CN112623944A - 钢梁吊装过程中吊具和钢梁姿态自动监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢梁吊装过程中吊具和钢梁姿态自动监测系统及方法，该监测系统操作简单，将DTU配置好后与对应倾角传感器相连接，倾角传感器实测出钢梁及吊具倾斜数据，测量型GNSS接收机实测出钢梁位置、高程及缆索吊缆塔偏位。倾角传感器及测量型GNSS接收机实测的数据通过4G通信网络传输至服务器，然后监测系统将计算结果显示到监测系统前端，现场人员可通过监测系统前端实时反映的数据对缆索吊、吊具、钢梁姿态进行调整。通过本发明，大大减少了施工测量时间，提高了测量效率，通过网络数据传输的方式快速化、自动化、智能化的进行缆索吊、吊具、钢梁姿态监测工作，避免了人工计算引起的错误，节约了大量的人力和物力，具有可推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁工程施工领域，尤其是涉及一种钢梁吊装过程中吊具和钢梁姿态自动监测系统及方法。
背景技术
大跨度悬索桥钢梁吊装施工技术是非常重要，为了保障工程质量，达到施工要求，需严格控制钢梁吊装过程中缆索吊、吊具、钢梁姿态。目前，施工现场主要使用全站仪实时观测的方式来控制，由于钢梁吊装过程耗时较长，吊装过程中需要不断采集大量数据进行分析计算，工作量巨大，且无法在钢梁吊装过程中实时反馈各部位的状态。传统的监测手段效率极低，且无法满足钢梁吊装过程中实时监控的要求。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种钢梁吊装过程中吊具和钢梁姿态自动监测系统，该监测系统操作简单。
本发明的第二个目的在于提供一种钢梁吊装过程中吊具和钢梁姿态自动监测方法，该自动监测方法能更好地对钢梁吊装过程中缆索吊的缆塔位移、吊具的倾斜状况，钢梁吊装过程中的姿态进行控制。
本发明的第一个目的是这样实现的：
一种钢梁吊装过程中吊具和钢梁姿态自动监测系统，特征是：包括4G手机卡、数据传输单元(Data Transfer unit，DTU）、天线、电瓶、电脑、倾角传感器、测量型GNSS接收机和服务器，在DTU2的卡槽中插入有4G手机卡并用卡槽盖盖住4G手机卡，在DTU顶部的天线端连接有天线， DTU的电源端与电瓶连接，DTU的第一数据信号输入端与单轴倾角传感器或双轴倾角传感器的数据信号输出端连接，DTU的第二数据信号输入端与单轴倾角传感器或双轴倾角传感器的数据信号输出端连接，DTU的数据信号输出端通过RS232串口线与电脑相连接；测量型GNSS接收机由第一测量型GNSS接收机、第二测量型GNSS接收机和第三测量型GNSS接收机组成，分别在第一测量型GNSS接收机、第二测量型GNSS接收机和第三测量型GNSS接收机的手簿卡槽中插入4G手机卡，利用4G网络实时传输数据。
本发明的第二个目的是这样实现的：
一种钢梁吊装过程中吊具和钢梁姿态自动监测方法，特征是：具体步骤如下：
A、配置数据传输单元(Data Transfer unit， DTU）：
在DTU的卡槽中插入4G手机卡，并将天线与DTU相连接，连接完成后将DTU与电瓶连接，使DTU通电，然后通过RS232串口线将DTU与电脑相连接，按预先设定好的参数进行一系列的参数设置；
B、DTU与倾角传感器相连接：
参数设置成功后，将配置好的DTU分别与若干个倾角传感器相连接，倾角传感器分为单轴倾角传感器和双轴倾角传感器，并将DTU、倾角传感器分别与电瓶相连接，使DTU和倾角传感器均通电，DTU能将若干个倾角传感器测得的串口数据分别转换成IP数据，能将若干个倾角传感器实测的数据通过4G通讯网络实时上传至服务器；
C、设置测量型GNSS接收机：
在每个测量型GNSS接收机手簿的卡槽中分别插入4G手机卡，并在各手簿中设置服务器IP地址，设置完成后各测量型GNSS接收机能将实测数据实时上传至服务器；
D、安装钢梁梁面的双轴倾角传感器及测量型GNSS接收机：
在钢梁的纵轴线X、横轴线Y的交点处分别安装有DTU和高精度的双轴倾角传感器，该双轴倾角传感器能测得钢梁梁面相对于水平面的倾斜角度；在钢梁梁面的横轴线Y两端分别安装有测量型GNSS接收机，通过测量型GNSS接收机的实测坐标计算出钢梁梁面的纵轴线X、横轴线Y的旋转角度，通过测量型GNSS接收机的实测高程能判断钢梁实际的吊装高度；
E、安装吊具倾角传感器：
在吊具的顶面及侧面的横向轴线处分别安装DTU和一个高精度的单轴倾角传感器，顶面轴线处的单轴倾角传感器能测得吊具平面相对于水平面的倾斜角度，侧面轴线处的单轴倾角传感器能测得扁担竖向平面与竖平面的倾斜角度；
F、安装缆索吊缆塔顶处的测量型GNSS接收机：
在各缆索吊缆塔顶的横向中点处安装一台测量型GNSS接收机，通过钢梁吊装过程中测量型GNSS接收机实测的坐标实时反映缆索吊缆塔偏离设计位置的距离；
G、监测系统后台数据处理：
各测量型GNSS接收机及倾角传感器的实测数据通过4G通讯网络实时上传至服务器，监测系统后台从服务器中调取实测数据，然后利用坐标装换，将测量型GNSS接收机实测的大地坐标转换为桥址里程坐标系，通过倾角传感器数据及吊具尺寸计算出吊具的倾斜量；
H、监测系统编制
监测系统分为手机端和电脑网页版两种，监测系统后台将数据处理完成后将钢梁姿态、吊具倾斜状态、缆索吊缆塔位移情况在前端显示，前端数据3秒进行一次刷新；一旦钢梁吊装过程中各监测点位发生了毫米级的变化，钢梁姿态自动监测系统就立刻收到实时监测数据，并通过数据模型判断钢梁姿态变化是否在安全范围内，各部位监测数据超过限差值的70%时前端会将显示字体标黄，监测数据超过限差值时前端会将显示字体标红，以此起到提示及超限报警作用；
I、钢梁吊装时通过监测系统对缆索吊、吊具、钢梁姿态自动监测：
现场工作人员根据监测系统的前端实时刷新的数据来观察缆索吊缆塔、吊具、钢梁姿态，将超过限差的部位及时进行调整，最后完成吊装工作。
步骤A所述的DTU是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备，能将单轴倾角传感器、双轴倾角传感器的实测数据通过4G通信网络实时上传至服务器。
步骤B、D、E所述的高精度的双轴倾角传感器采用RS485/RS232串行通行接口，可测量传感器相对于水平面的倾斜和俯仰角度，测量范围达到±180°，全量程精度0.01°，可轻松实现双轴与单轴倾角测量。性能可靠稳定，扩展性好，多种输出可供选择。
步骤的C、D、F所述的测量型GNSS接收机实时动态测量精度为：±（8mm+1×10-6D），使用简单、方便。
步骤G所述的桥址里程坐标系统以桥轴线为X轴，里程增加方向为X轴增加方向，数值与线路里程一致；垂直于桥轴线方向为Y轴，数值为距桥轴线距离，线路左侧为负，右侧为正。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
本发明提出的一种钢梁吊装过程中缆索吊吊具钢梁姿态自动监测系统及方法，该监测系统操作简单，将DTU配置好后与对应的单轴倾角传感器、双轴倾角传感器相连接，并将DTU与对应的双轴倾角传感器安装在钢梁梁面及吊具纵、横轴线位置，实测出钢梁及吊具倾斜数据，将测量型GNSS接收机设置好后安装至钢梁横轴线及缆索吊缆塔横向中点处，实测出钢梁位置、高程及缆索吊缆塔偏位。倾角传感器及测量型GNSS接收机实测的数据通过4G通信网络传输至服务器，然后监测系统后台在服务器中提取到数据后进行一系列的计算，最终将计算结果显示到监测系统前端，现场人员可通过监测系统前端实时反映的数据对缆索吊、吊具、钢梁姿态进行调整。
通过本发明，大大减少了施工测量时间，提高了测量效率，通过网络数据传输的方式快速化、自动化、智能化的进行缆索吊、吊具、钢梁姿态监测工作，避免了人工计算引起的错误，节约了大量的人力和物力，具有可推广价值。
附图说明
图1为本发明实施例中的DTU配置示意图；
图2为本发明实施例中的DTU与倾角传感器连接示意图；
图3为本发明实施例中的钢梁梁面测量型GNSS接收机及双轴倾角传感器布置示意图；
图4为本发明实施例中的缆索吊缆塔横向中点处测量型GNSS接收机布置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
一种钢梁吊装过程中吊具和钢梁姿态自动监测系统，包括4G手机卡1、数据传输单元(DTU）2、天线23、电瓶4、电脑5、倾角传感器6、测量型GNSS接收机和服务器，在DTU2的卡槽21中插入有4 G手机卡1并用卡槽盖22盖住4G手机卡1，在DTU2顶部的天线端连接有天线23，DTU2的电源端与电瓶4连接，DTU2的第一数据信号输入端与单轴倾角传感器或双轴倾角传感器的数据信号输出端连接，DTU2的第二数据信号输入端同样与单轴倾角传感器或双轴倾角传感器的数据信号输出端连接，DTU2的数据信号输出端通过RS232串口线3与电脑5相连接；测量型GNSS接收机由第一测量型GNSS接收机、第二测量型GNSS接收机和第三测量型GNSS接收机组成，分别在第一测量型GNSS接收机、第二测量型GNSS接收机和第三测量型GNSS接收机的手簿卡槽中插入4G手机卡，利用4G网络实时传输数据。
工作原理：单轴倾角传感器、双轴倾角传感器分别将测得的倾斜角度数据传输给DTU2，DTU2将串口数据转换为IP数据,通过无线通信网络进行传送的无线终端设备，可将倾角传感器的实测数据通过4 G手机卡1、4G通信网络通过天线23实时上传至服务器；第一测量型GNSS接收机71、第二测量型GNSS接收机72计算出钢梁桥面的纵轴线X、横轴线Y的旋转角度，通过第一测量型GNSS接收机71和第二测量型GNSS接收机72的实测高程能判断钢梁实际的吊装高度，通过第三测量型GNSS接收机73实测的坐标实时反映缆索吊缆塔偏离设计位置的距离，然后钢梁姿态自动监测系统的后台调取服务器中各测量型GNSS接收机及单轴倾角传感器、双轴倾角传感器的实测数据，利用坐标装换，将各测量型GNSS接收机实测的大地坐标转换为桥址里程坐标系，通过单轴倾角传感器、双轴倾角传感器实测数据及吊具尺寸计算出吊具的倾斜量；监测系统的后台将数据处理完成后将钢梁姿态、吊具倾斜状态、缆索吊缆塔位移情况在前端显示，前端数据3秒进行一次刷新；一旦钢梁吊装过程中各监测点位发生了毫米级的变化，钢梁姿态自动监测系统就立刻收到实时监测数据，并通过数据模型判断钢梁姿态变化是否在安全范围内，各部位监测数据超过限差值的70%时前端会将显示字体标黄，监测数据超过限差值时前端会将显示字体标红，以此起到提示及超限报警作用。
一种钢梁吊装过程中吊具和钢梁姿态自动监测方法，具体步骤如下：
A、配置数据传输单元(DTU）：
在DTU2的卡槽21中插入4G手机卡1，然后盖上卡槽盖22，并将天线23与DTU2相连接，连接完成后将DTU2与电瓶4连接，使DTU2通电，然后通过RS232串口线3将DTU2与电脑5相连接，按预先设定好的参数进行一系列的参数设置；
B、DTU与倾角传感器相连接：
参数设置成功后，将配置好的DTU2分别与若干个倾角传感器6相连接，倾角传感器分为单轴倾角传感器和双轴倾角传感器，并将DTU2、倾角传感器6分别与电瓶4相连接，使DTU2和倾角传感器均6通电，DTU2能将若干个倾角传感器6测得的串口数据分别转换成IP数据，能将若干个倾角传感器6实测的数据通过4G通讯网络实时上传至服务器；
C、设置测量型GNSS接收机：
在每个测量型GNSS接收机手簿的卡槽中分别插入4G手机卡，并在各手簿中设置服务器IP地址，设置完成后各测量型GNSS接收机能将实测数据实时上传至服务器；
D、安装钢梁梁面的双轴倾角传感器、第一测量型GNSS接收机71和第二测量型GNSS接收机72：
在钢梁的纵轴线X、横轴线Y的交点处分别安装有DTU2和高精度的双轴倾角传感器，该双轴倾角传感器能测得钢梁梁面相对于水平面的倾斜角度；在钢梁梁面的横轴线Y两端分别安装有第一测量型GNSS接收机71和第二测量型GNSS接收机72，通过第一测量型GNSS接收机71和第二测量型GNSS接收机72的实测坐标计算出钢梁梁面的纵轴线X、横轴线Y的旋转角度，通过第一测量型GNSS接收机71和第二测量型GNSS接收机72的实测高程能判断钢梁实际的吊装高度；
E、安装吊具倾角传感器：
在吊具的顶面及侧面的横向轴线处分别安装DTU和一个高精度的单轴倾角传感器，顶面轴线处的单轴倾角传感器能测得吊具平面相对于水平面的倾斜角度，侧面轴线处的单轴倾角传感器能测得扁担竖向平面与竖平面的倾斜角度；
F、安装缆索吊缆塔顶处的第三测量型GNSS接收机73：
在各缆索吊缆塔顶的横向中点8处安装一台第三测量型GNSS接收机73，通过钢梁吊装过程中第三测量型GNSS接收机73实测的坐标实时反映缆索吊缆塔偏离设计位置的距离；
G、监测系统后台数据处理：
测量型GNSS接收机71、72、73及倾角传感器6的实测数据通过4G通讯网络实时上传至服务器，电脑5中的监测系统后台从服务器中调取实测数据，然后利用坐标装换，将71、72、73这三台测量型GNSS接收机实测的大地坐标转换为桥址里程坐标系，通过倾角传感器数据及吊具尺寸计算出吊具的倾斜量；
H、监测系统编制
监测系统分为手机端和电脑网页版两种，监测系统后台将数据处理完成后将钢梁姿态、吊具倾斜状态、缆索吊缆塔位移情况在前端显示，前端数据3秒进行一次刷新；一旦钢梁吊装过程中各监测点位发生了毫米级的变化，钢梁姿态自动监测系统就立刻收到实时监测数据，并通过数据模型判断钢梁姿态变化是否在安全范围内，各部位监测数据超过限差值的70%时前端会将显示字体标黄，监测数据超过限差值时前端会将显示字体标红，以此起到提示及超限报警作用；
I、钢梁吊装时通过监测系统对缆索吊、吊具、钢梁姿态自动监测：
现场工作人员根据监测系统的前端实时刷新的数据来观察缆索吊缆塔、吊具、钢梁姿态，将超过限差的部位及时进行调整。
步骤A所述的DTU是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备，能将倾角传感器的实测数据通过4G通信网络实时上传至服务器。
步骤B、D、E所述的高精度的双轴倾角传感器采用RS485/RS232串行通行接口，能测量传感器相对于水平面的倾斜和俯仰角度，测量范围达到±180°，全量程精度0.01°，能轻松实现双轴与单轴倾角测量。性能可靠稳定，扩展性好，多种输出可供选择。
步骤C、D、F所述的测量型GNSS接收机实时动态测量精度为：±（8mm+1×10-6D），使用简单、方便。
步骤G所述的桥址里程坐标系统以桥轴线为X轴，里程增加方向为X轴增加方向，数值与线路里程一致；垂直于桥轴线方向为Y轴，数值为距桥轴线距离，线路左侧为负，右侧为正。
Claims (6)
1.一种钢梁吊装过程中吊具和钢梁姿态自动监测系统，其特征在于：包括4G手机卡、数据传输单元、天线、电瓶、电脑、倾角传感器、测量型GNSS接收机和服务器，在DTU2的卡槽中插入有4G手机卡并用卡槽盖盖住4G手机卡，在DTU顶部的天线端连接有天线， DTU的电源端与电瓶连接，DTU的第一数据信号输入端与单轴倾角传感器或双轴倾角传感器的数据信号输出端连接，DTU的第二数据信号输入端与单轴倾角传感器或双轴倾角传感器的数据信号输出端连接，DTU的数据信号输出端通过RS232串口线与电脑相连接；测量型GNSS接收机由第一测量型GNSS接收机、第二测量型GNSS接收机和第三测量型GNSS接收机组成，分别在第一测量型GNSS接收机、第二测量型GNSS接收机和第三测量型GNSS接收机的手簿卡槽中插入4G手机卡，利用4G网络实时传输数据。
2.一种钢梁吊装过程中吊具和钢梁姿态自动监测方法，其特征在于：具体步骤如下：
A、配置数据传输单元：
在DTU的卡槽中插入4G手机卡，并将天线与DTU相连接，连接完成后将DTU与电瓶连接，使DTU通电，然后通过RS232串口线将DTU与电脑相连接，按预先设定好的参数进行一系列的参数设置；
B、DTU与倾角传感器相连接：
参数设置成功后，将配置好的DTU分别与若干个倾角传感器相连接，倾角传感器分为单轴倾角传感器和双轴倾角传感器，并将DTU、倾角传感器分别与电瓶相连接，使DTU和倾角传感器均通电，DTU能将若干个倾角传感器测得的串口数据分别转换成IP数据，能将若干个倾角传感器实测的数据通过4G通讯网络实时上传至服务器；
C、设置测量型GNSS接收机：
在每个测量型GNSS接收机手簿的卡槽中分别插入4G手机卡，并在各手簿中设置服务器IP地址，设置完成后各测量型GNSS接收机能将实测数据实时上传至服务器；
D、安装钢梁梁面的双轴倾角传感器及测量型GNSS接收机：
在钢梁的纵轴线X、横轴线Y的交点处分别安装有DTU和高精度的双轴倾角传感器，该双轴倾角传感器能测得钢梁梁面相对于水平面的倾斜角度；在钢梁梁面的横轴线Y两端分别安装有测量型GNSS接收机，通过测量型GNSS接收机的实测坐标计算出钢梁梁面的纵轴线X、横轴线Y的旋转角度，通过测量型GNSS接收机的实测高程能判断钢梁实际的吊装高度；
E、安装吊具倾角传感器：
在吊具的顶面及侧面的横向轴线处分别安装DTU和一个高精度的单轴倾角传感器，顶面轴线处的单轴倾角传感器能测得吊具平面相对于水平面的倾斜角度，侧面轴线处的单轴倾角传感器能测得扁担竖向平面与竖平面的倾斜角度；
F、安装缆索吊缆塔顶处的测量型GNSS接收机：
在各缆索吊缆塔顶的横向中点处安装一台测量型GNSS接收机，通过钢梁吊装过程中测量型GNSS接收机实测的坐标实时反映缆索吊缆塔偏离设计位置的距离；
G、监测系统后台数据处理：
各测量型GNSS接收机及倾角传感器的实测数据通过4G通讯网络实时上传至服务器，监测系统后台从服务器中调取实测数据，然后利用坐标装换，将测量型GNSS接收机实测的大地坐标转换为桥址里程坐标系，通过倾角传感器数据及吊具尺寸计算出吊具的倾斜量；
H、监测系统编制
监测系统分为手机端和电脑网页版两种，监测系统后台将数据处理完成后将钢梁姿态、吊具倾斜状态、缆索吊缆塔位移情况在前端显示，前端数据3秒进行一次刷新；一旦钢梁吊装过程中各监测点位发生了毫米级的变化，钢梁姿态自动监测系统就立刻收到实时监测数据，并通过数据模型判断钢梁姿态变化是否在安全范围内，各部位监测数据超过限差值的70%时前端会将显示字体标黄，监测数据超过限差值时前端会将显示字体标红，以此起到提示及超限报警作用；
I、钢梁吊装时通过监测系统对缆索吊、吊具、钢梁姿态自动监测：
现场工作人员根据监测系统的前端实时刷新的数据来观察缆索吊缆塔、吊具、钢梁姿态，将超过限差的部位及时进行调整，最后完成吊装工作。
3.根据权利要求1所述的钢梁吊装过程中缆索吊吊具钢梁姿态自动监测方法，其特征在于：步骤A所述的DTU是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备，能将单轴倾角传感器、双轴倾角传感器的实测数据通过4G通信网络实时上传至服务器。
4.根据权利要求1所述的钢梁吊装过程中缆索吊吊具钢梁姿态自动监测方法，其特征在于：步骤B、D、E所述的高精度的双轴倾角传感器采用RS485/RS232串行通行接口。
5.根据权利要求1所述的钢梁吊装过程中缆索吊吊具钢梁姿态自动监测方法，其特征在于：步骤的C、D、F所述的测量型GNSS接收机实时动态测量精度为：±（8mm+1×10-6D）。
6.根据权利要求1所述的钢梁吊装过程中缆索吊吊具钢梁姿态自动监测方法，其特征在于：步骤G所述的桥址里程坐标系统以桥轴线为X轴，里程增加方向为X轴增加方向，数值与线路里程一致；垂直于桥轴线方向为Y轴，数值为距桥轴线距离，线路左侧为负，右侧为正。
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