CN113630452B - 一种组塔施工远程可视化监控系统 - Google Patents

Abstract

一种组塔施工远程可视化监控系统，根据姿态感知系统感知组塔施工状态，利用ZigBee技术将感知数据传递给数据处理系统，数据处理系统根据内置的资料库搭建AutomationML组塔施工数据模型，并结合OPC UA客户端将AutomationML组塔施工数据模型传递至虚拟映射系统，在虚拟映射系统中先完成组塔施工现场到虚拟状态的初步融合，之后采用条件—事件—行为的流程关系实现映射关系，最后通过CEP逻辑模型表达组塔施工运行逻辑，信息服务系统根据虚拟映射系统中的映射信息进行组塔施工实时状态的显示和实时数据统计分析。本发明实现了组塔施工中的远程监控系统人机交换界面可视化，能够实现组塔施工实时状态的显示和实时数据分析，便于施工人员及时对组塔施工现场及时作出判断处理。

Description

一种组塔施工远程可视化监控系统

技术领域

本发明涉及输电线路铁塔施工技术领域，具体涉及一种组塔施工远程可视化监控系统。

背景技术

经济的发展离不开电力能源，电能从发电厂产生到进户使用需经高压架空线远距离传输，组建电力铁塔是支持架空线远距离输电的重要手段。然而，输电铁塔阻力施工复杂、施工环境恶劣，常出现施工安全事故。实现组塔施工的实时远程监控可有效确保组塔施工的顺利进行。然而，传统的组塔施工方式多以二维图表和数据为主，各采集信息反映之后，人机交换窗口可视化程度差，监控人员难以实时掌握组塔施工现场的实际情况，以至于无法及时做出决策与判断。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种组塔施工远程可视化监控系统，实现了组塔施工中的远程监控系统人机交换界面可视化，能够实现组塔施工实时状态的显示和实时数据分析，便于施工人员及时对组塔施工现场及时作出判断处理。

本发明采取的技术方案为：

一种组塔施工远程可视化监控系统，该系统包括：

姿态感知系统，通过拉力传感器、倾角传感器、风速传感器、高度传感器、距离传感器采集组塔施工状态数据，并录入组塔施工人员数量、组立铁塔塔型、牵引设备摆放位置施工现场作业信息数据；

数据处理系统，通过姿态感知系统采集的组塔施工状态数据、施工现场作业信息数据，搭建AutomationML组塔施工数据模型，结合OPC UA客户端，使搭建的AutomationML组塔施工数据模型具备数据传输接口；

虚拟映射系统，依据OPC UA客户端对不同节点数据进行提取，先完成组塔施工现场到虚拟状态的初步融合，然后采用条件—事件—行为的流程关系实现映射关系，最后通过CEP逻辑模型表达组塔施工运行逻辑；

信息服务系统，通过集间关联、因果关联、变量关联3个层次，实现组塔施工实时状态的显示和实时数据分析。

一种组塔施工远程可视化监测方法，根据姿态感知系统感知组塔施工状态，利用ZigBee技术将感知数据传递给数据处理系统，数据处理系统根据内置的资料库搭建AutomationML组塔施工数据模型，并结合OPC UA客户端将AutomationML组塔施工数据模型传递至虚拟映射系统，在虚拟映射系统中先完成组塔施工现场到虚拟状态的初步融合，之后采用条件—事件—行为的流程关系实现映射关系，最后通过CEP逻辑模型表达组塔施工运行逻辑，信息服务系统根据虚拟映射系统中的映射信息进行组塔施工实时状态的显示和实时数据统计分析。

本发明一种组塔施工远程可视化监控系统，技术效果如下：

1)本发明中，AutomationML组塔施工数据模型将组塔施工资源、组塔施工工艺与组塔施工状态进行融入，充分体现组塔施工物理逻辑过程。通过对数据库资源的即时调用与组合体现真实组塔施工过程。

2)本发明中，组塔施工现场到虚拟状态的初步融合，是将组塔施工的真实情况映射到搭建的模型上，以实现组塔施工的远程可视化监管。

3)本发明中，条件—事件—行为的流程关系，即是满足虚拟状态的实时属性与组塔施工现场发生的真实情况符合触发系统执行对应的虚拟状态，以保证虚拟模型可以真实反映组塔施工状态。

4)本发明中，通过CEP逻辑模型，以组塔施工的时间、空间和因果关系来约束逻辑模型的表达。并可据此从复杂的逻辑模型中直接显示组塔施工事故发生的起因。

附图说明

图1为内悬浮抱杆组塔施工各监测传感器安装位置示意图；

图2为组塔施工远程可视化监控系统总体架构图。

图3为组塔施工远程可视化监控系统CEP逻辑模型图。

图1中，a-现场风速监测点，b-起吊绳拉力和吊件高度监测点，c-抱杆工作高度和倾角监测点，d-拉线拉力监测点；

1-起吊绳，2-吊件，3-补强木，4-控制绳，5-拉线，6-抱杆，7-承托绳，8-已租塔身，9-牵引绳。

图3中，A1、B1、C1、D1表示施工器材准备；

A2、B2、C2、D2表示施工人员安排；

A3、B3、C3、D4表示组塔施工过程；

A4、B4、C4、D4表示施工现场环境；

表示事件内工序变化；

表示事件间工序变化。

具体实施方式

在内悬浮抱杆组塔施工过程时，先组立塔腿，然后将抱杆6立于待组立铁塔中心。牵引设备拉动牵引绳9，带动起吊绳1通过抱杆顶部的滑轮提升吊件2。随着已组铁塔8的升高，通过承托绳7提升并支撑抱杆6，逐级完成铁塔组立。为防止抱杆6倾到，通过拉线5维持抱杆6受力平衡。

在起吊塔片过程中，为防止塔片下端与铁塔相撞，通过控制绳4保持二者相聚一定距离。

一种组塔施工远程可视化监控系统，该系统包括：姿态感知系统、数据处理系统、虚拟映射系统、信息服务系统4个子系统。

姿态感知系统，通过拉力传感器、倾角传感器、风速传感器、高度传感器、距离传感器采集组塔施工状态数据，并录入组塔施工人员数量、组立铁塔塔型、牵引设备摆放位置施工现场作业信息数据；

数据处理系统，通过姿态感知系统采集的组塔施工状态数据、施工现场作业信息数据，搭建AutomationML组塔施工数据模型，结合OPC UA客户端，使搭建的AutomationML组塔施工数据模型具备数据传输接口；

数据处理系统采用Matlab软件完成，因组塔施工现场各数据量较为繁杂，将采集的各数据传递到信息接收端后自动导入到Matlab软件中进行分组编号，并记录没一数据接收的时间。

借助RFID和MQTT客户端进行数据传输处理，最终形成OPC UA服务端。

虚拟映射系统，依据OPC UA客户端对不同节点数据进行提取，先完成组塔施工现场到虚拟状态的初步融合，然后采用条件—事件—行为的流程关系实现映射关系，最后通过CEP逻辑模型表达组塔施工运行逻辑；

虚拟映射系统形成的虚拟映射过程在Solidworks软件中体现，首先根据组塔施工数据和图纸搭建组塔施工各部件的3D模型，通过C#语言控制3D模型根据条件—事件—行为的映射关系模拟组塔施工状态。

信息服务系统，通过集间关联、因果关联、变量关联3个层次，实现组塔施工实时状态的显示和实时数据分析。

集间关联是指不同数据集合存在的相互影响关系，如已组塔高与抱杆悬浮高度之间的关系；因果关联是指不同数据集合间存在的直接因果关系，如起吊塔片的大小与起吊绳受力之间的关系；变量关系是指不同数据集合间存在的内在逻辑联系，如组塔施工人员数量与施工故障发生次数间的关系。

信息服务系统的信息服务窗口在Matlab软件中塔建，通过CEP逻辑判断显示组塔施工故障起因、施工进度等信息。

所述拉力传感器，用于监测抱杆拉线5、承托绳7和起吊绳1受力；

倾角传感器，用于监测抱杆6倾斜角度；倾角传感器选用双轴倾角式传感器；

风速传感器，用于监测组塔施工现场风速；风速传感器采用风杯式传感器；

高度传感器，用于监测抱杆6离地高度；高度传感器采用气压高度传感器；

距离传感器，用于监测抱杆6距已租塔身8距离。距离传感器采用UWB式传感器。

所述AutomationML组塔施工数据模型，具体描述为：

ZTC::＝SR_ni+ST_nj+SP_nk

SR_i＝{NU_id,NM_id,R_type,RS_et,ACT_et,RD_et,SI_et}

ST_j＝{NU_id,NM_id,T_type,TS_et,TP_et,TT_et,TC_et}

SP_k＝{NU_id,NM_id,P_type,PL,PP,PC_et,PG_et,SI_et}

其中，ZTC表示组塔施工现场；SR_ni表示组塔施工资源集合，包括加工、运输设备资源；ST_nj表示组塔施工工艺集合，包括铁塔参数；SP_nk表示组塔施工中施工状态的数据；SR_i表示资源集合中第i类资源，各类属性集包括资源编号NU_id、资源名称NM_id、资源类型R_type、状态特性RS_et、动作特性ACT_et、数据集合RD_et、接口集合SI_et；

ST_j表示组塔施工工艺第j类工艺，其中包括工艺编号NU_id、工艺名称NM_id、工艺类型T_type、工艺标准TS_et、工艺程序TP_et、工艺进程TT_et、工艺约束TC_et；

SP_k表示施工状态第k类数据，其中包括数据编号NU_id、数据名称NM_id、数据类型P_type、数据表示的具体信息PL、影响数据变化的信息PP、受数据变化影响的信息PC_et、几何特性PG_et、数据接口集SI_et。

所述组塔施工现场到虚拟状态的初步融合，具体描述为：

ZTX::＝VM_mi+VP_nj+VB_nk+VI_nc

其中，ZTX表示组塔施工虚拟状态，VM_mi表示虚拟状态几何模型集合，VP_nj表示虚拟状态物理属性集合；VB_nk表示虚拟状态动作行为集合；VI_nc表示虚拟状态逻辑模型集合；←表示物理、行为、逻辑在集合模型中进行并联集合；表示自然连接；/>表示组塔施工现场到虚拟状态的一一对应的映射关系。

所述条件—事件—行为的流程关系，具体描述为：

其中，表示需满足的虚拟状态的实时属性集，VE_j表示匹配的事件模式，如果二者匹配满足，则发生动作事件VB_K。

所述CEP逻辑模型，具体描述为：

其中，VE_j,k表示第j类组塔资源的k类基础事件，表示有时间约束的的单个资源内部事件的关联匹配矩阵，T表示时间约束，A_bt表示两个资源间的有向图邻接矩阵；

的展开形式为：

对于采用下式量化：

A_bt的展开形式为：

A_bt＝[a_ij]_n×n；

a_ij表示以V_i为起点，以V_j为终点的组塔施工工艺数量，矩阵的行表示单个组塔施工工位对应下一加工阶段工序情况，矩阵的列表示单个组塔施工工位对应上一加工阶段工序情况；

为组塔施工流程的关联矩阵，其不满秩则代表有组塔施工事故发生；A_bt为各组塔施工流程间的逻辑矩阵，若a_ij＝1，则表示第i个组塔施工流程与第j个组塔施工流程有关。

实施例1：

如图1所示，通过多传感器实时采集内悬浮抱杆组塔施工状态相关数据，并收集组塔施工设备与施工人员信息，采AutomationML对各类数据建立角色库。通过SolidWorks构建组塔施工三维模型。

以起立抱杆组塔施工流程为列，建立了施工流程内部的关联矩阵。起立抱杆具体可分为启动牵引、拉动抱杆、抱杆倾斜、抱杆就位几个状态，其对应的关联矩阵如下所示，因其不满秩，则证明起立抱杆过程存在异常。

结合SolidWorks构建组塔施工三维模型，通过数据库存储的状态信息，在信息服务系统即可及时展示组塔施工抱杆起立过程，并明确风险点。

实施例2：

以起立抱杆、抱杆倾斜、提升塔片、塔片安装的施工流程为例，构建几个流程的逻辑矩阵，逻辑矩阵如下所示。因a₁₂＝1，可推理出因第一个施工流程导致了第二个施工流程异常，及因抱杆倾斜问题导致起吊塔片故障。

Claims (5)

1.一种组塔施工远程可视化监控系统，其特征在于该系统包括：

姿态感知系统，通过拉力传感器、倾角传感器、风速传感器、高度传感器、距离传感器采集组塔施工状态数据，并录入组塔施工人员数量、组立铁塔塔型、牵引设备摆放位置施工现场作业信息数据；

数据处理系统，通过姿态感知系统采集的组塔施工状态数据、施工现场作业信息数据，搭建AutomationML组塔施工数据模型，结合OPC UA客户端，使搭建的AutomationML组塔施工数据模型具备数据传输接口；

所述AutomationML组塔施工数据模型，具体描述为：

ZTC::＝SR_ni+ST_nj+SP_nk

SR_i＝{NU_id,NM_id,R_type,RS_et,ACT_et,RD_et,SI_et}

ST_j＝{NU_id,NM_id,T_type,TS_et,TP_et,TT_et,TC_et}

SP_k＝{NU_id,NM_id,P_type,PL,PP,PC_et,PG_et,SI_et}

其中，ZTC表示组塔施工现场；SR_ni表示组塔施工资源集合，包括加工、运输设备资源；

ST_nj表示组塔施工工艺集合，包括铁塔参数；SP_nk表示组塔施工中施工状态的数据；

SR_i表示资源集合中第i类资源，各类属性集包括资源编号NU_id、资源名称NM_id、资源类型R_type、状态特性RS_et、动作特性ACT_et、数据集合RD_et、接口集合SI_et；

ST_j表示组塔施工工艺第j类工艺，其中包括工艺编号NU_id、工艺名称NM_id、工艺类型T_type、工艺标准TS_et、工艺程序TP_et、工艺进程TT_et、工艺约束TC_et；

SP_k表示施工状态第k类数据，其中包括数据编号NU_id、数据名称NM_id、数据类型P_type、数据表示的具体信息PL、影响数据变化的信息PP、受数据变化影响的信息PC_et、几何特性PG_et、数据接口集SI_et；

虚拟映射系统，依据OPC UA客户端对不同节点数据进行提取，先完成组塔施工现场到虚拟状态的初步融合，然后采用条件—事件—行为的流程关系实现映射关系，最后通过CEP逻辑模型表达组塔施工运行逻辑；

信息服务系统，实现组塔施工实时状态的显示和实时数据分析。

2.根据权利要求1所述一种组塔施工远程可视化监控系统，其特征在于：所述拉力传感器，用于监测抱杆拉线(5)、承托绳(7)和起吊绳(1)受力；

倾角传感器，用于监测抱杆(6)倾斜角度；

风速传感器，用于监测组塔施工现场风速；

高度传感器，用于监测抱杆(6)离地高度；

距离传感器，用于监测抱杆(6)距已租塔身(8)距离。

3.根据权利要求1所述一种组塔施工远程可视化监控系统，其特征在于：所述组塔施工现场到虚拟状态的初步融合，具体描述为：

ZTX::＝VM_mi+VP_nj+VB_nk+VI_nc

其中，ZTX表示组塔施工虚拟状态，VM_mi表示虚拟状态几何模型集合，VP_nj表示虚拟状态物理属性集合；VB_nk表示虚拟状态动作行为集合；VI_nc表示虚拟状态逻辑模型集合；←表示物理、行为、逻辑在集合模型中进行并联集合；表示自然连接；/>表示组塔施工现场到虚拟状态的一一对应的映射关系。

4.根据权利要求1所述一种组塔施工远程可视化监控系统，其特征在于：所述条件—事件—行为的流程关系，具体描述为：

其中，表示需满足的虚拟状态的实时属性集，VE_j表示匹配的事件模式，如果二者匹配满足，则发生动作事件VB_K。

5.根据权利要求1所述一种组塔施工远程可视化监控系统，其特征在于：所述CEP逻辑模型，具体描述为：

其中，VE_j,k表示第j类组塔资源的k类基础事件，表示有时间约束的单个资源内部事件的关联匹配矩阵，T表示时间约束，A_bt表示两个资源间的有向图邻接矩阵；

的展开形式为：

对于采用下式量化：

A_bt的展开形式为：

A_bt＝[a_ij]_n×n；

a_ij表示以V_i为起点，以V_j为终点的组塔施工工艺数量，矩阵的行表示单个组塔施工工位对应下一加工阶段工序情况，矩阵的列表示单个组塔施工工位对应上一加工阶段工序情况；

为组塔施工流程的关联矩阵，其不满秩则代表有组塔施工事故发生；A_bt为各组塔施工流程间的逻辑矩阵，若a_ij＝1，则表示第i个组塔施工流程与第j个组塔施工流程有关。