CN112733217A - 一种基于卫星定位的桥梁转体监控系统 - Google Patents

一种基于卫星定位的桥梁转体监控系统 Download PDF

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CN112733217A CN201910975556.5A CN201910975556A CN112733217A CN 112733217 A CN112733217 A CN 112733217A CN 201910975556 A CN201910975556 A CN 201910975556A CN 112733217 A CN112733217 A CN 112733217A
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satellite positioning
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吴连奎
刘韶鹏
王长欣
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Beijing Yunlu Technology Co Ltd
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Beijing Yunlu Technology Co Ltd
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    • E01D—CONSTRUCTION OF BRIDGES, ELEVATED ROADWAYS OR VIADUCTS; ASSEMBLY OF BRIDGES
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    • E01D21/08—Methods or apparatus specially adapted for erecting or assembling bridges by rotational movement of the bridge or bridge sections
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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Abstract

本发明公开一种基于卫星定位的桥梁转体监控系统，该系统包括卫星定位解算单元用于采集转体桥梁的卫星原始观测数据，并对卫星原始观测数据进行定位解算，根据解算后的观测数据和桥梁尺寸数据计算单体桥的姿态数据，并将姿态数据传输至云端服务器；液压控制单元包括液压执行装置、下位机、控制模块；下位机实时获取液压执行装置的运行状态参数，并上传至云端服务器，控制模块根据云端服务器中的姿态数据和运行状态参数得到液压执行装置的控制指令，控制指令通过云端服务器传输至下位机，下位机根据接收到的控制指令控制液压执行装置驱动桥梁转体转动。本发明实现对整个转体过程的监测、控制，为整个转体过程的安全顺利的提供保障。

Description

一种基于卫星定位的桥梁转体监控系统
技术领域
本发明涉及桥梁施工技术领域，特别是涉及一种基于卫星定位的桥梁转体监控系统。
背景技术
桥梁转体施工是上世纪40年代以后发展起来的一种架桥工艺。它是在河流的两岸或适当的位置，利用地形使用简便的支架先将半桥预制完成，之后以桥梁结构本身为转动体，使用一些机具设备，分别将两个半桥转体到桥位轴线位置合拢成桥。其特点有：可利用地形，方便预制；施工不影响交通；施工设备少，装置简单；节省施工用料。施工工序简单，施工迅速；现在很多跨铁路及跨公路桥中都用到了桥梁转体施工技术，采用下方转体球铰结构及后期连续千斤顶转体施工使两个处于交角或平行的半桥转体到位并合拢成桥。
目前桥梁转体施工过程大部分没有实时监测，都是靠人工观测、现场通过无线电对讲机进行喊话进行控制收发指令。施工过程中桥体的姿态没有做到实时记录，转体时液压牵引系统也是人工控制，整个转体过程中用到大量的人工观测，即耗费人力物力，又无法保证观测的精确及时效性。
因此，如何提供一种精确且实时自动监控桥梁转体施工过程的技术方案成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于卫星定位的桥梁转体监控系统，以实现对桥梁转体施工过程进行精确且实时地自动监控，确保桥梁转体的顺利进行且减少人力物力。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明实施例提供了一种基于卫星定位的桥梁转体监控系统，所述系统包括：
卫星定位解算单元，用于采集转体桥梁的卫星原始观测数据，并对所述卫星原始观测数据进行定位解算，根据解算后的观测数据和桥梁尺寸数据计算单体桥的姿态数据，并将所述姿态数据传输至云端服务器；所述姿态数据包括转动角度和挠度；
液压控制单元，包括液压执行装置、下位机、控制模块；所述液压执行装置作用于桥梁转体，所述下位机与所述液压执行装置连接，所述控制模块与所述下位机通信连接；所述下位机实时获取所述液压执行装置的运行状态参数，并上传至所述云端服务器，所述控制模块根据所述云端服务器中的所述姿态数据和所述运行状态参数得到所述液压执行装置的控制指令，所述控制指令通过所述云端服务器传输至所述下位机，所述下位机根据接收到的控制指令控制所述液压执行装置驱动桥梁转体转动。
可选的，所述系统还包括转体状态预警单元，所述转体状态预警单元用于从所述云端服务器中获取所述桥梁尺寸数据、所述姿态数据和所述运行状态参数，调用机器学习回归预测算法对所述桥梁尺寸数据、所述姿态数据和所述运行状态参数进行分析计算，得到每个桥梁的实时的转动角度、挠度和相邻两桥间的最小距离；并根据每个桥体的转速进行回归预判，当得到的回归预判结果满足预设预警告警条件时，所述控制模块发出预警告警信息及控制命令，所述控制命令为调整桥梁转体至非预设预警告警条件得状态的命令。
可选的，所述机器学习回归预测算法中的回归模型为：
Figure BDA0002233269960000021
其中，x1，x2，...，xn为n个自变量，所述自变量为t时刻n个监测点的转动角度、挠度或相邻两桥间的最小距离，ε为误差项，且服从正态分布N(0，σ2)；β0，β1，β2，...，βm为这m+1个自变量的系数，对m组实际观测到的样本数据引入矩阵记号：
Figure BDA0002233269960000022
其中X为模型设计矩阵，Y是随机向量，并且有：
Y～Nn(XB，σ2)，ε～Nn(0，σ2En)，En为n阶单位矩阵；
因此得到包含n个样本的回归模型为：
Figure BDA0002233269960000031
其中，ε是不可观测到的随机误差向量，B是回归系数构成的向量；
利用最小二乘法估计回归参数：
设βj′为βj的估计值，i＝1，2，…，n，则当βj为βj′时的误差平方和为：
Figure BDA0002233269960000032
根据极限定理，当Q对B中各参数的偏导数为0时Q取得最小，即：
Figure BDA0002233269960000033
根据式
Figure BDA0002233269960000034
m求解得：
Figure BDA0002233269960000035
其中，j＝1，2，…，m；
经过整理之后得到正规方程组为：
XTXB＝XTY
由线性代数的知识可知当X为满秩时，所述正规方程组的解为：
Figure BDA0002233269960000036
根据
Figure BDA0002233269960000037
求得的实时转动角度、挠度或相邻两桥间的最小距离。
可选的，所述根据每个桥体的转速进行回归预判，当得到的回归预判结果满足预设预警告警条件时，所述控制模块发出预警告警信息及控制命令，具体包括：
计算所述实时转动角度对时间的一次导数，得到实时转速；
将所述实时转速与所述转体状态预警单元内置的转速阈值进行比较，当实时转速大于转速阈值时发出预警告警信息及控制指令，否则不发出预警告警信息及控制指令。
可选的，所述系统还包括三维监测平台，所述三维监测平台用于根据实时采集的桥梁姿态数据自动调整梁体形态和位置，形成与现场桥梁转体过程一致的虚拟空间BIM模型。
可选的，所述三维监测平台通过MQTT协议与云端服务器通讯连接，实时接收所述控制模块传回的各种监测数据，并根据每个桥梁的位置调整所述三维监测平台中对应桥梁的位置。
可选的，所述卫星定位解算单元包括观测数据采集装置和定位解算模块，所述观测数据采集装置包括一基站和若干卫星定位接收机，所述基站布设于桥梁施工现场，每一所述卫星定位接收机布设于远离每座转动桥墩的一侧转体桥面上，所述卫星定位接收机与所述基站通信连接，所述卫星定位接收机用于接收多颗卫星的原始观测数据；所述定位解算模块用于基带信号处理和信号导航解算；其中所述基带信号处理包括对卫星信号的二维搜索、捕获、跟踪、伪距计算和导航数据解码；实时信号导航解算包括根据所述导航数据中的星历参数实时进行各可视卫星位置计算；根据导航数据中各误差参数进行星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响和信号传输误差的计算，并将星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响和信号传输误差从伪距中消除；根据消除误差后的数据结果解算所述卫星定位接收机的位置、速度和时间；结合所述卫星定位接收机的位置、速度和时间以及桥梁本身的尺寸位置参数计算每座单体桥的转动角度及挠度。
可选的，所述根据消除误差后的数据结果解算所述卫星定位接收机的位置、速度和时间的步骤具体包括：
①计算归化时间tk：
tk＝t-toe
t表示当前对应的t时刻；
toe表示星历参考时间；
②计算观测时刻的平近点角Mk：
Figure BDA0002233269960000051
M0：toe时的平近点角；
n：校正后的卫星平均角速度；
n0：假想卫星的平均角速度；
Δn：平均运动角速度值；
GM：地球引力与地球质量乘积，可参考WGS-84的基本大地参数；
as：卫星轨道长半轴；
③计算偏近点角Ek：
Ek＝Mk+es sin(Ek-1)
注：此公式为迭代公式，将Ek的迭代初始值E0置为Mk；
es：轨道偏心率；
④计算卫星矢径rk：
rk＝as(1-es cos Ek)+Φk
⑤计算卫星真近点角Vk：
Figure BDA0002233269960000052
⑥计算升交点角距Φk：
Φk＝Vk+ωω：轨道近地角距；
⑦计算摄动改正项δuk，δrk，δik：
δuk＝Cus sin(2Φk)+Cuc cos(2Φk)
δrk＝Crs sin(2Φk)+Crc cos(2Φk)
δik＝Cis sin(2Φk)+Cic cos(2Φk)
Cus：升交点角距正弦调和校正振幅；
Cuc：升交点角距余弦调和校正振幅；
Crs：轨道半径正弦调和校正振幅；
Crc：轨道半径余弦调和校正振幅；
Cis：轨道倾角正弦调和校正振幅；
Cic：轨道倾角余弦调和校正振幅；
⑧计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星矢径rk、轨道倾角ik：
uk＝Φk+δuk
rk＝as(1-es cos Ek)+Φk
Figure BDA0002233269960000061
i0：toe时的轨道倾角；
Figure BDA0002233269960000062
轨道倾角对时间的变化率；
⑨计算观测时刻的升交点经度Ωk：
Figure BDA0002233269960000063
Ω0：周内时等于0时的轨道升交点赤经；
Figure BDA0002233269960000064
地球自转角速度；
⑩计算卫星在地心坐标系中的位置(xk，yk，zk)：
xk＝x′k cos Ωk-y′k cos ik sin Ωk
xk＝x′k sin Ωk+y′k cos ik cos Ωk
xk＝y′k sin ik
其中(x′k，y′k)表示发射时刻卫星在轨道平面的位置，由极坐标(rk，uk)转换成轨道平面坐标系中的坐标得到：
x′k＝rk cos uk
y′k＝rk sin uk。
可选的，所述下位机中配置有伺服程序，所述伺服程序通过DDE通讯协议与所述下位机通讯，实时读取所述下位机接收的信息，再将所述下位机接收的信息通过MQTT协议借助4G传输协议上传到云端服务器，同时通过MQTT协议接收所述控制模块发出的控制指令，并将所述控制指令透传给所述下位机，所述下位机按照所述控制指令控制所述液压执行装置驱动桥梁转体转动。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于卫星定位的桥梁转体监控系统包括卫星定位解算单元和液压控制单元；卫星定位解算单元用于采集转体桥梁的卫星原始观测数据，并对卫星原始观测数据进行定位解算，根据解算后的观测数据和桥梁尺寸数据计算单体桥的姿态数据，并将姿态数据传输至云端服务器；液压控制单元包括液压执行装置、下位机、控制模块；下位机实时获取液压执行装置的运行状态参数，并上传至云端服务器，控制模块根据云端服务器中的姿态数据和运行状态参数得到液压执行装置的控制指令，控制指令通过云端服务器传输至下位机，下位机根据接收到的控制指令控制液压执行装置驱动桥梁转体转动。本发明实现对整个转体过程的监测、控制，为整个转体过程的安全顺利的提供保障。
另外，本发明在转动桥体的两端分别安装高精度卫星定位接收机，实时感知转动桥体的姿态，运用机器学习回归预测算法实时计算转体桥的转动角度，预测桥梁转体的进展尤其在多个桥梁同时转体过程中避免转体桥的碰撞，并能和液压控制单元进行通讯，获取液压执行装置的运行状态参数，根据转体的需要对液压执行装置发送启动、停止牵引命令，调整转动的速度。本发明还提供了基于数字孪生的三维监测平台能在监测平台展示和施工现场同步的三维场景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于卫星定位的桥梁转体监控系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于卫星定位的桥梁转体监控系统，以实现对桥梁转体施工过程进行精确且实时地自动监控，确保桥梁转体的顺利进行且减少人力物力。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本实施例提供的基于卫星定位的桥梁转体监控系统包括卫星定位解算单元、液压控制单元、转体状态预警单元和三维监测平台。
该卫星定位解算单元用于采集转体桥梁的卫星原始观测数据，并对所述卫星原始观测数据进行定位解算，根据解算后的观测数据和桥梁尺寸数据计算单体桥的姿态数据，并将所述姿态数据传输至云端服务器；所述姿态数据包括转动角度和挠度。
具体的，该卫星定位解算单元包括观测数据采集装置和定位解算模块。该观测数据采集装置包括一基站和若干卫星定位接收机，所述基站布设于桥梁施工现场，每一所述卫星定位接收机布设于远离每座转动桥墩的一侧转体桥面上，所述卫星定位接收机与所述基站通信连接，所述卫星定位接收机用于接收多颗卫星的原始观测数据。为了实现对转体桥梁姿态位置的精准测量，采用基站+流动站的方式进行测量，在施工现场周边空旷地带稳定位置布设基站一台，每座转体桥面上远离转动桥墩一侧布设高精度卫星定位接收机。这样在基础数据的获得上保证了数据的准确，也为后续数据的处理奠定了基础。
该定位解算模块用于基带信号处理和信号导航解算；其中所述基带信号处理包括对卫星信号的二维搜索、捕获、跟踪、伪距计算和导航数据解码；实时信号导航解算包括根据所述导航数据中的星历参数实时进行各可视卫星位置计算；根据导航数据中各误差参数进行星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响和信号传输误差的计算，并将星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响和信号传输误差从伪距中消除；根据消除误差后的数据结果解算所述卫星定位接收机的位置、速度和时间；结合所述卫星定位接收机的位置、速度和时间以及桥梁本身的尺寸位置参数计算每座单体桥的转动角度及挠度。
需要说明的是，由于卫星的观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气(电离层、对流层)传播延迟、多路径效应等误差，因此在进行定位计算时，对这些误差进行修正就可以提高最终的定位精度，传统的定位算法中已经能够实现对这些误差的修正。此外，除了上述误差外，卫星和接收机在接收各种信号时也会由于其本身的硬件原因产生延时，称为硬件延时偏差(或硬件延迟偏差)，不过此类硬件延时偏差造成的定位精度影响相对于上述的大气传播延迟等误差较小，因此传统的定位算法中并未对此类硬件延时偏差进行修正。虽然传统定位算法在一般情况下的定位精度已经足够，但是在一些特定的应用场景，例如控制测量和工程放样中，对定位精度的需求更高，因此，本申请还需要利用在先专利申请名称为“卫星定位中的硬件延时偏差的修正方法、装置和设备”消除卫星定位中的硬件延时偏差，以保证卫星定位解算结果尽可能的精确，为后续数据处理奠定准确性的基础。
在先专利申请“卫星定位中的硬件延时偏差的修正方法、装置和设备”的主要技术方案如下：
卫星定位中的硬件延时偏差的修正方法包括：
获取接收机在预设时间段内接收自多颗卫星的原始观测数据；
基于原始观测方程，分别对所述原始观测数据中的两个信号进行无几何组合，以消除频率无关项参数，得到频率相关项参数；
当两个信号为相同频率时，基于零基准方法对所述频率相关项参数进行分离处理，以分别得到相同频率的卫星硬件延时偏差参数和接收机硬件延时偏差参数；
对所述卫星硬件延时偏差参数进行广播时间群延参数修正，得到卫星硬件延时偏差修正参数，以及以所述接收机硬件延时偏差参数作为接收机硬件延时偏差修正参数。
该技术方案中，首先将接收机与卫星之间的原始观测数据进行无几何组合从而得到频率相关项参数，并基于零基准原理将频率相关项参数分离处理，得到卫星和接收机各自的硬件延时偏差参数，从而能够对得到的硬件延时偏差参数进行修正，因此，进一步的，能够提高传统的卫星定位算法的定位精度。
进一步的，上述的根据消除误差后的数据结果解算所述卫星定位接收机的位置、速度和时间的步骤具体包括：
①计算归化时间tk：
tk＝t-toe
t表示当前对应的t时刻；
toe表示星历参考时间，由卫星星历参数(即原始观测数据)给出；
②计算观测时刻的平近点角Mk：
Figure BDA0002233269960000101
M0：toe时的平近点角，由卫星星历参数给出；
n：校正后的卫星平均角速度；
n0：假想卫星的平均角速度；
Δn：平均运动角速度值，由卫星星历参数给出；
GM：地球引力与地球质量乘积，可参考WGS-84的基本大地参数；
as：卫星轨道长半轴，由卫星星历参数给出；
③计算偏近点角Ek：
Ek＝Mk+es sin(Ek-1)
注：此公式为迭代公式，将Ek的迭代初始值E0置为Mk；
es：轨道偏心率；
④计算卫星矢径rk：
rk＝as(1-es cos Ek)+Φk
⑤计算卫星真近点角Vk：
Figure BDA0002233269960000111
⑥计算升交点角距Φk：
Φk＝Vk+ω
ω：轨道近地角距，由卫星星历参数给出；
⑦计算摄动改正项δuk，δrk，δik：
δuk＝Cus sin(2Φk)+Cuc cos(2Φk)
δrk＝Crs sin(2Φk)+Crc cos(2Φk)
δik＝Cis sin(2Φk)+Cic cos(2Φk)
Cus：升交点角距正弦调和校正振幅，由卫星星历参数给出；
Cuc：升交点角距余弦调和校正振幅，由卫星星历参数给出；
Crs：轨道半径正弦调和校正振幅，由卫星星历参数给出；
Crc：轨道半径余弦调和校正振幅，由卫星星历参数给出；
Cis：轨道倾角正弦调和校正振幅，由卫星星历参数给出；
Cic：轨道倾角余弦调和校正振幅，由卫星星历参数给出；
⑧计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星矢径rk、轨道倾角ik：
uk＝Φk+δuk
rk＝as(1-es cos Ek)+Φk
Figure BDA0002233269960000112
i0：toe时的轨道倾角，由卫星星历参数给出；
Figure BDA0002233269960000121
轨道倾角对时间的变化率，由卫星星历参数给出；
⑨计算观测时刻的升交点经度Ωk：
Figure BDA0002233269960000122
Ω0：周内时等于0时的轨道升交点赤经，由卫星星历参数给出；
Figure BDA0002233269960000123
地球自转角速度，可参考WGS-84的基本大地参数；
⑩计算卫星在地心坐标系中的位置(xk，yk，zk)：
xk＝x′k cos Ωk-y′k cos ik sin Ωk
xk＝x′k sin Ωk+y′k cos ik cos Ωk
xk＝y′k sin ik
其中(x′k，y′k)表示发射时刻卫星在轨道平面的位置，由极坐标(rk，uk)转换成轨道平面坐标系中的坐标得到：
x′k＝rk cos uk
y′k＝rk sin uk
该液压控制单元包括液压执行装置、下位机、控制模块；所述液压执行装置作用于桥梁转体，所述下位机与所述液压执行装置连接，所述控制模块与所述下位机通信连接；所述下位机实时获取所述液压执行装置的运行状态参数，并上传至所述云端服务器，所述控制模块根据所述云端服务器中的所述姿态数据和所述运行状态参数得到所述液压执行装置的控制指令，所述控制指令通过所述云端服务器传输至所述下位机，所述下位机根据接收到的控制指令控制所述液压执行装置驱动桥梁转体转动。
每个桥梁转体的实际动力来自于每个转体桥下的配备的液压执行装置，要想实现对桥梁转体过程的控制就必须与控制模块相互通信。为此本实施例包含一伺服程序，实现与控制模块相互通信，该伺服程序获取到信息后实时的传输到云端服务器，同时接收云端服务器发来的控制命令，并下发控制命令给液压执行装置驱动桥梁转体运动，实现对桥梁转体的自动控制。
具体的，该伺服程序安装部署在下位机中，所述伺服程序通过DDE通讯协议与所述下位机通讯，实时读取所述下位机接收的信息，再将所述下位机接收的信息通过MQTT协议借助4G传输协议上传到云端服务器，同时通过MQTT协议接收所述控制模块发出的控制指令，并将所述控制指令透传给所述下位机，所述下位机按照所述控制指令控制所述液压执行装置驱动桥梁转体转动。
其中，DDE(Dynamic Data Exchange，DDE)通讯协议是一种动态数据交换协议，在Microsoft Windows运行环境下客户机应用程序向当前所激活的服务器应用程序发送一条消息请求信息，服务器应用程序根据该信息作出应答，从而实现两个程序之间的数据交换。
DDE的工作原理是：两个同时运行的程序间通过DDE通讯协议交换数据时是客户/伺服器关系，一旦客户和伺服器建立起来连接关系，则当伺服器中的数据发生变化后就会马上通知客户。通过DDE方式建立的数据连接通道是双向的，即客户不但能够读取伺服器中的数据，而且可以对其进行修改。
DDE和剪贴板一样既支持标准数据格式(如文本、点阵图等)，又可以支持自定义的数据格式。但它们的数据传输机制却不同，一个明显区别是剪贴板操作几乎总是用作对用户指定操作的一次性应答，如从菜单中选择粘贴命令。尽管DDE也可以由用户启动，但它继续发挥作用，一般不必用户进一步干预。
MQTT(消息队列遥测传输)是ISO标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议。它工作在TCP/IP协议族上，是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议，为此，它需要一个消息中间件。
需要说明的是，该伺服程序可以采用C#语言编制，链接DDE服务器后可以方便的进行通讯。在该伺服程序中，控制指令通过client.Poke(″r1c1″，″1″，60000)进行下发。
另外，考虑到有些液压执行装置会位于深基坑内，本实施例可以增加4G信号增强设备，部署在基坑外保障数据传输的信号稳定。
该转体状态预警单元用于从所述云端服务器中获取所述桥梁尺寸数据、所述姿态数据和所述运行状态参数，调用机器学习回归预测算法对所述桥梁尺寸数据、所述姿态数据和所述运行状态参数进行分析计算，得到每个桥梁的实时的转动角度、挠度和相邻两桥间的最小距离；并根据每个桥体的转速进行回归预判，当得到的回归预判结果满足预设预警告警条件时，所述控制模块发出预警告警信息及控制命令，所述控制命令为调整桥梁转体至非预设预警告警条件得状态的命令。
具体的，上述机器学习回归预测算法如下：
其中，回归模型为：
Figure BDA0002233269960000141
其中，x1，x2，...，xn为n个自变量，所述自变量为t时刻n个监测点的转动角度、挠度或相邻两桥间的最小距离，ε为误差项，且服从正态分布N(0，σ2)；β0，β1，β2，...，βm为这m+1个自变量的系数，对m组实际观测到的样本数据引入矩阵记号：
Figure BDA0002233269960000142
其中X为模型设计矩阵，Y是随机向量，并且有：
Y～Nn(XB，σ2)，ε～Nn(0，σ2En)，En为n阶单位矩阵；
因此得到包含n个样本的回归模型为：
Figure BDA0002233269960000143
其中，ε是不可观测到的随机误差向量，B是回归系数构成的向量；
利用最小二乘法估计回归参数：
设βj′为βj的估计值，i＝1，2，…，n，则当βj为βj′时的误差平方和为：
Figure BDA0002233269960000144
根据极限定理，当Q对B中各参数的偏导数为0时Q取得最小，即：
Figure BDA0002233269960000151
根据式
Figure BDA0002233269960000152
m求解得：
Figure BDA0002233269960000153
其中，j＝1，2，…，m；
经过整理之后得到正规方程组为：
XTXB＝XTY
由线性代数的知识可知当X为满秩时，所述正规方程组的解为：
Figure BDA0002233269960000154
根据
Figure BDA0002233269960000155
求得的实时转动角度、挠度或相邻两桥间的最小距离。
那么，根据每个桥体的转速进行回归预判，当得到的回归预判结果满足预设预警告警条件时，所述控制模块发出预警告警信息及控制命令，具体包括：
计算所述实时转动角度对时间的一次导数，得到实时转速；
将所述实时转速与所述转体状态预警单元内置的转速阈值进行比较，当实时转速大于转速阈值时发出预警告警信息及控制指令，否则不发出预警告警信息及控制指令。
具体的，预警告警信息首先发送至云端服务器，然后由云端服务器分别发送至液压控制单元对桥梁转体进行调整达到非预设预警告警条件的状态、及三维监测平台形成可视化BIM模型和直接阅读的文本信息。文本信息也可以通过4G以短信或者Email形式发送至用户端。
在桥梁转体施工期间，可实时在系统模型中看到梁体位置信息，并对重点关注的参数位置单独显示。本系统可将实测的坐标参数及高程转化为各工程采用的坐标系或以桥墩转动中心为原点的极坐标系。并自动计算其已转角度、转体瞬时速度、转体平均速度、剩余待转角度，并结合天窗期剩余时间计算未来最小转速。
该三维监测平台用于根据实时采集的桥梁姿态数据自动调整梁体形态和位置，形成与现场桥梁转体过程一致的虚拟空间BIM模型。
具体的，该三维监测平台是利用数字孪生Digital Twin技术，充分利用物理模型、传感器更新、运行实况等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，实现真实施工与虚拟空间BIM模型的完全一致，并在此基础上实现两者的联动显示。进一步的，三维监测平台通过MQTT协议与云端服务器通讯连接，实时接收所述控制模块传回的各种监测数据，并根据每个桥梁的位置调整所述三维监测平台中对应桥梁的位置。
三维监测平台的三维显示部分基于1：1的BIM模型通过云庐的轻量化引擎进行模型轻量化处理，经过轻量化的处理可以降低对运行监测平台机器的硬件要求，提高显示效率。监测平台采用Unity3d开发工具来实现，能够对三维模型和周边场景进行渲染和优化处理。
三维监测平台和云端服务端通过MQTT协议进行通讯，实时的接收从云端服务器端传回来的监测数据，并根据每个桥的转体角度控制模型中桥梁的位置，实现监测平台的场景和现实中的场景保持一致。
综上，该基于卫星定位的桥梁转体监控系统能够实时获取每个转体桥梁的位置和挠度信息，实时获取每个液压执行装置的运行状态参数，并将这些信息同步的显示在三维展示平台中，三维展示平台根据这些信息驱动模型中各桥梁的转动情况达到和现场一致的效果。该监控系统根据各方汇集的信息进行人工智能学习给出相应的预警告警信息，并根据系统设定进行相应控制命令的下发，从而实现对整个转体过程的监测、控制，为整个转体过程的安全顺利的提供保障。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于卫星定位的桥梁转体监控系统，其特征在于，所述系统包括：
卫星定位解算单元，用于采集转体桥梁的卫星原始观测数据，并对所述卫星原始观测数据进行定位解算，根据解算后的观测数据和桥梁尺寸数据计算单体桥的姿态数据，并将所述姿态数据传输至云端服务器；所述姿态数据包括转动角度和挠度；
液压控制单元，包括液压执行装置、下位机、控制模块；所述液压执行装置作用于桥梁转体，所述下位机与所述液压执行装置连接，所述控制模块与所述下位机通信连接；所述下位机实时获取所述液压执行装置的运行状态参数，并上传至所述云端服务器，所述控制模块根据所述云端服务器中的所述姿态数据和所述运行状态参数得到所述液压执行装置的控制指令，所述控制指令通过所述云端服务器传输至所述下位机，所述下位机根据接收到的控制指令控制所述液压执行装置驱动桥梁转体转动。
2.根据权利要求1所述的基于卫星定位的桥梁转体监控系统，其特征在于，所述系统还包括转体状态预警单元，所述转体状态预警单元用于从所述云端服务器中获取所述桥梁尺寸数据、所述姿态数据和所述运行状态参数，调用机器学习回归预测算法对所述桥梁尺寸数据、所述姿态数据和所述运行状态参数进行分析计算，得到每个桥梁的实时的转动角度、挠度和相邻两桥间的最小距离；并根据每个桥体的转速进行回归预判，当得到的回归预判结果满足预设预警告警条件时，所述控制模块发出预警告警信息及控制命令，所述控制命令为调整桥梁转体至非预设预警告警条件的状态的命令。
3.根据权利要求2所述的基于卫星定位的桥梁转体监控系统，其特征在于，所述机器学习回归预测算法中的回归模型为：
Figure FDA0002233269950000011
其中，x1，x2，...，xn为n个自变量，所述自变量为t时刻n个监测点的转动角度、挠度或相邻两桥间的最小距离，ε为误差项，且服从正态分布N(0，σ2)；β0，β1，β2，…，βm为这m+1个自变量的系数，对m组实际观测到的样本数据引入矩阵记号：
Figure FDA0002233269950000021
其中X为模型设计矩阵，Y是随机向量，并且有：
y～Nn(XB，σ2)，ε～Nn(0，σ2En)，En为n阶单位矩阵；
因此得到包含n个样本的回归模型为：
Figure FDA0002233269950000022
其中，ε是不可观测到的随机误差向量，B是回归系数构成的向量；
利用最小二乘法估计回归参数：
设βj'为βj的估计值，i＝1，2，…，n，则当βj为βj'时的误差平方和为：
Figure FDA0002233269950000023
根据极限定理，当Q对B中各参数的偏导数为0时Q取得最小，即：
Figure FDA0002233269950000024
根据式
Figure FDA0002233269950000025
m求解得：
Figure FDA0002233269950000026
其中，j＝1，2，…，m；
经过整理之后得到正规方程组为：
XTXB＝XTY
由线性代数的知识可知当X为满秩时，所述正规方程组的解为：
Figure FDA0002233269950000031
根据
Figure FDA0002233269950000032
求得的实时转动角度、挠度或相邻两桥间的最小距离。
4.根据权利要求3所述的基于卫星定位的桥梁转体监控系统，其特征在于，所述根据每个桥体的转速进行回归预判，当得到的回归预判结果满足预设预警告警条件时，所述控制模块发出预警告警信息及控制命令，具体包括：
计算所述实时转动角度对时间的一次导数，得到实时转速；
将所述实时转速与所述转体状态预警单元内置的转速阈值进行比较，当实时转速大于转速阈值时发出预警告警信息及控制指令，否则不发出预警告警信息及控制指令。
5.根据权利要求1所述的基于卫星定位的桥梁转体监控系统，其特征在于，所述系统还包括三维监测平台，所述三维监测平台用于根据实时采集的桥梁姿态数据自动调整梁体形态和位置，形成与现场桥梁转体过程一致的虚拟空间BIM模型。
6.根据权利要求5所述的基于卫星定位的桥梁转体监控系统，其特征在于，所述三维监测平台通过MQTT协议与云端服务器通讯连接，实时接收所述控制模块传回的各种监测数据，并根据每个桥梁的位置调整所述三维监测平台中对应桥梁的位置。
7.根据权利要求1所述的基于卫星定位的桥梁转体监控系统，其特征在于，所述卫星定位解算单元包括观测数据采集装置和定位解算模块，所述观测数据采集装置包括一基站和若干卫星定位接收机，所述基站布设于桥梁施工现场，每一所述卫星定位接收机布设于远离每座转动桥墩的一侧转体桥面上，所述卫星定位接收机与所述基站通信连接，所述卫星定位接收机用于接收多颗卫星的原始观测数据；所述定位解算模块用于基带信号处理和信号导航解算；其中所述基带信号处理包括对卫星信号的二维搜索、捕获、跟踪、伪距计算和导航数据解码；实时信号导航解算包括根据所述导航数据中的星历参数实时进行各可视卫星位置计算；根据导航数据中各误差参数进行星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响和信号传输误差的计算，并将星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响和信号传输误差从伪距中消除；根据消除误差后的数据结果解算所述卫星定位接收机的位置、速度和时间；结合所述卫星定位接收机的位置、速度和时间以及桥梁本身的尺寸位置参数计算每座单体桥的转动角度及挠度。
8.根据权利要求7所述的基于卫星定位的桥梁转体监控系统，其特征在于，所述根据消除误差后的数据结果解算所述卫星定位接收机的位置、速度和时间的步骤具体包括：
①计算归化时间tk：
tk＝t-toe
t表示当前对应的t时刻；
toe表示星历参考时间；
②计算观测时刻的平近点角Mk：
Figure FDA0002233269950000041
M0：toe时的平近点角；
n：校正后的卫星平均角速度；
n0：假想卫星的平均角速度；
Δn：平均运动角速度值；
GM：地球引力与地球质量乘积，可参考WGS-84的基本大地参数；
as：卫星轨道长半轴；
③计算偏近点角Ek：
Ek＝Mk+es sin(Ek-1)
注：此公式为迭代公式，将Ek的迭代初始值E0置为Mk；
es：轨道偏心率；
④计算卫星矢径rk：
rk＝as(1-es cosEk)+Φk
⑤计算卫星真近点角Vk：
Figure FDA0002233269950000051
⑥计算升交点角距Φk：
Φk＝Vk+ω
ω：轨道近地角距；
⑦计算摄动改正项δuk，δrk，δik：
δuk＝Cus sin(2Φk)+Cuc cos(2Φk)
δrk＝Crs sin(2Φk)+Crc cos(2Φk)
δik＝Cis sin(2Φk)+Cic cos(2Φk)
Cus：升交点角距正弦调和校正振幅；
Cuc：升交点角距余弦调和校正振幅；
Crs：轨道半径正弦调和校正振幅；
Crc：轨道半径余弦调和校正振幅；
Cis：轨道倾角正弦调和校正振幅；
Cic：轨道倾角余弦调和校正振幅；
⑧计算经过摄动改正的升交距角uk、卫星矢径rk、轨道倾角ik：
uk＝Φk+δuk
rk＝as(1-es cos Ek)+Φk
Figure FDA0002233269950000052
i0：toe时的轨道倾角；
Figure FDA0002233269950000061
轨道倾角对时间的变化率；
⑨计算观测时刻的升交点经度Ωk：
Figure FDA0002233269950000062
Ω0：周内时等于0时的轨道升交点赤经；
Figure FDA0002233269950000063
地球自转角速度；
⑩计算卫星在地心坐标系中的位置(xk，yk，zk)：
xk＝x’k cos Ωk-y’k cos ik sinΩk
xk＝x’k sinΩk+y’k cos ik cosΩk
xk＝y’k sin ik
其中(x’k，y’k)表示发射时刻卫星在轨道平面的位置，由极坐标(rk，uk)转换成轨道平面坐标系中的坐标得到：
x’k＝rk cos uk
y’k＝rk sin uk。
9.根据权利要求1所述的基于卫星定位的桥梁转体监控系统，其特征在于，所述下位机中配置有伺服程序，所述伺服程序通过DDE通讯协议与所述下位机通讯，实时读取所述下位机接收的信息，再将所述下位机接收的信息通过MQTT协议借助4G传输协议上传到云端服务器，同时通过MQTT协议接收所述控制模块发出的控制指令，并将所述控制指令透传给所述下位机，所述下位机按照所述控制指令控制所述液压执行装置驱动桥梁转体转动。
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