CN115002651A - 基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统及方法，系统包括：移动定位标签、施工数据采集服务器和两个以上的定位基站；其中，移动定位标签配置在可反映隧道施工进度的施工人员或机械设备中；定位基站固定设置在隧道施工现场，定位基站接收移动定位标签向其发送的脉冲信号，并测量脉冲信号到达定位基站的时间；定位基站将接收到的移动定位标签的信息以及测量的时间发送至施工数据采集服务器；施工数据采集服务器基于时间和脉冲型号的传递速度确定移动定位标签与各个定位基站之间的距离和其所在的位置；施工数据采集服务器基于移动定位标签所在的位置以及预先制定的机械化配套方案、施工作业线和施工方法确定当前的隧道施工进度。

Description

基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统及方法。

背景技术

隧道工程建设过程中环境复杂、干扰因素较多。随着社会的发展和科学技术的进步，隧道施工中定位对象进一步的向宏观和微观发展，精度要求也越来越高。所使用的仪器也趋于电子化、数字化和自动化。目前铁路工程隧道施工进度主要依靠技术人员填报每日掌子面开挖进尺、仰拱浇筑长度、二衬浇筑长度，通过电子施工日志系统，自动计算施工总长度，经过斜率图工期推演隧道贯通时间，与实施性施组进行对比，对工期进行预警。计算掌子面-仰拱步距、掌子面-二衬步距，系统按照规范和设计要求控制步距，建设单位根据实际情况确定的施工方案，要及时调整安全步距的管理阈值。出现隧道仰拱、二衬步距超标情况，系统向主要领导和技术人员报警，要求相关单位及时采取措施改正，保证隧道施工安全。

只有以准确的进度填报数据为基础，才能得到客观、科学的施工进度和安全步距计算。因此，准确是进度填报数据必须具备的基本品质。准确是指进度数据能够反映施工前后里程信息准确性，无遗漏、不间断，进度数据能够真实、直接地反映隧道本身进度情况，不错误填报，不瞒报。

现有技术中使用《铁路工程电子施工日志管理办法(暂行)》规定的数据格式各单位技术人员进行填报，无法辨识填报的进度信息是否正确合理。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统就及方法，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一方面，提供了一种基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统，所述系统包括：移动定位标签、施工数据采集服务器和两个以上的定位基站；

其中，所述移动定位标签配置在可反映隧道施工进度的施工人员和/或机械设备中，所述移动定位标签存储有所述施工人员和/或机械设备的信息，所述移动定位标签向所述定位基站发送脉冲信号并发送所述信息；

两个以上的所述定位基站相互间隔并固定设置在隧道施工现场，所述定位基站接收所述移动定位标签向其发送的脉冲信号，并测量所述移动定位标签的脉冲信号到达所述定位基站的时间；所述定位基站将接收到的所述移动定位标签的信息以及测量的时间发送至所述施工数据采集服务器；

所述施工数据采集服务器基于所述时间和所述脉冲型号的传递速度确定所述移动定位标签与各个所述定位基站之间的距离，基于所述距离和各个所述定位基站的已知位置确定所述移动定位标签所在的位置；

所述施工数据采集服务器基于所述移动定位标签所在的位置以及预先制定的机械化配套方案、施工作业线和施工方法确定当前的隧道施工进度，所述隧道施工进度包括掌子面位置、仰拱位置和二衬位置信息。

在一些实施例中，所述系统还包括平台服务器；所述施工数据采集服务器将所述掌子面位置、仰拱位置和二衬位置信息发送至所述平台服务器；所述平台服务器或所述施工数据采集服务器基于所述掌子面位置、仰拱位置和二衬位置信息计算掌子面-仰拱步距、掌子面-二衬步距，再将其与其存储的不同围岩类型的标准步距进行比较，判断其是否从超标并在超标的情况下发出警报。

在一些实施例中，所述平台服务器存储有隧道施工的模型，所述平台服务器接收所述施工数据采集服务器发送的隧道施工进度信息，并结合模型来模拟现场施工人员和/或机械设备的位置。

在一些实施例中，其中一个所述定位基站布置在隧道洞口的位置，另外一个所述定位基站布置在隧道的中部或靠近掌子面的位置。

在一些实施例中，所述定位基站布置有三个，且三个所述定位基站连线后组成三角形。

在一些实施例中，所述移动定位标签布置在各施工人员的安全帽或装运车辆、仰拱栈桥、模板台车上，且各个所述移动定位标签的ID信息不同。

在一些实施例中，所述移动定位标签为无线射频识别定位芯片。

在一些实施例中，所述移动定位标签与所述定位基站通过无线网络进行通信，所述定位基站与所述施工数据采集服务器通过无线网络进行通信。

根据本发明的另一方面，也提供了一种基于前述隧道施工进度自动采集系统的隧道施工进度自动采集方法，所述系统包括三个固定布置且已知位置的定位基站，分别为第一定位基站、第二定位基站和第三定位基站；所述方法包括：

所述移动定位标签向所述第一定位基站、第二定位基站和第三定位基站发送脉冲信号；

初始坐标获取步骤：所述第一定位基站和第二定位基站根据其接收到的脉冲信号和时间来确定其与所述移动定位标签的距离并获得所述移动定位标签的坐标；

校验步骤：根据所述第三定位基站与所述移动定位标签的坐标计算其与所述移动定位标签之间的理论距离；根据所述第三定位基站接收到的脉冲信号和时间来确定其与所述移动定位标签之间的实际距离；比较所述理论距离和所述实际距离的差值是否符合设定偏差；

更换两个定位基站进行所述初始坐标获取步骤，并用另外一个定位基站进行所述校验步骤，直至三个定位基站均完成所述校验步骤；

将所有符合设定偏差的所述移动定位标签的坐标求平均值来获得所述移动定位标签的高精度坐标。

本发明中的隧道施工进度自动采集系统基于人机定位原理，通过对开挖作业线、装运作业线、检铺底作业线、混凝土衬砌作业线的人员、机械位置进行定位，实现了开挖、仰拱、二衬位置的自动获取，实现了对隧道施工进度自动采集，能够真实、直接地反映隧道本身进度情况。该系统和方法从工地的进度管理问题角度出发，重点解决了施工进度自动采集问题，为管理人员带来便捷，同时可以对工地人员进行严格管理，减少意外发生，保障工地人员的安全，避免因意外带来的经济损失。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本发明一实施例中的隧道施工进度自动采集系统的组成示意图。

图2为本发明另一实施例中的隧道施工进度自动采集系统的组成示意图。

图3为本发明再一实施例中的隧道施工进度自动采集系统的结构示意图。

图4为本发明一实施例中的隧道施工进度自动采集方法的示意性框图。

图5为本发明一实施例中的移动定位标签与三个定位基站的示意性框图。

图6为本发明一实施例中的隧道施工进度自动采集方法的获取高精度坐标的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明提供了一种基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统及方法，以解决或缓解现有技术中的人工填报隧道施工进度不准确的问题。

如图1所示，在一些实施例中，所述系统包括：移动定位标签1、施工数据采集服务器2和两个以上的定位基站3等。

其中，所述移动定位标签1配置在可反映隧道施工进度的施工人员和/或机械设备中，所述移动定位标签1存储有所述施工人员和/或机械设备的信息，所述移动定位标签1向所述定位基站发送脉冲信号并发送所述信息。

两个以上的所述定位基站2相互间隔并固定设置在隧道施工现场，所述定位基站2接收所述移动定位标签1向其发送的脉冲信号，并测量所述移动定位标签1的脉冲信号到达所述定位基站2的时间；所述定位基站2将接收到的所述移动定位标签的信息以及测量的时间发送至所述施工数据采集服务器。

所述施工数据采集服务器3基于所述时间和所述脉冲型号的传递速度确定所述移动定位标签1与各个所述定位基站2之间的距离，基于所述距离和各个所述定位基站2的已知位置确定所述移动定位标签1所在的位置。

所述施工数据采集服务器3基于所述移动定位标签1所在的位置以及预先制定的机械化配套方案、施工作业线和施工方法确定当前的隧道施工进度，所述隧道施工进度包括掌子面位置、仰拱位置和二衬位置信息。

本发明中的隧道施工进度自动采集系统基于人机定位原理，通过对开挖作业线、装运作业线、检铺底作业线、混凝土衬砌作业线的人员、机械位置进行定位，实现了开挖、仰拱、二衬位置的自动获取，实现了对隧道施工进度自动采集，能够真实、直接地反映隧道本身进度情况。该系统和方法从工地的进度管理问题角度出发，重点解决了施工进度自动采集问题，为管理人员带来便捷，同时可以对工地人员进行严格管理，减少意外发生，保障工地人员的安全，避免因意外带来的经济损失。

在一些实施例中，如图2所示，所述系统还包括平台服务器；所述施工数据采集服务器将所述掌子面位置、仰拱位置和二衬位置信息发送至所述平台服务器。所述平台服务器或所述施工数据采集服务器基于所述掌子面位置、仰拱位置和二衬位置信息计算掌子面-仰拱步距、掌子面-二衬步距，再将其与其存储的不同围岩类型的标准步距进行比较，判断其是否从超标并在超标的情况下发出警报。

仰拱是为改善上部支护结构受力条件而设置在隧道底部的反向拱形结构，是隧道结构的主要组成部分之一，它一方面要将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将路面上的荷载有效的传递到地下，而且还有效的抵抗隧道下部地层传来的反力。仰拱与二次衬砌构成隧道整体，增加结构稳定性。例如，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩仰拱距离掌子面不得大于35米，Ⅲ级围岩不大于90米。三级围岩掌子面距二衬不超过200m。四级围岩掌子面距二衬不超过90m，掌子面距仰拱不超过35m。五级围岩掌子面距二衬不超过70m，掌子面距仰拱不超过35m。上述数据可为示例说明的标准步距，所述平台服务器或所述施工数据采集服务器基于所述掌子面位置、仰拱位置和二衬位置信息计算掌子面-仰拱步距、掌子面-二衬步距，再将其与其存储的不同围岩类型的标准步距进行比较，判断其是否从超标并在超标的情况下发出警报。

可选地，所述平台服务器存储有隧道施工的模型，所述平台服务器接收所述施工数据采集服务器发送的隧道施工进度信息，并结合模型来模拟现场施工人员和/或机械设备的位置。该技术和应用可在平台服务器或终端的显示器上直观地展示当前的隧道施工进度。

在一些实施例中，如图3所示，该系统可设置有两个定位基站。其中一个所述定位基站布置在隧道洞口的位置，另外一个所述定位基站布置在隧道的中部或靠近掌子面的位置。进一步地，所述移动定位标签为无线射频识别定位芯片(也可为称为定位芯片)。定位基站可为UWB定位基站(也可为称为信号基站)。所述移动定位标签布置在各施工人员的安全帽或装运车辆、仰拱栈桥、模板台车上，且各个所述移动定位标签的ID信息不同。所述移动定位标签与所述定位基站通过无线网络进行通信，所述定位基站与所述施工数据采集服务器通过无线网络进行通信。

在一些实施例中，所述定位基站布置有三个，且三个所述定位基站连线后组成三角形，该布置方式结合算法模型可获得移动定位标签的高精度的定位位置。

详细地，现场通过安装在每个施工人员的安全帽或机械设备中的无线射频识别定位芯片，存储施工人员或机械设备的信息。固定在隧道施工现场的信号基站与定位芯片能够通过无线网络通信，识别施工人员或机械设备的定位信息。通过数据与模型交互，在服务器的监控系统中通过模型与数据的展示来模拟现场施工人员、施工机械的位置信息，自动获取开挖掌子面、仰拱、二衬位置，计算掌子面-仰拱步距、掌子面-二衬步距，通过无线网络将步距信息实时发送至服务器的数据库中，系统通过模型算法计算步距长度，并根据围岩类型进行超标预警，保障工地人员和设备安全。上述服务器可为施工数据采集服务器或平台服务器。

在一些实施例中，各隧道工期、地层岩性、施工方法等存在较大差异，为保证施工质量和施工安全，减轻劳动强度，提高功效，需制定机械化配套原则和机械化配套方案，隧道施工机械配置应根据隧道长度、断面大小、辅助坑道设置、地质条件、施工方法、工期要求、施工场地等综合因素来选择。机械化配套以“分级配置、少人化、保证施工质量与安全必配、减轻劳动强度及有利提高功效、有利平行作业"为配套原则。

根据隧道工期、地层岩性、施工方法等特点，针对单线、双线及辅助坑道隧道断面分别按照基本机械化配置、大型机械化配置方案制定机械化配套方案。

实施例一：机械化配套方案采用基本机械化配置

基本机械化配套工点(以双线隧道为例)机械配置情况如下表一所示：

表一：基本机械化设备配备表

针对基本机械化配套工点，隧道内实现基于人机定位的隧道施工进度自动采集，实现开挖、仰拱、二衬位置的自动获取，主要是对开挖作业线、装运作业线、检铺底作业线、混凝土衬砌作业线的人员、机械位置进行定位。

开挖进度获取：针对开挖作业线，主要是对开挖班组人员进行定位，通过现场定位基站及现场人员所佩戴的定位芯片，获取人员位置信息。结合不同的开挖工法，全断面法开挖，开挖位置信息选取人员位置最靠前者；微台阶法开挖，上台阶位置信息选取人员位置最靠前者，下台阶位置信息结合视频监控等现场其他管控，确定人员位置信息；多台阶法开挖，位置信息选取同微台阶法开挖，考虑到现场人员位置与掌子面实际位置可能因机械作业长度等其他因素造成误差，现场通过充分调研，计算加权长度，同时与人员位置结合，保证实际位置与定位位置在合理的误差范围内。

针对装运作业线，主要是对自卸汽车进行定位，爆破结束后，经过排烟、找顶等工序后进行出渣作业，通过车载定位芯片，获取车辆的位置信息。考虑到出渣期间自卸汽车因现场机械长度、隧道弃渣位置等因素影像，现场通过充分调研，计算车辆位置至开挖面平均长度，平均长度与车辆定位信息相加，保证实际开挖位置与定位位置在合理的误差范围内。

结合加权处理后的机械位置信息和开挖班组人员位置信息，计算得出开挖面的位置信息，随着循环作业位置信息变动，进而自动获取开挖进度信息。

仰拱进度获取：针对检铺底作业线，主要是对简易仰拱栈桥进行定位，通过现场定位基站及仰拱栈桥端头安装的定位装置，获取栈桥位置信息。现场施工过程中，仰拱栈桥端头与实际仰拱端头位置信息存在位置差异，通过广泛的现场调研，获取位置平均差，通过定位信息与位置平均差计算，加权得出仰拱位置信息，随着仰拱作业位置信息变动，进而自动获取仰拱进度信息。

二衬进度获取：针对混凝土衬砌作业线，主要是对模板台车进行定位，通过现场定位基站及模板台车安装的定位装置，获取模板台车位置信息。现场施工过程中，模板台车位置信息与二衬模板端模位置及实际二衬端头位置信息存在位置差异，通过广泛的现场调研，获取位置平均差，通过定位信息与位置平均差计算，加权得出二衬位置信息，随着二衬作业位置信息变动，进而自动获取二衬进度信息。

自动计算获取开挖、仰拱、二衬位置信息后，实现开挖、仰拱、二衬日进度、月进度、季进度、年进度的自动计算，与施组计划进行对比，加强现场进度管理。同时实现开挖-仰拱安全步距计算、开挖-二衬安全步距计算，结合安全步距阈值信息，对安全步距超标工点自动进行提醒，加强现场安全管理。

实施例二：机械化配套方案采用大型机械化配置

大型机械化配套工点(以双线隧道为例)机械配置情况如下表二所示：

表二：大型机械化设备配备表

隧道施工过程中，伴随着多种不稳定因素，针对围岩较好地段，成套的机械化加快施工进度，而针对于围岩破碎地段，因场地的复杂性及围岩的不稳定性，导致成套化机械施工进度不及基本机械化配套，比如因围岩软硬不均、破碎造成凿岩台车卡钻，进而造成机器损坏等，严重影响施工进度，故而会在该区段会灵活调整，选用普通机械化配套施工。

针对围岩破碎地段，现场施工采用多台阶法施工，不满足大型机械作业条件，开挖作业线一般采用人工+作业台架进行开挖，定位及进度信息获取同普通机械化配套。

针对于围岩一般或者较好采用大机配套地段，在部分作业线定位及进度信息获取不同于普通机械化配套，具体如下所述：

针对大型机械化配套工点，隧道内实现基于人机定位的隧道施工进度自动采集，实现开挖、仰拱、二衬位置的自动获取，主要是对开挖作业线、装运作业线、检铺底作业线、混凝土衬砌作业线的机械位置进行定位。

开挖进度获取：针对开挖作业线，主要是对开挖面凿岩台车进行定位，通过现场定位基站及凿岩套车所安装的定位芯片，获取凿岩台车位置信息，隧道开挖-初支为循环作业，主要工序依次为施工准备、大机进场定位、打眼、装药、人机退场、爆破、通风、排险、出渣、断面复测、湿喷台车初喷、拱架台车钢架安装、锚注台车锚杆施工、湿喷台车喷混、场地清理，凿岩台车进场定位后获取其位置信息，考虑到凿岩台车位置与掌子面实际位置因机械臂长度等其他因素造成误差，现场通过充分调研，计算加权长度，同时与定位位置结合，保证实际位置与定位位置在合理的误差范围内。

针对装运作业线，主要是对自卸汽车进行定位，爆破结束后，经过排烟、找顶等工序后进行出渣作业，通过车载定位芯片，获取车辆的位置信息。考虑到出渣期间自卸汽车因现场机械长度、隧道弃渣位置等因素影像，现场通过充分调研，计算车辆位置至开挖面平均长度，平均长度与车辆定位信息相加，保证实际开挖位置与定位位置在合理的误差范围内。

结合加权处理后的凿岩台车位置信息和自卸汽车位置信息，计算得出开挖面的位置信息，随着循环作业位置信息变动，进而自动获取开挖进度信息。

仰拱进度获取：针对检铺底作业线，主要是对自行仰拱栈桥进行定位，通过现场定位基站及仰拱栈桥安装的定位装置，获取栈桥位置信息。现场施工过程中，自行仰拱栈桥一般长度接近两版仰拱长度，仰拱栈桥定位位置与实际仰拱端头位置信息存在位置差异，通过广泛的现场调研，获取位置平均距离差，通过定位信息与位置平均差计算，加权得出仰拱位置信息，随着仰拱作业位置信息变动，进而自动获取仰拱进度信息。

二衬进度获取：针对混凝土衬砌作业线，主要是对智能化模板台车进行定位，通过现场定位基站及模板台车安装的定位装置，获取智能化模板台车位置信息。现场施工过程中，智能化模板台车位置信息与二衬模板端模位置及实际二衬端头位置信息存在位置差异，通过广泛的现场调研，获取位置平均距离差，通过定位信息与位置平均差计算，加权得出二衬位置信息，随着二衬台车脱模、定位等作业位置信息变动，进而自动获取二衬进度信息。

自动计算获取开挖、仰拱、二衬位置信息后，实现开挖、仰拱、二衬日进度、月进度、季进度、年进度的自动计算，与施组计划进行对比，加强现场进度管理。同时实现开挖-仰拱安全步距计算、开挖-二衬安全步距计算，结合安全步距阈值信息，对安全步距超标工点自动进行提醒，加强现场安全管理。

本发明中的定位技术可采用UWB技术(Ultra Wide Band，超宽带)，该技术是一种无线载波通信技术，具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低等优点，其定位精度可达厘米级，特别适合隧道内对人员及设备位置定位。除此之外，UWB技术具有天然的安全性能。UWB系统发射的是持续时间极短且占空比很低的窄脉冲，因此其多径信号在时间上是可分离。此外，UWB采用跳时扩频信号，系统具有较宽阔的频带，根据香农公式，在信道容量C一定的情况下，高带宽可以降低信噪比，因此UWB具有很强的抗干扰性。

在一些实施例中，所有定位基站的位置都是事先确定，移动定位标签由隧道人员、机械，携带来以确定其在隧道中的位置。定位基站通过获取移动定位标签的坐标信息和ID号，并通过集成在传感器上的有线以太网模块将定位基站中获得的测距信息传递给服务器，服务器上的上位机可通过基于TOA的自校验三角形算法对人员位置进行二维坐标系上实时动态定位显示。常见的UWB定位技术一般采用基于到达时间(TOA)或基于到达时间差(Time Difference of Arrival，TDOA)的三边定位算法。但是这两种定位算法都存在着各自的优势和不足之处。基于TOA的UWB定位技术最大优点是避免了时钟同步。一方面，它大大降低了系统结构的复杂度，无需考虑锚节点间复杂的时间同步问题以及同步误差对测距定位精度的影响；另一方面，只要能够设计出一种较为合理的定位基站接入机制，有效避免定位基站相互之间的信号干扰，就能精确地测量脉冲信号的飞行时间。但是基于TOA的UWB定位技术能够支持定位的人员数量有限，并且定位的精度也有限。基于TDOA的UWB定位技术不是直接利用信号到达时间，而是利用多个定位基站接收到信号的到达时间差来确定目标节点的坐标位置，这样定位精度有了很大提高，而且可以支持多用户实时高精确定位。但是这就需要各个定位基站之间保持高精度的时间同步，而大大地增加了系统的负担，使得系统的成本也相应增加。

提供了一种自校验的获得所述移动定位标签的高精度坐标的方法，如图4所示，所述系统包括三个固定布置且已知位置的定位基站，分别为第一定位基站、第二定位基站和第三定位基站。

所述方法包括：

S10：所述移动定位标签向所述第一定位基站、第二定位基站和第三定位基站发送脉冲信号；

初始坐标获取步骤(S20)：所述第一定位基站和第二定位基站根据其接收到的脉冲信号和时间来确定其与所述移动定位标签的距离并获得所述移动定位标签的坐标；

校验步骤(S30)：根据所述第三定位基站与所述移动定位标签的坐标计算其与所述移动定位标签之间的理论距离；根据所述第三定位基站接收到的脉冲信号和时间来确定其与所述移动定位标签之间的实际距离；比较所述理论距离和所述实际距离的差值是否符合设定偏差；

S40：更换两个定位基站进行所述初始坐标获取步骤，并用另外一个定位基站进行所述校验步骤，直至三个定位基站均完成所述校验步骤；

S50：将所有符合设定偏差的所述移动定位标签的坐标求平均值来获得所述移动定位标签的高精度坐标。

如图5和图6所示，本发明在基于TOA的三边定位算法基础上进行改进，提出一种基于TOA的自校验三角形定位算法，来弥补三边算法原本的定位人员数量有限和精度不高等问题。采用基于TOA的三角形定位算法，首先由第一定位基站A₁(x₁，y₁)、第二定位基站A₂(x₂，y₂)来确定移动定位标签M的坐标位置(x，y)。通过TOA中的SDS-TWR测距算法得到A₁与M以及A₂与M的高精度测量距离d₁、d₂，同时在已知A₁、A₂的具体坐标位置的条件下，可以得到A₁和A₂之间的距离d₃。这样就可以得到了A₁A₂M的三条边，最后由余弦定理变形公式就可以计算α的余弦值，再由反余弦就可求出α的值：

由定位基站A₁和A₂的坐标位置即可求得夹角θ的正切值，再由反正切得到θ值：

这样就可以得到边A₁M与坐标轴x的夹角，从而可以计算出移动定位标签M的坐标位置(x，y)：

x＝x₁+d₁cos(α+θ)

y＝y₁+d₁sin(α+θ)

仅仅通过两个定位基站得到的移动定位标签的坐标位置，往往会存在一定的偶然误差，后面我们再通过定位基站A₃(x₃，y₃)对移动定位标签进行校验。

首先可以由SDS-TWR测距算法得到A₃与M之间的高精度测量距离L₁(即前述的实际距离)。通过计算求出的M点坐标与已经已知的A₃坐标，可以计算出M到A₃的计算距离D₁(即前述的理论距离)。

例如，这样就可以进行比较，若L₁大于D₁，则表明所得到的移动定位标签位置是符合我们算法要求的，将其存入数据库中。而不符合这个精度要求的M就将它舍去，然后重新进入测距请求，获得新的符合精度要求移动定位标签M的坐标。

如果得到符合精度要求的M坐标，就可以再由A₁和A₃定位基站同样通过三角形算法计算出移动定位标签M的坐标位置，并由定位基站A₂对坐标位置进行校验，若校验的M点坐标不符合我们的精度要求，就重新获取新的定位值，并将数据库中M点的坐标给舍去。

如果得到的M点坐标符合精度要求，再将这个M点的坐标也存入数据库中，并由定位基站A₂和A₃通过三角形算法来确定移动定位标签M的坐标，由定位基站A₁对M坐标进行校验，符合精度要求的话就讲数据库中的两个M坐标和这点的坐标一起求平均值，求得最终的高精度移动定位标签M坐标，如果不符合要求就舍去所有M标签的坐标，重新进入测距请求，获得新的M坐标。

在一些实施例中，该方法不仅可采用三个定位基站，也可采用四个或更多个，其采用的基站数量越多，则获得的移动定位标签M坐标即越精确，但会增大服务器的运算数据。

本发明中的隧道施工进度自动采集系统基于人机定位原理，通过对开挖作业线、装运作业线、检铺底作业线、混凝土衬砌作业线的人员、机械位置进行定位，实现了开挖、仰拱、二衬位置的自动获取，实现了对隧道施工进度自动采集，能够真实、直接地反映隧道本身进度情况。该系统和方法从工地的进度管理问题角度出发，重点解决了施工进度自动采集问题，为管理人员带来便捷，同时可以对工地人员进行严格管理，减少意外发生，保障工地人员的安全，避免因意外带来的经济损失。

本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

软件可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统，其特征在于，所述系统包括：移动定位标签、施工数据采集服务器和两个以上的定位基站；

其中，所述移动定位标签配置在可反映隧道施工进度的施工人员和/或机械设备中，所述移动定位标签存储有所述施工人员和/或机械设备的信息，所述移动定位标签向所述定位基站发送脉冲信号并发送所述信息；

两个以上的所述定位基站相互间隔并固定设置在隧道施工现场，所述定位基站接收所述移动定位标签向其发送的脉冲信号，并测量所述移动定位标签的脉冲信号到达所述定位基站的时间；所述定位基站将接收到的所述移动定位标签的信息以及测量的时间发送至所述施工数据采集服务器；

所述施工数据采集服务器基于所述时间和所述脉冲型号的传递速度确定所述移动定位标签与各个所述定位基站之间的距离，基于所述距离和各个所述定位基站的已知位置确定所述移动定位标签所在的位置；

所述施工数据采集服务器基于所述移动定位标签所在的位置以及预先制定的机械化配套方案、施工作业线和施工方法确定当前的隧道施工进度，所述隧道施工进度包括掌子面位置、仰拱位置和二衬位置信息。

2.根据权利要求1所述的基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统，其特征在于，所述系统还包括平台服务器；

所述施工数据采集服务器将所述掌子面位置、仰拱位置和二衬位置信息发送至所述平台服务器；

所述平台服务器或所述施工数据采集服务器基于所述掌子面位置、仰拱位置和二衬位置信息计算掌子面-仰拱步距、掌子面-二衬步距，再将其与其存储的不同围岩类型的标准步距进行比较，判断其是否从超标并在超标的情况下发出警报。

3.根据权利要求2所述的基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统，其特征在于，所述平台服务器存储有隧道施工的模型，所述平台服务器接收所述施工数据采集服务器发送的隧道施工进度信息，并结合模型来模拟现场施工人员和/或机械设备的位置。

4.根据权利要求1所述的基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统，其特征在于，其中一个所述定位基站布置在隧道洞口的位置，另外一个所述定位基站布置在隧道的中部或靠近掌子面的位置。

5.根据权利要求4所述的基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统，其特征在于，所述定位基站布置有三个，且三个所述定位基站连线后组成三角形。

6.根据权利要求1所述的基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统，其特征在于，所述移动定位标签布置在各施工人员的安全帽或装运车辆、仰拱栈桥、模板台车上，且各个所述移动定位标签的ID信息不同。

7.根据权利要求1所述的基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统，其特征在于，所述移动定位标签为无线射频识别定位芯片。

8.根据权利要求1所述的基于人机定位的隧道施工进度自动采集系统，其特征在于，

所述移动定位标签与所述定位基站通过无线网络进行通信，所述定位基站与所述施工数据采集服务器通过无线网络进行通信。

9.一种基于权利要求1至8任一项所述的隧道施工进度自动采集系统的隧道施工进度自动采集方法，其特征在于，所述系统包括三个固定布置且已知位置的定位基站，分别为第一定位基站、第二定位基站和第三定位基站；

所述方法包括：

所述移动定位标签向所述第一定位基站、第二定位基站和第三定位基站发送脉冲信号；

初始坐标获取步骤：所述第一定位基站和第二定位基站根据其接收到的脉冲信号和时间来确定其与所述移动定位标签的距离并获得所述移动定位标签的坐标；

校验步骤：根据所述第三定位基站与所述移动定位标签的坐标计算其与所述移动定位标签之间的理论距离；根据所述第三定位基站接收到的脉冲信号和时间来确定其与所述移动定位标签之间的实际距离；比较所述理论距离和所述实际距离的差值是否符合设定偏差；

更换两个定位基站进行所述初始坐标获取步骤，并用另外一个定位基站进行所述校验步骤，直至三个定位基站均完成所述校验步骤；

将所有符合设定偏差的所述移动定位标签的坐标求平均值来获得所述移动定位标签的高精度坐标。

Images