一种集成式大尺度空间结构施工指导系统及方法与流程

1.本发明涉及一种建筑结构施工监测技术，尤其是一种集成式大尺度空间结构施工指导系统及施工指导方法。


背景技术：

2.北斗三号于2020年6月完成全球组网，可为全球用户提供卫星导航、定位、测速、授时、短报文通信、星际增强、国际搜救以及精密单点定位等服务，具有覆盖范围大、定位精度高、解算速度快等优点，在大尺度空间结构施工指导方面使用具有较大优势。
3.大尺度空间结构的施工过程复杂，使得施工指导技术难度较高，其中构件的安装定位测量、变形监测和应力监测对保证结构精准且高效的安装起到了决定性作用。现有的施工指导技术基于全站仪、经纬仪建立坐标系，需人工标记监测点，监测步骤复杂且误差大，不能实时获取监测构件的应力及变形等信息，无法保证大尺度空间结构的精确安装。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种能够满足高精度自动化构件安装需求的集成式大尺度空间结构施工指导系统。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种集成式大尺度空间结构施工指导系统，包括空间定位子系统、变形监测子系统，还包括应力监测子系统、通讯子系统和大尺度空间结构施工指导程序；空间定位子系统用于实时提供监测的基准点和测控点在指定坐标系中的三维定位结果；变形监测子系统用于通过对比基准点位置完成大尺度空间结构在三维坐标系中挠度变化监测；应力监测子系统用于根据施工bim模型中基准点和测控点测出监测点的应变数据，进而求出应力数值；通讯子系统用于传输空间定位子系统、变形监测子系统及应力监测子系统的数据信号给大尺度空间结构施工指导程序；大尺度空间结构施工指导程序用于集成构件的空间位置、变形和应变数据，实时获得施工中的构件信息、卫星可见数、解算可信度、pdop值，提示构件与待安装位置的距离差和方向信息，并实时进行界面的三维显示，实现施工指导、监控和预警功能。
6.优选的，变形监测子系统包括bds/gnss参考站、bds/gnss流动站和带有北斗导航的全站仪，bds/gnss参考站作为基准点设置在施工现场附近，bds/gnss流动站作为测控点设置在结构控制点上，带有北斗导航的全站仪用于空间三维定位校核。
7.优选的，变形监测子系统的形变监测精度为毫米级。
8.优选的，应力监测子系统包括光纤应变计和zigbee无线传输模块，光纤应变计布置在结构控制点上，与zigbee无线传输模块相连，用于测出监测点的应变数据，进而求出应
力数值；zigbee无线传输模块通过通讯子系统与大尺度空间结构施工指导程序相连。
9.优选的，空间定位子系统包括bds/gnss参考站、bds/gnss流动站和带有北斗导航的全站仪；bds/gnss参考站作为基准点设置在施工现场附近；bds/gnss流动站作为测控点设置在结构控制点上；带有北斗导航的全站仪用于空间三维定位校核；其用于实时提供bds/gnss参考站和bds/gnss流动站监测的基准点和测控点在指定坐标系中的三维定位结果。
10.优选的，空间定位子系统采用实时动态载波相位差分技术。
11.优选的，通讯子系统包括网络通讯天线和北斗通讯基站，网络通讯天线位于bds/gnss参考站、bds/gnss流动站、北斗通讯基站和大尺度空间结构施工指导程序中，用于传输数据信号给大尺度空间结构施工指导程序；北斗通讯基站设置在施工现场附近，用于接收bds/gnss参考站、bds/gnss流动站发出的数据信号，并将数据信号发送给大尺度空间结构施工指导程序。
12.优选的，大尺度空间结构施工指导程序包括gnss实时数据处理程序、数据传输程序、数据实时可视化监测程序和用户终端软件；gnss实时数据处理程序用于数据解算、分析和报警，且与数据传输程序和预警程序相连；数据传输程序用于gnss实时数据处理程序和数据实时可视化监测程序、用户终端软件之间的数据传输；数据实时可视化监测程序用于显示施工bim模型并指导大尺度空间结构施工和变形监测；用户终端软件用于播发用户站概略位置，接收虚拟参考站非差观测值。
13.优选的，数据实时可视化监测程序的功能模块包括构件安装功能模块、变形监测功能模块和应力监测功能模块；构件安装功能模块用于输入ip地址和端口以接入实时数据流，输入接入流动站的数量和构件待放点，开始构件的实时动态显示，实时显示构件的运动状况和每个构件待放点对应方向上的偏差量；变形监测功能模块用于设置构件变形阈值，输入变形监测点数，接入tcp\ip实时数据流，实时显示位移
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时间折线图和变形监测点实时、最大以及最小变形量，当构件变形量大于设置阈值时，变形预警提示超限信息并弹出消息提示窗口；应力监测功能模块用于设置应力监测点的应力阈值，输入应力监测点数，接入tcp\ip实时数据流，实时显示应力
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时间折线图和应力监测点实时、最大以及最小应力值，当应力值大于设置阈值时，应力预警提示超限信息并弹出消息提示窗口。
14.本发明的另一个目的是提供一种集成式大尺度空间结构施工指导系统的施工指导方法，包括以下步骤：（1）基于北斗系统编写大尺度空间结构施工指导程序，大尺度空间结构施工指导程序主要对大尺度空间结构施工过程中定位、变形和应力参数实时显示，以指导施工构件移动方向和距离并可视化显示，构件与待安装位置的距离、构件的变形量等超过设计上限时预警提示并弹出消息提示窗口；（2）在施工现场附近建立北斗通讯基站，选择基准点并设置bds/gnss参考站和bds/gnss流动站，建立施工bim模型的局部三维坐标系，通过网络通讯天线将数据传输给北斗通讯基站，北斗通讯基站将数据传输给大尺度空间结构施工指导程序，通过数据解算、分析和处理，向数据实时可视化监测程序中导入测控点空间坐标；根据坐标值进行测控点的空间定位，同时使用带北斗导航的全站仪进行定位校核，构件的运动状况和每个构件待放点对应方向上的偏差量信息通过数据实时可视化监测程序显示，同时各数据信息实时传输
并显示在大尺度空间结构施工指导程序中；（3）设置变形监测点及其变形阈值，bds/gnss参考站和bds/gnss流动站通过卫星信号接收机获得定位信号，通过网络通讯天线将监测数据传输给北斗通讯基站，北斗通讯基站将数据传输给大尺度空间结构施工指导程序，通过数据解算、分析、处理和基准点空间位置的分析对比，得出施工bim模型中大尺度空间结构的位移变化数值，变形监测点的位移
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时间折线图和实时、最大以及最小变形量通过数据实时可视化监测程序显示，同时各数据信息实时传输并显示在大尺度空间结构施工指导程序中；（4）根据施工bim模型中基准点和测控点设置应力监测点及其应力阈值，布置光纤应变计并得出应力监测点的应力数据，光纤应变计通过zigbee无线传输模块将数据传输给大尺度空间结构施工指导程序，应力监测点的应力
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时间折线图和实时、最大以及最小应力值应力通过数据实时可视化监测程序显示，同时各数据信息实时传输并显示在大尺度空间结构施工指导程序中。
15.大尺度空间结构施工指导程序通过用户终端软件集成在综合服务应用app中。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、本发明可以通过综合服务应用app实时获得并集成显示施工构件位置信息、变形信息、应力参数、卫星可见数、解算可信度、pdop值和构件与待安装位置的距离差和方向信息，可视化程度高；2、本发明可对大尺度空间结构施工过程中构件的移动方向距离进行指引和监测，操作简单、使用方便，起到施工指导、监控和预警的作用；3、本发明满足了高精度自动化构件的安装需求，提高了大尺度空间结构的施工效率。
附图说明
17.图1是本发明实施例框架图；图2是本发明实施例整体结构示意图。
具体实施方式
18.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
19.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合，本说明书中使用术语“传输”时，可以是有线传输，也可以是无线传输。
20.在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“相连”、“附近”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
21.在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技
术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。
22.本发明涉及一种集成式大尺度空间结构施工指导系统，如图1所示，包括空间定位子系统、变形监测子系统、应力监测子系统、通讯子系统和大尺度空间结构施工指导程序；通讯子系统用于传输空间定位子系统、变形监测子系统及应力监测子系统的数据信号给大尺度空间结构施工指导程序；大尺度空间结构施工指导程序包括：gnss实时数据处理程序、数据传输程序、数据实时可视化监测程序和用户终端软件。
23.如图1
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2所示，空间定位子系统和变形监测子系统，均包括：bds/gnss参考站、bds/gnss流动站和带有北斗导航的全站仪；bds/gnss参考站作为基准点设置在施工现场附近；bds/gnss流动站作为测控点设置在结构控制点上；带有北斗导航的全站仪用于空间三维定位校核；应力监测子系统，包括：光纤应变计和zigbee无线传输模块；光纤应变计布置在结构控制点上，与zigbee无线传输模块相连；zigbee无线传输模块通过通讯子系统与大尺度空间结构施工指导程序相连；通讯子系统，包括：网络通讯天线和北斗通讯基站；网络通讯天线，位于bds/gnss参考站、bds/gnss流动站、北斗通讯基站和大尺度空间结构施工指导程序中，用于传输bds/gnss参考站、bds/gnss流动站和zigbee无线传输模块的数据信号给大尺度空间结构施工指导程序；北斗通讯基站设置在施工现场附近，用于接收bds/gnss参考站、bds/gnss流动站发出的数据信号，并将数据信号发送给大尺度空间结构施工指导程序；大尺度空间结构施工指导程序可以集成构件的空间位置、变形和应变数据，实时获得施工中的构件信息、卫星可见数、解算可信度、pdop值，提示构件与待安装位置的距离差和方向信息，并实时进行界面的三维显示，实现施工指导、监控和预警功能，预警方式为短信报警和软件弹出框报警。
24.在本实施例中，gnss实时数据处理程序包括交换机、控制节点、网络节点和计算节点，用于数据解算、分析和报警，gnss实时数据处理程序与数据传输程序和预警程序相连；数据传输程序用于gnss实时数据处理程序和数据实时可视化监测程序、用户终端软件之间的数据传输；数据实时可视化监测程序用于显示施工bim模型并指导大尺度空间结构施工和变形监测；用户终端软件用于播发用户站概略位置，接收虚拟参考站非差观测值实现用户端的实时厘米级定位服务。
25.gnss实时数据处理程序能够实现监测站bds2系统、bds3系统和gps系统等多系统、多频数据的融合处理，支持rinex格式数据导入和tcp/ip协议连接，可实时数据解码和实时高精度数据处理；gnss实时数据处理程序的数据解算采用非差估计，算法兼容性好，支持短、中、长基线相对定位，短基线定位精度优于1cm，定位解算系统响应时间小于200ms；可将接收到的实时数据流进行解码并进行位置的解算，而后将解算结果用于实时位置显示与监控，以指导构件施工与变形监测。
26.数据实时可视化监测程序的功能模块包括构件安装功能模块、变形监测功能模块和应力监测功能模块；构件安装功能模块使用方法为输入ip地址和端口以接入实时数据
流，输入接入流动站的数量和构件待放点，开始构件的实时动态显示，实时显示构件的运动状况和每个构件待放点对应方向上的偏差量；变形监测功能模块使用方法为设置构件变形阈值，输入变形监测点数，接入tcp\ip实时数据流，实时显示位移
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时间折线图和变形监测点实时、最大以及最小变形量，当构件变形量大于设置阈值时，变形预警提示超限信息并弹出消息提示窗口；应力监测功能模块使用方法为设置应力监测点的应力阈值，输入应力监测点数，接入tcp\ip实时数据流，实时显示应力
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时间折线图和应力监测点实时、最大以及最小应力值，当应力值大于设置阈值时，应力预警提示超限信息并弹出消息提示窗口。
27.在本实施例中，bds/gnss参考站包括：卫星信号接收机、2d扼流圈天线、ups后备电源装置、天馈浪涌保护器、单相电源防雷器、机柜、避雷针、观测杆；bds/gnss流动站包括：测量型卫星信号接收机、工业级数据采集器、高精度测量软件、锂电池、锂电池充电器、手薄托架、电台接收天线、天线连接头、对中杆、测量基准件、数据线、网络通讯天线。
28.在本实施例中，空间定位子系统采用实时动态载波相位差分(rtk)技术，实时提供bds/gnss参考站和bds/gnss流动站监测的基准点和测控点在指定坐标系中的三维定位结果，定位精度范围为1
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3cm。变形监测子系统的形变监测精度为毫米级，变形监测子系统通过对比基准点位置完成大尺度空间结构在三维坐标系中挠度变化监测。应力监测子系统根据施工bim模型中基准点和测控点布置光纤应变计，光纤应变计可测出监测点的应变数据进而求出应力数值。大尺度空间结构施工指导程序可以集成构件的空间位置、变形和应变数据，实时获得施工中的构件信息、卫星可见数、解算可信度、pdop值，提示构件与待安装位置的距离差和方向信息，并实时进行界面的三维显示，实现施工指导、监控和预警功能，预警方式为短信报警和软件弹出框报警。
29.大尺度空间结构施工指导程序通过用户终端软件集成在综合服务应用app中。用户终端软件为基于android、windows或os操作系统的手持机、平板电脑等移动定位终端开发的格网化北斗差分导航定位、北斗非差网络rtk、ljcors、位置服务平台等综合服务应用app，用于实现多设备实时显示构件安装状态及构件位置、变形和应力信息。
30.一种集成式大尺度空间结构施工指导系统的施工指导方法，包括以下步骤：（1）基于北斗系统编写大尺度空间结构施工指导程序，大尺度空间结构施工指导程序主要对大尺度空间结构施工过程中定位、变形和应力参数实时显示，以指导施工构件移动方向和距离并可视化显示，构件与待安装位置的距离、构件的变形量等超过设计上限时预警提示并弹出消息提示窗口；（2）在施工现场附近建立一个北斗通讯基站，选择基准点并设置bds/gnss参考站和bds/gnss流动站，建立施工bim模型的局部三维坐标系，通过网络通讯天线将数据传输给北斗通讯基站，北斗通讯基站将数据传输给大尺度空间结构施工指导程序，通过数据解算、分析和处理，向数据实时可视化监测程序中导入测控点空间坐标；根据坐标值进行测控点的空间定位，同时使用带北斗导航的全站仪进行定位校核，构件的运动状况和每个构件待放点对应方向上的偏差量信息通过数据实时可视化监测程序显示，同时各数据信息实时传输并显示在综合服务应用app中；（3）设置变形监测点其变形阈值，bds/gnss参考站和bds/gnss流动站通过卫星信号接收机获得定位信号，通过网络通讯天线将监测数据传输给北斗通讯基站，北斗通讯基
站将数据传输给大尺度空间结构施工指导程序，通过数据解算、分析、处理和基准点空间位置的分析对比，得出施工bim模型中大尺度空间结构的位移变化数值，变形监测点的位移
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时间折线图和实时、最大以及最小变形量通过数据实时可视化监测程序显示，同时各数据信息实时传输并显示在综合服务应用app中；（4）根据施工bim模型中基准点和测控点设置应力监测点及其应力阈值，布置光纤应变计并得出应力监测点的应力数据；光纤应变计通过zigbee无线传输模块将数据传输给大尺度空间结构施工指导程序，应力监测点的应力
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时间折线图和实时、最大以及最小应力值应力通过数据实时可视化监测程序显示，同时各数据信息实时传输并显示在综合服务应用app中。
31.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有多种替换和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。