一种耦合地下管网BIM模型的路面挖掘作业智能引导及安全预警方法与流程

一种耦合地下管网bim模型的路面挖掘作业智能引导及安全预警方法
技术领域
1.本发明属于市政道路工程领域，涉及道路工程挖掘作业技术，尤其是一种耦合地下管网bim模型的路面挖掘作业智能引导及安全预警方法。


背景技术：

2.随着城市工业化与信息化的发展，很多基础工程设施需要重建或改造，其中涉及到大量的在地下管网密布情况下的路面挖掘作业。城市路面的挖掘作业可能造成城市地下埋管、电缆等破坏，导致生命财产损失；此外，挖掘作业易受人为因素影响，事中质量控制主要依赖操作手的操作水平和现场旁站监理，施工安全与质量难以得到保障。
3.目前已有挖掘机智能引导技术，实现了挖掘机施工姿态的实时感知及监控，可引导操作人员进行精准挖掘作业施工，提高了施工质量与效率。但是，缺乏有效的手段将地下管网位置信息传达给操作手，操作手对于地下管网的存在位置不可视，难以把控挖掘机铲尖与地下管网的相对距离，从而容易引发碰撞事故。所以，有必要通过预先确定的地下管网位置，在挖掘作业过程中实时感知地下管网位置信息，实时判断挖掘机铲尖与地下管网的相对距离，提高路面挖掘作业的安全性，减少安全事故的发生。


技术实现要素：

4.本发明为了解决当前挖掘机开挖作业人为因素影响大、质量难以把控、威胁地下管网安全的问题，提出一种耦合地下管网bim模型的路面挖掘作业智能引导及安全预警方法，依托于先进的定位技术和姿态感知技术，并耦合地下管网bim模型，实现路面挖掘作业的智能引导及实时安全预警，对提高开挖作业的精度、效率与安全性有着十分重要的意义。
5.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
6.一种耦合地下管网bim模型的路面挖掘作业智能引导及安全预警方法，包括如下方法步骤：(1)用户登录监控客户端；(2)建立并上传场区地下管网与挖掘机bim模型；(3)创建挖掘任务，输入挖掘机id，并按铲尖与管道的距离，设定多级安全预警区；(4)在监控客户端发布挖掘机派遣指令；(5)数据库及应用服务器接收存储挖掘任务信息、bim模型信息及挖掘机派遣指令；(6)车载终端开机接收挖掘任务信息并下载更新bim模型；(7)gnss天线采集挖掘机定位信息；(8)在挖掘机上安装倾角传感器，利用该倾角传感器采集挖掘机机械构件倾角信息，具体方法如下：
7.在挖掘机上安装4个倾角传感器用来采集挖掘机机械构件的倾角信息，其中3个为单轴倾角传感器，分别安装在动臂、斗杆及铲斗上，用于采集动臂、斗杆及铲斗的纵向倾斜角度，另1个倾角传感器为双轴倾角传感器，安装在挖掘机主机底盘的动臂下方，用于确定挖掘机车体的纵向及横向倾斜角度，采集的挖掘机机械构件倾角信息实时传输至车载终端，用于后续计算处理；
8.(9)挖掘机铲尖坐标实时求解，具体方法如下：
9.车载终端实时接收gnss天线采集的挖掘机定位数据及传感器采集的挖掘机机械构件倾角数据，结合挖掘机自身型号与机械尺寸，其分析计算模块实时求解挖掘机铲尖的三维空间坐标，需要测量的机械参数为：主天线定位坐标g1(x1、y1、z1)、辅天线定位坐标g2、动臂支点在车辆坐标系中的位置(xd、yd、zd)、动臂长度l1、斗杆长度l2、铲斗长度l3、铲斗宽度l4、车体横向倾斜角ζ、车体纵向倾斜角φ、动臂纵向倾斜角θ1、斗杆纵向倾斜角θ2及铲斗纵向倾斜角θ3，挖掘机铲尖坐标由挖掘机的定位坐标g1、g2、挖掘机机械构件尺寸与挖掘机工作姿态控制参数(ζ、φ、θ1、θ2、θ3)计算得出，
10.在车辆坐标系下挖掘机铲刀底缘中点坐标为：
11.x
中
＝xd12.y
中
＝yd l1sinθ1 l2sin(θ1 θ2) l3sin(θ1 θ2 θ3)
13.z
中
＝zd l1cosθ1 l2cos(θ1 θ2) l3cos(θ1 θ2 θ3)
14.在车辆坐标系下挖掘机左铲尖坐标为：
[0015][0016]y左
＝yd l1sinθ1 l2sin(θ1 θ2) l3sin(θ1 θ2 θ3)
[0017]z左
＝zd l1cosθ1 l2cos(θ1 θ2) l3cos(θ1 θ2 θ3)
[0018]
在工区坐标系下挖掘机左铲尖坐标为：
[0019][0020][0021]
k是应用欧拉公式获得的旋转矩阵，其中φ是车体的纵向倾斜角，ζ是车体的横向倾斜角，由双轴倾角传感器获得，是车身与正北方向的夹角，由g1与g2计算获得，
[0022]
同理，也可以计算出工区坐标系下挖掘机右铲尖的坐标；
[0023]
(10)实时解算挖掘机铲尖与地下管网bim模型最小空间距离s，具体方法如下：
[0024]
车载终端的安全预警模块根据挖掘机的gnss定位的工区坐标，确定挖掘机当前工作位置所属的管道分段，调用距挖掘机当前工作位置最近三个分段的地下管网bim模型，计算管道距离，该段管道中轴线起止坐标a(x1、y1、z1)与b(x2、y2、z2)两点确定的空间直线方程为：
[0025][0026]
其中向量(m,n,p)为直线ab的方向向量，
[0027]
通过挖掘机左铲尖坐标c(x
左
、y
左
、z
左
)与直线ab求垂足d的坐标，可联立ab直线方程和与ab直线垂直的平面方程m(x-x
左
) n(y-y
左
) p(z-z
左
)＝0进行求解，则d的坐标为(mk x1,nk y1,pk z1)，其中：
[0028][0029]
则左铲尖坐标c至直线ab的距离为：
[0030][0031]
若垂足d位于线段ab上，则挖掘机左铲尖c与该管道bim模型空间相对距离为：
[0032]
r＝cd-r
[0033]
若垂足d在线段ab的延长线上，则r取挖掘机左铲尖c到管道端点a、b外壁距离的最小值，r为管道的半径；
[0034]
挖掘机左铲尖c与地下管网所有管道的bim模型的最小空间距离为：
[0035]s左
＝min r
i i＝1,2,3
…m[0036]
其中，m为当前工作区域所包含管道的数量；
[0037]
同理，可求得挖掘机右铲尖与调用三个分区中所有管道的bim模型的最小空间距离s
右
，s
左
与s
右
的小值，即为挖掘机铲尖与地下管网bim模型最小空间距离s；
[0038]
(11)安全距离判定、多级安全预警及自动刹车，具体方法如下：
[0039]
车载终端的安全预警模块将实时计算出的挖掘机铲尖与地下管网bim模型空间相对距离s与设定的多级安全预警距离s
低
及s
高
进行比较，当s＞s
低
时，表明挖掘机铲尖位于安全区；当s
高
＜s＜s
低
时，则表明挖掘机铲尖进入了低风险预警区，同时语音提醒操作员小心施工；当s＜s
高
时，则表明挖掘机铲尖进入了高风险预警区，此时挖掘机铲斗会自动停车，避免操作员停车不及时而引发挖掘机铲尖与管道碰撞；
[0040]
(12)车载终端可视化显示；
[0041]
(13)数据库及应用服务器接收车载终端回传的数据，并分析存储；
[0042]
(14)监控客户端可视化展示、远程实时监控及查询统计。
[0043]
而且，步骤(1)中登录开发的监控客户端，并对用户权限进行验证，用户权限包括浏览、操作与管理，浏览用户可实现可视化远程实时监控、查询以及接受报警信息等功能；操作用户在拥有浏览用户权限的基础上可进行创建挖掘任务,包括输入挖掘机id、设定多级安全预警区，上传场区地下管网与挖掘机bim模型并下达挖掘机派遣指令等功能；管理用户除了具有上述两类用户的权限外，负责对其他用户的权限进行管理。
[0044]
而且，步骤(2)中建立并上传场区地下管网与挖掘机bim模型包括：通过管线规避仪或探地雷达获取场区地下管网的位置信息，并结合地下管网施工组织设计cad图纸，对地下管网位置数据进行修正，得到准确的地下管网位置信息。将场区按一定的管道长度划分为不同的分段，并对跨分段的管道及管道转弯处进行切割处理，将管道表达为由中轴线起始坐标与管径所决定的圆柱体；对管道进行编号，并与其所属的分段、管道中轴线起始坐标及管道半径进行绑定，从而建立地下管网bim模型；对现场施工挖掘机各机械构件的尺寸参数进行测量，建立挖掘机bim模型。
[0045]
而且，步骤(3)在监控客户端创建挖掘任务包括：设定任务的起止分段、起止时间并输入当前任务所对应的挖掘机id；同时，按铲尖与管道的距离，设定多级安全预警区，由远及近分别为安全区、低风险预警区和高风险预警区。
[0046]
而且，步骤(4)中操作用户在监控客户端发布挖掘机派遣指令，以短信的方式提醒
现场施工管理人员接收挖掘机派遣信息，并安排挖掘机操作员进行挖掘作业；同时，数据库及应用服务器只在挖掘机派遣时间段内接收车载端回传的数据，操作用户根据挖掘任务完成情况，可发布结束派遣指令，终止现场挖掘作业。
[0047]
而且，数据库及应用服务器接收监控客户端创建的挖掘任务信息、上传的挖掘机与场区地下管网bim模型及下达的挖掘机派遣指令，并将上述信息存储到数据库及应用服务器的数据库模块中；现场管理人员接收到挖掘机派遣指令后，安排挖掘机操作员进行挖掘作业，挖掘机操作员打开驾驶室内的车载终端，车载终端从数据库及应用服务器接收对应的挖掘任务信息，并自动检查挖掘机模型及地下管网模型有无变化，若发生变化，则车载终端自动下载并更新相应的bim模型，若无变化，则按照上次开挖使用的bim模型进行挖掘作业；在施工场地建立差分基准站，在挖掘机上安装gnss定位天线，利用gnss-rtk定位技术，实时采集挖掘机坐标信息，主定位天线用于确定挖掘机的三维空间坐标位置，辅定位天线通过与主定位天线相互配合，确定挖掘机的方向角度，采集的挖掘机定位信息实时传输至车载终端，用于后续计算处理。
[0048]
而且，步骤(12)的车载终端的智能引导模块对现场挖掘作业进行可视化展示，引导挖掘机操作员安全施工，主要包括bim模型的三维可视化展示与数据的实时显示，车载终端根据挖掘机的gnss定位信息，确定当前的工作位置，自动调取挖掘机一定范围内的地下管网bim模型；根据倾角传感器采集的挖掘机机械构件倾角数据，实现挖掘机bim模型各机械构件三维动态展示；可对铲尖部位局部放大显示，并将铲尖与距离最近的地下管道用红线实时相连，增强挖掘作业可视化的效果。
[0049]
而且，步骤(13)的数据库及应用服务器接收车载终端回传的数据主要包括：gnss定位数据、倾角传感器数据、铲尖坐标数据、铲尖坐标与地下管网相对距离数据及现场报警数据；数据库及应用服务器的分析计算模块利用gnss定位数据实时三维绘制挖掘机的工作位置轨迹；利用倾角传感器数据实时在监控客户端对挖掘机bim模型三维动态展示；利用铲尖坐标数据实时三维绘制挖掘机的铲尖轨迹，并生成挖掘作业热力云图，反映现场施工的情况；利用铲尖坐标与地下管网相对距离数据对现场挖掘作业相对距离实时监控；利用现场报警数据，可在监控客户端展示安全预警的情况，主要包括报警时间、报警时危险地下管道的编号及位置、报警时的铲尖坐标及报警图片信息。
[0050]
而且，步骤(14)展示的数据主要包括挖掘机工作位置数据、铲尖坐标数据及相对距离数据；可实时三维绘制挖掘机工作位置轨迹、挖掘机的铲尖轨迹及挖掘作业热力云图，从而实现对挖掘作业施工现场的远程实时监控；同时，监控客户端可从数据库及应用服务器的数据库模块中对现场挖掘作业结果查询统计，对轨迹与图形回放浏览并以视频或图表的形式输出，便于后续对挖掘作业施工全过程进行安全评估。
[0051]
本发明的优点和积极效果是：
[0052]
本发明旨在弥补现有挖掘机智能引导系统的不足，针对路面挖掘作业地下管网不可视、相对距离难以把控的问题，提出一种耦合地下管网bim模型的路面挖掘作业智能引导及安全预警方法。可实时快速解算挖掘机铲尖与地下管网bim模型的空间相对距离，实现路面挖掘作业的三维可视化和智能引导；可根据铲尖与地下管网的距离远近，设置不同等级的安全预警区，实现挖掘作业的多级安全预警；并在挖掘机铲尖进入高风险预警区时，实现挖掘机铲斗自动停车，避免操作员停车(或铲斗避让)不及时而引发安全事故；本发明耦合
地下管网bim模型，与现有的挖掘机智能引导技术相比较，不仅可实现路面挖掘作业可视化引导，而且具有独特的多级安全预警防碰撞功能。
附图说明
[0053]
图1为本发明的系统连接图；
[0054]
图2为本发明方法步骤流程图；
[0055]
图3是本发明单轴倾角传感器安装位置示意图；
[0056]
图4是本发明铲尖坐标求解算法示意图；
[0057]
图5是本发明铲尖与管道bim模型空间相对距离求解算法示意图。
具体实施方式
[0058]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0059]
本发明旨在弥补现有挖掘机智能引导系统的不足，针对路面挖掘作业的特点，利用挖掘机智能引导装置，耦合地下管网bim模型，提出了一种路面挖掘作业智能引导及安全预警方法，可同步实现车载端与客户端地下管网和挖掘机的bim模型三维可视化，直观引导操作员进行挖掘作业；可对路面挖掘作业进行多级安全预警，防止挖掘机铲斗与地下管网碰撞。
[0060]
为达到上述目的，实现本发明方法的系统见图1，具体由监控客户端、数据库及应用服务器与车载端三部分组成。监控客户端的主要功能是创建任务、上传bim模型、挖掘机派遣、远程实时监控及查询统计等。数据库及应用服务器的主要功能是对数据存储、分析及传输，具体包含数据库模块、分析计算模块及信息反馈三个模块。车载端由gnss接收机、倾角传感器及车载终端组成，gnss接收机的功能是对挖掘机的工作位置进行定位并获取挖掘机的航向角；倾角传感器的功能是获取挖掘机的工作姿态；车载终端用于对gnss定位数据与倾角传感器数据分析计算，对现场施工智能引导及安全预警，具体包含分析计算、智能引导与安全预警三个模块。
[0061]
本发明方法步骤包括：登录开发的监控客户端，上传提前建立的施工场区地下管网与挖掘机bim模型，创建路面挖掘作业任务，输入挖掘机id，并按铲尖与管道的距离，设定多级安全预警区，下达挖掘机派遣指令；上述信息通过internet网络存储到数据库及应用服务器的数据库模块中。车载终端开机，通过5g(the 5th generation mobile communication technology)通讯方式访问数据库及应用服务器，从其数据库模块中接收对应的任务信息并下载更新地下管网与挖掘机的bim模型。采用gnss-rtk(global navigation satellite system
–
real-time kinemics，全球导航卫星系统-动态实时差分)定位技术，获取挖掘机的工作位置信息，采用倾角传感器获取挖掘机各构件的倾角信息。车载终端的分析计算模块接收挖掘机的gnss定位信息与传感器信息，并结合挖掘机的机械尺寸，计算挖掘机铲尖的空间坐标。车载终端的安全预警模块实时解算挖掘机铲尖与地下管网bim模型的空间相对位置，并与设定的多级安全预警距离进行判定，若挖掘机铲尖进入低风险预警区，则进行现场语音报警；若挖掘机铲尖进入高风险预警区，则挖掘机进行自动刹车，避免操作手停车(或铲斗避让)不及时引发安全碰撞事故。车载终端的智能引导模块实
时对地下管网与挖掘机的bim模型三维可视化展示，智能引导操作手精准作业，并展示挖掘机铲尖与地下管网的相对距离。数据库及应用服务器实时接收挖掘机车载终端回传的信息(包括gnss-rtk定位信息、铲尖坐标信息、相对距离信息及安全预警刹车信息)，其分析计算模块对上述信息进行分析处理，数据库模块对分析结果与数据信息进行存储。同时，监控客户端从信息反馈模块实时读取数据库及应用服务器分析处理的结果，对地下管网与挖掘机的bim模型三维可视化展示，对现场挖掘作业远程实时监控。当挖掘任务完成后，监控客户端可访问数据库及应用服务器的数据库模块对施工过程查询统计。
[0062]
本发明方法的具体实施步骤见图2，包括如下步骤：
[0063]
(1)用户在通过验证后，登录监控客户端。
[0064]
登录开发的监控客户端，并对用户权限进行验证，用户权限包括浏览、操作与管理。浏览用户可实现可视化远程实时监控、查询以及接受报警信息等功能；操作用户在拥有浏览用户权限的基础上可进行创建挖掘任务(输入挖掘机id、设定多级安全预警区)，上传场区地下管网与挖掘机bim模型并下达挖掘机派遣指令等功能；管理用户除了具有上述两类用户的权限外，负责对其他用户的权限进行管理。
[0065]
(2)建立并上传施工场区地下管网与挖掘机bim模型。
[0066]
通过管线规避仪或探地雷达获取场区地下管网的位置信息，并结合地下管网施工组织设计cad图纸，对地下管网位置数据进行修正，得到准确的地下管网位置信息；将场区按一定的管道长度划分为不同的分段，并对跨分段的管道及管道转弯处进行切割处理，将管道表达为由中轴线起始坐标与管径所决定的圆柱体；对管道进行编号，并与其所属的分段、管道中轴线起始坐标及管道半径进行绑定，从而建立地下管网bim模型；对现场施工挖掘机各机械构件的尺寸参数进行测量，建立挖掘机bim模型。
[0067]
(3)在监控客户端创建挖掘任务，输入挖掘机id，并按铲尖与管道的距离，设定多级安全预警区。
[0068]
在监控客户端创建挖掘任务，包括设定任务的起止分段、起止时间并输入当前任务所对应的挖掘机id。同时按铲尖与管道的距离，设定多级安全预警区，由远及近分别为安全区、低风险预警区和高风险预警区，用于后续判定挖掘机铲尖所在的空间区域。
[0069]
(4)在监控客户端发布挖掘机派遣指令。
[0070]
操作用户在监控客户端发布挖掘机派遣指令，以短信的方式提醒现场施工管理人员接收挖掘机派遣信息，并安排挖掘机操作员进行挖掘作业；同时，数据库及应用服务器只在挖掘机派遣时间段内接收车载端回传的数据。操作用户根据挖掘任务完成情况，可发布结束派遣指令，终止现场挖掘作业。
[0071]
(5)数据库及应用服务器的数据库模块接收存储挖掘任务信息、bim模型信息及挖掘机派遣指令。
[0072]
数据库及应用服务器接收监控客户端创建的挖掘任务信息、上传的挖掘机与场区地下管网bim模型及下达的挖掘机派遣指令，并将上述信息存储到数据库及应用服务器的数据库模块中。
[0073]
(6)车载终端开机从数据库及应用服务器接收挖掘任务信息并下载更新bim模型。
[0074]
现场管理人员接收到挖掘机派遣指令后，安排挖掘机操作员进行挖掘作业。挖掘机操作员打开驾驶室内的车载终端，车载终端从数据库及应用服务器接收对应的挖掘任务
信息，并自动检查挖掘机模型及地下管网模型有无变化，若发生变化，则车载终端自动下载并更新相应的bim模型；若无变化，则按照上次开挖使用的bim模型进行挖掘作业。
[0075]
(7)在施工场地建立差分基准站，在挖掘机上安装gnss定位天线，利用gnss-rtk定位技术，实时采集挖掘机坐标信息。
[0076]
在施工场地建立差分基准站，在挖掘机上安装gnss定位天线，利用gnss-rtk定位技术，实时采集挖掘机坐标信息。主定位天线用于确定挖掘机的三维空间坐标位置；辅定位天线通过与主定位天线相互配合，确定挖掘机的方向角度。采集的挖掘机定位信息实时传输至车载终端，用于后续计算处理。
[0077]
(8)在挖掘机上安装倾角传感器，采集挖掘机机械构件倾角信息。具体方法如下：
[0078]
通过4个倾角传感器来采集挖掘机机械构件的倾角信息，其中3个为单轴倾角传感器，安装位置见图3，分别用于确定动臂、斗杆及铲斗的纵向倾斜角度；另1个为双轴倾角传感器，安装在挖掘机主机底盘(动臂下方)，用于确定挖掘机车体的纵向及横向倾斜角度。采集的挖掘机机械构件倾角信息实时传输至车载终端，用于后续计算处理。
[0079]
(9)车载终端的分析计算模块对挖掘机铲尖坐标实时求解。具体方法如下：
[0080]
车载终端实时接收gnss天线采集的挖掘机定位数据及倾角传感器采集的挖掘机机械构件倾角数据。其分析计算模块对挖掘机运动进行分析，铲尖坐标的位置取决于挖掘机的各构件的机械尺寸参数与倾角。当挖掘机各构件的长度与倾角确定时，铲尖坐标相应处于一个确定的位置。需要测量的机械参数为：主天线定位坐标g1(x1、y1、z1)、辅天线定位坐标g2、动臂支点在车辆坐标系中的位置(xd、yd、zd)、动臂长度l1、斗杆长度l2、铲斗长度l3、铲斗宽度l4、车体横向倾斜角ζ、车体纵向倾斜角φ、动臂纵向倾斜角θ1、斗杆纵向倾斜角θ2及铲斗纵向倾斜角θ3，挖掘机铲尖坐标由挖掘机的定位坐标g1、g2、挖掘机机械构件尺寸与挖掘机工作姿态控制参数(ζ、φ、θ1、θ2、θ3)计算得出，图4为铲尖坐标求解算法示意图。
[0081]
在车辆坐标系下挖掘机铲刀底缘中点坐标为：
[0082]
x
中
＝xd[0083]y中
＝yd l1sinθ1 l2sin(θ1 θ2) l3sin(θ1 θ2 θ3)
[0084]z中
＝zd l1cosθ1 l2cos(θ1 θ2) l3cos(θ1 θ2 θ3)
[0085]
在车辆坐标系下挖掘机左铲尖坐标为：
[0086][0087]y左
＝yd l1sinθ1 l2sin(θ1 θ2) l3sin(θ1 θ2 θ3)
[0088]z左
＝zd l1cosθ1 l2cos(θ1 θ2) l3cos(θ1 θ2 θ3)
[0089]
在工区坐标系下挖掘机左铲尖坐标为：
[0090][0091]
[0092]
k是应用欧拉公式获得的旋转矩阵，其中φ是车体的纵向倾斜角，ζ是车体的横向倾斜角，由双轴倾角传感器获得，是车身与正北方向的夹角，由g1与g2计算获得。
[0093]
同理，也可以计算出工区坐标系下挖掘机右铲尖的坐标。
[0094]
(10)车载终端的安全预警模块实时解算挖掘机铲尖与地下管网bim模型最小空间距离s。具体方法如下：
[0095]
车载终端的安全预警模块根据挖掘机的gnss定位的工区坐标，确定挖掘机当前工作位置所属的管道分段，调用距挖掘机当前工作位置最近三个分段的地下管网bim模型进行计算。以一条管道为例进行算法计算说明，图5为铲尖与管道bim模型空间相对距离求解算法示意图。
[0096]
该段管道中轴线起止坐标a(x1、y1、z1)与b(x2、y2、z2)两点确定的空间直线方程为：
[0097][0098]
其中向量(m,n,p)为直线ab的方向向量，
[0099]
通过挖掘机左铲尖坐标c(x
左
、y
左
、z
左
)与直线ab求垂足d的坐标，可联立ab直线方程和与ab直线垂直的平面方程m(x-x
左
) n(y-y
左
) p(z-z
左
)＝0进行求解，则d的坐标为(mk x1,nk y1,pk z1)，其中：
[0100][0101]
则左铲尖坐标c至直线ab的距离为：
[0102][0103]
若垂足d位于线段ab上，如图5(a)所示，则挖掘机左铲尖c与该管道bim模型空间相对距离为：
[0104]
r＝cd-r
[0105]
若垂足d在线段ab的延长线上，如图5(b)所示，则r取挖掘机左铲尖c到管道端点a、b外壁距离的最小值：
[0106][0107]
其中，r为该管道的半径。
[0108]
挖掘机左铲尖c与地下管网所有管道的bim模型的最小空间距离为：
[0109]s左
＝min r
i i＝1,2,3
…m[0110]
其中，m为当前工作区域所包含管道的数量。
[0111]
同理，可求得挖掘机右铲尖与调用三个分区中所有管道的bim模型的最小空间距
离s
右
，s
左
与s
右
的小值，即为挖掘机铲尖与地下管网bim模型最小空间距离s。
[0112]
(11)安全距离判定、多级安全预警及自动刹车，具体方法如下：
[0113]
车载终端的安全预警模块将实时计算出的挖掘机铲尖与地下管网bim模型空间相对距离s与设定的多级安全预警距离s
低
及s
高
进行比较，判断挖掘机铲尖当前所在的空间区域。当s＞s
低
时，表明挖掘机铲尖位于安全区,挖掘机处于安全的工作状态；当s
高
＜s＜s
低
时，则表明挖掘机铲尖进入了低风险预警区，同时语音提醒操作员小心施工；当s＜s
高
时，则表明挖掘机铲尖进入了高风险预警区，此时挖掘机铲斗会自动停车，避免操作员停车不及时而引发挖掘机铲尖与管道碰撞。自动停车功能可在车载终端显示屏上选择是否开启。若开启状态下，依据车载终端安全预警模块输出的信号，挖掘机上的电子阀开关控制打开制动管路，制动液通过制动管路进入到各液压缸相连的制动器，进而实现挖掘机及其铲尖的制动；若选择不开启状态下，可以手动操作制动阀来控制铲斗停止动作或者移开规避。
[0114]
(12)车载终端的智能引导模块实时对地下管网与挖掘机的bim模型三维可视化展示，引导操作手精准作业，并展示挖掘机铲尖与地下管网的相对距离。
[0115]
车载终端的智能引导模块对现场挖掘作业进行可视化展示，引导挖掘机操作员安全施工。主要包括bim模型的三维可视化展示与数据的实时显示。车载终端根据挖掘机的gnss定位信息，确定当前的工作位置，自动调取挖掘机一定范围内的地下管网bim模型；根据倾角传感器采集的挖掘机机械构件倾角数据，实现挖掘机bim模型各机械构件三维动态展示；可对铲尖部位局部放大显示，并将铲尖与距离最近的地下管道用红线实时相连，增强挖掘作业可视化的效果。车载终端显示屏数据的实时显示，主要为挖掘机左右铲尖与地下管网的相对距离的显示。同时依据设定的多级安全预警距离，开发相对距离显示计(如0～30cm为红色；30～50cm为黄色；50cm以上为绿色)，指针位置为挖掘机铲尖坐标与地下管网的相对距离。
[0116]
(13)数据库及应用服务器接收车载终端回传的数据，并分析存储。
[0117]
数据库及应用服务器接收车载终端回传的数据，主要包括gnss定位数据、倾角传感器数据、铲尖坐标数据、铲尖坐标与地下管网相对距离数据及现场报警数据。数据库及应用服务器的分析计算模块利用gnss定位数据实时三维绘制挖掘机的工作位置轨迹；利用倾角传感器数据实时在监控客户端对挖掘机bim模型三维动态展示；利用铲尖坐标数据实时三维绘制挖掘机的铲尖轨迹，并生成挖掘作业热力云图，反映现场施工的情况；利用铲尖坐标与地下管网相对距离数据对现场挖掘作业相对距离实时监控；利用现场报警数据，可在监控客户端展示安全预警的情况，主要包括报警时间、报警时危险地下管道的编号及位置、报警时的铲尖坐标及报警图片等信息。数据库及应用服务器的信息反馈模块实时把分析处理后的数据信息发送至监控客户端。数据库及应用服务器的数据库模块对上述数据及分析处理结果进行存储，便于后续查询统计。
[0118]
(14)监控客户端可视化展示、远程实时监控及查询统计。
[0119]
监控客户端实时接收数据库及应用服务器信息反馈模块的数据信息，对地下管网与挖掘机bim模型三维可视化展示，并具备对bim模型进行缩放、旋转、隐藏、显示等基本功能；展示的数据主要包括挖掘机工作位置数据、铲尖坐标数据及相对距离数据等；可实时三维绘制挖掘机工作位置轨迹、挖掘机的铲尖轨迹及挖掘作业热力云图，从而实现对挖掘作业施工现场的远程实时监控。同时，监控客户端可从数据库及应用服务器的数据库模块中
对现场挖掘作业结果查询统计，对轨迹与图形回放浏览并以视频或图表的形式输出，便于后续对挖掘作业施工全过程进行安全评估。
[0120]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。