李洋洋，黃聲享,2，張 文

( 1.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)作中心，湖北 武漢 430079)

基于測(cè)量機(jī)器人的碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用

李洋洋1，黃聲享1,2，張 文1

( 1.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)作中心，湖北 武漢 430079)

測(cè)量機(jī)器人具有目標(biāo)自動(dòng)跟蹤功能，將其應(yīng)用于填筑工程碾壓施工中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)碾壓機(jī)械的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保施工質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)時(shí)顯示并反饋碾壓狀況，需要對(duì)測(cè)量機(jī)器人的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理。文中結(jié)合該系統(tǒng)的應(yīng)用情況，介紹數(shù)據(jù)處理的主要實(shí)現(xiàn)過程，并采用GDI+繪圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)碾壓監(jiān)控參數(shù)的圖形輸出，起到良好的應(yīng)用效果。

測(cè)量機(jī)器人；質(zhì)量監(jiān)控；數(shù)據(jù)處理；GDI+

大壩填筑碾壓施工質(zhì)量直接影響到大壩安全運(yùn)營。為保證大壩填筑碾壓施工質(zhì)量主要采用“雙控”制，即控制施工碾壓參數(shù)(碾壓機(jī)械的運(yùn)行速度、碾壓遍數(shù)、攤鋪層厚度和平整度)和現(xiàn)場挖坑取樣檢測(cè)。這種方法對(duì)堆石壩建設(shè)具有十分重要的作用，但該方法主要是通過人工實(shí)現(xiàn)，不能滿足大規(guī)模機(jī)械化施工的要求[1-4]。目前，基于GPS和基于測(cè)量機(jī)器人兩種監(jiān)控技術(shù)均可用于大壩碾壓監(jiān)控。基于GPS的碾壓監(jiān)控技術(shù)已逐漸成熟，但因GPS本身高程精度不夠，需要對(duì)空通視的特點(diǎn)在一定程度上限制其使用，特別在峽谷河段內(nèi)對(duì)天通視較差，信號(hào)弱，可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。而基于測(cè)量機(jī)器人的監(jiān)控技術(shù)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，平面、高程方向精度較高，適用性強(qiáng)，操作簡便等特點(diǎn)，根據(jù)大壩工程項(xiàng)目實(shí)際的施工環(huán)境、監(jiān)控要求等情況，利用測(cè)量機(jī)器人的實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)化、高精度以及使用環(huán)境靈活等特點(diǎn)[5-8]，研發(fā)出基于測(cè)量機(jī)器人的大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。然而在實(shí)際觀測(cè)中，由于施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜多變，系統(tǒng)所獲取的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)不能直接進(jìn)行處理，否則會(huì)導(dǎo)致碾壓監(jiān)控參數(shù)計(jì)算不正確，故需進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的預(yù)處理。預(yù)處理過程主要包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、過濾靜止、區(qū)域選擇、時(shí)段分割等，預(yù)處理完成后再進(jìn)行監(jiān)控參數(shù)計(jì)算。碾壓監(jiān)控參數(shù)主要包括碾壓機(jī)械的運(yùn)行速度、運(yùn)行軌跡和碾壓遍數(shù)等。利用GDI+(GDI，Graphical Device Interface)繪圖技術(shù)[9-10]，可以將監(jiān)控參數(shù)以圖形的形式輸出，使監(jiān)控結(jié)果直觀、清晰地展示給用戶。

1 系統(tǒng)簡介

基于測(cè)量機(jī)器人的大壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的組成框架如圖1所示，其包括監(jiān)控中心、控制點(diǎn)組和監(jiān)控移動(dòng)遠(yuǎn)端3部分。

圖1 TPS碾壓監(jiān)控系統(tǒng)組成

監(jiān)控中心由測(cè)量機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、TPS碾壓監(jiān)控軟件組成?？刂泣c(diǎn)組由多個(gè)已知控制點(diǎn)組成，用于確定觀測(cè)站坐標(biāo)。監(jiān)控移動(dòng)遠(yuǎn)端由碾壓機(jī)械及固定在其頂端的信號(hào)反射器組成。

2 碾壓監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理

碾壓監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理包括監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、碾壓參數(shù)計(jì)算、碾壓參數(shù)的圖形顯示等4個(gè)步驟，如圖2所示。

圖2 碾壓監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理流程

2.1 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)獲取

利用測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)跟蹤功能，TPS碾壓監(jiān)控軟件以串口通信的方式訪問測(cè)量機(jī)器人，獲取坐標(biāo)信息并保存至TXT文檔中。碾壓監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)格式及示例如表1所示。

表1 碾壓監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)格式 m

2.2 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)預(yù)處理

在實(shí)際碾壓監(jiān)控過程中，碾壓機(jī)械中途停碾、在不同區(qū)域混合碾壓等情況時(shí)常發(fā)生，導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)存在大量冗余、數(shù)據(jù)錯(cuò)亂等問題；同時(shí)在計(jì)算機(jī)繪圖時(shí)，需將工程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為屏幕坐標(biāo)，故需對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理包括：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、過濾靜止、區(qū)域選擇、時(shí)段分割等。

2.2.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在使用GDI+繪圖時(shí)，首先要將工程坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)屏幕坐標(biāo)。將屏幕繪圖區(qū)域中心點(diǎn)和碾壓區(qū)域中心點(diǎn)匹配，根據(jù)工程坐標(biāo)點(diǎn)與碾壓區(qū)域中心點(diǎn)的距離和比例因子來計(jì)算屏幕坐標(biāo)如圖3所示(圖3中xoy坐標(biāo)系為工程坐標(biāo)系，XOY為屏幕坐標(biāo)系，小寫字母表示在工程坐標(biāo)系下的坐標(biāo)點(diǎn)，大寫字母表示在屏幕坐標(biāo)系下的坐標(biāo)點(diǎn)，如c(C)。dx(Dy)中dx表示在工程坐標(biāo)x方向的坐標(biāo)跨度，Dy表示在屏幕坐標(biāo)Y方向的坐標(biāo)跨度)。

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算式為

(1)

式中：X，Y為屏幕坐標(biāo)系中任一點(diǎn)坐標(biāo)；x，y為工程坐標(biāo)系中任一點(diǎn)坐標(biāo)；X0，Y0為屏幕中心點(diǎn)坐標(biāo)；x0，y0為碾壓監(jiān)控區(qū)域中心點(diǎn)坐標(biāo)；旋轉(zhuǎn)角θ=90°；k為工程坐標(biāo)向屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的比例因子；S為屏幕繪圖縮放因子，通過改變其值可進(jìn)行圖像的放大、縮小等操作。

2.2.2 過濾靜止

在碾壓監(jiān)控過程中，存在碾壓機(jī)械臨時(shí)停碾，但不知何時(shí)重新開始碾壓的情況，故在碾壓機(jī)械靜止時(shí)也進(jìn)行了觀測(cè)，導(dǎo)致存在大量冗余的觀測(cè)數(shù)據(jù)，需要將在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)過濾掉。根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)間的距離進(jìn)行判斷，設(shè)置一定的距離閾值，當(dāng)相鄰時(shí)刻距離變化小于該閾值時(shí)，認(rèn)為碾壓機(jī)械未開動(dòng)，在觀測(cè)數(shù)據(jù)中將其剔除。

2.2.3 區(qū)域選擇

在碾壓監(jiān)控過程中，存在同一碾壓區(qū)域在不同的時(shí)段碾壓，或同一時(shí)段在不同區(qū)域碾壓的情況，因不同區(qū)域的碾壓指標(biāo)及要求不同，故需將在同一碾壓區(qū)域的觀測(cè)數(shù)據(jù)篩選出來。通過射線法判斷點(diǎn)與多邊形的關(guān)系[11]進(jìn)行篩選。利用鼠標(biāo)繪制出篩選區(qū)域，遍歷所有觀測(cè)點(diǎn)，當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)在該區(qū)域內(nèi)時(shí)，則將其保存在數(shù)據(jù)鏈表中，按觀測(cè)文件格式生成區(qū)域選擇文件。

2.2.4 時(shí)段分割

因原始的觀測(cè)數(shù)據(jù)可能在時(shí)間上不完全連續(xù)，且對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了過濾靜止操作，觀測(cè)數(shù)據(jù)不再連續(xù)，需進(jìn)行文件分割。將觀測(cè)數(shù)據(jù)分割后，可更加真實(shí)的反映碾壓機(jī)械的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)間的時(shí)間間隔判斷，設(shè)置一定的間隔閾值，若相鄰坐標(biāo)點(diǎn)間的時(shí)間間隔超過該閾值，則認(rèn)為開始了一個(gè)新的觀測(cè)時(shí)段。將不同的觀測(cè)時(shí)段文件保存在數(shù)據(jù)鏈表中，按觀測(cè)文件格式生成觀測(cè)文件。

2.3 碾壓參數(shù)計(jì)算

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，可進(jìn)行碾壓參數(shù)計(jì)算。碾壓參數(shù)主要有：碾壓機(jī)械的碾壓軌跡、碾壓速度和碾壓遍數(shù)等。

2.3.1 碾壓軌跡

碾壓軌跡反應(yīng)碾壓機(jī)械實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡如圖4所示。設(shè)在ti，ti+1，ti+2，ti+3，ti+4時(shí)刻的觀測(cè)點(diǎn)為Ti,Ti+1,Ti+2,Ti+3,Ti+4。

圖4 碾壓軌跡示意圖

碾壓機(jī)械滾筒輪軸的位置計(jì)算(以Li,Ri為例)主要步驟如下：

1)由Ti，Ti+1的坐標(biāo)、碾壓機(jī)械滾筒輪軸寬度d、信號(hào)反射器與滾筒輪軸間的相對(duì)位置關(guān)系可求出Li,Ri的坐標(biāo)。

2)由Li,Ri的坐標(biāo)求出滾筒輪軸中點(diǎn)坐標(biāo)。將滾筒輪軸中點(diǎn)在不同時(shí)刻的坐標(biāo)點(diǎn)相連接即可得到碾壓軌跡(如圖4加粗線條所示)，由滾筒左右坐標(biāo)點(diǎn)組成的多邊形即為碾壓帶(如圖4虛線所圍成的區(qū)域所示)。

2.3.2 碾壓速度

碾壓速度根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)間的距離與時(shí)間差的比值來計(jì)算。設(shè)相鄰時(shí)刻ti，ti+1的觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)分別為pi(xi,yi,zi)，pi+1(xi+1,yi+1,zi+1)，則碾壓速度v利用式(2)計(jì)算。其中Δt=ti+1-ti，實(shí)際中Δt=1s。

(2)

2.3.3 碾壓遍數(shù)

碾壓遍數(shù)利用格網(wǎng)法進(jìn)行計(jì)算。利用格網(wǎng)法進(jìn)行碾壓遍數(shù)統(tǒng)計(jì)分析主要步驟如下：

1)根據(jù)碾壓范圍，將碾壓區(qū)域格網(wǎng)化，并將格網(wǎng)單元的碾壓遍數(shù)值初始化為0。在格網(wǎng)化過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)設(shè)置格網(wǎng)規(guī)格。若格網(wǎng)太大，則碾壓遍數(shù)統(tǒng)計(jì)不準(zhǔn)確；若格網(wǎng)太小，則增加計(jì)算量，耗時(shí)較長。

2)以ti，tj時(shí)刻滾筒輪軸的位置組成多邊形ABCD，根據(jù)ABCD確定格網(wǎng)分析區(qū)域R1。在組成多邊形的時(shí)候，ti，tj兩觀測(cè)時(shí)段坐標(biāo)點(diǎn)間距離應(yīng)大于一定值(根據(jù)實(shí)際情況而定)，否則R1中可能找不到包含于多邊形的點(diǎn)，導(dǎo)致碾壓遍數(shù)統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤。

3)利用射線法判斷R1中格網(wǎng)單元的中心點(diǎn)是否在軌跡多邊形內(nèi)。若在多邊形內(nèi)，該格網(wǎng)單元的碾壓遍數(shù)增加1，依此類推計(jì)算出所有格網(wǎng)單元的碾壓遍數(shù)。

4)根據(jù)格網(wǎng)單元的碾壓遍數(shù)值，填充相應(yīng)的顏色，得到碾壓遍數(shù)統(tǒng)計(jì)圖，如圖5所示。

圖5 碾壓遍數(shù)統(tǒng)計(jì)示意圖

2.4 碾壓參數(shù)圖形顯示

GDI+是GDI的升級(jí)產(chǎn)品，較GDI具有很多優(yōu)點(diǎn)，使得繪圖更加容易、方便。GDI+提供繪圖表面、鋼筆、畫刷、圖像、文字等基本的繪圖功能，使用C#編程語言調(diào)用其基本函數(shù)，可繪制出碾壓參數(shù)圖形。

2.4.1 碾壓速度圖

碾壓速度圖反映某碾壓時(shí)段內(nèi)，碾壓機(jī)械的運(yùn)行速度，如圖6所示，其可真實(shí)地反映出碾壓機(jī)械在運(yùn)行中的速度實(shí)時(shí)變化情況。從圖6中可以得出碾壓機(jī)械最大行駛速度3.8 km/h，平均速度2.5 km/h。

2.4.2 碾壓軌跡與碾壓遍數(shù)圖

碾壓軌跡圖反映碾壓機(jī)械的實(shí)際運(yùn)行軌跡如圖7所示，碾壓遍數(shù)圖反映該區(qū)域內(nèi)的碾壓遍數(shù)分布情況如圖8所示。從圖7可知，碾壓軌跡均勻、緊密；從圖8可知，中心區(qū)域碾壓最大遍數(shù)為14遍，絕大部分區(qū)域?yàn)?0遍以上。

圖6 2016-04-25 1#碾壓車實(shí)時(shí)速度圖

圖7 碾壓軌跡圖

圖8 碾壓遍數(shù)圖

3 結(jié)束語

基于測(cè)量機(jī)器人的碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)化、高精度以及使用環(huán)境靈活等特點(diǎn)，在觀測(cè)視條件良好的情況下，可實(shí)現(xiàn)無間斷自動(dòng)跟蹤測(cè)量。目前該系統(tǒng)已在大壩填筑碾壓質(zhì)量監(jiān)控中應(yīng)用，為大壩填筑碾壓質(zhì)量起到積極保障作用。通過對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除冗余的數(shù)據(jù)，對(duì)不同碾壓區(qū)域的觀測(cè)數(shù)據(jù)做出正確劃分，將不同時(shí)段數(shù)據(jù)分割開，可更加真實(shí)地反映碾壓情況。

[1] 黃聲享,劉經(jīng)南,吳曉銘.GPS實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)及其在堆石壩施工中的初步應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2005,30(9):813-816.

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[11] 陳瑞卿,周健,虞烈.一種判斷點(diǎn)與多邊形關(guān)系的快速算法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,41(1):60-63.

[責(zé)任編輯：張德福]

Data processing and application of the roller compactionquality supervisory system based on georobot

LI Yangyang1，HUANG Shengxiang1,2，ZHANG Wen1

(1.School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079,China;2.Collaborative Innovation Center of Geospatital Technology,Wuhan 430079,China)

Georobot has the function of automatic target tracking, which can be applied to the construction of the filling project, and realize the real-time supervisory of the rolling machine and ensure the construction quality. In practice, real-time data processing is needed to the supervisory data of georobot in order to display and feedback the roller compaction condition in real-time. Based on the development and application of this system, this paper introduces the main process of data processing, and uses GDI+ technology to achieve the graphics output of the roller compaction supervisory parameters, which has a good applicative effect.

georobot; quality supervision; data processing; GDI+

引用著錄：李洋洋，黃聲享，張文.基于測(cè)量機(jī)器人的碾壓質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用[J].測(cè)繪工程，2017，26(5)：67-70.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.05.014

2016-05-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41274020)

李洋洋(1990-)，男，碩士研究生.

P241

A

1006-7949(2017)05-0067-04