学习自动机仿真模型及各区域质量信息，建立新的动态路径，实现摊铺作业路径的智能规划。在每次规划结束时，系统内部会对此时的摊铺质量进行评价，如判断摊铺质量合格，会提示操作手以及分控站3管理人员此次作业结束，可以生成高程、厚度图形报告。如图4所示，该土石坝智能摊铺监控方法包括以下步骤：

(1)建设阶段

步骤1.1，基础设施建设

①差分基站1建设

利用实时动态载波相位差分技术(RTK)可实现对推土机监控终端4的快速高精度的定位。为此需要建立差分基站1，用于实时观测定位卫星，并将定位差分信息发送至推土机监控终端4。差分基站1由基站定位天线、基站数传天线、基站GPS接收机、基站数传电台组成。差分基站1一般建立在大坝施工区域的左岸或右岸，通过与卫星定位校对调试后，用于进行实时数据的差分处理。基站定位天线用于观测北斗卫星定位系统10、GPS卫星定位系统11和GLONASS卫星定位系统12的定位信号，该基站定位天线应置于室外开阔处，其上部不能有建筑、树木等遮挡，基站定位天线的精确位置等设置参数应通过GPS静态测量的手段予以确定。基站GPS接收机在设置参数配置完成后，可处理基站定位天线接收到的定位信号，并将其组织成定位差分信息。基站数传电台用于获取基站GPS接收机处理出的定位差分信息，并将其按照规定的通讯格式编码。基站数传天线用于将基站数传电台整理好的定位差分信息通过无线电发送至推土机监控终端4。

②分控站3及中继站2建设

分控站3及中继站2建在大坝施工区域右岸的一栋建筑上，并进行有线网络连接。施工单位、监理单位安排人员在分控站3值班，负责智能摊铺监控系统的现场运行。中继站2用于接收推土机监控终端4的实时空间定位信息并将其通过有线网络传输到服务器9的数据库。分控站3配有台式电脑，对讲机等设备，台式电脑上安装智能摊铺监控系统的电脑客户端，施工和监理人员可通过操作此电脑客户端完成对现场摊铺的管理和监督；对讲机用于和现场工作人员沟通、进行方案和问题的处理等。

中继站2位于该建筑的楼顶，主要包括中继站数传天线和中继站数传电台。中继站数传天线用于接收推土机监控终端4传回的实时空间定位信息；中继站数传电台用于处理此实时空间定位信息，并将此信息通过有线网络或其他方式传输至服务器9。

③自卸车卸料定位装置6安装

自卸车卸料定位装置6分为车载北斗定位装置6a和卸料传感器6b两部分。卸料传感器6b安装在自卸车的料斗下方的车梁上，为磁性感应装置，可感知料斗底面距离车梁的距离，当距离超过某个值时会判定料斗为抬起状态，即为卸料，会将此信息以电信号的形式传输至车载北斗定位装置6a。车载北斗定位装置6a安装在自卸车的车顶，有三个方面的功能：一是可观测北斗定位卫星并获取定位信息，二是可接收卸料传感器6b的电信号，感知卸料行为，三是可将自卸车定位信息和卸料信号整合成为自卸车卸料信息的短报文并通过北斗通讯卫星发送至对应的北斗指挥机8。

④推土机监控终端4及车载导航系统5安装

推土机监控终端4用于接收定位信息和定位差分信息并将差分后的推土机实时空间定位信息传输至中继站2，由推土机圆盘天线、推土机差分天线、推土机GPS接收机、推土机控制器、推土机数传电台和推土机数传天线组成。推土机圆盘天线安装在车顶部，用于观测北斗卫星定位系统10、GPS卫星定位系统11、GLONASS卫星定位系统12三种卫星定位系统的定位信号；推土机差分天线安装在推土机的车顶，用于接收差分基站1发送的定位差分信息；推土机GPS接收机位于驾驶室内，用于处理定位信号以及定位差分信息；推土机控制器位于驾驶室内，解析推土机GPS接收机获取到的信息得到推土机实时空间定位信息；推土机数传电台位于驾驶室内，用于将推土机实时空间定位信息按照规定的通讯格式编码；推土机数传天线位于推土机的车顶，用于将编码好的推土机实时空间定位信息发送至中继站2。

车载导航系统5安装在驾驶室前窗玻璃处并用支架固定。车载导航系统5为搭载有车载客户端的平板电脑等硬件设备。安装此设备是为了将系统反馈的指示信息实时传达给推土机操作手，为推土机操作手提供最优作业方向的指导，并兼具有提示摊铺完成情况等作用。

⑤服务器机房建设

服务器机房位于营地内，用于接收、存储、处理智能摊铺监控系统的数据信息，并运行相应的服务端，为系统提供后端支持。服务器机房主要由不间断电源(UPS)、北斗指挥机8、服务器9组成。不间断电源用于保障系统的稳定运行和持续运行，避免短期停电影响系统运行；北斗指挥机8用于接收车载北斗定位装置6a传回的自卸车卸料信息短报文，解码后将此自卸车卸料信息传输到服务器9，同时，接收北斗测量杆7得到的建仓坐标数据；服务器9用于运行服务端以及数据库，服务端为智能摊铺监控系统提供后端支持，数据库用于存储系统收集和产生的相关数据；服务器9用有线网络连接，同时与北斗指挥机8相连以获取自卸车卸料信息。

通过静态测量确定差分基站1位置和精确定位，并同时将中继站2和服务器9布设在对应位置，使得智能摊铺监控系统具有可通过网络传递信息的能力。

⑥服务端、电脑客户端、车载客户端的开发

服务端在服务器9上运行，为整个智能摊铺监控系统提供后端服务，接收北斗指挥机8传回的自卸车卸料信息和中继站2传回的推土机实时定位信息并将两者分别存储至对应的数据库中，同时处理电脑客户端以及车载客户端的信息，保证电脑客户端和车载客户端的运行。电脑客户端安装在分控站3的台式电脑上，为施工和监理单位使用，包含了手动建仓、可视化监控等功能。车载客户端安装在车载导航系统5上，是为实现智能引导而编写的。利用AR技术，调用车载导航系统5的后置摄像头拍摄前方画面，同时通过对摊铺过程中的各类信息进行算法分析，得到当前最优作业方向，并将此方向箭头与摄像头画面叠加显示在屏幕上，另外，同时可将缩略图、车辆状态信息显示在屏幕上，方便推土机操作手了解作业状态。

(2)运行阶段

步骤2.1，规划摊铺施工仓面

由施工管理人员根据施工工艺要求选定大致的摊铺施工仓面，再由测量队用北斗测量杆7测定仓面各角点坐标。测量完成后，测量队将角点坐标发送给分控站3的值班人员在电脑客户端上进行手动建仓。建仓完成后电脑客户端会将此信息传输至服务端，由服务端处理建仓信息并将其存储到服务器9的数据库中。

其中，自卸车卸料定位装置6将卸料土堆位置由服务端储存至服务器9的数据库中；推土机监控终端4将实时推土机位置由服务端储存至服务器9的数据中；由碾压监控系统获得仓面碾压后各位置高程作为作业仓面位置初始高程并由服务端储存至服务器9的数据中，其中所涉及的碾压监控系统由申请号为200910069245.9，名称为《心墙堆石坝施工质量实时监控方法》所公开，本申请中只获取了由该系统分析计算后得到的数据。

步骤2.2，获取作业仓面的初始信息

分控站3值班人员接到管理人员指令打开作业仓面，并将推土机调入相应的仓面，以实现对摊铺作业流程的可视化监控。此时服务端会根据建仓信息读取数据库，以获得作业仓面的初始信息，包含土堆位置、推土机初始位置、作业仓面各位置的初始高程等。

步骤2.3，建立元胞学习自动机仿真模型

推土机操作手接到开始作业的指令后，打开车载导航系统5上的车载客户端。车载客户端会获取作业仓面初始信息，并根据元胞学习自动机理论，创建模拟仓面并划分为等大的网格，每个元胞对应一个网格，用于存储该网格的坐标位置、摊铺高程和摊铺厚度等摊铺质量信息，每个元胞中均包含有一个学习自动机，用于实现和环境的交互。

其中，坐标位置通过载波相位差分方法根据差分基站1发送的定位差分信息对当前推土机坐标进行实时修正获得；摊铺高程和摊铺厚度通过服务器9将推土机监控终端4发送的实时空间定位信息与仓面该位置初始高程信息相结合进行分析处理得到。

步骤2.4，进行车载客户端的可视化平台的开发

在车载客户端开发可视化仿真平台，利用AR技术等可视化方法指导操作手作业。具体实现方式如下：

a)基于元胞学习自动机仿真模型，进行可视化分析，将推土机此时刻的最优走向用箭头的形式表示；

b)调用车载导航系统5的后置摄像头，得到摄像头拍摄到的实时画面；

c)将箭头与摄像头画面采用深度叠加的方式渲染并输出到显示屏上，实现对推土机行进方向的实时引导，如图5所示。

步骤2.5，获取自卸车卸料信息并进行分析处理

通过在自卸车上安装自卸车卸料定位装置6，可获取卸料位置、时间、卸料车辆等信息。车载客户端通过服务端读取自卸车卸料信息，根据该自卸车卸料信息中的自卸车定位信息确定卸料行为所在的网格，激活该网格对应元胞中的学习自动机。该元胞中的学习自动机会根据该自卸车卸料信息更新该网格以及预估的受卸料影响的网格中元胞的摊铺质量信息并确定土堆位置。

步骤2.6，获取推土机实时空间定位信息并分析处理

通过在推土机上安装推土机GPS接收机等监控设备组成推土机监控终端4，将推土机实时空间定位信息传回服务器9，同时在推土机上安装车载导航系统5，车载客户端通过服务端读取推土机实时空间定位信息，在推土机行驶到某个网格时，该网格对应元胞中的学习自动机会激活，并根据从服务器9的数据库中读到的推土机实时空间定位信息更新该网格对应元胞的摊铺质量信息。

步骤2.7，分析已有信息并指导推土机行动

根据已有信息(包含步骤2.2中的建仓信息以及仓面初始信息、步骤2.5中获得的自卸车卸料信息、步骤2.6中获得的推土机实时空间定位信息和全仓面摊铺质量信息)，并结合进占法的施工方法，可将推土机的作业状态划分为推土和转场，推土即为推平一个土堆，转场即为向土堆行驶的过程。

推土机在推土状态下，其目的是将目标土堆推平，因此首先应考虑此土堆的影响范围，统合该影响范围内元胞中的摊铺质量信息，建立平均厚度函数和平整度(厚度值的方差)函数，利用这两个值判断受影响范围是否已经平整，综合推土机的运动学特点以及受影响范围的摊铺质量信息确定推土机下一步的行动方向，并将该行动方向以箭头的形式在车载导航系统5的显示屏上显示。当两个函数值均满足规定要求则判断此土堆已推平，推土机进入转场状态。

在转场状态下，根据步骤2.2和2.5中读到的土堆位置信息，选择最近的土堆作为目标，并根据推土机的行进方向得到目标土堆相对位置，将该行进方向以箭头的形式在车载导航系统5的显示屏上显示。如果推土机已经行驶进入目标土堆的影响范围，则将推土机的状态由转场状态切换为推土状态。

步骤2.8，推土机操作手按照指示作业

操作手根据车载导航系统5的显示屏上显示的箭头，操作推土机向指定方向前进，并根据作业方案进行作业。

步骤2.9，评价当前摊铺是否合格

车载客户端通过服务器9获取到推土机的实时空间定位信息，并判断推土机是否已经完成行动，若已经完成行动，会进行整个仓面摊铺数据的更新，车载客户端会根据当前的仓面信息分析仓面施工质量情况。

其中，整个仓面摊铺数据的更新是指的推土机位置、朝向、速度方向，以及仓面各个区域的厚度，高程等数据的更新，具体为：根据从服务器9的数据库获取到的推土机在此时间段内的坐标以及高程信息，并根据此信息对此时间段经过的元胞的信息进行更新，同时由于考虑到推土机的行动，再获取推土机的航向角，位置等数据并储存。分析仓面施工质量情况为：根据平均高程函数以及平整度函数，利用所有元胞中的摊铺质量信息分析计算仓面平均厚度和仓面平整度，若两者均满足要求，则摊铺合格本次摊铺结束，进入步骤2.10；若两者中任意一者未达标说明摊铺尚未合格，重复步骤2.5至步骤2.9直到摊铺合格为止。

步骤2.10，本次摊铺结束

摊铺结束时，车载客户端以及分控站3的电脑客户端均会显示出“本次摊铺完成”的字样，并提醒分控站3人员生成高程、厚度图形报告对摊铺质量进行评测，同时，提醒分控站3人员联系施工管理人员进行下一步的作业安排。

综上，通过使用本发明提出的智能摊铺监控系统，再结合智能摊铺监控方法，可以对摊铺工艺的施工起到监控与指导的作用，可以实现对土石坝坝面摊铺工艺的有效控制，起到减轻人工依赖，提高施工效率，提升施工质量的作用。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于土石坝智能摊铺监控系统的监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，基础设施建设，包括差分基站(1)、中继站(2)、分控站(3)、北斗测量杆(7)、北斗指挥机(8)和服务器(9)的建设，推土机监控终端(4)、车载导航系统(5)和自卸车卸料定位装置(6)的安装，以及服务端、电脑客户端、车载客户端的开发，其中，所述服务端安装在服务器(9)上，所述电脑客户端安装在分控站(3)的电脑上，所述车载客户端安装在车载导航系统(5)上；

步骤2，规划摊铺施工仓面，并获取作业仓面的初始信息，其中，

所述的规划摊铺施工仓面包括：根据施工工艺要求选定大致的摊铺施工仓面，再采用北斗测量杆(7)测定仓面各角点坐标；测量完成后，将仓面各角点坐标发送至电脑客户端进行建仓；建仓完成后，电脑客户端将该建仓信息传输至服务端，由服务端处理该建仓信息并储存至服务器(9)的数据库中；其中，自卸车卸料定位装置(6)将卸料土堆位置由服务端储存至服务器(9)的数据库中；推土机监控终端(4)将实时推土机位置由服务端储存至服务器(9)的数据库中；由碾压监控系统获得仓面碾压后各位置高程作为作业仓面位置初始高程并由服务端储存至服务器(9)的数据库中；

所述的获取作业仓面的初始信息包括：从服务器(9)的数据库中所储存的信息中获得建仓信息以及作业仓面的初始信息，所述作业仓面的初始信息包括土堆位置、推土机初始位置和作业仓面各位置的初始高程；

步骤3，根据作业仓面的初始信息，在车载客户端中建立元胞学习自动机仿真模型；

步骤4，车载客户端获取自卸车卸料信息并进行分析处理；

步骤5，车载客户端获取推土机实时空间定位信息并进行分析处理，包括：车载客户端通过服务端读取推土机实时空间定位信息，在推土机行驶到某个网格时，该网格对应元胞中的学习自动机会激活，并根据从服务器(9)的数据库中读到的推土机实时空间定位信息更新该网格对应元胞的摊铺质量信息；

步骤6，车载客户端对步骤2、步骤4和步骤5获得的信息进行分析并指导推土机行动；

步骤7，推土机操作手按照步骤6的指示作业；

步骤8，车载客户端评价当前摊铺是否合格，若合格，则本次摊铺结束；若尚未合格，则重复步骤4至步骤8直到摊铺合格。

2.根据权利要求1所述的监控方法，其特征在于，步骤3中，所述的在车载客户端中建立元胞学习自动机仿真模型包括：创建模拟仓面并将该模拟仓面进行网格划分，每个元胞对应一个网格，每个元胞中均包含该元胞所对应网格的坐标位置、摊铺高程和摊铺厚度，每个元胞中均包含一个学习自动机；

其中，所述的坐标位置通过载波相位差分方法根据差分基站(1)发送的定位差分信息对当前推土机坐标进行实时修正获得；所述的摊铺高程和摊铺厚度通过服务器(9)将推土机监控终端(4)发送的实时空间定位信息与仓面该位置初始高程信息相结合进行分析处理得到。

3.根据权利要求1所述的监控方法，其特征在于，步骤4中，所述的车载客户端获取自卸车卸料信息并进行分析处理包括：车载客户端通过服务端读取自卸车卸料信息，根据该自卸车卸料信息中的自卸车定位信息确定卸料行为所在的网格，激活该网格对应元胞中的学习自动机；该元胞中的学习自动机根据该自卸车卸料信息更新该网格以及预估的受卸料影响的网格中元胞的摊铺质量信息并确定土堆位置。

4.根据权利要求1所述的监控方法，其特征在于，步骤6中，所述的车载客户端对步骤2、步骤4和步骤5获得的信息进行分析并指导推土机行动包括：

根据步骤2获得的建仓信息以及仓面初始信息、步骤4获得的自卸车卸料信息、步骤5获得的推土机实时空间定位信息和全仓面摊铺质量信息，结合进占法的施工方法，将推土机的作业状态划分为推土和转场；

推土机在推土状态下，首先，确定目标土堆的影响范围，再统合该影响范围内元胞中的摊铺质量信息，建立平均厚度函数和平整度函数，利用平均厚度值和平整度值判断受影响范围是否已经平整，综合推土机的运动学特点以及受影响范围的摊铺质量信息确定推土机下一步的行动方向，并将该行动方向以箭头的形式在车载导航系统(5)的显示屏上显示；当平均厚度值和平整度值均满足规定要求则判断目标土堆已推平，推土机进入转场状态；

推土机在转场状态下，根据步骤2和步骤4中读到的土堆位置，选择最近的土堆作为目标，并根据推土机的行进方向得到目标土堆相对位置，将该行进方向以箭头的形式在车载导航系统(5)的显示屏上显示；如果推土机已经行驶进入目标土堆的影响范围，则将推土机的状态由转场状态切换为推土状态。

5.根据权利要求1所述的监控方法，其特征在于，步骤8中，所述的评价当前摊铺是否合格的标准为：仓面平均厚度和仓面平整度是否均满足要求。

6.根据权利要求1所述的监控方法，其特征在于，所述的土石坝智能摊铺监控系统包括：

差分基站(1)；

中继站(2)；

分控站(3)；

推土机监控终端(4)，所述推土机监控终端(4)安装在推土机上，所述推土机监控终端(4)分别与所述差分基站(1)和所述中继站(2)相连接，所述推土机监控终端(4)通过将所述差分基站(1)获取该推土机监控终端(4)所在推土机的定位差分信息与观测定位卫星得到的卫星定位信息进行差分计算得到该推土机的实时空间定位信息，并将此实时空间定位信息发送给所述中继站(2)；

车载导航系统(5)，所述车载导航系统(5)安装在推土机上，所述车载导航系统(5)包括显示屏；

自卸车卸料定位装置(6)，所述自卸车卸料定位装置(6)安装在自卸车上；

北斗测量杆(7)，所述北斗测量杆(7)用于测量建仓坐标，所述北斗测量杆(7)与所述分控站(3)相连接，将建仓坐标数据发送给所述分控站(3)以获得仓面初始信息；

北斗指挥机(8)，所述自卸车卸料定位装置(6)与所述北斗指挥机(8)相连接，将自卸车卸料信息发送给所述北斗指挥机(8)；以及；

服务器(9)，所述中继站(2)、分控站(3)、推土机监控终端(4)、车载导航系统(5)和北斗指挥机(8)均与所述服务器(9)相连接，所述服务器(9)获取所述中继站(2)发送的推土机实时空间定位信息、所述分控站(3)发送的仓面初始信息和所述北斗指挥机(8)发送的自卸车卸料信息，并将仓面实时信息发送给所述推土机监控终端(4)、将摊铺过程信息和推土机实时空间定位信息发送给所述车载导航系统(5)。

7.根据权利要求6所述的监控方法，其特征在于，所述差分基站(1)包括基站定位天线、基站数传天线、基站GPS接收机和基站数传电台，所述基站GPS接收机处理所述基站定位天线接收到的定位信号，并将该定位信号组织成定位差分信息，所述基站数传电台获取所述基站GPS接收机处理得到的定位差分信息，并将该定位差分信息进行整理，所述基站数传天线将所述基站数传电台整理好的定位差分信息通过无线电发送至所述推土机监控终端(4)。

8.根据权利要求6所述的监控方法，其特征在于，所述中继站(2)包括中继站数传天线和中继站数传电台，所述中继站数传天线接收所述推土机监控终端(4)传回的实时空间定位信息，所述中继站数传电台处理该实时空间定位信息，并将该实时空间定位信息传输至所述服务器(9)。

9.根据权利要求6所述的监控方法，其特征在于，所述推土机监控终端(4)包括推土机圆盘天线、推土机差分天线、推土机GPS接收机、推土机控制器、推土机数传电台和推土机数传天线；所述推土机圆盘天线、所述推土机差分天线和所述推土机数传天线均安装在所述推土机的车顶；所述推土机GPS接收机、所述推土机控制器和所述推土机数传电台均位于所述推土机的驾驶室内；所述推土机GPS接收机获取所述推土机圆盘天线的定位信号和所述推土机差分天线的定位差分信息，所述推土机控制器将该定位信号和定位差分信息进行处理得到推土机实时空间定位信息，所述推土机数传电台获取所述推土机控制器处理得到的推土机实时空间定位信息，并对该推土机实时空间定位信息进行整理，所述推土机数传天线将所述推土机数传电台整理好的推土机实时空间定位信息发送至所述中继站(2)。

10.根据权利要求6所述的监控方法，其特征在于，所述自卸车卸料定位装置(6)包括车载北斗定位装置(6a)和卸料传感器(6b)，所述卸料传感器(6b)安装在所述自卸车的料斗下方的车梁上，通过所述卸料传感器(6b)所感知的料斗底面距离车梁的距离判断所述自卸车是否为卸料状态；所述车载北斗定位装置(6a)安装在所述自卸车的车顶，所述车载北斗定位装置(6a)获取自卸车定位信息和所述卸料传感器(6b)的卸料信号，并将该自卸车定位信息和卸料信号整合为自卸车卸料信息发送至所述北斗指挥机(8)。