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1、第十三章 基于 GPS 定位技术的水利工程大型施工机械安全监测与应急指挥13.113.1 概述概述近年来，为了缓解电力能源紧缺问题，我国相继开展了三峡、龙滩等多个大型水电工程项目建设.在大型水利工程项目建设中，为了提高工程施工效率和质量，大量采用了各种大型的施工机械，如缆机、塔机等自动化的施工设备。例如，在龙滩工程建设中,采用了两台缆机、两台塔机和一台塔带机和一台顶带机共 6台大型施工设备.由于这些施工设备在施工过程中,有可能相互侵入对方的工作空域,极有可能出项机械设备之间的相互碰撞,而这些机械多为国外整机进口、价值昂贵,碰撞后其损失是非常巨大的。目前，如何避免大型机械之间出现相互碰撞引起的安
2、全问题，一直是水利施工部门亟待解决的技术难题。在三峡工程中,曾对此问题进行了研究，但并没取得具有实际意义的结果。随着GPS定位技术的发展和GPS系统的不断完善,软件性能不断改进,在广西龙滩水利工程中已验证 GPS 技术完全可以用于水利工程大型机械施工的安全监测和应急指挥中，能较好地解决水利施工部门的这一难题，且 GPS 技术不受天气条件的影响，可实现全天候作业、观测速度快、效率高，可实现全自动化安全监测，其费用仅为常规方法的 1/31/6，可大力推广使用。1313。2 2 大型施工机械安全监测的特点及重要意义大型施工机械安全监测的特点及重要意义水利工程大型施工设备，具有作业区域广、设备集中、环
3、境恶劣、流动性大等特点，在具体实际施工生产过程中,对大型施工机械的安全监测显得十分重要.虽然各个施工设备相对独立操作，但是工作区域重合，吊臂纵横交错，如何根据实际的水利工程的施工特点，认真仔细地制定切实有效的安全预防措施，保证这些大型设备的安全运行，是关系到整个工程能否圆满完成各项施工任务的一项重中之重的问题，对人身财产安全及水利工程项目的实际进度具有十分重要的意义。13.313.3 大型施工机械安全监测的技术方法大型施工机械安全监测的技术方法13。3。1 传统的人工值守方法在水利工程大型机械设备进行现场施工过程中，专门安排人员在施工地面上调度施工机械，与机械司机通过通信设备和预警标志建立其共
4、同意识，进行工程的机械施工，这种方法称为人工值守方法。人工值守方法是最传统也是用的比较多的。这种方法的使用必须对专人进行培训，根据工程的不同部位，不同时期和设备的变动情况，需要制定详细的施工措施和安全规定.以广西龙滩水电工程大型施工设备运行安全为例，对其所采取的安全措施加以介绍。（1）加强和完善各施工单位包括生产调度、安全管理、机电管理等部门现场安全监护人员、信号指挥人员以及设备操作人员在内的施工设备防碰撞安全体系。（2）生产调度部门必须了解相关设备的使用性能，在制定生产计划时应尽可能避免设备相互干扰和交叉作业,各设备运行单位前方调度部门必须安排专职值班调度24小时值班,以便及时沟通起重设备工
5、况信息，协调设备安全运行.（3）设备操作人员及信号指挥人员，必须经过培训并取得有关部门颁发的资质证方可上岗，“安全哨”人员必须经过培训,了解相关设备的使用性能和掌握相关安全知识后方可上岗。（4）建立三级通报制度。现场施工时应限定各台施工设备的作业区域，一般情况下各台设备只能在限定的区域内作业，因生产需要,需进入相邻标段或其他设备的工作区域作业时，首先必须进行“三级通报并得到生产调度部门或运行项目二级机构的许可,以及相关设备的回应后，方可进入。（5）分包与总包之间的三级通报。不同标段的设备可能发生干涉时，则三级包括双方的生产调度部门、设备运行项目二级机构、相关的起重设备运行班组，双方的同级部门必
6、须进行通报。(6）在起重设备交叉作业的部位（如:MD2200和MD1800塔机，1 号、2 号缆机和TB1 号塔带机,1号、2 号缆机和TB2号顶带机，TB1号塔带机和TB2号顶带机，2号缆机和MD1800塔机，1号、2号缆机和MD2200塔机，左岸进水口坝段施工承包人自带的起重设备和MD2200和MD1800塔机等）,施工承包人必须设置足够的专职安全人员。各台设备的副操作员、地面信号指挥人员,应各尽其责,认真监护，以确保设备运行安全。（7）传递信号的指挥人员之间应严格执行交接哨规定,在交接哨未完成前，信号指挥人员严禁停止信号指挥.(8）地面信号指挥人员与仓面信号指挥人员严格分工制度，做到指挥
7、信息不间断,不留死角，保证设备指挥通畅。（9）大型起重设备当班操作人员应不少于2 人，副操作员应监护设备安全运行，包括设备防碰撞安全隐患的监视。缆机当班操作人员应不少于3人，其中1人负责操作、1 人负责监护、1 人负责巡视。（10）设备相邻工作范围交叉时,两机任意部位（含工作臂、平衡臂、转台后部配重、供料线等）之间的水平或垂直安全距离必须大于10 m，否则应停止动作，采取特别措施妥善处理，但采取特别措施后的最小安全距离不应小于2 m.(11）施工标段内的设备,作业中除应执行本规定外,还应执行本单位内部的有关规定。若大型起重设备运行环境发生较大变化，施工承包人应及时补充设备防碰撞安全运行规定或修
8、改专门规定，并及时报送设备监理，以便协调。（12）流动设备进入起重设备的作业区域作业时，必须配备通讯工具。使用单位应安排指挥人员并负责设备的协调、通报及通知避让等工作。(13）施工承包人必须为各台大型起重设备配备足够相应规格的通讯工具.设备相互的通报一般应使用公用频道,紧急情况时，可切入对方专用频道。与起重设备生产无直接关系的报话内容，严禁通过该设备频道传送，以避免频道被占用而影响设备运行安全.（14）设备进行大件吊装作业（包括两机抬吊）时，使用单位在制定作业指导书中应包括防碰撞措施，并做好相邻设备（或抬吊设备之间）避让的协调工作。（15）完善设备的各种警示装置及警示牌，如:缆机、塔机的行走报
9、警装置、加强夜间照明、挂设霓虹灯警示等.（16)设备运行单位应定期检查设备的安全限位和安全保护装置，如：制动器、夹轨器、高度和行走限位器、锚定装置、大车终端限位车挡等，确保设备限位保护装置的安全可靠.（17）严格执行设备操作规程，雨天、雾天能见度不足时，应停止作业。六级以上(含六级）大风和雷雨等恶劣天气时，应采取相应措施，作好防护措施。(18）分包与总包之间设备防碰撞的生产安排原则。各施工承包人应千方百计地避免设备碰撞事故的发生，一旦发现存在碰撞的安全隐患，不管是设备自身的原因还是调度、协调上的问题，都应尽全力及时处理，避免事故的发生.(19）设备避让原则，运动的让静止的，快的让慢的，当起重设
10、备间存在干扰时，应已浇筑设备为主，其他起重设备进入该浇筑设备工作范围内时应征得调度室同意，并进行三级通报后才能进入。缆机设备进入任何设备工作区域时，大钩或吊物底部应高于路线上所有设备后方能进行变幅操作。13.3。2 无人值守的 GPS 定位方法所谓 GPS 定位方法就是根据 GPS 测量定位的原理,将 GPS 接收机天线准确地安装在大型施工机械运动梁的监测点上，将所采集的观测数据实时发送到数据处理分析中心，对观测数据进行实时解算以获得监测点位置，以达到大型施工机械实时动态安全监测与应急指挥的目的。与传统的人工值守方法相比，GPS 定位方法用于大型机械施工的安全监测与应急指挥的优越性及其表现为:
11、可实现 GPS自动化监测;定位精度高；全天侯实时动态安全监测;不要求监测点间通视；观测时间短、速度快、操作简单、能同时提供三维坐标.因此，GPS 定位技术在水利工程大型机械施工的安全监测与应急指挥中迅速得到了推广，成为一种新的很有前途的安全监测与应急指挥的方法之一。13.4 GPS13.4 GPS 技术在广西龙滩水电施工机械防碰撞系统开发及应急指挥中的应用技术在广西龙滩水电施工机械防碰撞系统开发及应急指挥中的应用13。4。1 广西龙滩水电施工机械布置概况广西龙滩大坝坝址地形狭窄，两岸山高坡陡。地形条件对机械设备的布置极为不利，并且龙滩右岸大坝工程主要以碾压混凝土为主，而碾压混凝土施工具有连续、
12、大仓面浇筑的特点.在龙滩工程LT/C-1标施工中，其月浇筑强度最高达到34万立方米.因此，根据龙滩大坝工程施工需要,在龙滩工程LT/C1标段施工中，布置有两台平移式缆机、两台塔(顶）带机、3条高速皮带机供料线，以及在仓面工作的1台胎带机、大型门机等，在LT/C2标段还布置有移动式塔机和固定式塔机各1台，以及若干大型门塔机等。其施工设备大多需连续流水作业，交叉作业,相互干扰大，部分区域的密集程度已经超过了三峡工程.规格上有大有小，形式上有固定、有移动,投入时间有前有后，群机工作环境复杂,其运行的安全问题非常突出。为此，在龙滩工程中,提出了采用GPS技术对这些施工中的6台设备进行实时监控的技术路线
13、,较好的解决了这一技术难题.大坝施工设备布置如图4。11-1图4.11-2所示。图13。1龙滩水电站大坝主要施工设备平面布置图龙滩水电站大坝主要施工设备平面布置图图13。2龙滩水电站大坝起重设备立面图龙滩水电站大坝起重设备立面图图13.3 防碰撞系统GPS 布置图由于各台设备工作区域不可避免地存在重合（可能的干涉），为了各台设备的操作运行安全，使各个设备既独立操作又真正做到协同作业,有效地防止设备在工作过程中发生碰撞，以免造成安全事故，经业主多次召集有关专家进行分析论证,委托武汉大学进行了防碰撞系统的设计与开发。该防碰撞系统遵循可靠、准确、实时、安全、可维、先进的原则进行设计，利用GPS信息系
14、统进行无线数据采集、计算等，进而为设备操作运行提供预警信号,便于操作及指挥人员在设备作业过程中及时采取正确的处理方式，从模拟演示效果分析完全可以为各台设备安全运行提供必要的保障，该开发项目现已实施完成并正式应用于大坝施工设备中，正发挥着越来越重要的作用.其布置如图13。3 所示.本节将重点对GPS信号实时采集系统的开发以及动态监测大坝施工吊车运行防撞系统的开发进行介绍.13.4.2 大型水电施工机械监控 GPS 信号采集系统的设计与实现(1(1）多路）多路 GPSGPS 信号采集系统信号采集系统在龙滩工程建设中，共使用了 6 台大型机械设备,考虑到尽降低监控系统的硬件成本，我们选用 8 个泰雷
15、兹导航定位公司(ThalesNivagation）的单频DG16GPS OEM 板,其中 7 个安装于 6 台机械设备上（移动塔机因为本身的回转中心不是固定的，故使用了 2 台 GPS），作为流动站对机械设备的实时位置信息进行采集,另一个安装于岸上一固定位置,用作伪距差分的基站数据采集.7 台流动站上的 GPS 信号，通过无线网络传输到岸上基站，再通用串口服务器和主计算机的多串口卡连接，基站 GPS 信号直接通过串行电缆和基站服务器计算的串口连接（如图 13。4 所示），关于采集系统的详细结构，将另文介绍，在此不加详细讨论。主计算机COM1串行电缆连接GPS1（基站）串口服务器GPS2GPS3
16、GPS4GPS5GPS6GPS7GPS8图 13.4多路 GPS 信号采集系统结构图COM2COM3COM4COM5COM6COM7COM8串口服务器（2 2）泰雷兹）泰雷兹 DG16 GPS OEMDG16 GPS OEM 板板1）DG16 简介泰雷兹导航定位公司（Thales Navigation）的专业产品 DG16 高性能、新一代亚米级 GPS+Beacon+SBAS 接收机。她融合了星基增强系统(SBAS)，如WAAS，EGNOS 和 MSAS 信号，以及内嵌了信标接收芯片可以提供米级级差分定位，同时 2个 SBAS 通道可以设置成 2 个辅助的 GPS 通道即具有 14 个 GPS
17、 通道。DG16 带了两个双工 RS232 串口，最高波特率可达 115200bps，通过可选择的增强功能件，原观测始数据和位置数据输出速率最高可达 20Hz。2)DG16 数据输出格式及通信协议DG16 的数据输出类型可分为两大类：一类为 NMEA 格式数据，以 ASCII 字符串的形式输出，DG16 既可以输出标准的 NMEA 格式数据，也可以输出 AshtechNEMA 格式数据.另一类为原始观测值数据，亦称实时数据，以二进制的形式输出。由于我们设计的监控系统采用差分的方式实时求解被监控的机械设备的位置坐标，故在系统中输出的为二进制原始观测值，包括星历数据（SNV）、接收机计算位置数据(
18、PBN）和伪距及载波相位观测值数据.考虑到系统同时接收共 8 台 GPS的原始观测数据，且由于实时性的要求采样率为 10Hz，数据量非常大，伪距及载波相位观测值数据采用了相对较为紧凑的 CT2 格式。CT2 格式的具体内容如有表 1 所示，SNV 和 PBN 数据的详细内容可参见相应文献。表表 13.1 CT213.1 CT2 数据结构数据结构二进制类型二进制类型Longadj_rcvtimeChar sv_noChar chn1Char prn1Doublefull_phase1Doublesmooth_rng1Char chn2Char prn2Doublefull_phase2Doubl
19、esmooth_rng2Char chn3长度长度41118811881内容内容接收时间,由以下公式计算而得：adj_rcvtime=rcvtimenavt/v，其中 v 为光速.该历元还剩下的卫星数。因每一条CT2 最多可以包含 4 个卫星的观测值数据，如果该历元共锁定8 颗卫星，则还剩 4 颗通道号（114)卫星编号载波相位观测值平滑后的伪距观测值通道号(114）卫星编号载波相位观测值平滑后的伪距观测值通道号(114）Char prn3Doublefull_phase3Doublesmooth_rng3Char chn4Char prn4Doublefull_phase4Doublesmo
20、oth_rng4Short checksum18811882卫星编号载波相位观测值平滑后的伪距观测值通道号(114）卫星编号载波相位观测值平滑后的伪距观测值检校和,通过把整个结构分成一个个的short 型相加,取结果的最低 16 个有效位总长度18*锁定卫星个数8（如果锁定 8 个卫星，则总长度为80 个字节）DG16 采用串行通信协议，缺省的串行通信参数为:波特率 9600，8 个数据位，1 个停止位，无奇偶检校位。由于监控系统要求以 10Hz 的采样率实时获取原始数据，缺省波特率9600 是难以满足的，实际系统中将波特率设定到最高值115200。3）DG16 控制命令DG16 的控制命令为
21、 ASCII 字符串，以特定的字符串作为命令头，以回车换行（CRLF）作为命令结尾。控制命令可分为两大类，一类是设置命令（Set commandmessages),用以改变 DG16 的操作参数或开关 DG16 的数据输出，设置命令以字符串“$PASHS作为命令头；另一类是查询命令（Query command messages)，用以从 DG16 获取相应的信息，以“PASHR”作为命令头。例如:$PASHS，SPD,A,9该命令串用以设置 DG16 的 A 号串口的通信波特率为 115200。$PASHQ，PRT-该命令串用以查询 DG16 当前使用的串行口状态,DG16 接收到该命令后，将
22、返回当前使用的串行口号及其通信波特率。PASHS,RAW,ALL，A，OFF该命令用以关闭 DG16 A 号通信口上的所以原始观测值输出。（3)3)多路高速多路高速 GPSGPS 信号采集软件的实现信号采集软件的实现在施工机械监控系统中，需要以 0。1 秒的采样率同时对 8 台 GPS 进行数据采集,并实时地对采集到的原始数据进行差分计算从而获取机械设备的精确位置信息，对这些位置信息进行再处理后，再通过第 9 个串口将计算出的机械设备间相对关系信息发送到相应的机械设备控制室。所有的这些采集和发送过程，都需要在 0.1 秒内完成,由此可以看出,串口数据流量是非常巨大的,且具有典型多任务的特征.W
23、indows 下的多线程编程,是解决多任务操作的最佳途径.1)多线程串口通信类考虑通信实时性的要求,系统采用 Visual C+编程。在 VC 中实现串口通信的方法有三种：一种是采用微软的MsComm 控件；一种是使用 VC 的标准通信函数;一种是使用 Windows API 方法。考虑系统实时性、稳健性及灵活性的要求,我们采用了最后者，在借鉴Remon Spekreijse 现有 成 果 的 基 础 上，实 现 了 一 个 多 线 程 的 串 口 类CSerialPort，该类结构可用图 13。5 表示。应用中,每一个串口对应一个 CSerialPort 对象.在图 4.11-5 串口类结构
24、图CSerialPortm_OIDm_nPortNom_ThreadInitPortStartMonitorStopMonitorClosePortCommThread使用串口前，首先必须用 CSerialPort 对象的成员函数InitPort 来初始化串口的通信对数，以及该对象所对应的串口号等信息。初始化完成后，即使用 StartMonitor 成员函数来启动对应串口的后台监控线程函数CommThread。当监控线程启动成功后，该线程即开始实时监控相应串口的状态,一旦有 GPS 数据接收到,该线程函数即以自定义消息的形式将接收到的数据一个字节一个字节地实时发送给主线程，从而达到实时接收数据
25、的目的。2）GPS 信息数据解码及差分计算考虑到实时性的要求，每台 GPS 数据都是以字节为单位发送给主处理线程的，由主线程对这些字节数据进行组合。由于多线程在运行中具有分时性，8 台GPS 数据发送是交替进行的，为此在主线程中预设了 8 个缓冲区,用以保存相应的 GPS 的接收数据。当某台 GPS 的一个历元数据全部接收完成时，立即对其进行信息解码，主要是提取其伪距和载波相位观测值数据.若当前提取的是流动站GPS 数据，即判断是否已获取了基准站的观测值，若是，即可进行差分计算,否则继续解码其它缓冲区数据。数据解码及差分计算流程图如图 13.6 所示。主线程接收一个字节13。4.3 GPS 技
26、术用于动态监测大坝施工吊车运行防撞系统的研究GPS 测量，以其快速、准确、高效等特点,在工程测量中发挥着越来越重要的该字节来自哪台 GPS？作用。随着该技术的不断成熟和在工程中的广泛应用，大量生产单位希望采用低缓冲区1缓冲区2缓冲区 3缓冲区4缓冲区5缓冲区6缓冲区7缓冲区成本、高效率的基于 GPS 系统的作业方式，来满足其实际工程生产的需要.用88第 i 缓冲区中一个历元数据已接收完成(i 为台单频 GPS OEM 版(型号：AshtechDG14)在动态监测某大坝施工吊车防撞中做了研究和尝试，结果表明:成本跟同类其它方案比较要低，实际效果能够满足该项目施工要求,达到了预期的精度指标.（1)
27、1)系统原理和设计方案流程图系统原理和设计方案流程图1）系统原理该系统总的说来,可以分为两大块：第一大块是通讯系统，其设计的目的是为了把流动站 GPS 接收机（装在重型施工吊车机械臂上)采集的载波相位和伪距观测值，用微波通讯和局域无线网络的方式实时发回给基站解算。因为设置的GPS 接收机（AshtechDG14 OEM 板）的采样率是 10 赫兹,所以数据量较大，对数据通讯的速度要求较高，需对传输延迟时间严格控制，以便实现高速实时数据读入计算机内存；第二大块就是数据准备和数据解算部分，其目的是为了把基准站和流动站的数据进行筛选，剔除掉条件不好的数据和不满足解算条件的数据,然后进行实时解算(在解
28、算接收机坐标的时候,用的是参考站广播星历），最后输出实时三维位置解算结果。2）系统设计方案流程图图 13。7 系统设计方案流程图流动站接收机的伪距和载波相位观测值，以及数据检校标志通过发送天线发送到参考站数据处理中心，所有 8 台 GPS 接收机的同步观测数据在数据处理中心一次性处理完成，如果由于网络中断或者是数据传输时间过长，则对历元进行筛选丢弃,直接解算下个历元的数据,从而保证数据的实时性。(2(2）系统实现的几个关键技术）系统实现的几个关键技术1 1）无线网络通讯技术）无线网络通讯技术主要是针对该项目，在每个流动站上用同频率的天线（频率4G）发射 GPS接收机接收的数据，基准站通过接收天
29、线接收数据,最后数据通过建立的局域网和数据处理中心的计算机的串口相联系，并同时解算数据，并输出结果。2）解算数学模型单频伪距差分相位平滑伪距其主要思想就是在单频的情况下，最大可能的消除掉各种系统误差（主要包括电离层误差、对流层误差、卫星钟差等）,从而得到“干净”的观测值进行解算。本项目解算中，采用了两次求差法，即站间求差(流动站和基准站)和相邻历元间求差，在不求解整周模糊度的情况下对流动站的观测值进行改正，即利用没有周跳的情况下相位观测值对伪距进行平滑。其数学表示为：（13。1）其中，为第个历元第 i 颗卫星的改正后的伪距值，,分别为第个历元和第个历元第 i 颗卫星的原始伪距观测值，为从第个历
30、元到第个历元第 i 颗卫星的相位观测值的差值.为从起始历元起的总的平滑次数。这里值得注意的是，在实际的数据处理中，可能出现的情况是：历元不是逐渐累积增加的（中间有丢历元的情况),这个时候的平滑修正以的权以实际平滑次数为准，即。最小二乘的权的配置在解算流动站的坐标时,对权的配置做了尝试，分别利用卫星的高度角、卫星信号的信噪比、该卫星连续平滑的次数，模拟一个经验函数进行定权。数学表示如下：（13。2）其中，是第 i 颗卫星的权，是第 i 颗卫星的高度角，是第 i 颗卫星的平滑次数，是第 i 颗卫星的信噪比，是非负常数.通过实验数据表明，配权后对流动站的定位精度提高了很多。自适应卡尔曼滤波对于 GP
31、S 原始观测数据来说，存在噪声在所难免，在处理数据的过程中,认为噪声是高斯白噪声.利用自适应卡尔曼滤波器对解算的流动站坐标数据进行滤波。采用的状态变量为：（13.3）分别为东、北、天方向上的位置、速度、加速度分量，分别为由各种原因引起的东、北、天方向上位置误差。通常认为,由各种误差源引起的误差等效为伪距误差，可以把这种误差看作一阶马尔可夫过程.系统的状态方程为：(13.4）其中,，为采样间隔，为一阶马尔可夫过程的时间常数,是各种误差等效的位置误差（视为有色噪声）并扩充为状态变量，是服从正态分布的高斯白噪声.系统观测方程为：(13.5)其中，是观测向量，其中含有各种误差引起的位置误差.是观测向量
32、系数矩阵，分别是位置、速度观测在东、北、天方向上的噪声.直接给出自适应卡尔曼滤波方程:(13.6)其中的衰减因子 S 的算法为：记：则：（是可调节因子)其中：当时取（13。1)式，否则，取（13.2）式。分别是系统噪声和观测噪声方差阵。(3(3）系统效果分析）系统效果分析通过实际采集的数据，画出效果图，如图13.8、图13。9、图13。10 所示，可以看出：在东(E)、北(N）、高(U)坐标系中，水平方向（E,N）上的精度可以控制在 1m 以内，高程方向(U）上可以控制在 2。5m 以内。图 13。8 北方向残差（m）图 13。9 东方向残差（m）图 13。10 高程方向残差(m）1313。5
33、 5 小结小结为了很好地解决水利工程大型施工机械安全监测与应急指挥中所面临的困难，讨论了在监控系统中实时对多台 GPS 信号采集的系统设计、串行通信及程序实现等问题，首次采用 GPS 定位监控技术，开发出大型水电施工机械监控 GPS信号采集系统,将系统成功地应用于广西龙滩水电施工机械监控系统中。该系统从 6 月份开始进行每天 24 小时全天候不间断运行,应用实践表明，采用 GPS 定位监控技术具有快速、稳定的特点,应用 GPS 信号采集系统的方法高速可靠，完全满足了实时、多串口、大数据量的通信要求以及大型水电施工机械监控系统中实时性的要求.同时，利用GPS 载波相位平滑伪距技术，以噪声较小的单频GPS OEM 版在大坝施工巨型吊车防撞系统中的应用为研究对象，结合广西龙滩水电工程进行了GPS 高速率载波相位平滑伪距的算法研究、防撞系统的开发和具体应用试验。应用实例表明，该系统具有极好的灵活性，并且降低了成本,可以较好的解决实际工程中大型移动吊车机械设备的实时动态安全监测问题，对于大坝施工吊车的防撞安全监测具有实际意义.