牵引系统智能数控平台

技术领域

本发明涉及悬索桥主缆架设数控技术领域，尤其涉及牵引系统智能数控平台。

背景技术

悬索桥施工控制的智能化体现在，通过研究开发的以工程控制理论为基础的施工控制系统软件结合先进的智能化传感器等来实现对于桥梁结构状态的监测、实时数据采集储存与分析处理、各施工梁段立模标高的自动计算与确定等。智能化施工控制系统是先进的网络传输技术、施工控制数据库以及施工控制专家系统等的集成体。

但是，国内研究开发的智能化桥梁施工控制软件或系统大多具有一定的局限性。首先是应用范围上的局限性，大多软件只能在小范围内甚至只能在某一座桥上应用，目前尚没有一款可以广泛实际应用于某一种桥型的智能化施工控制软件；其次，设备支持性弱，跟不上计算机硬件与操作系统的高速更新；再次，智能化程度不高，用户需要承担较大的计算分析工作，且软件的可靠性和容错性较差；最后，系统编制思想老化，导致系统维护困难，不易快速升级，不利于软件的集成开发。以上这些限制因素导致目前尚没有一款智能化桥梁施工控制软件能够在我国的桥梁建设中得到普及应用。因此，研究和开发集成度高、操作性强、适用面广、普及率高的高度专业化、高度智能化施工控制系统对于我国未来的桥梁建设事业具有重大意义。此外，为支持桥梁施工控制高度智能化目标的实现，适应性与抗干扰能力强的高精度新型数字网络化的传感仪器的开发也是至关重要的。

发明内容

本发明的目的是为了针对桥梁搭建进行智能化施工，搭建一套关键结构数据实时监控、关键施工作业场景可视化视频监控、关键设备自动化控制、统计分析于一体的牵引系统智能数控平台，通过监控中心，可以便捷地了解施工现场的实时信息及历史信息，集中管控施工现场实际运作情况并依据监控记录对资源进行更为合理地调度。

牵引系统智能数控平台，其技术方案如下所述，

牵引系统智能数控平台，包括感知传输层、数据分析处理层、业务应用层、网络传输层，其中：

(一)感知传输层：包括牵引系统拽拉器运行监控模块、索塔偏位监测模块、索股温度监测模块、现场实时影像模块、卷扬机运行监控模块，风速风向监控模块，通过上述模块采集和汇总感知数据信息，并通过网络传输层将感知数据传输至数据分析处理层；

(二)数据分析处理层：将感知传输层传输的感知数据传输至公有云，公有云计算中心对感知数据进行存储和处理，处理内容包括：牵引系统拽拉器运行轨迹速率计算、气象测温计算、塔索偏移计算、施工关注点的实时影像数据处理、系统网络监控；

(三)业务应用层包括：通过公有云对监控信息、配置信息、辅助决策、牵引任务中心、统计分析进行综合可视化显示及应用服务管理，还提供包括电脑端Web应用，移动终端(手机、Pad)APP应用，以及监控中心大屏展示等多终端交互方式；还与BIM系统接口整合；

(四)网络传输层：包括LoRa通讯网络模块、无线定向网桥模块；LoRa通讯网络模块：通过采用低功耗广域网LoRa通讯技术，用于实现牵引系统拽拉器运行监控模块、索股温度监测模块、风速风向监测模块采集的感知数据与数据中心模块之间无线通讯数据传输；无线定向网桥模块：采用低功耗定向桥接通讯技术，用于实现索塔偏位监控模块、现场实时影像模块、卷扬机运行监控模块采集的感知数据与数据中心模块之间无线通讯数据传输。

具体的，感知传输层中进行采集和汇总感知数据信息的模块具体工作内容如下：(1)牵引系统拽拉器运行监控模块：利用RFID电子标签监测对牵引系统中拽拉器的实时位移，进行加减速率的计算与轨迹的定位；(2)索股温度监测模块：用于对索股架设的特定位置，利用PT100测温探头监测索股温度变化数据；(3)索塔偏位监测模块：用于对索塔的特定测点位置，利用GNSS设备采集测点空间坐标；(4)现场实时影像模块：通过使用球型高清摄像头拍摄现场施工实时影像；(5)卷扬机运行监控模块：采集卷扬机运行设备的运行状态数据，自动化控制拽拉器牵引加减速启停的联动控制。该模块包括OPC服务器、卷扬机设备、采集控制系统。OPC服务器开放接口与卷扬机PLC通信连接并进行数据交互，卷扬机PLC会根据设定频率上报卷扬机设备状态及运行状态等数据至OPC服务器，采集控制系统从OPC服务器中采集PLC的设备状态及运行数据，并将数据通过无线定向传输网络传送至数据分析处理层。采集控制系统实时获取数据分析处理层下达的指令，并将指令传递给卷杨机PLC，以达到对卷扬机的牵引监控目的。(6)风速风向监控模块：利用在索塔上安装风速风向传感器，用于监测当天的风速和风向，并采集风速和风向的感知数据。

具体的，系统网络监控通过可视化的网络拓扑图呈现项目网络各链路的健康情况，健康状况包括：各网路通畅程度，带宽使用率，传输速率；系统网络监控模块还通过测健康情况并预警提醒运维人员调整优化网络；

具体的，对于监控信息的管控包括：牵引系统拽拉器运行监控、卷扬机运行监控、索塔偏位监测、现场实时影像、索股温度监测、系统网络监测信息。

具体的，配置信息的管控包括：用户身份、权限管理、操作日志记录、报表输出、任务响应系统基础管理功能；

具体的，辅助决策的管控包括：汇总统计展现所有触发平台相关子系统预警规则的预报警信息、信息留存方便分析监测指标超标与牵引任务的关联以及提醒指挥中心牵引过程可能存在的风险。

具体的，牵引任务中心的管控包括：通过历史任务编号、索股编码、时间区间，查询历史牵引任务数据，并可通过点击详情查阅任务详情，通过详情页面回溯任务发生过程。

具体的，统计分析的管控包括：利用大数据技术，通过对项目数据进行统计分析，可视化图表直观呈现项目整体数据，包含索道牵引汇总、工作日汇总、预警预报信息汇总、牵引任务日趋势变化。

从上述描述中可以得出该发明的优点：

1)使得物联数据传输高效化：面向系统整体运行，部署有效覆盖项目实施现场的物联网低功耗广域网LoRa通讯网络，解决因光纤宽带、3G/4G无线通讯能力缺乏所导致的监测数据传输困难问题，实现各项物联网感知设备采集数据的统一接入与高效传输；

2)使得运行状态监管全面化：重点针对牵引系统中拽拉器的实时位移进行物联网数据采集，判断运行过程中其所处定位与加减速率，同时支持自动化控制系统数据接入整合以及多种传感监测设备的数据扩展补充，可获取系统负载与拉力变化、设施开关启停状态、运行时长与能源消耗、卷扬机线缆拉拽速度、索骨多点温度变化、相对距离测算、猫道托滚运转情况等，配合视频图像监控信息，对整体系统运行状态提供多维度监管与数据决策支撑；

3)使得关联信息处理系统化：基于云计算服务与大数据平台的高效数据处理能力，实现对多样性信息的统一分析，建立各项数据的关联分析，结合视频影像、对比统计等方式，针对牵引系统的运行状态、负载情况、拉力变化、位移定位、运行轨迹、突发事件等监管内容，以可视化数据图表、虚拟场景展示、运行轨迹等直观表现方式，实现对系统运行数据的系统化处理，同时在多种终端进行统一交互访问与操作管理；

4)使得自动控制响应智能化：利用自主研发的物联网数采控制设备(OPC服务器)建立与卷扬机自动化控制设备(PLC)直接通讯，以编程指令输出的方式，实现系统监管数据变化对对应设施启动、关闭、加速、减速等运行状态的自动化控制响应，降低人员参与难度与操作管理难度，快速响应突发事件与应急决策控制。

附图说明

图1为牵引系统智能数控平台的流程图；

图2为数据中心的网络拓扑图。

具体实施方式

本发明的技术方案提供了牵引系统智能数控平台，如图1、图2所示，其技术方案如下：

牵引系统智能数控平台，包括物联感知传输层、数据分析处理层、业务应用层、网络传输层。其中：

(一)物联感知传输层：在桥梁施工过程中，为实现对各个实施单元的有效监控，所以搭建以物联网感知设备与数据采集设备为核心的监控设备采集汇总感知数据信息，其中监控设备主要监控牵引系统拽拉器运行情况、索股温度、索塔偏移位置、现场实时影像、卷扬机运行情况、风速风向情况，主要通过牵引系统拽拉器运行监控模块、索股温度监测模块、索塔偏位监测模块、现场实时影像模块、卷扬机运行监控模块、风速风向监控模块六个模块工作实现，并通过网络传输层传输至数据分析处理层。其中：

1.牵引系统拽拉器运行监控模块：牵引系统中的拽拉器在运行过程中，到达某些特定位置时需要执行加减速或者其他操作。为了对牵引系统中的拽拉器的位置进行自动化监控，避免人工判断位置容易出现偏差和失误，因此，通过牵引系统拽拉器运行监控模块来对拽拉器运行进行监测。其主要通过利用RFID电子标签监测对牵引系统中拽拉器的实时位移进行轨迹的定位，并通过LoRa通讯将监测数据传输至云计算数据中心。对牵引系统拽拉器运行监控的具体操作方式详见专利号为CN10913774，专利名称为一种悬索桥索股牵引系统的自动化控制系统及监控平台。

2.索股温度监测模块：索股是悬索桥桥梁建设中常用产品，用于承载桥梁重量。在桥梁建设中对索股安装过程中日照温差影响到悬索桥的整个施工阶段，过大的温差将会导致索塔和主缆坐标与设计基准温度时的坐标产生较大偏差，从而影响到整个主缆的垂度和线形偏离设计值。为准确分析温度效应，实时监测调整因温度变化引起主缆索股线形的变化值，保证主缆架设精度有着极为重要的作用。所以索股温度监测通过将高精度铂电阻温度传感器置于索股中，将过江索股束分成9个断面进行监控，为确保在相同温度科学合理的安排各个断面监测的位置，掌握整条索股的牵引绳的温度变化与数据，所以每个索股束断面监测5个温度值，分别分布在断面的中心与中心四周。温度模块RS-4041M采集高精度温度传感器的数据与LoRa无线通讯模块的RS485进行通讯，将所采集到的温度数值传到智能数据采控仪，再通过网络的形式将数据传输到服务器平台。对索股温度监测的具体操作方式详见专利号为CN109632122A，专利名称为悬索桥索股温度自动测量系统及包括它的物联网温度测控平台。

3.索塔偏位监测模块：用于对索塔的特定测点位置，利用GNSS完成测点相对于标定点空间坐标的位移变化测量，实现测点偏移量是否超标预警提醒，精度在0.1MM，并将测量数据通过有线网络及无线网桥定向传输至数据中心。

4.现场实时影像模块：在网络的桥梁施工监控中，施工现场的实际情况(如施工荷载分布情况等)对施工控制分析与控制决策有着重要意义。为实时掌握桥梁施工现场情况，通过现场实时影像模块可监视整个施工现场。现场实时影像模块用于在施工面关注点架设球形高清摄像头，使用球型高清摄像头将现场施工实时影像，通过独立的无线网桥定向传输各项监测数据至数据中心模块；

5.卷扬机运行监控模块：采集卷扬机运行设备的运行状态数据，自动化控制拽拉器牵引加减速启停的联动控制。该模块包括OPC服务器、卷扬机设备、采集控制系统。OPC服务器开放接口与卷扬机PLC通信连接并进行数据交互，卷扬机PLC会根据设定频率上报卷扬机设备状态及运行状态等数据至OPC服务器，采集控制系统从OPC服务器中采集PLC的设备状态及运行数据，并将数据通过无线定向传输网络传送至数据分析处理层。采集控制系统实时获取数据分析处理层下达的指令，并将指令传递给卷杨机PLC，以达到对卷扬机的牵引监控目的。卷扬机运行监控模块的传输控制有效率能达到99.99％，响应反馈时间控制在0.5～2秒内。其中对卷扬机运行监控的具体操作方式详见专利号为CN10913774，专利名称为一种悬索桥索股牵引系统的自动化控制系统及监控平台。

6.风速风向监控模块：利用在索塔上安装风速风向传感器，监测当天的风速和风向，并采集风速和风向的感知数据。

(二)数据分析处理层：为了实现前端物联网感知设备与应用层的数据对接，完成相关感知数据的存储、处理，结合系统运行各项评估、判断需求建立数据的关联分析机制，从而实现对相关速度、位置、轨迹的监控管理，并为具体业务系统应用提供信息化基础设施服务支撑。所以通过数据分析处理层将感知传输层传输的感知数据传输至公有云，通过在云端部署完成虚拟化集群、分布式文件管理、全局容灾备份等关键应用，从而将网络中多种存储、计算设备集合起来协同工作，提供计算存储资源和基础运行环境，实现海量数据和高并发业务需求的响应处理。公有云计算中心对感知数据进行存储和处理，处理内容包括：牵引系统拽拉器运行轨迹速率计算、气象测温计算、塔索偏移计算、施工关注点的实时影像数据处理、系统网络监控。其中系统网络监控用于对系统网络的健康状态进行监测和分析，通过可视化的网络拓扑图呈现项目网络各链路的各网路通畅程度，带宽使用率，传输速率的健康情况，系统网络监控模块还通过测健康情况并预警提醒运维人员调整优化网络。

(三)业务应用层：为了实现对设备状态、运行过程、监控信息等感知数据的综合应用管理，以及面向自动化控制设备的指令控制，所以利用公有云对监控信息、配置信息、辅助决策、牵引任务中心、统计分析进行综合管控，除此之外，业务应用层还提供包括支持电脑端Web应用，移动终端(手机、Pad)APP应用，以及监控中心大屏展示接口；还与BIM系统接口整合。

对于监控信息的管控包括：(1)牵引系统拽拉器运行监控：位移定位与通过速率分析、虚拟场景展示和动态运行轨迹记录、卷扬机运行状态呈现、加减速自动控制指令发送、可视化数据统计与对比分析；(2)卷扬机运行监控：实时呈现卷扬机的状态、运行监控数据，并呈现卷扬机拉力、速率的趋势变化，结合牵引任务过程，校验定位数据及牵引动作是否正常；(3)索塔偏位监测：将索塔偏移量及缆索线性测量数值保存记录，通过测量时序图反馈出索塔偏移量变化的趋势、区间范围和缆索线性；(4)现场实时影像：可视化展现现场施工关注点的实时影像，包括视频点位分类及名称信息，通过16、9、4宫格展现选择或轮播点监控实时视频；(5)索股温度监测：通过索股测温获取待调索股与基准索之间的温差是否满足调索的技术要求结合风速风向的实时测量数据判断施工断面是否满足调索施工条件，一般会设定索股温度测量的时间频率，由4个测温探头分别获取同一断面的待调及基准索的温度，然后由数据中心模拟计算线型索股各点的温度构成，综合计算得到左右边跨及跨中，待调索温度是否达到调索技术要求，结合断面风速，给出调索指令，系统支持自动测温及手动测温二种模式；(6)系统网络监测：通过实时采集各网络设备状态数据及网络链路的传输速率及带宽占有率，可视化图示展现整体网路构成及链路通畅情况；

对于配置信息的管控包括：用户身份、权限管理、操作日志记录、报表输出、任务响应等系统基础管理功能；

对于辅助决策的管控包括：汇总统计展现所有触发平台相关子系统预警规则的预报警信息、信息留存方便分析监测指标超标与牵引任务的关联以及提醒指挥中心牵引过程可能存在的风险。

对于牵引任务中心的管控：通过历史任务编号、索股编码、时间区间，查询历史牵引任务数据，并可通过点击详情查阅任务详情，通过详情页面回溯任务发生过程。

对于统计分析的管控：利用大数据技术，通过对项目数据进行统计分析，可视化图表直观呈现项目整体数据，包含索道牵引汇总、工作日汇总、预警预报信息汇总、牵引任务日趋势变化。其中：(1)索道牵引汇总：上下索道完成比列、完成索股构成，整体完成数、每日完成数量、牵引均速、均耗时以及索道每索股完成牵引的时间消耗、平均速率等。(2)工作日汇总：通过日历展示计划工期区间，区间每日气象，实际工作日，休息日，可以直观查阅休息是否与天气有直接原因。(3)预警事件统计：按施工日分类型统计各预警事件数量，由此判断施工过程中，哪类预警事情频繁发生。(3)每施工日对应猫道、牵引数量、牵引速率、牵引耗时的趋势变化评估牵引效率涉及的关键因素。

对于基础数据的管控：包括索股数据、RFI D卡片数据、RFI D卡片猫道设置数据。其中:(1)索股数据在数据初始化后完成，呈现索道完成情况及索股基本信息，可在系统平台生成打印二维码，需要在页面完成二维码的打印及校对。

(2)RFI D卡片数据：初始化后即完成所有采购RFI D卡片的资料入库工作，呈现卡片的基本信息及使用状态。(3)RFI D卡片猫道设置数据：维护上下游猫道的卡片序列，平台将会初始化卡片序列，因为此基础数据关系拽拉器定位的准确与否，通过统计卡片漏读次数信息、判断卡片是否存在故障，此界面允许更换故障卡片、可视化显示所有卡片及卡片所在位置方便快速定位RFI D卡片。

(四)网络传输层：包括LoRa通讯网络模块、无线定向网桥模块。如图2所示的数据中心网络拓扑图，其中：(1)LoRa通讯网络模块通过采用低功耗广域网LoRa通讯技术，用于实现牵引系统拽拉器运行监控模块、索股温度监测模块、风速风向监测模块采集的感知数据与数据中心模块之间无线通讯数据传输。其中感知数据的(2)无线定向网桥模块采用低功耗定向桥接通讯技术，用于实现索塔偏位监控模块、现场实时影像模块、卷扬机运行监控模块采集的感知数据与数据中心模块之间无线通讯数据传输。

从上述描述中可以得出发明的优点：

5)物联数据传输高效化：面向系统整体运行，部署有效覆盖项目实施现场的物联网低功耗广域网通讯网络，解决因光纤宽带、3G/4G无线通讯能力缺乏所导致的监测数据传输困难问题，实现各项物联网感知设备采集数据的统一接入与高效传输；

6)运行状态监管全面化：重点针对牵引系统中拽拉器的实时位移进行物联网数据采集，判断运行过程中其所处定位与加减速率，同时支持自动化控制系统数据接入整合以及多种传感监测设备的数据扩展补充，可获取系统负载与拉力变化、设施开关启停状态、运行时长与能源消耗、卷扬机线缆拉拽速度、索骨多点温度变化、相对距离测算、猫道托滚运转情况等，配合视频图像监控信息，对整体系统运行状态提供多维度监管与数据决策支撑；

7)关联信息处理系统化：基于云计算服务与大数据平台的高效数据处理能力，实现对多样性信息的统一分析，建立各项数据的关联分析，结合视频影像、对比统计等方式，针对牵引系统的运行状态、负载情况、拉力变化、位移定位、运行轨迹、突发事件等监管内容，以可视化数据图表、虚拟场景展示、运行轨迹等直观表现方式，实现对系统运行数据的系统化处理，同时在多种终端进行统一交互访问与操作管理；

8)自动控制响应智能化：利用自主研发的物联网数采控制设备建立与卷扬机自动化控制设备(PLC)直接通讯，以编程指令输出的方式，实现系统监管数据变化对对应设施启动、关闭、加速、减速等运行状态的自动化控制响应，

降低人员参与难度与操作管理难度，快速响应突发事件与应急决策控制。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。