CN116610061B - 一种河道垃圾清理全过程数字化管控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种河道垃圾清理全过程数字化管控系统，属于智能控制技术领域，数据采集模块用于采集基础数据；数据处理模块用于接收数据采集模块的基础数据、分析控制模块下发的指令数据，并对基础数据和指令数据进行存储，得到处理数据；分析控制模块接收数据处理模块的处理数据，并对处理数据进行加工和变换，进而生成打捞设备的控制指令，并将控制指令通过数据处理模块发送至打捞设备；输入输出模块用于接收分析控制模块的输出数据，将输出数据进行显示；并进行人机交互；所述输出数据包括基础数据、指令数据、水位变化率、水位到达警戒水位的预测时间、垃圾到达打捞设备的预测时间、垃圾重量可视化图表和数字坐标。
Description
技术领域
本发明属于智能控制技术领域，具体涉及一种河道垃圾清理全过程数字化管控系统。
背景技术
河道垃圾打捞工程具有应用范围广、河道垃圾种类复杂、需应对工况多变等特点，特别是在汛期，河道水位变化幅度大，水流速变化迅速，实现无人化智能打捞难度大。
近年来河道垃圾打捞设备种类繁多，能够在部分场景替代人工打捞，但是现有设备依然需要人工操作，难以实现全天候设备控制，特别是雨季夜间依然需要工作人员连夜盯守，避免垃圾堵塞河道。因此，利用多种传感器收集数据，经过分析实现设备智能控制，是河道垃圾打捞技术发展的重要方向。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种河道垃圾清理全过程数字化管控系统，将图像处理技术、无线通信技术和远程控制技术相结合，实现河道垃圾的远程监控和打捞。
本发明的目的是提供一种河道垃圾清理全过程数字化管控系统，数据采集模块，用于采集基础数据；所述基础数据包括水位、流速、垃圾位置、垃圾数量、垃圾重量、打捞设备的空间坐标、打捞设备的工况参数；
数据处理模块，接收数据采集模块的基础数据、分析控制模块下发的指令数据，并对基础数据和指令数据进行存储，得到处理数据；
分析控制模块，接收数据处理模块的处理数据，并对处理数据进行加工和变换，进而生成打捞设备的控制指令，并将控制指令通过数据处理模块发送至打捞设备；所述加工包括：根据水位计算得到水位变化率，根据水位变化率推算水位到达警戒水位的预测时间；根据垃圾位置和流速推算垃圾到达打捞设备的预测时间；根据一段时间内打捞出垃圾的垃圾重量，生成垃圾重量可视化图表；所述变换是将打捞设备的空间坐标变换为GIS系统应用的空间数据；
输入输出模块，接收分析控制模块的输出数据，将输出数据进行显示；并进行人机交互；所述输出数据包括基础数据、指令数据、水位变化率、水位到达警戒水位的预测时间、垃圾到达打捞设备的预测时间、垃圾重量可视化图表和数字坐标；其中：
所述数据采集模块、数据处理模块、分析控制模块、输入输出模块通过无线网络依次进行数据交互。
优选地，在河道上修建有横跨河道两岸的若干个场站，在每个场站内设置有若干台打捞设备，每个场站内的若干台打捞设备从河道的一侧到另一侧成一字型排列。
优选地，所述分析控制模块根据打捞设备的位置，将河道沿着水流方向分割为若干区域，将垃圾位置与区域进行匹配，进而控制相应的打捞设备动作。
优选地，所述打捞设备包括底座，在所述底座上表面安装有设备支架，所述设备支架上固定安装有上门架，所述上门架的下端通过销轴连接下门架；门形结构的卷筒支架的两端固定在河道两岸，在卷筒支架的横梁上安装有折叠卷筒；在所述下门架迎水面的下侧安装有吊钩，所述吊钩通过卷绳与折叠卷筒连接，在上门架和下门架的两个侧壁分别安装有传动链，在两条传动链之间设置有若干个耙钩；在上门架的内侧安装有带动传动链转动的电机；在下门架迎水面的下侧设置有限位挡块，所述限位挡块位于吊钩和传动链的下方；在所述下门架上安装有过滤水流的格栅，在所述底座上安装有转运传送带，所述转运传送带位于传动链上端部的正下方；所述电机的控制器通过无线网络与数据处理模块进行数据交互。
优选地，所述分析控制模块将接收到的水位和预设水位阈值进行比较，当水位大于或等于预设水位阈值时，则分析控制模块通过数据处理模块向打捞设备发送泄洪指令。
优选地，所述数据采集模块包括：
位于打捞设备上游的水位监测单元、流速检测单元、垃圾识别单元；
安装在打捞设备上的设备信号单元、重量传感单元。
优选地，所述数据采集模块包括垃圾识别单元，所述垃圾识别单元用于检测打捞设备上游河道中垃圾数量，分析控制模块根据垃圾数量进而控制打捞设的转速，当所述垃圾识别单元拍摄范围内垃圾数量小于5时，则电机的转速为2m/分钟，当所述垃圾识别单元拍摄范围内垃圾数量大于或等于5，且小于9时，电机的转速为4m/min，当所述垃圾识别单元拍摄范围内垃圾数量大于或等于10 时，电机的转速为8m/min。
优选地，所述设备信号单元检测包括安装在每台打捞设备上的若干个传感器，通过传感器获取打捞设备的运行参数。
优选地，所述分析控制模块包括：
GIS系统，将打捞设备的坐标转换成经纬度坐标；
气象预警系统，连接网络气象数据，获取场站气象预报，形成气象预测数据应用于分析控制模块生成设备控制指令；
数据整理系统，将所述数据处理模块传输的水位、流速、垃圾位置、垃圾数量、垃圾重量、打捞设备的空间坐标、打捞设备的工况参数进行整理汇总；
智能控制平台，包括场站导航单元、数据展示单元、设备控制单元。
优选地，所述设备控制单元包括自动控制部分、人工控制部分；所述自动控制部分基于数据整理系统，根据数据判断设备合理运行状态，下达设备控制指令；所述人工控制部分通过输入输出模块接收人员控制指令，下达设备控制指令。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明将图像处理技术、无线通信技术和远程控制技术相结合，实现了河道垃圾清理全过程的数字化管理，通过多种类传感器，将垃圾打捞工况数据化，将打捞数据、设备运行情况通过可视化界面实时展示，实现垃圾打捞设备无人化智能控制。本发明推动了河道垃圾打捞向全天候无人打捞方向的发展，促进垃圾打捞设备运行更精准、更节能，提升了工作效率和建设效果。
附图说明
图 1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例中采集传感器示意图；
图3为本发明实施例中采集传感器布置图；
图4为本发明实施例中打捞设备示意图；
图5为本发明实施例中打捞设备左视图；
图6为本发明垃圾识别图像示意图。
图中：1、底座；2、传动链；3、耙钩；4、折叠卷筒；5、上门架；6、下门架；7、格栅；8、限位挡块；9、转运传送带；10、电机；11、销轴；12、设备支架；13、卷筒支架；14、吊钩。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1至图6所示，本发明的技术方案为：
一种河道垃圾清理全过程数字化管控系统，主要包括数据采集模块、数据处理模块、分析控制模块和输入输出模块；所述数据采集模块、数据处理模块、分析控制模块、输入输出模块通过无线网络依次进行数据交互；本实施例中，数据采集模块与数据处理模块之间通过无线网络进行通讯，数据处理模块与分析控制模块之间通过5G传输模块进行通信，输入输出模块与数据分析模块之间通过5G传输模块进行通信。
数据采集模块，用于采集基础数据；所述基础数据包括水位、流速、垃圾位置、垃圾数量、垃圾重量、打捞设备的空间坐标、打捞设备的工况参数；数据采集模块并将基础数据传递至数据处理模块，数据采集模块包括采集数据用的传感器和通信设备两部分，其中传感器包括水位监测单元16、垃圾识别单元15（通过图像处理技术获取垃圾的位置和数量）、流速检测单元17、重量传感单元和设备信号单元，其中：水位监测单元、垃圾识别单元和流速检测单元的布设位置如图2和图3所示，设备信号单元和重量传感单元安装于打捞设备中；水位监测单元实时监测河道水流参数，例如河道水位、流速等；垃圾识别单元拍摄场站上游河道视频录像，并识别河道中的垃圾数量和垃圾位置；流速检测单元实时测量河道水流速；重量传感单元检测垃圾打捞出来时的重量；设备信号单元记录打捞设备的运行数据，例如打捞设备运行时间、次数、操作类型等；通信单元将采集传感器采集到数据发送至数据处理模块。所述垃圾识别单元用于检测打捞设备上游河道中垃圾数量，分析控制模块根据垃圾数量进而控制打捞设的转速，当所述垃圾识别单元拍摄范围内垃圾数量小于5时，则电机的转速为2m/分钟，当所述垃圾识别单元拍摄范围内垃圾数量大于或等于5，且小于9时，电机的转速为4m/min，当所述垃圾识别单元拍摄范围内垃圾数量大于或等于10 时，电机的转速为8m/min。
数据处理模块，接收数据采集模块的基础数据、分析控制模块下发的指令数据，并对基础数据和指令数据进行存储，得到处理数据；
分析控制模块，接收数据处理模块的处理数据，并对处理数据进行加工和变换，进而生成打捞设备的控制指令，并将控制指令通过数据处理模块发送至打捞设备；所述加工包括：根据水位计算得到水位变化率，根据水位变化率推算水位到达警戒水位的预测时间；根据垃圾位置和流速推算垃圾到达打捞设备的预测时间；根据一段时间内打捞出垃圾的垃圾重量，生成垃圾重量可视化图表；所述变换是将打捞设备的空间坐标变换为GIS系统应用的空间数据；
请参阅图6，已知垃圾识别单元15的识别摄像头投影点为识别点A，识别摄像头识别范围对应其余识别点B、识别点C、识别点D；识别点A和识别点B之间的距离，即识别纵向拍摄距离为；识别点A和识别点D之间的拍摄距离，即两岸拍摄距离为/>；垃圾与识别点A的拍摄距离为/>；垃圾与识别点B的拍摄距离为/>；垃圾与识别点D的拍摄距离为/>；识别点A、识别点B纵向实地测量距离为/>；识别点A和识别点D之间的实地测量距离，即两岸实地测量距离/>；识别摄像头距离打捞设备实地测量距离/>；识别摄像头高度为H，水位传感器测量水深/>；河岸高度/>；流速检测速度v。
可计算得到：
垃圾至摄像头纵向拍摄距离；
垃圾至摄像头纵向实际距离；
垃圾至右岸拍摄距离；
垃圾至右岸实际距离；
垃圾至左岸拍摄距离；
垃圾至左岸实际距离；
垃圾到达设备时间；
输入输出模块，接收分析控制模块的输出数据，将输出数据进行显示；并进行人机交互；所述输出数据包括基础数据、指令数据、水位变化率、水位到达警戒水位的预测时间、垃圾到达打捞设备的预测时间、垃圾重量可视化图表和数字坐标。
在上述实施例中，数据采集模块，用于识别河道垃圾、检测河道水位、检测河道水流速和设备运行信息；数据处理模块，用于初步处理收集到的数据，并传输至分析控制模块；分析控制模块，对接收到的数据进行分析处理，并以此数据为基础下达设备操作指令；输入输出模块，用于实时直观展示设备运行状况，以及接受外部直接指令；
打捞设备包括：底座1，在所述底座1上表面安装有设备支架12，所述设备支架12上固定安装有上门架5，所述上门架5的下端通过销轴11连接下门架6；门形结构的卷筒支架13的两端固定在河道两岸，在卷筒支架13的横梁上安装有折叠卷筒4；在所述下门架6迎水面的下侧安装有吊钩14，所述吊钩14通过卷绳与折叠卷筒4连接，折叠卷筒4通过卷绳带动吊钩14和下门架6绕着销轴11转动，进而实现下门架6的折叠动作；在上门架5和下门架6的两个侧壁分别安装有传动链2，在两条传动链2之间设置有若干个耙钩3，通过耙钩3实现垃圾打捞，耙钩3为水平方向设置；在上门架5的内侧安装有带动传动链2转动的电机10；在下门架6迎水面的下侧设置有限位挡块8，所述限位挡块8位于吊钩14和传动链2的下方；在所述下门架6上安装有过滤水流的格栅7，利用格栅7拦截垃圾，在所述底座1上安装有转运传送带9，所述转运传送带9位于传动链2上端部的正下方；转运传送带9用于收集排式耙钩3打捞上的垃圾，并转运出设备范围；所述电机10的控制器通过无线网络与数据处理模块进行数据交互。
数据采集模块包括垃圾检测单元、流速监测单元，可在河道垃圾打捞设备前预设区域内，拍摄水面图像，当图像识别到河道垃圾后，分析垃圾的位置和数量，结合垃圾位置、河水流速，经分析控制模块计算得出垃圾到达垃圾打捞设备格栅7所需时间，并以此时间为基准，下达传动链驱动电机10运转指令；当预设区域内一定时间未发现垃圾，下达电机10停转指令。应用本发明，能够有效降低垃圾清理人工成本，提升垃圾打捞效率，实现全天候垃圾智能无人化打捞，具有较高的实用价值。
数据采集模块，用于识别河道垃圾、检测河道水位、检测河道水流速和设备运行信息；数据处理模块，用于初步处理收集到的数据，并传输至分析控制模块；分析控制模块，对接收到的数据进行分析处理，并以此数据为基础下达设备操作指令；输入输出模块，用于实时直观展示设备运行状况，以及接受外部直接指令。
数据采集模块包括水位监测单元、设备信号单元，在水位监测单元检测到河道水位高于预设警戒水位后，此信息经数据处理模块传递至分析控制模块，分析控制模块以此信息为基础，发布电机10停转指令、折叠卷筒4运行指令，经吊钩14，将下门架6、格栅7、限位挡块8折叠抬升至河岸之上；当设备控制单元接收到水位监测单元水位数据连续30分钟处于警戒数以下，且无水位上涨趋势时，分析控制模块下达折叠卷筒4下降指令，将下门架6、格栅7、限位挡块8、吊钩14回落至原位，设备信号单元检测到限位挡块8复位后，分析控制模块下达折叠卷筒4停止指令。应用本发明，实现打捞设备自动折叠抬升及复位功能，提升打捞设备应对洪水的能力，避免出现安全事故，实现全天候无人化智能控制，提升安全系数。
数据采集模块包括设备信号单元，打捞设备启动前，需确认设备信号单元发出限位挡块8处于最低位置信号，分析控制模块接收到此信号后，才能下达电机10启动指令；打捞设备折叠抬升前，需设备信号单元发出电机10、传动链2、耙钩3静止信号，分析控制模块接收到此信号后，才能下达折叠卷筒4启动指令，这样可以避免设备运行期间因同时进行不同操作导致的设备故障问题，降低设备故障率，提高设备寿命，减少运维成本。
分析控制模块包括数据整理系统、智能控制平台，打捞设备将垃圾打捞至场站后，需经过转运设备，将垃圾运至河道外，重量识别单元安装于转运设备下方，实时监测打捞设备打捞垃圾的重量，形成数据信号经数据处理模块传至分析控制模块的数据整理系统，生成垃圾打捞统计图表；水位监测单元实时生成河道水位数据，经数据处理模块传至分析控制模块的数据整理系统，生成河道水位统计图表，分析控制模块根据本年度垃圾打捞量、河道水位走势分析生成第二年垃圾打捞规划。应用本发明，能够实时测量记录河道垃圾打捞量和河道水位数据，可以此为依据对河流生态环境治理进行评估，可对次年垃圾打捞进行前期规划，降低垃圾打捞成本，并对河道水位变化提前预警，降低出现安全问题可能性。
分析控制模块包括气象预警系统、智能控制平台，气象预警系统通过连接网络气象数据，实时获取打捞设备附近天气预报，当获取到设备附近将有长时间降雨时，生成河道水位预警信号，智能控制平台接收到水位预警信号后，结合水位传感器数据，计算河道水位增长率，得出水位达到警戒水位预估时间，提前3分钟下达电机10停止指令，接收到设备信号单元发出的电机10、传动链2、排式耙钩3静止信号后，下达折叠卷筒4启动指令。应用本发明，可根据网络天气预报实时数据，提前预测水位变化，提前折叠抬升设备，不影响河道行洪，确保打捞设备安全稳定运行。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种河道垃圾清理全过程数字化管控系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于采集基础数据；所述基础数据包括水位、流速、垃圾位置、垃圾数量、垃圾重量、打捞设备的空间坐标、打捞设备的工况参数；
数据处理模块，接收数据采集模块的基础数据、分析控制模块下发的指令数据，并对基础数据和指令数据进行存储，得到处理数据；
分析控制模块，接收数据处理模块的处理数据，并对处理数据进行加工和变换，进而生成打捞设备的控制指令，并将控制指令通过数据处理模块发送至打捞设备；所述加工包括：根据水位计算得到水位变化率，根据水位变化率推算水位到达警戒水位的预测时间；根据垃圾位置和流速推算垃圾到达打捞设备的预测时间；根据一段时间内打捞出垃圾的垃圾重量，生成垃圾重量可视化图表；所述变换是将打捞设备的空间坐标变换为GIS系统应用的数字坐标；
输入输出模块，接收分析控制模块的输出数据，将输出数据进行显示；并进行人机交互；所述输出数据包括基础数据、指令数据、水位变化率、水位到达警戒水位的预测时间、垃圾到达打捞设备的预测时间、垃圾重量可视化图表和数字坐标；其中：
所述数据采集模块、数据处理模块、分析控制模块、输入输出模块通过无线网络依次进行数据交互。
2.根据权利要求1所述河道垃圾清理全过程数字化管控系统，其特征在于，所述打捞设备包括底座（1），在所述底座（1）上表面安装有设备支架（12），所述设备支架（12）上固定安装有上门架（5），所述上门架（5）的下端通过销轴（11）连接下门架（6）；门形结构的卷筒支架（13）的两端固定在河道两岸，在卷筒支架（13）的横梁上安装有折叠卷筒（4）；在所述下门架（6）迎水面的下侧安装有吊钩（14），所述吊钩（14）通过卷绳与折叠卷筒（4）连接，在上门架（5）和下门架（6）的两个侧壁分别安装有传动链（2），在两条传动链（2）之间设置有若干个耙钩（3）；在上门架（5）的内侧安装有带动传动链（2）转动的电机（10）；在下门架（6）迎水面的下侧设置有限位挡块（8），所述限位挡块（8）位于吊钩（14）和传动链（2）的下方；在所述下门架（6）上安装有过滤水流的格栅（7），在所述底座（1）上安装有转运传送带（9），所述转运传送带（9）位于传动链（2）上端部的正下方；所述电机（10）的控制器通过无线网络与数据处理模块进行数据交互。
3.根据权利要求1所述河道垃圾清理全过程数字化管控系统，其特征在于，所述分析控制模块将接收到的水位和预设水位阈值进行比较，当水位大于或等于预设水位阈值时，则分析控制模块通过数据处理模块向打捞设备发送泄洪指令。
4.根据权利要求1所述河道垃圾清理全过程数字化管控系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：
位于打捞设备上游的水位监测单元、流速检测单元、垃圾识别单元；
安装在打捞设备上的设备信号单元、重量传感单元。
5.根据权利要求4所述河道垃圾清理全过程数字化管控系统，其特征在于，所述垃圾识别单元用于检测打捞设备上游河道中垃圾数量，分析控制模块根据垃圾数量进而控制打捞设的转速，当所述垃圾识别单元拍摄范围内垃圾数量小于5时，则电机（10）的转速为2m/分钟，当所述垃圾识别单元拍摄范围内垃圾数量大于或等于5，且小于9时，电机（10）的转速为4m/min，当所述垃圾识别单元拍摄范围内垃圾数量大于或等于10 时，电机（10）的转速为8m/min。
6.根据权利要求4所述河道垃圾清理全过程数字化管控系统，其特征在于，所述设备信号单元检测包括安装在每台打捞设备上的若干个传感器，通过传感器获取打捞设备的运行参数。
7.根据权利要求1所述的河道垃圾清理全过程数字化管控系统，其特征在于，所述分析控制模块包括：
GIS系统，将打捞设备的坐标转换成经纬度坐标；
气象预警系统，连接网络气象数据，获取场站气象预报，形成气象预测数据应用于分析控制模块生成设备控制指令；
数据整理系统，将所述数据处理模块传输的水位、流速、垃圾位置、垃圾数量、垃圾重量、打捞设备的空间坐标、打捞设备的工况参数进行整理汇总；
智能控制平台，包括场站导航单元、数据展示单元、设备控制单元。
8.根据权利要求7所述的河道垃圾清理全过程数字化管控系统，其特征在于，所述设备控制单元包括自动控制部分和人工控制部分；所述自动控制部分基于数据整理系统，根据数据判断设备合理运行状态，下达设备控制指令；所述人工控制部分通过输入输出模块接收人员控制指令，下达设备控制指令。
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