[發明專利]適用于傾斜路基的土方推平作業遠程協同監控系統和方法

在審

• 申請號: 202010132483.6
• 申請日: 2020-02-29
• 公開（公告）號: CN111399403A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 劉東海;楊鵬;劉強
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05B19/042
• 分類號: G05B19/042
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

1.一種適用于傾斜路基的土方推平作業遠程協同監控系統，其特征是，包括GNSS基站、智能引導推平裝置、數據庫與應用服務器、監控客戶端、報警接受端等五部分，數據庫與應用服務器包含數據庫模塊、分析判斷模塊、信息反饋模塊、全球移動通信系統GSM(GlobalSystem for Mobile Communications)通訊模塊；

GNSS基站是整個系統的“位置標準”，推土機上的GNSS定位模組，會根據基準站的天線信號進行實時差分修正定位；

智能引導推平裝置包括推土機平臺、GNSS定位模組、雙軸傾角傳感器、數據傳輸模塊和車載顯示屏等五部分；GNSS定位模組由兩個分別安裝于推土機鏟刀兩側的GNSS天線構成，用于追蹤鏟刀實時位置和運作形態，雙軸傾角傳感器安裝于推土鏟背部偏上方位置，其采集的鏟刀傾角信息結合GNSS位置信息可輔助解算鏟刀三維姿態，數據傳輸模塊通過施工現場的GSM、3G(The 3rd Generation mobile communication technology)或4G(The 4thGeneration mobile communication technology)通訊網絡，向數據庫與應用服務器實時回傳所獲取的推平過程監控基礎信息即GNSS定位信息以及傾角信息，并從服務器接收經過一些列分析解算得到的推土鏟三維姿態、當前松鋪厚度、異常報警信息、當前推土鏟高程與設計高程的偏差值信息，用以來反饋指導司機攤鋪推平作業；

數據庫與應用服務器包括四個模塊：數據庫模塊、分析判斷模塊、信息反饋模塊、GSM通訊模塊；

數據庫模塊用于接收并存儲從智能引導推平裝置和監控客戶端傳來的原始基礎數據和分析判斷模塊產生的衍生數據，具體包括以下三方面：(1)智能引導推平裝置發送來的推土機位置信息、GNSS定位數據和鏟刀傾角數據等推平過程監控基礎信息；(2)由用戶通過監控客戶端定義、輸入和上傳的前施工公路數字圖像、工作面信息、報警手機號碼、松鋪厚度控制標準、平整度控制標準；(3)經過分析判斷模塊對基礎信息處理后產生的衍生信息，包括鏟刃高程散點信息、鏟刀姿態、松鋪厚度及平整度信息以及報警信息；

分析判斷模塊對實時接收的推平過程監控基礎信息進行動態處理分析，比對預定的監控標準，進而對松鋪厚度和平整度異常做出判斷，其數據分析任務包括工作面網格劃分、鏟刃三維姿態解算、松鋪厚度計算及異常評判和平整度評價及異常判斷；

信息反饋模塊收到報警激活信號后，用于發出報警信息。

2.如權利要求1所述的適用于傾斜路基的土方推平作業遠程協同監控系統，其特征是，監控客戶端主要用于系統日常運行監控以及上傳初始的施工公路數字圖形資料、工作面信息、報警手機號碼、監控標準等靜態基礎信息；除此之外，監控客戶端還實時從數據庫及應用服務器讀取現場松鋪、推平施工信息。

3.如權利要求1所述的適用于傾斜路基的土方推平作業遠程協同監控系統，其特征是，報警接收端既可以是個人的智能移動電話，也可以是專門配置的工業級掌上電腦PDA(Personal Digital Assistant)，相關人員通過報警接收端以短信的形式接收報警信息，然后對監控不合格的區域進行遠程指導，進行二次施工，真正實現施工—監控—管理一體化。

4.一種適用于傾斜路基的土方推平作業遠程協同監控方法，其特征是，借助于權利要求1所述系統實現，具體步驟如下：

(1)登錄監控客戶端；

登錄開發的監控客戶端，并對用戶權限進行驗證，用戶權限包括瀏覽、操作與管理；

(2)開設新的施工工作面；

在監控客戶端中打開當前施工公路的數字圖形，直接調取數據庫中提取當前需要推土作業的工作面文件；此外還可以在數字圖形上劃定當前施工工作面，并設定該施工工作面的工程類型、分項工程、層號；

(3)設定路基填筑松鋪厚度和平整度控制標準；

設定該施工工作面路基填筑松鋪厚度的標準值以及容許誤差，以及平整度的設計控制面、容許合格率；

(4)監控客戶端對路基填筑施工過程進行遠程實時監控；

設置在施工現場或營地的監控客戶端通過Internet網絡，遠程、實時地讀取數據庫及應用服務器中由推土機上傳感器采集的基礎數據，并根據傳回的基礎數據，實時繪制在前路基平整質量云圖，同時可在平整質量云圖中點擊不同位置實時顯示該點處的松鋪厚度信息，對路基填筑施工過程中的松鋪厚度和平整度進行遠程實時監控；

(5)智能引導推平裝置基礎信息采集和實時發送；

所述的推平裝置基礎信息采集和實時發送的實現方法是：通過推土機上安裝的GNSS天線與傾角傳感器等裝置獲取路基填筑推平過程中的推土機高程散點信息、推土機位置信息、推土鏟姿態等基礎信息，并通過GSM、3G或4G通訊方式，將上述信息經推土機車載系統、實時地發送到數據庫及應用服務器數據庫模塊中；

(6)數據庫及應用服務器接收數據處理及存儲；

數據庫及應用服務器實時接收公路路基填筑過程中推土機車載系統發送來的推土機位置信息、推土機高程散點信息、推土鏟姿態信息、施工開閉時間信息，并將上述數據存儲到數據庫及應用服務器的數據庫模塊中；

(7)工作面網格化處理；

綜合考慮工作面大小以及推土機大小確定網格大小，網格大小確定后，通過設置系統初始參數值，對工作面網格進行設定；

(8)鏟刀三維姿態解算；

(9)松鋪厚度計算及異常評判；

數據庫及應用服務器的分析判斷模塊將當前推土機所在單元格高程與此位置上一層面相同位置高程之差得到松鋪厚度后與預先設定的控制標準作對比，判斷當前松鋪厚度是否符合控制標準，若不符合控制標準，該模塊向數據庫及應用服務器的信息反饋模塊發送報警激活信號；

(10)平整度評價及異常判斷；

數據庫及應用服務器的分析判斷模塊將當前采集的推土機位置信息、推土機高程散點信息擬合成平整質量云圖，根據平整質量云圖，與預先設定的控制標準對比，判斷當前平整度是否符合控制標準，若不符合控制標準，該模塊向數據庫及應用服務器的信息反饋模塊發送報警激活信號；

(11)松鋪厚度和平整度不達標時發出報警信息；

信息反饋模塊接收到報警激活信號后，通過Internet網絡向監控客戶端發出報警信息；同時，通過數據庫及應用服務器的GSM通訊模塊向報警接收端發送報警信息；

(12)現場做出相應控制措施；

當現場施工人員接收到不達標報警信息后，相應調整推土鏟姿態，后方監控客戶端人員會對施工補救過程進行實時監控，并與現場施工人員保持通訊，直至施工松鋪厚度、平整度達到設定標準要求；

(13)關閉完工的施工工作面，輸出監控結果；

當前施工層面推平工作完成后，通過監控客戶端關閉當前監控過程，輸出監控結果，包括繪制的松鋪厚度圖和平整質量云圖、松鋪厚度統計圖表、平整質量統計圖表及報警信息匯總表，作為工作面驗收的輔助材料和依據；

(14)存儲當前施工工作面監控結果，供后續查詢。

鏟刀三維姿態解算具體步驟如下：

所需設備：GNSS接收器2個、雙軸傾角傳感器1個。

G₁、G₂點為GNSS接收點，K₁、K₂為支撐桿安裝位置，A’點為推土鏟刃上一點，滿足條件面A′K′G′與鏟刃線A′B′垂直，G′、K′為G₁、K₁沿線B′A′方向平移G₁G′長度或者K₁K′長度得到的點，B′為鏟刃右端點、C點為推土鏟的旋轉軸；

在絕對坐標系XYZ內，已知支撐桿長度K₁G₁＝L、A′K′＝L₁、K₁K₂＝L₃、K₁K′＝L₄；通過GNSS得到G₁點坐標G₁(x₁,y₁,z₁)，通過支撐桿上傾角傳感器得到推土鏟與z軸夾角為γ₁，規定逆時針為正、順時針為負；

根據GNSS得到G₁點坐標G₁(x₁,y₁,z₁)、G₂點坐標G₂(x₂,y₂,z₂)以及K₁、K₂間的距離L₃可得到推土機左右傾斜工作時的傾斜角Δ(同路面傾斜角)為

則在絕對坐標系XOY平面內，G₁G₂連線投影與x軸夾角為與y軸夾角為通過G₁、G₂點坐標計算得到；

則推土鏟上控制點K₁(x_k1,y_k1,z_k1)坐標得到：

y_k1＝y₁+L sinγ₁ cosθ₁

z_k1＝z₁-L cosγ₁

得到G₁(x₁,y₁,z₁)、K₁(x_k,y_k,z_k)坐標后，由控制點K₁到推土鏟邊K′的距離L₄推出K′(x′_k,y′_k,z′_k)的坐標：

x′_K＝x_K+L₄ cosΔcosθ₁

z′_K＝z_K-L₄ sinΔ

由于A′、K′都為推土鏟上兩個固定點，其幾何關系可提前測量得出，線A′K′與線K′G′夾角ζ，則A′K′與Z軸夾角γ′₁＝180-(ζ-γ₁)。則A′(x′_a,y′_a,z′_a)坐標可得：

Y′_a＝y′_k1+L₁ sinγ′₁cosθ₁

Z′_a＝z′_k1-L₁ cosγ′₁

同理可得到推土鏟刃上另一個點B′坐標，通過A′、B′兩點坐標就可以確定推土鏟刃的三維姿態，在攤鋪推平作業結束后，可以獲取作業過程中任意時刻的A′、B′兩點坐標，進而得到推土鏟刃高程散點軌跡，最后擬合得到平整質量云圖即實際推平作業面。