CN113697677A - 一种基于5g技术的智能塔机的远程监控系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利属于智能塔机技术领域，具体涉及一种基于5G技术的智能塔机的远程监控系统和方法，所述监控系统包括控制室，所述控制室内安装有数据采集控制器；所述塔机上安装有执行机构，所述数据采集控制器装有5G模组，还包括多个5G基站、遥控手柄和决策支持装置；所述5G基站安装在塔机顶部；所述塔机上部周向安装有多个测距雷达，多个所述测距雷达的输出端分别与决策支持装置无线通信连接；所述遥控手柄配置为由地面的现场操作者手持，所述遥控手柄安装有微处理器一、5G模组、定位器一、触摸屏和电源；相比现有技术，利用基于5G技术的智能塔机的远程监控系统，能够实现塔机的无人化和智能化，能够提高塔机自动化程度。

Description

一种基于5G技术的智能塔机的远程监控系统和方法

技术领域

本发明专利属于智能塔机技术领域，具体涉及一种基于5G技术的智能塔机的远程监控系统和方法。

背景技术

随着国家大力推进智能化、信息化，塔机智能化远远落后于其他行业，如港口已实现无人化，但是塔机尚未实现无人化和智能化。塔机司机极端欠缺，人工费年年上涨，信号工和塔机司机在实际工作过程中也存在沟通不畅，造成塔机不按指挥运行，塔机行业也呼唤智能塔机的出现。

传统的塔机司机操作存在很多问题：操作时间长、工作简单、重复（一般十多小时，极易疲劳），工作环境恶劣，（传统的驾驶室大概1平米，一层铁皮覆盖，冬冷夏热），塔机司机上下班需攀爬塔机几十米，劳动强度大，并存在一定的安全风险。

塔机群所在工地、港口等环境相对复杂，随着建筑过程的推进或者货物的堆积，建筑物或货物高度不断提升，在加上建筑物本身基本上又是钢筋混凝土的结构或者货物都是以集装箱的形式堆积，塔机群区域的无线信号很容易受到遮挡，并且衰减严重，造成一些无线网络的死区，操作指令无法下发，执行结果难以反馈，对塔机的安全运行造成很大的问题。

发明内容

本发明针对上述的塔机智能化远远落后于其他行业等问题，提供了一种基于5G技术的智能塔机的远程监控系统和方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于5G技术的智能塔机的远程监控系统，包括控制室，所述控制室内安装有数据采集控制器；所述塔机上安装有执行机构，所述执行机构包括回转电机、起升电机和变幅电机；所述数据采集控制器装有5G模组，还包括多个5G基站、遥控手柄和决策支持装置；

所述5G基站安装在塔机顶部；所述塔机上部周向安装有多个测距雷达，多个所述测距雷达的输出端分别与决策支持装置无线通信连接；

所述遥控手柄配置为由地面的现场操作者手持，所述遥控手柄安装有微处理器一、5G模组、定位器一、触摸屏和电源；

所述5G基站和塔机的塔臂上的移动小车上安装有差分定位系统，所述移动小车作为差分定位系统的移动站；所述移动小车正下方安装有吊钩；所述5G基站的坐标已知，通过所述差分定位系统对塔机上的移动小车和吊钩实时位置进行精准定位；所述移动小车和决策支持装置通过网桥三通信连接；

所述决策支持装置安装在塔机的塔臂上，通过网桥一与控制室无线连接；所述决策支持装置包括微处理器二，所述决策支持装置与塔机的执行机构通信连接。

作为优选，所述5G基站安装有GPS接收机主机一、GPS接收机电源一、GPS天线、GPS控制记录器一、交换机一、网桥二发射端和数传电台一；

所述移动小车上安装有GPS接收机主机二、GPS接收机电源二、GPS内置天线、GPS控制记录器二、交换机二、网桥二接收端和数传电台二，所述网桥二接收端接收网桥二发射端发射的信号。

作为优选，所述塔机上安装有风速传感器、高度传感器、幅度传感器、扭矩传感器、倾角传感器和方位传感器，所述风速传感器、高度传感器、幅度传感器、扭矩传感器、倾角传感器和方位传感器通过交换机三与决策支持装置连接。

作为优选，所述遥控手柄内安装有操作者身份验证模块；所述回转电机、起升电机和变幅电机与电源之间分别连接有回转变频器、起升变频器和变幅变频器，所述回转变频器、起升变频器和变幅变频器分别与决策支持装置通信连接。

作为优选，所述决策支持装置输出端与电子凸轮控制器和电子限位开关通信连接，所述电子凸轮控制器和电子限位开关与回转电机、起升电机和变幅电机通信连接。

作为优选，所述塔机上装有三维扫描仪，所述三维扫描仪的输出端与决策支持装置通信连接。

基于所述的基于5G技术的智能塔机的远程监控系统的一种基于5G技术的智能塔机的远程监控方法，包括以下步骤：

步骤一 在安装有塔机群的工地、码头或港口安装多个5G基站，所述5G基站安装在每个塔机的顶部，在塔机群范围内组建起5G网络；

步骤二 地面的现场操作者手持遥控手柄到达待吊运货物处，所述遥控手柄实时将位置信息发送给控制室内的数据采集控制器，所述数据采集控制器根据距离优先原则，分析靠近所述遥控手柄的多个塔机的机械特性和工作状态，然后确定响应塔机，并通过网桥一向响应塔机的决策支持装置发送信号；

步骤三 所述响应塔机的决策支持装置接收遥控手柄和移动小车的位置信息，结合风速传感器、高度传感器、幅度传感器、扭矩传感器、倾角传感器和方位传感器的输出信息以及多个测距雷达的输出信息，所述决策支持装置的微处理器二确定吊钩的移动路线；

步骤四 所述决策支持装置控制回转电机、起升电机和变幅电机动作， 直至吊钩移动到遥控手柄位置；

步骤五 所述决策支持装置根据控制室数据采集控制器发送的待吊运货物重量，或者根据塔机上三维扫描仪的扫描结果，设定执行机构运行的速度和加速度，并将指令发送给回转变频器、起升变频器和变幅变频器；

步骤六 地面的现场操作者手持遥控手柄移动到放货处，重复步骤三和四；

步骤七 现场操作者通过遥控手柄发出放货信息，所述决策支持装置控制起升电机动作，所述吊钩放货；现场操作者通过遥控手柄发出吊钩归位信息，完成本次吊运。

作为优选，所述步骤二中数据采集控制器根据塔机上安装的风速传感器、高度传感器、幅度传感器、扭矩传感器、倾角传感器和方位传感器的输出，判定塔机的工作状态。

作为优选，所述遥控手柄与控制室内的数据采集控制器之间的通信、所述决策支持装置与控制室数据采集控制器之间的通信均采用重传机制和信息加密。

作为优选，当所述决策支持装置接收到控制室的数据采集控制器发送的三条指令中有两条相同指令时，所述决策支持装置执行所述的相同指令。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)利用基于5G技术的智能塔机的远程监控系统，能够实现塔机的无人化和智能化，能够提高塔机自动化程度；

(2)在安装有塔机群的工地、码头或港口安装多个5G基站，且5G基站安装在每个塔机的顶部，在塔机群范围内组建起5G网络，使得塔机群内的通信实现高速度、大容量、低时延和高可靠性；

(3)遥控手柄与控制室内的数据采集控制器之间的通信、决策支持装置与控制室数据采集控制器之间的通信均采用重传机制和信息加密，增加了信息传送的可靠性和安全性；

(4)决策支持装置对接收到的控制室数据采集控制器发送的指令采取三取二加固处理，保证了执行的准确性；

(5)塔机顶部的5G基站和塔机的塔臂上的移动小车上安装差分定位系统，移动小车作为差分定位系统的移动站；移动小车正下方安装有吊钩； 5G基站的坐标已知，通过差分定位系统对塔机上的移动小车和吊钩实时位置进行精准定位；

(6)决策支持装置收到移动小车和吊钩的位置信息，再以遥控手柄的位置作为目标，规划吊钩的移动路线，驱动执行机构动作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，图1为实施例1提供的基于5G技术的智能塔机的远程监控系统示意图，

图2为实施例1提供的基于5G技术的智能塔机的远程监控系统中采用的安全加固技术示意图，

图3为基于5G技术的智能塔机的远程监控系统中遥控手柄示意图，

图4为实施例1提供的基于5G技术的智能塔机的远程监控系统中5G基站、决策支持装置安装位置示意图，

图5为基于5G技术的智能塔机的远程监控系统中不同的传感器的安装位置示意图，

图6为基于5G技术的智能塔机的远程监控系统中数据采集控制器和塔机通信示意图。

附图说明：

1—5G基站，2—决策支持装置，3—移动小车，4—吊钩，5—风速传感器，6—高度传感器，7—幅度传感器，8—扭矩传感器，9—倾角传感器，10—方位传感器。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

实施例1

下面结合附图1-6对本发明作进一步的描述，一种基于5G技术的智能塔机的远程监控系统，如图1、4和6所示，包括控制室，控制室内安装有数据采集控制器；塔机上安装有执行机构，执行机构包括回转电机、起升电机和变幅电机；数据采集控制器装有5G模组，还包括多个5G基站1、遥控手柄和决策支持装置2。

如图4所示，5G基站1安装在塔机顶部；塔机上部周向安装有多个测距雷达，多个测距雷达的输出端分别与决策支持装置2无线通信连接；多个测距雷达为决策支持装置2提供周围障碍物信息，为决策支持装置2确定吊钩4移动路线提供支持。

如图3所示，遥控手柄配置为由地面的现场操作者手持，遥控手柄安装有微处理器一(ARM处理器)、5G模组(MH5000)、定位器一(GPS定位器)、触摸屏和电源。

如图4和6所示，5G基站1和塔机的塔臂上的移动小车3上安装有差分定位系统(GNSS定位系统)，移动小车3作为差分定位系统的移动站；移动小车3正下方安装有吊钩4；5G基站1的坐标已知，通过差分定位系统对塔机上的移动小车3和吊钩4实时位置进行精准定位；移动小车3和决策支持装置2通过网桥三通信连接。

如图4和6所示，决策支持装置2安装在塔机的塔臂上，通过网桥一与控制室无线连接；决策支持装置2包括微处理器二，决策支持装置2与塔机的执行机构通信连接。

网桥可以实现双向数据传输，在传输视频信号时可以作为发射，也可以作为接收，只需要把发射跟接收配对好，设备是可以灵活使用的。

如图6所示，5G基站1安装有GPS接收机主机一、GPS接收机电源一、GPS天线、GPS控制记录器一、交换机一、网桥二发射端和数传电台一；移动小车3上安装有GPS接收机主机二、GPS接收机电源二、GPS内置天线、GPS控制记录器二、交换机二、网桥二接收端和数传电台二，网桥二接收端接收网桥二发射端发射的信号。

差分定位系统(GNSS定位系统)的构成和工作原理为现有技术。

如图5和6所示，塔机上安装有风速传感器5、高度传感器6、幅度传感器7、扭矩传感器8、倾角传感器9和方位传感器10(陀螺仪)，风速传感器5、高度传感器6、幅度传感器7、扭矩传感器8、倾角传感器9和方位传感器10通过交换机三与决策支持装置2连接。

如图3所示，遥控手柄内安装有操作者身份验证模块(指纹验证模块)；回转电机、起升电机和变幅电机与电源之间分别连接有回转变频器、起升变频器和变幅变频器，回转变频器、起升变频器和变幅变频器分别与决策支持装置2通信连接。

变频器的保护功能：(1)过电流保护功能，当变频器由于负载突变、输出侧短路等原因出现过大的电流峰值时，有可能超过主电路电力半导体器件的允许值，此时变频器可采取保护措施限制电流值，或切断主电路的逆变桥，停止变频器的工作，俗称“跳闸”；在实际的电力拖动系统中，大部分负载是经常变动的，短时间过电流也就难以避免。变频器处理过电流的原则是尽量不跳闸，为此设置了防跳闸功能（即防失速功能），只有冲击电流太大或防跳闸功能不能解决问题时，才迅速跳闸。 (2)过载保护功能，此功能主要用于电动机的过载保护。变频器的输出电流超过额定值，且持续时间达到规定时间时，为了防止变频器所驱动的电动机被烧毁，变频器应进行过载保护。过载保护需要反时限特性。

图2中的限位软保护为：决策支持装置2输出端与电子凸轮控制器和电子限位开关通信连接，电子凸轮控制器和电子限位开关与回转电机、起升电机和变幅电机通信连接。电机动作过程中电子凸轮控制器和电子限位开关联合工作限制电机的运转位置，防止电机带动的机械运转越位而发生事故。

塔机上装有三维扫描仪，三维扫描仪的输出端与决策支持装置2通信连接。三维扫描仪的结构输出给决策支持装置2后，决策支持装置2可计算货物的体积，然后根据塔机的本身机械特性，设定执行机构的运行速度和加速度，使塔机最快的速度将货物吊运到指定位置。

基于上述的基于5G技术的智能塔机的远程监控系统的一种基于5G技术的智能塔机的远程监控方法，包括以下步骤：

步骤一 在安装有塔机群的工地、码头或港口安装多个5G基站1，5G基站1安装在每个塔机的顶部，在塔机群范围内组建起5G网络；

步骤二 地面的现场操作者手持遥控手柄到达待吊运货物处，遥控手柄实时将位置信息发送给控制室内的数据采集控制器(利用5G模组通信)，如图1所示，数据采集控制器根据距离优先原则，分析靠近遥控手柄的多个塔机的机械特性和工作状态，然后确定响应塔机，并通过网桥一向响应塔机的决策支持装置2发送信号；

步骤三 如图1和6所示，响应塔机的决策支持装置2接收遥控手柄和移动小车3的位置信息，结合风速传感器5、高度传感器6、幅度传感器7、扭矩传感器8、倾角传感器9和方位传感器10的输出信息以及多个测距雷达的输出信息，决策支持装置2的微处理器二确定吊钩4的移动路线(通过SIFT算法)；

步骤四 决策支持装置2控制回转电机、起升电机和变幅电机动作， 直至吊钩4移动到遥控手柄位置；

步骤五 决策支持装置2根据控制室数据采集控制器发送的待吊运货物重量，或者根据塔机上三维扫描仪的扫描结果，设定执行机构运行的速度和加速度，并将指令发送给回转变频器、起升变频器和变幅变频器；

步骤六 地面的现场操作者手持遥控手柄移动到放货处，重复步骤三和四；

步骤七 现场操作者通过遥控手柄发出放货信息，决策支持装置2控制起升电机动作，吊钩4放货；现场操作者通过遥控手柄发出吊钩4归位信息，完成本次吊运。

步骤二中数据采集控制器根据塔机上安装的风速传感器5、高度传感器6、幅度传感器7、扭矩传感器8、倾角传感器9和方位传感器10的输出，判定塔机的工作状态。

图1中的跳槽检测和2/4绳检测：这是两种监测塔机上的钢丝绳是否在卷筒上的一个实时检测，跳槽检测根据激光雷达监测卷筒钢丝绳实时偏移量信息，监测塔机的钢丝绳是否发生钢丝绳跳出卷筒外的情况。而2/4绳检测是通过激光雷达检测吊钩的滑轮上是两股绳还是四股绳，两股绳和四股绳都可以正常工作，只是两股绳起落速度会快一些，四股绳安全性会高一些。

图1中授权控制过程校准为：授权控制包括塔机操作人员授权和遥控终端授权，塔机操作人员授权一旦塔机驾驶员从驾驶室解放出来，通过遥控手柄远程遥控塔机运作，此时，更容易出现塔机误操作的情况。所以塔机的操作需要更为严格的授权操作，只有通过安全培训，无人塔机操作实训等过程后，取得相应的资格授权才可以进行塔机的操作；遥控手柄授权接入，塔机的遥控手柄和塔机数据采集控制器需要进行相应的绑定，只有塔机数据采集控制器授权的遥控手柄才可以接入数据采集控制器，实现塔机控制。

图1中冗余控制异常处理为：冗余控制异常处理通过编写实现类和接口（HandlerException Resolver处理程序异常解析器）程序保证系统稳定正常运行。

遥控手柄与控制室内的数据采集控制器之间的通信、决策支持装置2与控制室数据采集控制器之间的通信均采用重传机制和信息加密。重传机制是当无线设备校验时钟过程中，ACK超时时(ACK (Acknowledge character），设备会依据自己的校验时钟重传数据包，从而增加传输的可靠性。链路在传输过程中采用对称加密方法，保证数据传输的安全性。

如图2所示，决策支持装置2对接收到的控制室数据采集控制器发送的指令采取三取二加固处理。三取二命令加固处理是指当决策支持装置2收到三条命令时，如果有两条命令相同，则执行此命令，保证了执行的准确性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其他领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于5G技术的智能塔机的远程监控系统，其特征在于，包括控制室，所述控制室内安装有数据采集控制器；所述塔机上安装有执行机构，所述执行机构包括回转电机、起升电机和变幅电机；所述数据采集控制器装有5G模组；

所述远程监控系统还包括多个5G基站(1)、遥控手柄和决策支持装置(2)；

所述5G基站(1)安装在塔机顶部；所述塔机上部周向安装有多个测距雷达，多个所述测距雷达的输出端分别与决策支持装置(2)无线通信连接；

所述遥控手柄配置为由地面的现场操作者手持，所述遥控手柄安装有微处理器一、5G模组、定位器一、触摸屏和电源；

所述5G基站(1)和塔机的塔臂上的移动小车(3)上安装有差分定位系统，所述移动小车(3)作为差分定位系统的移动站；所述移动小车(3)正下方安装有吊钩(4)；所述5G基站(1)的坐标已知并作为差分定位系统的基准站，通过所述差分定位系统对塔机上的移动小车(3)和吊钩(4)实时位置进行精准定位；所述移动小车(3)和决策支持装置(2)通过网桥三通信连接；

所述决策支持装置(2)安装在塔机的塔臂上，通过网桥一与控制室无线连接；所述决策支持装置(2)包括微处理器二，所述决策支持装置(2)与塔机的执行机构通信连接。

2.根据权利要求1所述的基于5G技术的智能塔机的远程监控系统，其特征在于，所述5G基站(1)安装有GPS接收机主机一、GPS接收机电源一、GPS天线、GPS控制记录器一、交换机一、网桥二发射端和数传电台一；

所述移动小车(3)上安装有GPS接收机主机二、GPS接收机电源二、GPS内置天线、GPS控制记录器二、交换机二、网桥二接收端和数传电台二，所述网桥二接收端接收网桥二发射端发射的信号。

3.根据权利要求2所述的基于5G技术的智能塔机的远程监控系统，其特征在于，所述塔机上安装有风速传感器(5)、高度传感器(6)、幅度传感器(7)、扭矩传感器(8)、倾角传感器(9)和方位传感器(10)，所述风速传感器(5)、高度传感器(6)、幅度传感器(7)、扭矩传感器(8)、倾角传感器(9)和方位传感器(10)通过交换机三与决策支持装置(2)连接。

4.根据权利要求3所述的基于5G技术的智能塔机的远程监控系统，其特征在于，所述遥控手柄内安装有操作者身份验证模块；

所述回转电机、起升电机和变幅电机与电源之间分别连接有回转变频器、起升变频器和变幅变频器，所述回转变频器、起升变频器和变幅变频器分别与决策支持装置(2)通信连接。

5.根据权利要求4所述的基于5G技术的智能塔机的远程监控系统，其特征在于，所述决策支持装置(2)输出端与电子凸轮控制器和电子限位开关通信连接，所述电子凸轮控制器和电子限位开关与回转电机、起升电机和变幅电机通信连接。

6.根据权利要求5所述的基于5G技术的智能塔机的远程监控系统，其特征在于，所述塔机上装有三维扫描仪，所述三维扫描仪的输出端与决策支持装置(2)通信连接。

7.基于权利要求6所述的基于5G技术的智能塔机的远程监控系统的一种基于5G技术的智能塔机的远程监控方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一 在安装有塔机群的工地、码头和/或港口安装多个5G基站(1)，所述5G基站(1)安装在每个塔机的顶部，在塔机群范围内组建起5G网络；同时每个5G基站(1)的坐标已知并作为差分定位系统的基准站；

步骤二 地面的现场操作者手持遥控手柄到达待吊运货物处，所述遥控手柄实时将位置信息发送给控制室内的数据采集控制器，所述数据采集控制器根据距离优先原则，分析靠近所述遥控手柄的多个塔机的机械特性和工作状态，然后确定响应塔机，并通过网桥一向响应塔机的决策支持装置(2)发送信号；

步骤三 所述响应塔机的决策支持装置(2)接收遥控手柄和移动小车(3)的位置信息，结合风速传感器(5)、高度传感器(6)、幅度传感器(7)、扭矩传感器(8)、倾角传感器(9)和方位传感器(10)的输出信息以及多个测距雷达的输出信息，所述决策支持装置(2)的微处理器二确定吊钩(4)的移动路线；

步骤四 所述决策支持装置(2)控制回转电机、起升电机和变幅电机动作， 直至吊钩(4)移动到遥控手柄位置；

步骤五 所述决策支持装置(2)根据控制室数据采集控制器发送的待吊运货物重量，或者根据塔机上三维扫描仪的扫描结果，设定执行机构运行的速度和加速度，并将指令发送给回转变频器、起升变频器和变幅变频器；

步骤六 地面的现场操作者手持遥控手柄移动到放货处，重复步骤三和四；

步骤七 现场操作者通过遥控手柄发出放货信息，所述决策支持装置(2)控制起升电机动作，所述吊钩(4)放货；现场操作者通过遥控手柄发出吊钩(4)归位信息，完成本次吊运。

8.根据权利要求7所述的基于5G技术的智能塔机的远程监控方法，其特征在于，所述步骤二中数据采集控制器根据塔机上安装的风速传感器(5)、高度传感器(6)、幅度传感器(7)、扭矩传感器(8)、倾角传感器(9)和方位传感器(10)的输出，判定塔机的工作状态。

9.根据权利要求8所述的基于5G技术的智能塔机的远程监控方法，其特征在于，所述遥控手柄与控制室内的数据采集控制器之间的通信、所述决策支持装置(2)与控制室数据采集控制器之间的通信均采用重传机制和信息加密。

10.根据权利要求8或9所述的基于5G技术的智能塔机的远程监控方法，其特征在于，当所述决策支持装置(2)接收到控制室的数据采集控制器发送的三条指令中有两条相同指令时，所述决策支持装置(2)执行所述的相同指令。

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