CN207780255U - 一种组合定位缆机运行监测系统 - Google Patents

Abstract

一种组合定位缆机运行监测系统，包括缆机、施工设备、第一定位设备、第二定位设备、组合定位设备、第一基准站、第二定位基站、无线通讯设备、同步控制器、定位服务器、数据库服务器和显示器，所述第一基准站、第一定位设备和组合定位设备分别经无线网与无线通讯设备连接，第二定位设备与组合定位设备分别经无线网与第二定位基站连接，第二定位基站与同步控制器连接，无线通讯设备、同步控制器、数据库服务器、显示器分别与定位服务器连接。本实用新型组合定位精确度高、实时性好、监测范围不受限制，能够对缆机进行无缝隙的实时监测。

Description

一种组合定位缆机运行监测系统

技术领域

本实用新型属于缆机运行领域，具体涉及一种组合定位缆机运行监测系统。

背景技术

缆机安装简易、机动灵活、起重量大、工作范围广、机械效率高，且具有一次架设，在整个施工期发挥作用的特点，因此在我国的水电工程尤其是高拱坝的建设中得到了广泛运用。然而，我国的高拱坝多修建在高山峡谷地区，气象环境恶劣，施工场地狭窄，施工活动频繁，空间交叉作业多，易造成缆机碰撞事故。目前在水电建设中为防止缆机碰撞事故发生，主要采取了配置缆机现场指挥员和限定缆机工作范围的方法。前者由于受指挥员所处位置、观测距离、现场天气等因素的影响，其指挥员对缆机碰撞事故的主观判断存在一定误差，同时此类人员的配置也可能干扰现场的其他施工活动。而严格划定缆机的工作范围，不仅对施工调度和发挥机械设备效率有一定影响，且对于设备在转移过程中发生的碰撞并不能有效地避免。因此，采用一种高精度的定位手段对缆机施工过程中的缆机及其他施工机械和人员进行实时监测，才能有效的解决缆机碰撞问题。对比文件1“用于缆机吊钩的防碰撞视频监控系统”(专利申请号：201310337921.2)，该申请公开了一种用于缆机吊钩的防碰撞视频监控系统，该系统利用安装在缆机小车上的摄像机实时监控缆机吊钩及吊物，并将该监控数据以无线或有线方式传输至司机室，从而为缆机操作员提供防撞操作依据。对比文件2“缆机实时监测定位系统”(专利申请号：201310731133.1)，该申请公开了一种缆机实时定位监测系统，该系统通过安装在缆机吊钩上的定位天线实时接收GPS北斗差分定位等信号，从而获得吊运物的位置信息和空间速度信息。对比文件3“基于GPS的大坝混凝土料管碰撞监测与导航定位方法”(专利申请号：201110287017.6)，该申请公开了一种利用GPS实时监测缆机吊罐的位置并与施工现场障碍物的位置信息进行碰撞检测，同时规划出缆机吊罐的安全运行路径。

上述缆机定位及防碰方法存在以下不足：首先，对于建设拱坝的高山峡谷等地区，采用GPS或北斗等其他全球定位，其卫星信号受遮挡严重，特别是河谷基坑位置(也是缆机运送吊罐入仓的时刻)，卫星可见数量急剧减少，当少于4颗时GPS的定位精度尤其是垂直向精度会明显降低。然而吊罐入仓卸料的过程是缆机与其他仓面施工机械和人员易发生碰撞的时段，对定位的精度应有更高的要求；再者，在缆机施工过程中，与缆机可能发生碰撞的对象可分为固定障碍物和移动障碍物。其中，固定障碍物包括坝体浇筑块、仓面模板以及某些坝体临时建筑物，而移动障碍物包括缆机、塔机、仓面施工机械(平仓机、振捣机等)和施工人员。在对这些碰撞对象的监测中，固定障碍物的位置信息可直接根据现场施工进度等资料进行系统更新，但对于移动障碍物的位置信息则需要选择恰当的定位方式进行实时监测；最后，在缆机安全运行施工管理中，运用定位监测只是了解缆机运行动态的手段，采用碰撞检测也仅为判断缆机运行的安全，其最终目的在于防止碰撞。那么根据实时定位数据，进行碰撞检测，并提出合理的缆机运行防碰调控措施才是解决缆机碰撞问题的关键。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述缆机定位及防碰方法的不足，提供一种对缆机施工过程中的缆机及其他施工机械和人员都能实时定位监测的GPS/UWB组合定位系统，且定位精度高，从而为缆机操纵员提供更加精确直观的缆机运行状态。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种组合定位缆机运行监测系统和缆机防碰调控方法，包括缆机、施工设备、第一定位设备、第二定位设备、组合定位设备、第一基准站、第二定位基站、无线通讯设备、同步控制器、定位服务器、数据库服务器和显示器，所述第一基准站、第一定位设备和组合定位设备分别经无线网与无线通讯设备连接，第二定位设备与组合定位设备分别经无线网与第二定位基站连接，第二定位基站与同步控制器连接，无线通讯设备、同步控制器、数据库服务器、显示器分别与定位服务器连接。

进一步的，所述第一定位设备为GPS定位设备，第二定位设备为UWB定位设备，组合定位设备为GPS-UWB组合定位设备；所述第一基准站为GPS基准站，第二定位基站为UWB定位基站。

进一步的，所述施工设备包括塔机、吊车、吊罐、平仓机、振捣机；所述塔机设有GPS定位设备，所述吊罐设有GPS-UWB组合定位设备，所述平仓机设有UWB定位设备，所述振捣机设有UWB定位设备，所述UWB定位设备也用于施工人员的定位。施工设备与施工人员都是缆机可能的碰撞对象，成为缆机的障碍物。

所述GPS/UWB组合定位设备及网络传输设备在实际运用中要按照缆机施工的特点进行合理布置。首先，根据GPS与UWB两者适用范围的区别，可对大坝底部的施工设备和人员进行UWB定位，施工设备和人员包括仓面施工机械(平仓机、振捣机)和仓面施工人员；对大坝顶部的施工设备(缆机大车、小车、塔机)进行GPS定位，而对于缆机吊罐和塔机吊罐的监测，由于其运动范围广，需要进行GPS-UWB组合定位才能实现对监测目标的无缝定位。同时，对于所述GPS基准站应布置在两岸环境开阔的位置，以便时刻接收到GPS卫星信号；所述UWB定位基站结合坝体的浇筑面貌，利用坝体浇筑过程中形成的相邻高度差使得UWB定位基站在空间布置上产生一定的高度差，从而保证定位的精准性。

本实用新型的有益效果是：本实用新型结合缆机施工特点采用组合定位技术，组合定位精确度高、实时性好、监测范围不受限制，定位精度达到厘米级，能够对缆机进行无缝隙的实时监测；精准地掌握缆机施工过程中机械和人员的实时位置信息，从而为缆机操纵员和施工安全管理人员提供可靠的碰撞检测结果及防碰安全指导，提高了缆机施工的安全性和高效性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作出进一步详细说明。

图1是本实用新型的系统整体结构图。

图2是本实用新型的GPS/UWB组合定位设备布置图。

图3是本实用新型的定位数据转化示意图。

图4是本实用新型的定位数据合成示意图。

图5是本实用新型的缆机碰撞检测流程图。

图6是本实用新型的缆机碰撞过程示意图。

图7是本实用新型的缆机防碰加档调整示意图。

图8是本实用新型的缆机防碰减档调整示意图。

图9是本实用新型的缆机防碰调控流程图。

具体实施方式

一种基于GPS/UWB组合定位的缆机运行监测及防碰系统，该系统主要包括缆机施工定位监测及动态可视化、缆机防碰两个部分。定位监测及可视化部分由基础硬件和程序组成，其中，基础硬件包含GPS/UWB组合定位设备、网络传输设备、数据库服务器、显示器和定位系统服务器，程序分为定位数据转化程序、组合定位数据合成程序及施工动态可视化程序三个程序模块。对于缆机防碰部分则由缆机碰撞检测方法和缆机防碰调控方法共同实现。

该系统中使用的GPS/UWB组合定位设备和网络传输设备包括GPS基准站、无线通讯设备、UWB定位基站、UWB同步控制器及连接光纤和定位设备。其中，定位设备分GPS定位设备、UWB定位设备以及GPS-UWB组合定位设备三种形式。无线通讯设备、同步控制器、数据库服务器分别通过局域网与定位系统服务器连接。显示器与定位系统服务器连接。UWB定位基站经光纤与同步控制器连接。数据库服务器为施工信息数据库服务器，存储有坝体构筑物、仓面模板等固定障碍物的空间位置等大坝施工信息。

使用的GPS定位设备能够接收GPS卫星信号，并通过无线通讯设备将定位结果实时传送给定位系统服务器；使用的UWB定位设备可发射UWB脉冲信号，从而由周边UWB定位基站接收以获得其位置信息；而使用的GPS-UWB组合定位设备结合上述两种定位设备的功能，既可以接收GPS卫星信号，又可以发射UWB脉冲信号，从而同时获得该定位设备的GPS定位数据和UWB定位数据。

使用的GPS基准站也相当于一个GPS定位设备，但该GPS基准站的空间位置已知且固定不动，在GPS定位过程中用来与其他GPS定位设备的定位数据进行差分，从而提高定位精度。使用的UWB定位基站用处相似，在UWB定位过程中某UWB定位设备发射的脉冲信号被它周围的多个UWB定位基站接收，这些UWB定位基站通过TDOA(Time Difference of Arrival)到达时间差差分计算从而获得该定位设备准确的位置坐标信息。

如图2，根据缆机施工中各施工机械和人员运动范围、运动特点及定位精度要求的区别，分别选择合适的定位形式。其中，对缆机主、副塔、缆机小车、塔机进行GPS定位监测，对仓面中活动的平仓机、振捣机、施工人员进行UWB定位监测，对缆机吊罐和塔机吊罐进行组合定位。缆机和施工设备定位形式如表1所示。

表1缆机和施工设备定位形式

使用的GPS定位采用了DGPS(Differential Global Positioning System)差分全球定位系统伪距差分，利用坝顶岸坡上的GPS基准站进行定位差分，精度可达到分米级。使用的UWB定位采取了TDOA到达时间差定位技术，通过多个UWB定位基站接收定位设备发射的脉冲信号，从而差分计算出定位设备的位置，精度可达到厘米级。使用的组合定位采用了一部既能接收GPS卫星信号又能发射UWB脉冲的定位设备，将该组合定位设备安装在缆机吊罐上，即可实现对缆机吊罐运动过程的无缝定位监测。

使用的定位数据转化程序主要用于将GPS定位数据和UWB定位数据都转换为统一的BJ-54直角坐标(施工坐标)。定位数据转化过程如图3所示。GPS的定位数据是以(B,L,H)形式的WGS-84大地坐标(B表示纬度，L表示经度，H为大地高度)，在转化过程中，首先利用高斯-克吕格投影将其转化成WGS-84平面直角坐标，再利用克拉索夫斯基椭球转换得到BJ-54直角坐标。同时，由于UWB定位设备得到的数据是以UWB定位基站为参照的相对坐标(ΔX，ΔY，ΔZ)，ΔX、ΔY、ΔZ分别表示定位设备相对于定位基站在X、Y、Z轴方向上的距离，在转化过程中利用工程测量的方法获取UWB定位基站的施工坐标即可得到UWB定位设备的施工坐标。从而，通过该定位数据转化程序无论是GPS还是UWB定位数据均可转化为施工坐标。

GPS/UWB组合定位数据合成程序采用已知粒子滤波算法，粒子滤波算法参照对比文件《DGPS与UWB混合精确无缝定位技术研究》(传感器与微系统，2012年第31卷第3期，76页)，对采用GPS/UWB组合定位的定位数据进行实时处理，从而得到以该组合定位形式下的较高精度的融合定位数据。组合定位数据融合过程如图4所示。在定位系统服务器对GPS定位数据和UWB定位数据进行融合时，由于两者刷新率不同，或者遇到只能进行一中定位的情况，因此会出现三种情况的定位数据：只有UWB定位数据、只有GPS定位数据、同时存在UWB和GPS两种数据。结合粒子滤波器对任意分布的噪声都适用，并能够很好的融合不同传感器数据的优点，该定位系统采用粒子滤波器对总服务器接收到的定位数据进行实时处理，从而保证了定位精度满足监测要求。

经过上述定位数据的转化和合成后，缆机施工过程中的施工机械和人员的实时位置信息即存储在定位系统服务器中。如图1所示，定位系统服务器通过已知的施工监测程序将这些位置信息进行可视化显示输出以便缆机操作员和施工安全管理人员直观地了解施工过程的详细情况。

如图5，防碰系统中首先采用了缆机碰撞检测方法，对缆机的运动过程进行实时判断，从而对可能的碰撞风险及时发现、及时调整，该碰撞检测不仅适用缆机与固定障碍物，对于缆机与移动障碍物的情况也适用。

如图6所示，由于碰撞是一种物体在时间和空间上同时发生重叠的情况，缆机碰撞检测方法具体步骤如下：

步骤1：采用数据转化和合成方法，将定位设备的定位数据转化和合成后，将施工机械和人员的实时坐标信息存储在定位系统服务器中；

步骤2：根据定位服务器和数据库服务器的障碍物的空间坐标，计算缆机与这些障碍物的空间距离，将缆机与障碍物的空间距离与施工安全距离进行比较；

步骤2.1：如果空间距离小于安全距离则直接发出碰撞警示，执行步骤5；

步骤2.2：如果空间距离大于安全距离则执行步骤3；

步骤3：进行空间冲突的识别，根据缆机的运动方向与其他移动障碍物的运行方向确定出潜在空间冲突的障碍物；

步骤4：对潜在空间冲突的障碍物，根据当前速度分别计算缆机、障碍物到达交汇点时间；

步骤4.1：如果到达交汇点时间相同，则判断为会发生时空冲突，执行步骤5；

步骤4.2：如果到达交汇点时间不同，没有碰撞风险，执行步骤6；

步骤5：将碰撞风险直接反馈给缆机操作员，及时警示，提醒缆机操作员采取必要措施；

步骤6：判断缆机是否运行；

步骤6.1：如果缆机运行，向缆机操作员显示缆机施工过程动态监控画面，执行步骤1；

步骤6.2：如果缆机停止运行，则停止检测。

在上述碰撞检测方法中，一方面，利用实时定位数据获得各运动机械和人员的位置信息并计算相应的运行速度，另一方面，根据施工信息获得缆机施工过程中固定障碍物的位置信息，从而根据缆机与潜在障碍物位置关系及速度信息进行碰撞检测。

使用的缆机防碰调控方法根据上述碰撞检测的结果，能够对可能发生碰撞的情况及时作出调整。在调整过程中，首先判断潜在障碍物所属的类型：固定障碍物和移动障碍物。对固定障碍物的类型，根据缆机当前的运动速度以及相对固定障碍物的距离，制定可靠的安全预警机制；而移动障碍物的类型，则首先确定两者调整的优先关系，对于其他施工机械和人员优先调整的情况，缆机的运动状态则不必调整，而对于缆机为优先调整对象的情况，则通过缆机加(减)档使得吊罐在移动障碍达到预测碰撞点之前(之后)经过，从而避免碰撞。缆机防碰优选调整规则如表2所示。

表2缆机防碰优先调整规则

根据图6中缆机与移动障碍物存在时间和空间上都发生重叠的情况，优先调整规则中缆机为调整对象的情况，可以按照图7、图8中的调控方式：加档、减档或制动。在调整过程中，首先获取移动障碍物的位置、速度大小、速度方向信息，并根据碰撞检测预计的交汇点计算移动障碍物的到达时间间隔t，以此为基础分析缆机的调整方式。缆机在运行过程中与这些移动障碍物易发生碰撞的部位主要为吊罐，考虑到吊罐的摆动影响，在碰撞检测及防碰调控中都增设一个半径为r的圆作为缆机的影响范围。

图7为缆机防碰加档调整的示意图。由于移动障碍物在t时刻会达到交汇点，那么应使缆机的影响范围在t时刻至少恰好经过该交汇点，即达到图中所示的位置，而这段距离称为先到调整距离L₁，由缆机当前的运动速度v，根据公式：利用该公式可计算得到满足先到调整距离L₁要求的加速度a₁，将其与当前缆机的可调的加速档位进行比较，考察是否有满足至少达到该加速度a₁的加速档位，若有则提示进行加档调整，从而避免碰撞。

图8则为缆机防碰减档的示意图。其计算原则与上述加档调控的方法类似，只是此时以后到调整距离L₂作为计算标准，采用公式：同样可得到满足后到调整距离L₂要求的加速度a₂，将其与当前可调的减速档进行比较，考察是否有满足至少达到该加速度a₂的减速档位，若有则提示进行减档调整，若无则及时进行制动，从而也能避免碰撞。

如图9所示，缆机防碰调控方法主要对可能的碰撞情况可作出以下调整：根据定位监测和施工数据库提供的位置信息判断障碍物的类型：固定障碍物、移动障碍物。对于固定障碍物的情况，则首先求得缆机当前的速度，从而计算在该速度下进行制动所需的制动距离l和制动所需的时间t，将它们分别与系统设定的缆机预警距离L和预警时间T进行比较，若l不小于L，则发出距离预警，若t不小于T，则发出时间预警，若都为小于的情况，则计算按当前运动状态继续前行可安全运行的时间。对于移动障碍物的情况，则根据使用的优先调整原则建立优先调整规则库，若该碰撞对象中移动障碍物为优先调整方，那么缆机的运动状态可不必调整，而只对该移动障碍物发出紧急避让指示，让这些施工机械或人员停止或躲让，若该碰撞对象中缆机为优先调整方，那么根据上述缆机防碰加档、减档调整方法或者缆机制动，进行及时调控。

Claims (3)

1.一种组合定位缆机运行监测系统，包括缆机、施工设备、第一定位设备、第二定位设备、组合定位设备、第一基准站、第二定位基站、无线通讯设备、同步控制器、定位服务器、数据库服务器和显示器，其特征在于，所述第一基准站、第一定位设备和组合定位设备分别经无线网与无线通讯设备连接，第二定位设备与组合定位设备分别经无线网与第二定位基站连接，第二定位基站与同步控制器连接，无线通讯设备、同步控制器、数据库服务器、显示器分别与定位服务器连接。

2.根据权利要求1所述的组合定位缆机运行监测系统，其特征在于，所述第一定位设备为GPS定位设备，第二定位设备为UWB定位设备，组合定位设备为GPS-UWB组合定位设备；所述第一基准站为GPS基准站，第二定位基站为UWB定位基站。

3.根据权利要求2所述的组合定位缆机运行监测系统，其特征在于，所述施工设备包括塔机、吊车、吊罐、平仓机、振捣机；所述塔机设有GPS定位设备，所述吊罐设有GPS-UWB组合定位设备，所述平仓机设有UWB定位设备，所述振捣机设有UWB定位设备，所述UWB定位设备也用于施工人员的定位。