一种常态混凝土振捣质量可视化实时监控系统及方法与流程

本发明属于水利工程中混凝土工程浇筑施工质量实时控制领域，具体的说，是涉及一种以振捣台车作为振捣工具的常态混凝土振捣质量可视化实时监控系统及方法。

背景技术：

常态混凝土重力坝是用常态混凝土修筑的大体积挡水建筑物，因此常态混凝土的浇筑质量的高低将会直接影响到混凝土坝的质量。常态混凝土是一种流动性较大的混凝土，坍落度一般为10mm～100mm。常态混凝土的密实度是一个评判混凝土质量的重要指标，在施工的过程中，一般通过振捣施工来排出混凝土中掺杂的空气，使骨料结合的更加紧密，以达到提高混凝土密实度的目的。因而，混凝土振捣作为常态混凝土坝浇筑过程中最为关键的施工环节，对混凝土坝的强度、抗渗等性能起着决定性作用。

目前常态混凝土施工现场振捣质量控制方法是通过振捣棒交错插入来保证仓面混凝土浇筑区域的全覆盖，同时按照经验来控制振捣棒的插入点、插入深度、振捣间距、振捣时间等控制参数，从而保证混凝土振捣密实。但在实际施工中，往往存在不按规范施工的情况，导致振捣施工存在漏振、欠振、过振等问题，造成振捣质量缺陷。由于缺少有效的监控手段，造成这些问题难以及时获知和处理，因此需要采用一种自动化、精细化、可视化的技术手段对振捣位置、振捣时间、插入深度进行有效的监控，实时控制混凝土振捣质量。

振捣台车是一种由挖掘机改装的施工机械，是为了保证混凝土振捣施工的效率和效果，将多个振捣棒集成在振捣机架上然后安装在挖掘机斗杆(小臂)前端的一种振捣机械。振捣台车作为一种大体积混凝土振捣的重要设备，其振捣施工的实时监控和质量控制具有很重要的意义。

当前针对常态混凝土振捣质量实时控制的研究取得了一定进展。以单个插入式振捣棒为振捣工具，田正宏、边策、毛龙、吴越建，提出了一种基于GPS动态跟踪的可视化监测方法；龚杰、喻毅提出了一种基于UWB定位技术的混凝土振捣质量实时监控方法。

以振捣台车为振捣工具，王仁坤、陈万涛、邱向东、尹习双、刘金飞、钟桂良、赖刚、刘永亮提出了一种混凝土振捣质量实时监控方法。该方法采用GPS定位装置、角度传感器确定振捣棒的空间位置，结合测距模块(超声波或红外线)和应用服务器计算振捣棒有效插入深度，再通过应用服务器计时并结合相应公式，计算出振捣有效时间。该方法虽然建立了一套比较完整的混凝土振捣质量实时监控、评价和报警机制，但仍存在一些不足，如定位及定向天线安装不便、在卫星信号弱时定向会受影响、没有考虑振捣能量传播的衰减效应等。

技术实现要素：

为克服上述现有技术缺点，本发明的目的是针对常态混凝土重力坝施工过程中振捣台车施工的振捣质量问题，提供一种实时、准确、自动化的监控常态混凝土振捣质量的监控系统及方法。利用本发明监控系统及监控方法，在施工过程中，当一次完整的振捣作业结束后，系统能够将仓面振捣合格、过振、欠振、漏振的区域以不同颜色的图形显示在监控终端，若过振、欠振或漏振的区域比例超过规定的标准，系统将实时报警并发送报警信息，方便现场施工人员和监理人员根据情况及时调整施工方案，保证混凝土振捣质量。此外，利用本发明可实时生成振捣质量监控图形报告，将仓面振捣控制效果做出直观形象的展示，并作为仓面施工质量评定及验收的辅助材料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种常态混凝土振捣质量可视化实时监控系统，包括安装在振捣台车上的GPS定位设备、倾角传感器、电子罗盘、振动开关状态传感器、超声波测距传感器、红外线测距传感器、单片机、无线网络传输设备、报警设备、应用服务器、数据库服务器和监控客户端，振捣台车由驾驶室、大臂、小臂和振捣机架组成；振捣机架上设有振捣棒，GPS定位设备定位大臂和回转平台连接处的坐标；倾角传感器测量大臂、小臂和振捣机架的倾角；电子罗盘测量振捣机大臂和正北方的水平夹角(即航向角)；振动开关状态传感器监测振捣台车的振捣棒启闭状态；超声波测距传感器用于白天测量振捣机架底部距离混凝土表面的距离；红外线测距传感器用于夜晚测量振捣机架底部距离混凝土表面的距离；单片机根据设置好的时间定时开启和关闭超声波测距传感器和红外线测距传感器；无线网络传输设备将接收到的施工机械实时动态数据发送至应用服务器；报警设备通过声光报警提示施工人员施工不达标，须及时调整改进；应用服务器上的振捣质量实时监控系统服务端对接收到的实时数据进行分析处理，计算出振捣棒插入点坐标、插入深度和有效振捣时间，然后将所有处理好的数据展示在振捣质量实时监控客户端，并在数据库服务器进行存储，并对不满足施工规范的振捣孔发出报警信息；振捣质量实时监控客户端实时接收服务端发送的数据，并在客户端监控界面实时刷新，以图形的形式展现仓面振捣作业区域混凝土的振捣情况；数据库服务器利用安装的SQL server数据库，接收服务端的数据，并存储，作为历时数据，以备后期查询使用。

具体的，常态混凝土振捣质量可视化实时监控系统的监控方法，包括以下步骤：

(1)建仓时，系统根据仓面设计获取浇筑厚度和振捣区域边界参数，得到浇筑的块体，对块体进行处理后绘制振捣区域平面图和立面浇注图，并将平面图和立面图相互关联对应；

(2)振捣台车驾驶室内的无线传输设备将传感器测得的实时数据打包，通过GPRS或无线局域通讯网络发送至应用服务器，应用服务器中的服务端对接收到的实时数据进行分析计算；

(3)每次完整的振捣作业(有效振捣时段内振捣棒完成的施工作业)期间，应用服务器对振捣棒插入孔间距、插入深度、振捣时间进行实时监测分析，对没达到标准的情况进行实时报警，通知施工人员和现场监管人员采取措施；

(4)施工期间系统获取施工实时数据，并将振捣棒振捣影响区域内振捣时间统计结果与预存的标准参数进行比较，分析计算出振捣质量监控成果，并在监控终端实时更新振捣图形，图形中不同振捣质量的区域按颜色区分，分级显示；

(5)系统根据用户选择判断是否生成振捣质量监控图形报告，计算并统计出振捣区域的振捣合格率。

步骤(1)所述浇筑块体的处理方式为：先沿厚度方向从底面起向上将块体等分成若干份，自底面从数字0开始将所有的截面按序编号至混凝土表面(包含表面)，将所有编号的平面用单元边长为a(a的取值根据实际需要而定)的方格矩阵进行离散化处理，则生成了不同厚度平面的监控平面图。当处于最上层表面平面图的视图下，在监控客户端中双击任一条网格线，即可显示出由该条网格线把块体竖直剖开的立面浇注图。

步骤(2)所述服务端对接收到的实时数据进行分析计算的过程包括：根据接收到的GPS定位坐标，结合预先输入的振捣台车机械参数，利用数学公式推求每个振捣棒上所有点坐标；比较测距传感器测量的距离数据和预先输入的振捣棒棒长参数，判定振捣棒的插入状态，并将二者做差得出插入深度值；结合插入状态判定结果和振捣棒启闭状态监控数据，获取有效振捣时间；对振捣棒插入混凝土的部分，在其周围生成振捣影响区域；在振捣影响区域内将振捣作用效果按照规定的衰减规律进行衰减处理；计算振捣区域内各点的实时总振捣时间。

所述实时数据包括GPS定位坐标、倾角传感器倾角数据、航向角、振捣开关状态数据、距离数据。

所述插入状态判定方法为：比较测距传感器测得的距离l₁和振捣棒棒长l₀的大小关系，若l₀≤l₁,则判定振捣棒未插入混凝土；若l₀＞l₁，则判定振捣棒插入了混凝土。

所述振捣有效时间获取方法为：当判定振捣棒插入混凝土中，同时振捣棒为振动开启状态，则开始计时，记录起始时刻为t₁；经过一段时间，若监测到l₁增大至l₀≤l₁首次出现或振捣棒停止振动这两种情况出现任何一个，则停止计时，记录结束时刻为t₂，则振捣棒的有效振捣时间为t₂-t₁。

所述振捣棒插入混凝土的部分生成振捣影响区域方法为：按照预先设定的振捣作用影响半径r，每个振捣棒沿着插入部分的轴线从混凝土表面插入点至棒头生成半径为r的圆，则每个振捣棒的影响区域就是一个斜体(倾角为0°时为圆柱体)。

所述振捣作用效果进行衰减处理指将影响区域内每点的振捣时间，按照该振捣棒的有效振捣时间乘以相应的衰减系数K，K值与点到所在平面圆心的距离有关。

所述各点实时总振捣时间计算方法为：确定某点所处的影响区域的数量，将该点在每个影响区域内经衰减处理后的实时有效振捣时间进行叠加，即可计算出该点的实时振捣总时间。

步骤(3)所述的实时报警机制为：在驾驶室安装红绿黄三色声光报警灯，当插入深度小于标准规定范围时报警灯黄灯常亮并发出报警声，在规定值范围内时绿灯常亮，超过规定范围时红灯常亮并发出报警声，提醒施工人员规范施工，同时报警情况也会在监控客户端中以对应的三种颜色在相应的功能区实时显示；当系统监测到一次完整的振捣作业完成后，若该次振捣时长没有达到规定的标准(即欠振)，则系统发送报警信息给现场管理人员，并通过安装在驾驶室中的语音报警器语音提示施工人员；当系统监测到新插入孔的位置距离相邻插入孔的间距大于孔间距的控制标准时，则系统发送报警信息给现场管理人员，并通过安装在驾驶室中的语音报警器语音提示施工人员缩小插入孔间距。

步骤(4)所述获取的施工实时数据包括每个振捣棒插入点的坐标、每个振捣棒上所有点的坐标、插入深度、有效振捣时间、振捣影响区域。

步骤(4)所述振捣图形的特征在于：在平面图中，以圆点表示振捣棒插入点的位置，正在施工的以闪烁的灰点表示，施工完毕的以黑点表示；将振捣棒的振捣影响区域(斜体或圆柱体)离散成很多微小的立方体单元，把每个单元叠加的实时振捣总时间转化成累积的像素显示在图形中；平面图和立面浇注图中的图形绘制是同步且位置对应的；未振捣的区域显示为白色，振捣时间超过规定标准(即过振)的区域显示为红色，振捣时间低于规定标准(即欠振)的区域显示为绿色，振捣时间在规定标准范围内(即合格)的显示为蓝色。

步骤(5)中统计振捣合格率的方法为系统分析计算合格区域总体积占整个浇筑块体体积的百分比即为本仓的振捣合格率，同时也将欠振、过振、未振捣区域的百分比计算出来以便进行成果统计。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.提出了常态混凝土振捣质量可视化实时监控方法，并建立了相应的实时监控系统，该系统在用户操作下，通过客户端与服务端和数据库进行交互，从而实现实时的、可视化、全天候、不间断的常态混凝土施工振捣质量实时监控，为实际工程施工质量控制提供了有效方法；

2.该系统具有实时报警机制，当检测到插入深度或振捣时间不满足规定指标的情况，系统分别通过报警灯和语音报警器进行报警，并以短信形式发送至相关人员，能够让监理人员、施工人员及早发现问题并进行决策；

3.系统能够实时生成振捣孔振捣信息图形报告，用户可以查阅振捣监控平面图和立面图，从而为判断混凝土振捣质量提供直观的依据；

4.提出了一种新的振捣棒定位和测距的方法，设备安装方便，工作稳定性更好，抗干扰能力更强；

5.以衰减系数K表示振动棒振动时能量波传播的衰减效应，更能反映混凝土振捣的实际情况；

6.施工完成后系统能够对振捣合格率进行统计计算，直观地评价振捣施工的质量；

7.应用SQL server数据库对实时监控数据进行存储，可供相关人员对历史仓面施工情况进行查询，并可作为大坝工程施工质量的验收材料。

附图说明

图1为本发明监控系统定位设备结构示意图。

图2为本发明监控系统测距设备结构示意图。

图3为本发明监控系统施工数据采集、传输、分析示意图。

图4为本发明监控系统服务端数据分析处理工作示意图。

图5为本发明监控系统图形监控成果示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，详细描述本发明的技术和方法。以下实施例和附图用于说明本发明技术构成，但不是用来限定本发明的范围。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

本例中，图1、图2所示为本发明监控系统的定位和测距设备安装结构示意图。

定位设备具体的安装方法为：选定基准点并建立GNSS定位差分基准站，将GPS圆盘天线安装在振捣台车大臂与回转平台的连接处O点，通过无线电台将差分数据传送到振捣台车流动站，进行动态差分，得到固定在GPS天线顶端圆盘的实时空间坐标；在大臂、小臂和振捣机架上安装倾角传感器，实时获取三者的倾角参数；在驾驶室内的驾驶台上安装电子罗盘，实时获取振捣台车机械臂与正北方向的夹角(航向角)。

测距设备具体的安装方法为：在振捣机架的左侧安装红外线测距传感器，右侧安装超声波测距传感器，再将两个传感器与设置在驾驶室内的单片机连接，预先在单片机中设置程序，实现在内置时钟的9：00开启超声波测距传感器，关闭红外线测距传感器，在19：00开启红外线测距传感器，关闭超声波测距传感器的切换功能。

所有定位和测距设备的数据传输线最终都与无线传输设备相连，由无线传输设备将数据打包发送至应用服务器。

声光报警灯和语音报警器安装在驾驶室内。

图3所示为系统数据采集、传输、分析示意图。如图所示，振捣台车上的设备作为数据采集终端，实时采集GPS坐标、倾角、航向角、距离、振捣开关状态、时间等数据，通过GPRS或无线局域通讯网络传输至总控中心的应用服务器，并在数据库服务器中备份。应用服务器中的服务端对数据进行分析处理，然后由监控客户端取用，通过监控图形的方式实时将监控成果展示。现场分控站也可通过局域网在监控客户端对现场施工进行实时监控。

图4所示为系统服务端数据分析处理工作示意图。当数据传输至应用服务器后，应用服务器通过数据传输端口把数据传输至数据库服务器中，同时应用服务器中的服务端对数据进行分析计算，将报警信息通过短信猫发送至相关人员的短信接收端。用户可以通过监控客户端经局域网或网页web端经互联网对应用服务器进行交互式访问。

本例中，常态混凝土施工振捣质量可视化实时监控系统的具体工作步骤如下：

步骤1：建仓时，系统根据仓面设计获取浇筑厚度和振捣区域边界参数，得到浇筑的块体，对块体进行处理后绘制振捣区域平面图和立面浇注图，并将平面图和立面图相互关联对应。

本步骤可具体为：首先用户在客户端输入仓面设计参数，系统获取所需绘制的混凝土浇筑块体的轮廓线，再获取浇筑厚度，在浇筑块体中沿厚度方向进行厚度填充，即可得到混凝土浇筑块体，然后系统用若干平面对厚度进行等分，并对各平面进行相同的网格离散化处理，得到平面图，接着当处于最上层表面平面图的视图下，在监控客户端中双击任一条网格线，系统即可通过计算显示出由该条网格线把块体竖直剖开的立面浇注图。

步骤2：振捣台车驾驶室内的无线传输设备将传感器测得的实时数据打包，通过GPRS或无线局域通讯网络发送至应用服务器，应用服务器中的服务端对接收到的实时数据进行分析计算。

本步骤中，将所有传感器的数据线都集成连接在无线传输设备上，通过预先搭建好的GPRS或无线局域通讯网络，实现数据的无线传输。应用服务器中的服务端按照接收数据的时间先后顺序将数据进行对应的分组排序，然后再进行分析计算。

步骤3：每次完整的振捣作业期间，系统对振捣棒插入孔间距、插入深度、振捣时间进行实时监测，对没达到标准的情况进行实时报警，通知施工人员和现场监管人员采取措施。

本步骤中，在驾驶室安装红绿黄三色声光报警灯，服务端对接收到的数据进行分析并发送报警指令，当监测到振捣棒未插入混凝土时，报警灯不亮且不发声；当监测到振捣棒插入混凝土且插入深度小于标准规定范围时，报警灯黄灯常亮并发出报警声；插入深度在规定值范围内时绿灯常亮；插入深度超过规定范围时红灯常亮并发出报警声，提醒施工人员规范施工。同时，报警情况也会在监控客户端中以对应的三种颜色指示物在相应的功能区实时显示，方便现场管理人员对现场施工进行监督。当系统检测到一次完整的振捣作业(有效振捣时段内振捣棒完成的施工作业)完成后，若该次振捣时长没有达到规定的标准(即欠振)，则系统发送报警信息给现场管理人员，并通过安装在驾驶室中的语音报警器语音提示施工人员。当系统监测到新插入孔的位置距离相邻插入孔的间距大于孔间距的控制标准时，则系统发送报警信息给现场管理人员，并通过安装在驾驶室中的语音报警器语音提示施工人员缩小插入孔间距。

步骤4：施工期间系统获取施工实时数据，并将振捣棒振捣影响区域内振捣时间统计结果与预存的标准参数进行比较，分析计算出振捣质量监控成果，并在监控终端实时更新振捣图形，图形中不同振捣质量的区域按颜色区分，分级显示。

如图5所示，本步骤中的实时数据包含每个振捣棒插入点的坐标、插入深度、有效振捣时间、振捣影响区域，客户端软件根据获取的数据首先标出振捣棒插入点的位置，再结合倾角和插入深度确定振捣棒的振捣影响区域，随后再将振捣影响区域(斜体或圆柱体)离散成很多微小的立方体单元，把每个单元叠加的实时振捣总时间转化成累积的像素，实时绘制振捣监控图形，用户可根据需要在客户端中选择要查看的浇筑块体某个平面的平面图或某个剖面的立面浇筑图。系统绘制的振捣监控图形按照振捣时间的不同划分成不同的区域，并以四种不同的颜色表示，其中未振捣的区域显示为白色，即过振的区域显示为红色，欠振的区域显示为绿色，振捣合格的显示为蓝色。正在施工的插入点以闪烁的灰色圆点表示，已经施工结束的以黑色圆点表示。

步骤5：系统根据用户选择判断是否生成振捣质量监控图形报告，计算并统计出振捣区域的振捣合格率。

本步骤中用户可按照需要生成振捣成果图形报告，系统将首先统计计算所有振捣影响区域(斜体或柱体)的体积，然后扣除重复计算的相交部分的体积，得到振捣作用区域的总体积V_振。根据仓面设计参数可获取浇筑块体的体积V₀，因此二者作差即可得到未振捣区域的体积V_未＝V₀‐V_振。然后系统在振捣作用区域V_振中分别统计计算出欠振、过振、合格的体积，分别表示为V_欠、V_过、V_合。最后，系统分别计算统计出未振捣、欠振、过振、振捣合格区域占总浇筑块体的百分比，得到振捣合格率。在仓面振捣施工结束时，振捣质量监控图形报告和振捣合格率可作为仓面质量评定的验收材料。

对于不同的用户，管理员赋予其不同的权限，通过账号和密码进行登录，系统识别后，会自动对应该用户的操作权限，用户可以在值班室电脑中安装客户端，对现场施工过程进行远程操作与监控，进行振捣仓面设计、振捣区域边界修改、非振捣区域排除、施工机械排遣、报警意见处理、生成图形报告和关闭振捣仓面等操作。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。