堆石坝坝料运输方量监控方法与流程

本发明涉及运输车运输方量监控方法。尤其涉及一种大型堆石坝工程中运输方量大，车辆调配复杂，坝料开挖、运输、填筑等各方关系需要紧密协调的情况下，能够准确识别并计量各坝料运输车运输方量，并能够将信息传递至监控终端以协助施工反馈与协调的监控方法。具体讲,涉及堆石坝坝料运输方量监控方法。

背景技术：

由于水电开发既能节约煤炭、石油等天然资源，又可兼收防洪、灌溉、航运、供水、水产、旅游等多种综合效益，因而目前大型水利水电工程的建设发展迅速。而堆石坝作为可充分利用当地天然材料、结构及施工简单、适应性强的坝型，具有工程规模大、施工监控与管理复杂等特点，为加强堆石坝建设系统的自动化监测与信息化管理，目前依托蓬勃发展的计算机与互联网技术，实现了对大坝全寿命周期信息的数字化动态管理与控制。在坝体建造过程中，坝料运输作为连接料源开挖及工程施工的关键一环，对其方量的精准化、智能化监控不仅为坝料的按量调配仿真、坝料运输的动态指挥调度及实际的施工控制提供实时的数据基础，而且可以服务于诸如坝料加水系统、施工碾压监控系统、运输强度计量等诸多辅助系统，既可以加强对大坝施工中间环节的监控与协调，又可以完善对大坝整体建设的掌握与规划。

对于方量测量，传统的接触测量操作复杂、自动化程度低、人为因素对结果影响较大，因此考虑采用非接触测量对运输方量进行监控，目前对于不规则散料体的非接触体积测量，其测量对象主要面向煤堆、粮仓、金属矿料等大型料堆，其测量方法众多，主要包括计算机图像识别技术、超声波探测技术与激光扫描技术等。上海交通大学基于计算机图像识别技术，提出采用视频设备、图像采集设备与计算机测量系统以实现对不规则物料堆进行体积测量的目的；长春理工大学提出依托激光扫描光三角测量原理实现体积识别；天津理工大学提出利用激光测距仪、步进电机及行程传感器等来进行物料堆表面识别进而进行体积计算；而考虑到在堆石坝坝料运输道路上会产生大量粉尘，利用可见光进行普通拍摄时，由于粉尘作用，易产生噪音，使照片质量严重恶化，会给方量测量带来很大的误差甚至错误，同济大学为克服隧道中粉尘噪音的影响，充分利用红外线波长比可见光长，具有感光效果好、穿透能力强、介质折射率小等有优点，利用红外线对隧道变形进行近景摄影测量。目前三维激光扫描技术凭借其优异性能在工程测绘领域得到了广泛应用。

然而目前堆石坝建设过程中仍无运输车运输方量监控设备，而只简单停留在按照坝料运输车的载重量来进行简单估算，这种方法可能存在两种问题：(1)运输方量的过估计与欠估计，前者导致运输资源的浪费，并增加了施工现场协调的冗余度，后者需要补派车辆，增加了协调成本，延缓了施工进度；(2)难以实现运输方量的精准测量，其一将导致整个大坝运输系统因缺少运输方量实时数据一环降低了系统的整体协调性，其二因施工方量控制的不精准可能导致大坝建设质量有所降低。为此本文提出一种能够准确识别并计量统计各坝料运输车运输方量的监控方法，以填补目前堆石坝工程中坝料运输车运输方量监控这一空白。

技术实现要素：

本发明旨在针对堆石坝建设工程规模大，坝料运输系统复杂，在已实现大型水利水电工程施工交通运输系统仿真以及可视化表达的情况下，目前仍存在对堆石坝坝料运输方量进行精准监控以协调其他数字化系统这一空白的情况，提出一种能够准确识别车辆信息并测量其运输方量，且能够将信息传递至监控终端以协助施工反馈与协调的监控方法。本发明采用的技术方案是，堆石坝坝料运输方量监控方法，步骤如下：

(1)采用集成射频识别RFID(Radio Frequency Identification)技术识别车辆信息：坝料运输车装料完毕离开料场行驶至运输方量监测装置处并于指定范围内停车，此时运输方量监测系统射频感应识别区感应车身携带的无线射频卡进而对射频卡事先录入的运输车的包括车辆编号、型号、运输材料、载重量的车辆信息进行识别；

(2)采用红外激光摄影测量模块进行点云采集：在利用三维红外激光进行运输车运输方量扫描时，通过三维红外激光扫描仪对出场车辆进行非接触式测量，当系统识别车辆信息完成后，依托激光单点测距原理，启动实时扫描运输车装载坝料表面离散点的距离以及扫描的角度信息，进而获得运输车运输方量的点云数据集合{(x_i,y_i,z_i)|i＝1,2,…,n}，其中x_i、y_i、z_i为设定坐标系下点云中第i个点的三维坐标值，即获得坝料表面的三维信息，为后续的三维建模、方量计算提供数据基础；

(3)采用工控机进行数据处理、存储与传输：在利用三维红外激光进行运输车运输方量扫描时，通过红外激光扫描仪获取运输车运输坝料表面的点云数据信息，之后通过通信系统中有线传输技术或无线保真技术将获取的点云数据信息传送至工控机，通过工控机预设的分析软件完成对获取的点云数据信息进行去噪与精简、建立车载表面空间曲面模型、通过数值积分准确获取装载方量的分析工作，最后通过工控机进行数据存储与传输，运输车车辆信息与运输方量数据通过料场料源地自建的低频无线网络传输存储于系统数据库，实现坝料上坝运输方量的精确监测，同时通过网络将车辆信息与方量信息传送至监控终端供业主、监理和施工人员实时查询了解情况。

其中根据点云数据进行曲面拟合法是采用非均匀有理B样条曲线NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)曲面重建方法，根据点云数据信息对不规则坝料表面进行三维精细化建模，NURBS曲面的表达公式为：

式中：d_i,j为呈拓扑矩阵的控制点；W_i,j为控制点d_i,j的权因子；i和j分别为u向和v向控制点、全因子和样条基函数的编号，i和j分别为u向和v向分别为控制点、全因子和样条基函数的样条数量，B_i,k(u)、B_j,l(v)分别为沿u向的k次和沿v向的l次B样条基函数，它们分别定义在u向和v向的节点矢量上：

B_i,k(u)基函数采用de Boor-Cox递推公式进行计算：

上式中k表示阶数，i为序号，u_i表示相应的节点。

工控机软件系统利用装载原料断面数据建立网格模型，在条件允许可利用质量数据采集设备如电子地磅获取运输车装载的坝料质量信息的情况下，可利用所获取坝料运输车车载质量与所载坝料密度信息计算装载方量，与所测运输方量进行比较，并通过调整点云数据曲面拟合精度来控制误差范围。

本发明的特点及有益效果是：

(1)填补了大型堆石坝工程中未有对各种坝料运输车运输方量监控的空白，为系统实时仿真和坝料加水提供准确运输单车计量，极大裨益于工程的整体规划与监控。

(2)RFID技术可以直接在户外读取运输车车辆信息，产品可以在恶劣条件下工作，对环境要求低，并且读取距离可以控制，简单便携，适用于堆石坝现场施工条件。

(3)激光摄影测量方法较传统的接触测量方法有以下优点：其一，操作简单、自动化程度高，提高了测量效率；其二，减少了人工操作，降低了人为因素对测量结果准确度的影响；其三，提高了方量测量精度，同时可以通过调整点云数据曲面拟合精度来控制误差范围。

(4)红外激光摄影测量方法较传统摄影测量方法有以下优点：其一，工程运输道路中粉尘浓度较高，而红外线因其良好的抗介质折射性能使其穿透能力与抗干扰能力显著增强，能够有效地减少粉尘产生的图像噪音；其二，红外线波长比可见光长，感光效果好；其三，以红外激光作为媒介快速高效，精确性好。因此克服了普通数码测量精准度低、不可控等缺点。

(5)在水利水电工程逐步实现数字化的大趋势下，实时准确的运输方量监控不断优化大坝运输与施工监控系统，为坝体建设的整体规划和协调工作带来极大便利。

附图说明：

图1运输方量监测系统流程图。

图2运输方量监控系统结构架构图。

图3运输方量监测装置示意图。

图4运输方量监测装置三维模型效果图。

具体实施方式

针对现有技术的不足，本发明采用的技术方案是，一种堆石坝坝料运输车的运输方量监控方法。该系统构建了一种能够准确识别坝料运输车车辆信息并方便测量其运输方量的监控方法，其能够获取运输车实时的运输方量数据，并与其他数字化数值模拟技术综合应用，为水利水电工程施工提供指导。

本系统部署在料场料源地的出口道路，主要包含射频识别装置、摄影测量装置与工控机。具体技术方案如下：

(1)采用集成射频识别RFID(Radio Frequency Identification)技术识别车辆信息：坝料运输车装料完毕离开料场行驶至运输方量监测装置处并于指定范围内停车，此时运输方量监测系统射频感应识别区感应车身携带的无线射频卡进而对射频卡事先录入的运输车的车辆编号、型号、运输材料、载重量等车辆信息进行识别；

(2)采用红外激光摄影测量模块进行点云采集：在利用三维红外激光进行运输车运输方量扫描时，通过三维红外激光扫描仪对出场车辆进行非接触式测量，当系统识别车辆信息完成后，依托激光单点测距原理，启动实时扫描运输车装载坝料表面离散点的距离以及扫描的角度信息，进而获得运输车运输方量的点云数据集合{(x_i,y_i,z_i)|i＝1,2,…,n}，其中x_i、y_i、z_i为设定坐标系下点云中第i个点的三维坐标值，即获得坝料表面的三维信息，为后续的三维建模、方量计算提供数据基础；

(3)采用工控机进行数据处理、存储与传输：在利用三维红外激光进行运输车运输方量扫描时，可以通过红外激光扫描仪获取运输车运输坝料表面的点云数据信息，之后通过通信系统中有线传输技术或无线保真技术将获取的点云数据信息传送至工控机，通过工控机预设的分析软件完成对获取的点云数据信息进行去噪与精简、建立车载表面空间曲面模型、通过数值积分准确获取装载方量的分析工作，最后通过工控机进行数据存储与传输，运输车车辆信息与运输方量数据通过料场料源地自建的低频无线网络传输存储于系统数据库，实现坝料上坝运输方量的精确监测，同时可以通过网络将车辆信息与方量信息传送至监控终端供业主、监理和施工人员实时查询了解情况，并通过反馈与控制使施工过程更加合理有序，进一步完善了数字大坝监控模型。

其中点云数据去噪目的是通过数据光顺来降低被测形态复杂度、仪器系统误差、外在因素等对三维测量数据质量的影响，而点云数据的精简目的是通过重采样方法将高密度的点云数据进行抽密，降低数据冗余，进而提高三维测量数据的处理效率。

其中根据点云数据进行曲面拟合法有诸如基于二次多项式插值的曲面拟合、基于隐函数的光滑曲面拟合、以及基于样条函数的分片整体光滑曲面拟合等。综合考虑精确性与计算效率，此处可以采用非均匀有理B样条曲线(Non-Uniform Rational B-Splines，简称NURBS)曲面重建方法，根据点云数据信息对运输车不规则坝料表面进行三维精细化建模，以保证构造插值与点云处的曲线精度与曲线重建质量。

NURBS曲面的表达公式为：

式中：d_i,j为呈拓扑矩阵的控制点；W_i,j为控制点d_i,j的权因子；i和j分别为u向和v向控制点、全因子和样条基函数的编号，i和j分别为u向和v向分别为控制点、全因子和样条基函数的样条数量，B_i,k(u)、B_j,l(v)分别为沿u向的k次和沿v向的l次B样条基函数，它们分别定义在u向和v向的节点矢量上：

B_i,k(u)基函数采用de Boor-Cox递推公式进行计算：

上式中k表示阶数，i为序号，u_i表示相应的节点。

工控机软件系统利用装载原料断面数据建立网格模型，在条件允许可以利用质量数据采集设备如电子地磅获取运输车装载的质量信息的情况下，可以利用所获取坝料运输车车载质量与坝料密度信息计算装载方量，与所测运输方量进行比较，并通过调整点云数据曲面拟合精度来控制误差范围，以做到运输方量数据结果获取的“双保险”。

下面结合附图对本专利作进一步说明：

如图3所示，本运输车运输方量监控装置，包括门架1、无线射频感应器2、三维红外激光扫描仪3与工控机4，所述三维红外激光扫描仪3属中距离激光扫描仪，车辆基本停于无线射频感应器2与三维红外激光扫描仪之间，无线射频感应器2位于司机窗口部位以方便司机刷卡进而使系统获取车辆信息，所述三维红外激光扫描仪3位于车尾以外位置以方便扫描运输车车斗深度，所述门架1左右两门架立柱相互平行，门架1的高度应高于运输车车身一定距离以使车辆能够顺利通过门架1且三维红外激光能够对坝料不规则表面扫描完全，三维红外激光扫描仪3固定于门架中部。

具体工作流程如下：

1.运输车装料完毕离开料场行驶至运输方量监测装置处并于固定扫描范围内停车；

2.车身的无线射频卡与运输方量监测系统射频感应识别区识别出射频卡事先录入的车辆编号、型号、运输材料、载重量等车辆信息；

3.射频卡感应器向工控机传递数据信息并触发红外激光摄影测量模块扫描机制；

4.红外激光摄影测量模块利用激光单点测距原理，对运输车运输坝料不规则表面进行点云采集；

5.三维红外激光扫描仪所获得的点云数据信息通过通信系统中有线传输技术或无线保真技术传送至工控机；

6.通过工控机预设的分析软件完成对获取的点云数据信息的去噪与精简；

7.根据点云数据利用曲面拟合法建立车载表面空间曲面模型；

8.通过数值积分获取准确装载方量；

9.若条件允许，可通过质量数据采集设备如电子地磅获取运输车车载质量数据以对所测运输方量进行校核；

10.工控机进行数据存储与传输，通过料场料源地自建的低频无线网络将运输车车辆信息与运输方量数据传输存储于系统数据库；

11.释放信号使所扫描运输车通行；

12.通过通信网络将车辆信息与方量信息传送至监控终端供业主、监理和施工人员实时查询了解情况，并通过反馈与控制使施工过程更加合理有序；

13.运输单车方量信息可服务于诸如坝料加水系统、施工碾压监控系统、运输强度计量等诸多辅助系统。

目前在大型水利工程建设中，水利工程施工逐渐趋于精准化、智能化，本文提出一种基于红外摄影测量的非接触测量方法来实现大型工程中运输方量监控的方法，能够提高坝料运输管理的准确性、时效性与协调性，完善数字大坝系统的功能，推进水利水电工程数字化、信息化、网络化管理的进程。