基于測量機器人的碾壓質量監(jiān)控系統數據處理與應用

李洋洋，黃聲享,2，張 文

( 1.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079；2.地球空間信息技術協同創(chuàng)作中心，湖北 武漢 430079)

基于測量機器人的碾壓質量監(jiān)控系統數據處理與應用

李洋洋1，黃聲享1,2，張 文1

( 1.武漢大學 測繪學院，湖北 武漢 430079；2.地球空間信息技術協同創(chuàng)作中心，湖北 武漢 430079)

測量機器人具有目標自動跟蹤功能，將其應用于填筑工程碾壓施工中，可實現對碾壓機械的實時監(jiān)控，確保施工質量。在實際應用中，為了實時顯示并反饋碾壓狀況，需要對測量機器人的監(jiān)控數據進行實時的數據處理。文中結合該系統的應用情況，介紹數據處理的主要實現過程，并采用GDI+繪圖技術實現碾壓監(jiān)控參數的圖形輸出，起到良好的應用效果。

測量機器人；質量監(jiān)控；數據處理；GDI+

大壩填筑碾壓施工質量直接影響到大壩安全運營。為保證大壩填筑碾壓施工質量主要采用“雙控”制，即控制施工碾壓參數(碾壓機械的運行速度、碾壓遍數、攤鋪層厚度和平整度)和現場挖坑取樣檢測。這種方法對堆石壩建設具有十分重要的作用，但該方法主要是通過人工實現，不能滿足大規(guī)模機械化施工的要求[1-4]。目前，基于GPS和基于測量機器人兩種監(jiān)控技術均可用于大壩碾壓監(jiān)控?；贕PS的碾壓監(jiān)控技術已逐漸成熟，但因GPS本身高程精度不夠，需要對空通視的特點在一定程度上限制其使用，特別在峽谷河段內對天通視較差，信號弱，可能導致系統無法正常運行。而基于測量機器人的監(jiān)控技術具有系統結構簡單，平面、高程方向精度較高，適用性強，操作簡便等特點，根據大壩工程項目實際的施工環(huán)境、監(jiān)控要求等情況，利用測量機器人的實時、連續(xù)、自動化、高精度以及使用環(huán)境靈活等特點[5-8]，研發(fā)出基于測量機器人的大壩填筑碾壓施工質量監(jiān)控系統。然而在實際觀測中，由于施工現場環(huán)境復雜多變，系統所獲取的監(jiān)控數據不能直接進行處理，否則會導致碾壓監(jiān)控參數計算不正確，故需進行監(jiān)控數據的預處理。預處理過程主要包括坐標轉換、過濾靜止、區(qū)域選擇、時段分割等，預處理完成后再進行監(jiān)控參數計算。碾壓監(jiān)控參數主要包括碾壓機械的運行速度、運行軌跡和碾壓遍數等。利用GDI+(GDI，Graphical Device Interface)繪圖技術[9-10]，可以將監(jiān)控參數以圖形的形式輸出，使監(jiān)控結果直觀、清晰地展示給用戶。

1 系統簡介

基于測量機器人的大壩填筑碾壓施工質量監(jiān)控系統的組成框架如圖1所示，其包括監(jiān)控中心、控制點組和監(jiān)控移動遠端3部分。

圖1 TPS碾壓監(jiān)控系統組成

監(jiān)控中心由測量機器人、計算機、TPS碾壓監(jiān)控軟件組成。控制點組由多個已知控制點組成，用于確定觀測站坐標。監(jiān)控移動遠端由碾壓機械及固定在其頂端的信號反射器組成。

2 碾壓監(jiān)控數據處理

碾壓監(jiān)控數據處理包括監(jiān)控數據獲取、數據預處理、碾壓參數計算、碾壓參數的圖形顯示等4個步驟，如圖2所示。

圖2 碾壓監(jiān)控數據處理流程

2.1 監(jiān)控數據獲取

利用測量機器人的自動跟蹤功能，TPS碾壓監(jiān)控軟件以串口通信的方式訪問測量機器人，獲取坐標信息并保存至TXT文檔中。碾壓監(jiān)控數據格式及示例如表1所示。

表1 碾壓監(jiān)控數據格式 m

2.2 監(jiān)控數據預處理

在實際碾壓監(jiān)控過程中，碾壓機械中途停碾、在不同區(qū)域混合碾壓等情況時常發(fā)生，導致觀測數據存在大量冗余、數據錯亂等問題；同時在計算機繪圖時，需將工程坐標轉換為屏幕坐標，故需對觀測數據進行預處理。預處理包括：坐標轉換、過濾靜止、區(qū)域選擇、時段分割等。

2.2.1 坐標轉換

在使用GDI+繪圖時，首先要將工程坐標轉化為計算機屏幕坐標。將屏幕繪圖區(qū)域中心點和碾壓區(qū)域中心點匹配，根據工程坐標點與碾壓區(qū)域中心點的距離和比例因子來計算屏幕坐標如圖3所示(圖3中xoy坐標系為工程坐標系，XOY為屏幕坐標系，小寫字母表示在工程坐標系下的坐標點，大寫字母表示在屏幕坐標系下的坐標點，如c(C)。dx(Dy)中dx表示在工程坐標x方向的坐標跨度，Dy表示在屏幕坐標Y方向的坐標跨度)。

圖3 坐標轉換示意圖

坐標轉換算式為

(1)

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

2.2.2 過濾靜止

在碾壓監(jiān)控過程中，存在碾壓機械臨時停碾，但不知何時重新開始碾壓的情況，故在碾壓機械靜止時也進行了觀測，導致存在大量冗余的觀測數據，需要將在靜止狀態(tài)時的觀測數據過濾掉。根據坐標點間的距離進行判斷，設置一定的距離閾值，當相鄰時刻距離變化小于該閾值時，認為碾壓機械未開動，在觀測數據中將其剔除。

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)域在不同的時段碾壓，或同一時段在不同區(qū)域碾壓的情況，因不同區(qū)域的碾壓指標及要求不同，故需將在同一碾壓區(qū)域的觀測數據篩選出來。通過射線法判斷點與多邊形的關系[11]進行篩選。利用鼠標繪制出篩選區(qū)域，遍歷所有觀測點，當觀測點在該區(qū)域內時，則將其保存在數據鏈表中，按觀測文件格式生成區(qū)域選擇文件。

2.2.4 時段分割

因原始的觀測數據可能在時間上不完全連續(xù)，且對觀測數據進行了過濾靜止操作，觀測數據不再連續(xù)，需進行文件分割。將觀測數據分割后，可更加真實的反映碾壓機械的運行狀態(tài)。根據坐標點間的時間間隔判斷，設置一定的間隔閾值，若相鄰坐標點間的時間間隔超過該閾值，則認為開始了一個新的觀測時段。將不同的觀測時段文件保存在數據鏈表中，按觀測文件格式生成觀測文件。

2.3 碾壓參數計算

監(jiān)控數據經預處理后，可進行碾壓參數計算。碾壓參數主要有：碾壓機械的碾壓軌跡、碾壓速度和碾壓遍數等。

2.3.1 碾壓軌跡

碾壓軌跡反應碾壓機械實時運行軌跡如圖4所示。設在ti，ti+1，ti+2，ti+3，ti+4時刻的觀測點為Ti,Ti+1,Ti+2,Ti+3,Ti+4。

圖4 碾壓軌跡示意圖

碾壓機械滾筒輪軸的位置計算(以Li,Ri為例)主要步驟如下：

1)由Ti，Ti+1的坐標、碾壓機械滾筒輪軸寬度d、信號反射器與滾筒輪軸間的相對位置關系可求出Li,Ri的坐標。

2)由Li,Ri的坐標求出滾筒輪軸中點坐標。將滾筒輪軸中點在不同時刻的坐標點相連接即可得到碾壓軌跡(如圖4加粗線條所示)，由滾筒左右坐標點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

碾壓速度根據觀測點間的距離與時間差的比值來計算。設相鄰時刻ti，ti+1的觀測點坐標分別為pi(xi,yi,zi)，pi+1(xi+1,yi+1,zi+1)，則碾壓速度v利用式(2)計算。其中Δt=ti+1-ti，實際中Δt=1s。

(2)

2.3.3 碾壓遍數

碾壓遍數利用格網法進行計算。利用格網法進行碾壓遍數統計分析主要步驟如下：

1)根據碾壓范圍，將碾壓區(qū)域格網化，并將格網單元的碾壓遍數值初始化為0。在格網化過程中，應根據實際情況適當設置格網規(guī)格。若格網太大，則碾壓遍數統計不準確；若格網太小，則增加計算量，耗時較長。

2)以ti，tj時刻滾筒輪軸的位置組成多邊形ABCD，根據ABCD確定格網分析區(qū)域R1。在組成多邊形的時候，ti，tj兩觀測時段坐標點間距離應大于一定值(根據實際情況而定)，否則R1中可能找不到包含于多邊形的點，導致碾壓遍數統計錯誤。

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

4)根據格網單元的碾壓遍數值，填充相應的顏色，得到碾壓遍數統計圖，如圖5所示。

圖5 碾壓遍數統計示意圖

2.4 碾壓參數圖形顯示

GDI+是GDI的升級產品，較GDI具有很多優(yōu)點，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#編程語言調用其基本函數，可繪制出碾壓參數圖形。

2.4.1 碾壓速度圖

碾壓速度圖反映某碾壓時段內，碾壓機械的運行速度，如圖6所示，其可真實地反映出碾壓機械在運行中的速度實時變化情況。從圖6中可以得出碾壓機械最大行駛速度3.8 km/h，平均速度2.5 km/h。

2.4.2 碾壓軌跡與碾壓遍數圖

碾壓軌跡圖反映碾壓機械的實際運行軌跡如圖7所示，碾壓遍數圖反映該區(qū)域內的碾壓遍數分布情況如圖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)域碾壓最大遍數為14遍，絕大部分區(qū)域為10遍以上。

圖6 2016-04-25 1#碾壓車實時速度圖

圖7 碾壓軌跡圖

圖8 碾壓遍數圖

3 結束語

基于測量機器人的碾壓質量監(jiān)控系統具有實時、連續(xù)、自動化、高精度以及使用環(huán)境靈活等特點，在觀測視條件良好的情況下，可實現無間斷自動跟蹤測量。目前該系統已在大壩填筑碾壓質量監(jiān)控中應用，為大壩填筑碾壓質量起到積極保障作用。通過對監(jiān)控數據進行預處理，去除冗余的數據，對不同碾壓區(qū)域的觀測數據做出正確劃分，將不同時段數據分割開，可更加真實地反映碾壓情況。

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[10] (美)Mahesh Chand.GDI+圖形程序設計[M].韓江,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[11] 陳瑞卿,周健,虞烈.一種判斷點與多邊形關系的快速算法[J].西安交通大學學報,2007,41(1):60-63.

[責任編輯：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.基于測量機器人的碾壓質量監(jiān)控系統數據處理與應用[J].測繪工程，2017，26(5)：67-70.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.05.014

2016-05-20

國家自然科學基金資助項目(41274020)

李洋洋(1990-)，男，碩士研究生.

P241

A

1006-7949(2017)05-0067-04