[发明专利]适用于倾斜路基的土方推平作业远程协同监控系统和方法

权利要求书

1.一种适用于倾斜路基的土方推平作业远程协同监控系统，其特征是，包括GNSS基站、智能引导推平装置、数据库与应用服务器、监控客户端、报警接受端等五部分，数据库与应用服务器包含数据库模块、分析判断模块、信息反馈模块、全球移动通信系统GSM(GlobalSystem for Mobile Communications)通讯模块；

GNSS基站是整个系统的“位置标准”，推土机上的GNSS定位模组，会根据基准站的天线信号进行实时差分修正定位；

智能引导推平装置包括推土机平台、GNSS定位模组、双轴倾角传感器、数据传输模块和车载显示屏等五部分；GNSS定位模组由两个分别安装于推土机铲刀两侧的GNSS天线构成，用于追踪铲刀实时位置和运作形态，双轴倾角传感器安装于推土铲背部偏上方位置，其采集的铲刀倾角信息结合GNSS位置信息可辅助解算铲刀三维姿态，数据传输模块通过施工现场的GSM、3G(The 3rd Generation mobile communication technology)或4G(The 4thGeneration mobile communication technology)通讯网络，向数据库与应用服务器实时回传所获取的推平过程监控基础信息即GNSS定位信息以及倾角信息，并从服务器接收经过一些列分析解算得到的推土铲三维姿态、当前松铺厚度、异常报警信息、当前推土铲高程与设计高程的偏差值信息，用以来反馈指导司机摊铺推平作业；

数据库与应用服务器包括四个模块：数据库模块、分析判断模块、信息反馈模块、GSM通讯模块；

数据库模块用于接收并存储从智能引导推平装置和监控客户端传来的原始基础数据和分析判断模块产生的衍生数据，具体包括以下三方面：(1)智能引导推平装置发送来的推土机位置信息、GNSS定位数据和铲刀倾角数据等推平过程监控基础信息；(2)由用户通过监控客户端定义、输入和上传的前施工公路数字图像、工作面信息、报警手机号码、松铺厚度控制标准、平整度控制标准；(3)经过分析判断模块对基础信息处理后产生的衍生信息，包括铲刃高程散点信息、铲刀姿态、松铺厚度及平整度信息以及报警信息；

分析判断模块对实时接收的推平过程监控基础信息进行动态处理分析，比对预定的监控标准，进而对松铺厚度和平整度异常做出判断，其数据分析任务包括工作面网格划分、铲刃三维姿态解算、松铺厚度计算及异常评判和平整度评价及异常判断；

信息反馈模块收到报警激活信号后，用于发出报警信息。

2.如权利要求1所述的适用于倾斜路基的土方推平作业远程协同监控系统，其特征是，监控客户端主要用于系统日常运行监控以及上传初始的施工公路数字图形资料、工作面信息、报警手机号码、监控标准等静态基础信息；除此之外，监控客户端还实时从数据库及应用服务器读取现场松铺、推平施工信息。

3.如权利要求1所述的适用于倾斜路基的土方推平作业远程协同监控系统，其特征是，报警接收端既可以是个人的智能移动电话，也可以是专门配置的工业级掌上电脑PDA(Personal Digital Assistant)，相关人员通过报警接收端以短信的形式接收报警信息，然后对监控不合格的区域进行远程指导，进行二次施工，真正实现施工—监控—管理一体化。

4.一种适用于倾斜路基的土方推平作业远程协同监控方法，其特征是，借助于权利要求1所述系统实现，具体步骤如下：

(1)登录监控客户端；

登录开发的监控客户端，并对用户权限进行验证，用户权限包括浏览、操作与管理；

(2)开设新的施工工作面；

在监控客户端中打开当前施工公路的数字图形，直接调取数据库中提取当前需要推土作业的工作面文件；此外还可以在数字图形上划定当前施工工作面，并设定该施工工作面的工程类型、分项工程、层号；

(3)设定路基填筑松铺厚度和平整度控制标准；

设定该施工工作面路基填筑松铺厚度的标准值以及容许误差，以及平整度的设计控制面、容许合格率；

(4)监控客户端对路基填筑施工过程进行远程实时监控；

设置在施工现场或营地的监控客户端通过Internet网络，远程、实时地读取数据库及应用服务器中由推土机上传感器采集的基础数据，并根据传回的基础数据，实时绘制在前路基平整质量云图，同时可在平整质量云图中点击不同位置实时显示该点处的松铺厚度信息，对路基填筑施工过程中的松铺厚度和平整度进行远程实时监控；

(5)智能引导推平装置基础信息采集和实时发送；

所述的推平装置基础信息采集和实时发送的实现方法是：通过推土机上安装的GNSS天线与倾角传感器等装置获取路基填筑推平过程中的推土机高程散点信息、推土机位置信息、推土铲姿态等基础信息，并通过GSM、3G或4G通讯方式，将上述信息经推土机车载系统、实时地发送到数据库及应用服务器数据库模块中；

(6)数据库及应用服务器接收数据处理及存储；

数据库及应用服务器实时接收公路路基填筑过程中推土机车载系统发送来的推土机位置信息、推土机高程散点信息、推土铲姿态信息、施工开闭时间信息，并将上述数据存储到数据库及应用服务器的数据库模块中；

(7)工作面网格化处理；

综合考虑工作面大小以及推土机大小确定网格大小，网格大小确定后，通过设置系统初始参数值，对工作面网格进行设定；

(8)铲刀三维姿态解算；

(9)松铺厚度计算及异常评判；

数据库及应用服务器的分析判断模块将当前推土机所在单元格高程与此位置上一层面相同位置高程之差得到松铺厚度后与预先设定的控制标准作对比，判断当前松铺厚度是否符合控制标准，若不符合控制标准，该模块向数据库及应用服务器的信息反馈模块发送报警激活信号；

(10)平整度评价及异常判断；

数据库及应用服务器的分析判断模块将当前采集的推土机位置信息、推土机高程散点信息拟合成平整质量云图，根据平整质量云图，与预先设定的控制标准对比，判断当前平整度是否符合控制标准，若不符合控制标准，该模块向数据库及应用服务器的信息反馈模块发送报警激活信号；

(11)松铺厚度和平整度不达标时发出报警信息；

信息反馈模块接收到报警激活信号后，通过Internet网络向监控客户端发出报警信息；同时，通过数据库及应用服务器的GSM通讯模块向报警接收端发送报警信息；

(12)现场做出相应控制措施；

当现场施工人员接收到不达标报警信息后，相应调整推土铲姿态，后方监控客户端人员会对施工补救过程进行实时监控，并与现场施工人员保持通讯，直至施工松铺厚度、平整度达到设定标准要求；

(13)关闭完工的施工工作面，输出监控结果；

当前施工层面推平工作完成后，通过监控客户端关闭当前监控过程，输出监控结果，包括绘制的松铺厚度图和平整质量云图、松铺厚度统计图表、平整质量统计图表及报警信息汇总表，作为工作面验收的辅助材料和依据；

(14)存储当前施工工作面监控结果，供后续查询。

铲刀三维姿态解算具体步骤如下：

所需设备：GNSS接收器2个、双轴倾角传感器1个。

G₁、G₂点为GNSS接收点，K₁、K₂为支撑杆安装位置，A’点为推土铲刃上一点，满足条件面A′K′G′与铲刃线A′B′垂直，G′、K′为G₁、K₁沿线B′A′方向平移G₁G′长度或者K₁K′长度得到的点，B′为铲刃右端点、C点为推土铲的旋转轴；

在绝对坐标系XYZ内，已知支撑杆长度K₁G₁＝L、A′K′＝L₁、K₁K₂＝L₃、K₁K′＝L₄；通过GNSS得到G₁点坐标G₁(x₁,y₁,z₁)，通过支撑杆上倾角传感器得到推土铲与z轴夹角为γ₁，规定逆时针为正、顺时针为负；

根据GNSS得到G₁点坐标G₁(x₁,y₁,z₁)、G₂点坐标G₂(x₂,y₂,z₂)以及K₁、K₂间的距离L₃可得到推土机左右倾斜工作时的倾斜角Δ(同路面倾斜角)为

则在绝对坐标系XOY平面内，G₁G₂连线投影与x轴夹角为与y轴夹角为通过G₁、G₂点坐标计算得到；

则推土铲上控制点K₁(x_k1,y_k1,z_k1)坐标得到：

y_k1＝y₁+L sinγ₁ cosθ₁

z_k1＝z₁-L cosγ₁

得到G₁(x₁,y₁,z₁)、K₁(x_k,y_k,z_k)坐标后，由控制点K₁到推土铲边K′的距离L₄推出K′(x′_k,y′_k,z′_k)的坐标：

x′_K＝x_K+L₄ cosΔcosθ₁

z′_K＝z_K-L₄ sinΔ

由于A′、K′都为推土铲上两个固定点，其几何关系可提前测量得出，线A′K′与线K′G′夹角ζ，则A′K′与Z轴夹角γ′₁＝180-(ζ-γ₁)。则A′(x′_a,y′_a,z′_a)坐标可得：

Y′_a＝y′_k1+L₁ sinγ′₁cosθ₁

Z′_a＝z′_k1-L₁ cosγ′₁

同理可得到推土铲刃上另一个点B′坐标，通过A′、B′两点坐标就可以确定推土铲刃的三维姿态，在摊铺推平作业结束后，可以获取作业过程中任意时刻的A′、B′两点坐标，进而得到推土铲刃高程散点轨迹，最后拟合得到平整质量云图即实际推平作业面。