CN114189932B - 无gps信号施工实时监控管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无GPS信号施工实时监控管理系统，包括无线坐标、终端和施工设备；所述的无线坐标为多个，多个无线坐标在施工现场阵列布置，在无线坐标内设有WiFi芯片，用于发送无线WiFi信号，无线坐标之间的间距小于信号覆盖范围；所述的终端为手机或平板，终端根据无线坐标的信号强度计算终端所在坐标，终端通过无线基站与服务器连接；终端与施工设备绑定，在施工设备设有主控装置，主控装置与终端电连接，并由终端将数据发送至服务器。以广播WIFI信号以及手机作为终端实现坐标定位，定位精度能够达到cm级，大幅降低坐标定位的硬件成本，完全无需采集GPS定位信号，非常适合施工现场对施工设备的智能化管理。
Description
技术领域
本发明涉及水利水电工程的施工管理领域，特别是一种无GPS信号施工实时监控管理系统。
背景技术
大型水力水电工程施工过程中，涉及大量的施工设备，为提高工程质量，现有技术中提出了利用数据库对工程施工过程进行管理，例如CN101582198A中记载了与中心墙堆石坝施工质量实时监控方法，突出了将施工设备的施工参数通过GPRS网络实时发送至远程数据库服务器进行分析和管理，以提高施工管理水平，进而提高施工质量。在管理过程中，需要采用GPS信息对施工设备进行坐标定位，存在的问题是GPS的定位精度较低，通常误差在百米范围内，不能满足工程施工中施工设备的精确定位要求。而且在某些位置例如被山体遮挡的峡谷或者在某些气象条件下例如被云层遮蔽的位置，GPS信号难以被获取。CN101247650A记载了一种在无线传感器网络中基于无线信号强度的节点室内定位方法提出有效无线信号强度与距离的关系曲线，但是该方案中采用的是大规模无线传感器网络，这些设备的产量较少导致布置成本较高，通用性较低，在实际使用过程中通常需要采用特制的PDA，导致整体实施成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无GPS信号施工实时监控管理系统，能够克服现有的无线传感器定位网络布置成本较高的问题，尤其是能够采用常用的手机或者平板作为终端，大幅降低定位网络的布置成本，提高管理系统的可靠性和精确度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种无GPS信号施工实时监控管理系统，包括无线坐标、终端和施工设备；
所述的无线坐标为多个，多个无线坐标在施工现场阵列布置，在无线坐标内设有WiFi芯片，用于发送无线WiFi信号，无线坐标之间的间距小于信号覆盖范围；
所述的终端为手机或平板，终端根据无线坐标的信号强度计算终端所在坐标，终端通过无线基站与服务器连接；
终端与施工设备绑定，在施工设备设有主控装置，主控装置与终端电连接，并由终端将数据发送至服务器。
优选的方案中，以施工现场建立绝对坐标系，在服务器设有坐标表单，坐标表单内设有坐标数据，各个坐标数据与无线坐标的位置相对应，无线坐标广播发送唯一的ID码；
服务器将坐标表单发送至终端；
终端根据排序前三的无线坐标的信号强度计算出相对坐标，然后根据相对坐标求出终端所在的绝对坐标。
优选的方案中，在终端内设置有施工设备的虚拟影像，施工设备的虚拟影像内设有终端的虚拟影像；
终端被固定设置在施工设备内的位置和方向，与终端的虚拟影像在施工设备的虚拟影像内的位置和方向相同；
终端的方向由终端自带的陀螺仪元件提供；
以终端的位置和方向拟合施工设备的位置和方向。
优选的方案中，施工设备的主控装置内设有采集装置，用于采集施工设备的各项传感器的数据；
终端发送的数据包括施工设备的绝对坐标、施工设备的方向和施工设备的传感器的数据。
优选的方案中，施工设备的主控装置内设有采集装置，用于采集施工设备的各项传感器的数据；
终端发送的数据包括施工设备的绝对坐标、施工设备的方向和施工进度数据；
所述的施工结果数据为根据施工规划执行的施工状况的各项数据；
当无法发出施工结果数据时，发送施工设备的传感器的数据。
优选的方案中，所述的无线坐标的结构为：WIFI芯片与放大器电连接，放大器通过开关模块与发射模块电连接；
电源模块为WIFI芯片和放大器供电；
无线坐标内不设置接收模块。
优选的方案中，在服务器内设有施工模型，施工模型包括基础模型、施工目标模型和施工进度模型；
基础模型为以施工图纸、勘测数据或BIM数据库构建的原始施工现场模型；
施工目标模型为阶段施工目标达成后的施工现场模型；
施工进度模型是随着施工过程逐渐在基础模型上添加构件后的施工现场模型。
优选的方案中，施工进度模型的构建包括以下步骤：
S1、服务器建立基础模型；
S2、服务器导入施工规划；
S3、服务器将分解的施工规划发送至终端；
S4、终端绑定的施工设备按照施工规划进行施工；
S5、终端将施工结果的数据发送至服务器；
S6、服务器在基础模型上根据施工结果的数据进行修改；
服务器将施工设备的工作量转换成体积块；
服务器收到施工结果的数据后，将体积块添加或删减至基础模型；
S7、修改的步骤被独立的保存为施工步骤数据，施工步骤数据与时间参数绑定；
通过以上步骤得到施工进度模型。
优选的方案中，步骤S5中，若终端未在预设时间内发送施工结果的数据至服务器或施工结果的数据有误，服务器将冲突数据发送至现场监理和施工管理人员，现场解决后发送施工结果数据至服务器；
若现场未解决则取消当前施工规划发送至其他终端。
优选的方案中，步骤S4中，施工规划中包括施工路径规划和时间参数，终端本地检测路径规划和时间参数与施工规划进行比对，若有误则发出警报；
服务器根据冲突规则修改或取消施工规划；
施工设备中设有由绑定的终端控制的执行机构，以终端发出的执行命令作为施工结果数据中的执行数据。
本发明提供的一种无GPS信号施工实时监控管理系统，通过采用上述的方案，以广播WIFI信号以及手机作为终端实现坐标定位，定位精度能够达到cm级，而且布置成本极低，每个无线坐标的成本能够低至100元，每个无线坐标能够覆盖直径400米的区域，大幅降低坐标定位的硬件成本，完全无需采集GPS定位信号，非常适合施工现场对施工设备的智能化管理。由定位精度的提高，施工实时监控管理系统的实用性也大幅提高，使以添加或删减模式构建施工进度模型成为可能，从而大幅提高大型工程的现场管理水平，提高施工质量和施工效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的施工现场布置示意图。
图2为本发明的拓扑结构示意图。
图3为本发明的定位流程图。
图4为本发明的施工进度模型的构建流程图。
图5为本发明的施工进度模型的修改流程图。
图6为本发明的服务器端基于施工结果数据的冲突解决流程。
图7为本发明的终端基于施工规划的冲突解决流程。
图8为本发明的无线坐标的结构框图。
图9为本发明的终端与施工设备绑定时的结构示意图。
图中：无线坐标1，无线基站2，手机3，碾压机4，装载机5，服务器6，施工现场7。
具体实施方式
如图1~3中，一种无GPS信号施工实时监控管理系统，包括无线坐标1、终端和施工设备；
如图1中，所述的无线坐标1为多个，多个无线坐标1在施工现场7阵列布置，在无线坐标1内设有WiFi芯片，用于发送无线WiFi信号，无线坐标1之间的间距小于信号覆盖范围；本例中各个无线坐标1之间的间距小于250米。
优选的方案如图8中，所述的无线坐标1的结构为：WIFI芯片与放大器电连接，放大器通过开关模块与发射模块电连接；WIFI芯片为通用芯片，例如博通、联发科、高通、瑞芯微等公司的ESP8266、BCM4/5系列、RTL8188FTV-VQ1-CG等，其中瑞芯微的WIFI芯片单片价格不超过10元人民币。设置的开关模块使WIFI芯片发送的信号为脉冲信号，以使各个无线坐标1的无线信号在时间上互相错开。在标定时，将每个无线坐标1的WIFI芯片赋予一个独立的SSID码，以使服务器6根据该SSID码赋值单独的坐标数据。
电源模块为WIFI芯片和放大器供电；
无线坐标1内不设置接收模块。本例中采用WIFI芯片的方案使手机能够作为终端，而每台手机和平板都能够接收到WIFI信号，并且能够方便地检测到WIFI信号的强度，由此克服了通常工程施工中需要采用专用PDA的一个障碍。以大约每台PDA5000元人民币计算，100台施工设备即可节约硬件成本50万元。而无线坐标1采用WIFI信号单向广播的方案相比专用的传感器网络成本也更低。并且有大量的成熟程序部件开发包(SDK)可以直接使用，能够直接降低软件开发成本。
所述的终端为手机或平板，终端根据无线坐标1的信号强度计算终端所在坐标，终端通过无线基站2与服务器6连接；在无线坐标1的标定过程中，即得出距离与无线坐标1的信号强度之间的函数关系。因此，根据信号强度和标定数据即可准确的得出终端与无线坐标1之间的距离，采用三角定位算法得出终端与无线坐标1之间的相对坐标。优选的，本例中的无线坐标1通过立杆设置在高于施工设备的高程，从而在实际施工过程中忽略地形和遮蔽物对定位的影响。
终端与施工设备绑定，在施工设备设有主控装置，主控装置与终端电连接，优选的以手机支持的近场通讯方式例如蓝牙方式电连接，并由终端将数据发送至服务器6。将用于采集传感器信号的采集装置，用于执行特定命令的执行装置设置在施工设备是更具有可行性的，因为现有的施工设备都具有独立的ECU(电子控制单元)，充分利用ECU进行信号采集和动作控制具有更高的性价比，然后由ECU通过蓝牙将数据发送至手机，又克服了第二个需要专用PDA的障碍，使采用以手机为通讯节点构建施工实时监控管理系统成为可能。
优选的方案如图3中，以施工现场7通过全站仪等设备建立绝对坐标系，在服务器6设有坐标表单，坐标表单内设有坐标数据，各个坐标数据与无线坐标1的位置相对应，无线坐标1广播发送唯一的ID码；即通过全站仪的定位将无线坐标1放置的坐标位置在坐标表单中与无线坐标1的ID码绑定。
服务器6将坐标表单发送至终端；将坐标位置的计算放置在终端完成，有助于充分利用手机的计算资源，大幅降低服务器6的负载，提高服务器6的实时响应速度。
终端根据排序前三的无线坐标1的信号强度计算出相对坐标，然后根据相对坐标求出终端所在的绝对坐标。作为终端的手机3对接收到的WIFI信号根据信号强度进行排序，仅对排序为前三的信号强度进行计算，由于无线坐标1之间的间距小于信号覆盖范围，因此手机3至少会接收到三个无线坐标1的信号。首先根据坐标表单结合微分算法得出手机3相对该三个无线坐标1之间的距离数值。优选的，坐标表单对距离与信号强度函数做出拟合，即将函数曲线拟合为多个直线段，并对直线段的端点数值进行标注，当信号强度的投影落在直线段的端点之间，即可通过三角函数计算得到距离数值，该方案在可以接受的误差范围内，大幅提高运算速度，基本可以达到实时的程度。由于在无线坐标1内设有开关模块，在标定时，每个无线坐标1被分配了特定的时域，即在该时间段内发射WIFI无线信号，而在其他时域则保持静默，使每个无线坐标1以时差的方式发送WIFI无线信号，从而大幅降低各个无线坐标1之间的WIFI无线信号互相干扰的问题，大幅提高测量精度。
优选的方案如图9中，在终端内设置有施工设备的虚拟影像，施工设备的虚拟影像内设有终端的虚拟影像；
终端被固定设置在施工设备内的位置和方向，与终端的虚拟影像在施工设备的虚拟影像内的位置和方向相同；
终端的方向由终端自带的陀螺仪元件提供；
以终端的位置和方向拟合施工设备的位置和方向。由此结构，服务器获取了手机3坐标和方向，即可得出施工设备的位置和方向，由此方案，大幅节省了运算资源。并能够方便的生成施工设备的运动路径，以用于和施工规划中的施工路径规划进行比对。
优选的方案中，施工设备的主控装置内设有采集装置，用于采集施工设备的各项传感器的数据；
终端发送的数据包括施工设备的绝对坐标、施工设备的方向和施工设备的传感器的数据。在此方案中，施工结果数据在服务器中进行核对，对于碾压机4等施工设备，其施工质量对大坝的质量影响较大，因此该施工设备的施工结果数据，均通过施工设备的主控装置采集的碾压遍数、激振数据、压实率等参数在服务中进行运算，有助于控制施工质量。
优选的方案中，施工设备的主控装置内设有采集装置，用于采集施工设备的各项传感器的数据；
终端发送的数据包括施工设备的绝对坐标、施工设备的方向和施工进度数据；
所述的施工结果数据为根据施工规划执行的施工状况的各项数据；
当无法发出施工结果数据时，发送施工设备的传感器的数据。由此方案，对于某些施工设备例如装载机5，仅需控制上料地点、卸料地点和执行机构即可确保施工质量，因此发送施工结果数据即可，有助于降低服务器的运算负载。例如在上料地点，通过无线坐标1能够确定装载机5的位置，在该位置以及该时间节点，接收到执行机构的传感器反馈的数据，例如卸料油缸的电磁阀动作信号，以及卸料油缸的极限点行程开关信号，即可得出装载机5完成卸料的施工结果。由固设在施工设备内的终端的陀螺仪元件，得出装载机5的方向，从而得出卸料的具体位置。
优选的方案如图4中，在服务器6内设有施工模型，施工模型包括基础模型、施工目标模型和施工进度模型；
基础模型为以施工图纸、勘测数据或BIM数据库构建的原始施工现场模型；
施工目标模型为阶段施工目标达成后的施工现场模型；
施工进度模型是随着施工过程逐渐在基础模型上添加构件后的施工现场模型。在施工过程中，需要不断的将施工进度模型与施工目标模型进行比对，以随时修正施工规划或者修正施工进度模型的误差。
优选的方案中，施工进度模型的构建包括以下步骤：
S1、服务器建立基础模型；
S2、服务器导入施工规划；
S3、服务器以施工设备为单位将分解的施工规划发送至终端；
S4、终端绑定的施工设备按照施工规划进行施工；
优选的方案如图7中，步骤S4中，施工规划中包括施工路径规划和时间参数，终端本地检测路径规划和时间参数与施工规划进行比对，若有误则发出警报，包括路径与施工路径规划的偏差超出预设值，或者实际施工时间节点与规划的施工时间节点超出预设值，均发送警报，督促操作人员改正或者通知现场监理和施工管理人员介入协调；若能够解决则解除警报；
若不能解决，服务器根据冲突规则修改或取消施工规划；由此方案，能够大幅避免因施工误差对整个工程进度的影响，避免因部分的施工设备的错误施工对其他施工设备的施工工作造成干涉。冲突规则包括可选的路径修改、可延迟的时间修改，或者超范围路径的取消，超时的取消等，最大程度降低因冲突对施工效率造成的干扰。
施工设备中设有由绑定的终端控制的执行机构，以终端发出的执行命令作为施工结果数据中的执行数据。
S5、终端将施工结果的数据发送至服务器；
优选的方案如图6中，步骤S5中，若终端未在预设时间内发送施工结果的数据至服务器或施工结果的数据有误，服务器将冲突数据发送至现场监理和施工管理人员，现场解决后发送施工结果数据至服务器；
若现场未解决则取消当前施工规划发送至其他终端。
S6、服务器在基础模型上根据施工结果的数据进行修改；
优选的如图5中，服务器将施工设备的工作量转换成体积块；所述的体积块与装载机5的工作区域的长度、宽度和厚度相对应；或者所述的体积块与碾压机4的碾压区域碾压后的长度、宽度和厚度相对应。由于施工方量是恒定的，虽然单个的体积块的体积和位置在施工进度模型中与实际施工存在误差，但是当施工进度累积到一定的程度，体积块的实际堆积体积与实际施工进度的误差会越来越小，从而以简单的方式实现对基础模型的精确修改，大幅提高效率。本发明的体积块采用矢量数据，与CN101582198A中的方案相比，模型精度、可视性和可追溯性均大幅提高。
服务器收到施工结果的数据后，将体积块添加或删减至基础模型；通过体积块的累加，获得施工进度模型。
S7、修改的步骤被独立的保存为施工步骤数据，施工步骤数据包括各个施工设备的施工顺序，施工位置以及施工结果，施工步骤数据与时间参数绑定，所述的时间参数至少包括开始和结束的时间；由此数据，能够方便的实现基于时间的检索，从而便于对施工质量进行追溯，有助于降低返工成本。
通过以上步骤得到施工进度模型。本发明大幅降低施工进度模型构建的复杂程度，得益于施工设备定位精度的大幅提高，以及布置成本的大幅降低，采用本发明的智能化的施工实时监控管理系统，能够以较低的管理成本大幅提高施工效率，确保施工质量，具有极大的推广价值。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明中记载的技术特征，在不冲突的前提下，能够互相组合使用，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种无GPS信号施工实时监控管理系统，其特征是：包括无线坐标（1）、终端和施工设备；
所述的无线坐标（1）为多个，多个无线坐标（1）在施工现场（7）阵列布置，在无线坐标（1）内设有WiFi芯片，用于发送无线WiFi信号，无线坐标（1）之间的间距小于信号覆盖范围；
所述的终端为手机或平板，终端根据无线坐标（1）的信号强度计算终端所在坐标，终端通过无线基站（2）与服务器（6）连接；
终端与施工设备绑定，在施工设备设有主控装置，主控装置与终端电连接，并由终端将数据发送至服务器（6）；
施工进度模型的构建包括以下步骤：
S1、服务器建立基础模型；
S2、服务器导入施工规划；
S3、服务器将分解的施工规划发送至终端；
S4、终端绑定的施工设备按照施工规划进行施工；
S5、终端将施工结果的数据发送至服务器；
S6、服务器在基础模型上根据施工结果的数据进行修改；
服务器将施工设备的工作量转换成体积块；
服务器收到施工结果的数据后，将体积块添加或删减至基础模型；
S7、修改的步骤被独立的保存为施工步骤数据，施工步骤数据与时间参数绑定；
通过以上步骤得到施工进度模型。
2.根据权利要求1所述的一种无GPS信号施工实时监控管理系统，其特征是：以施工现场（7）建立绝对坐标系，在服务器（6）设有坐标表单，坐标表单内设有坐标数据，各个坐标数据与无线坐标（1）的位置相对应，无线坐标（1）广播发送唯一的ID码；
服务器（6）将坐标表单发送至终端；
终端根据排序前三的无线坐标（1）的信号强度计算出相对坐标，然后根据相对坐标求出终端所在的绝对坐标。
3.根据权利要求2所述的一种无GPS信号施工实时监控管理系统，其特征是：在终端内设置有施工设备的虚拟影像，施工设备的虚拟影像内设有终端的虚拟影像；
终端被固定设置在施工设备内的位置和方向，与终端的虚拟影像在施工设备的虚拟影像内的位置和方向相同；
终端的方向由终端自带的陀螺仪元件提供；
以终端的位置和方向拟合施工设备的位置和方向。
4.根据权利要求3所述的一种无GPS信号施工实时监控管理系统，其特征是：施工设备的主控装置内设有采集装置，用于采集施工设备的各项传感器的数据；
终端发送的数据包括施工设备的绝对坐标、施工设备的方向和施工设备的传感器的数据。
5.根据权利要求3所述的一种无GPS信号施工实时监控管理系统，其特征是：施工设备的主控装置内设有采集装置，用于采集施工设备的各项传感器的数据；
终端发送的数据包括施工设备的绝对坐标、施工设备的方向和施工进度数据；
施工结果数据为根据施工规划执行的施工状况的各项数据；
当无法发出施工结果数据时，发送施工设备的传感器的数据。
6.根据权利要求1~5任一项所述的一种无GPS信号施工实时监控管理系统，其特征是：所述的无线坐标（1）的结构为：WIFI芯片与放大器电连接，放大器通过开关模块与发射模块电连接；
电源模块为WIFI芯片和放大器供电；
无线坐标（1）内不设置接收模块。
7.根据权利要求1~5任一项所述的一种无GPS信号施工实时监控管理系统，其特征是：在服务器（6）内设有施工模型，施工模型包括基础模型、施工目标模型和施工进度模型；
基础模型为以施工图纸、勘测数据或BIM数据库构建的原始施工现场模型；
施工目标模型为阶段施工目标达成后的施工现场模型；
施工进度模型是随着施工过程逐渐在基础模型上添加构件后的施工现场模型。
8.根据权利要求1所述的一种无GPS信号施工实时监控管理系统，其特征是：步骤S5中，若终端未在预设时间内发送施工结果的数据至服务器或施工结果的数据有误，服务器将冲突数据发送至现场监理和施工管理人员，现场解决后发送施工结果数据至服务器；
若现场未解决则取消当前施工规划发送至其他终端。
9.根据权利要求1所述的一种无GPS信号施工实时监控管理系统，其特征是：步骤S4中，施工规划中包括施工路径规划和时间参数，终端本地检测路径规划和时间参数与施工规划进行比对，若有误则发出警报；
服务器根据冲突规则修改或取消施工规划；
施工设备中设有由绑定的终端控制的执行机构，以终端发出的执行命令作为施工结果数据中的执行数据。
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