安全施工控制装置和挖掘设备的制作方法

1.本实用新型涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种安全施工控制装置和挖掘设备。


背景技术：

2.近年来，随着城市基础建设的不断完善，城市地下管线规划也日趋复杂。由于挖掘作业的特殊性，挖掘设备在施工过程中破坏电线、光缆、燃气管道、供水管道等事件时有发生，造成经济损失的同时，往往还伴随严重的安全隐患。
3.现有技术中，在进行挖掘作业时，通常需要施工人员提前勘察施工区域地下管线位置，浪费人力物力，且有些施工区域并不具备勘察条件。在操作挖掘设备进行作业时，需要操作人员根据人工经验，主观判断当前挖掘作业是否合理，由此导致事故发生的可能性越大。
4.如何在挖掘设备施工作业时进行安全施工控制成为了亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型提供一种安全施工控制装置和挖掘设备，用于解决如何在挖掘设备施工作业时进行安全施工控制的技术问题。
6.本实用新型提供一种安全施工控制装置，包括测深模块、测距模块、定位模块、获取模块和控制模块；
7.所述测深模块，设置于挖掘设备的挖掘部件上，用于获取所述挖掘部件的实时挖掘深度；
8.所述测距模块，设置于挖掘设备的挖掘部件上，用于获取所述挖掘部件相对于挖掘设备上的预设位置的实时伸出距离；
9.所述定位模块，用于获取所述挖掘设备的实时位置；
10.所述获取模块，用于获取管线的掩埋状态数据；
11.所述控制模块，分别与所述测深模块、测距模块、定位模块以及获取模块电连接，用于基于所述挖掘设备的实时位置和所述挖掘部件的实时伸出距离，确定所述挖掘部件的实时挖掘位置，并基于所述挖掘部件的实时挖掘位置、实时挖掘深度、以及所述管线的掩埋状态数据，对所述挖掘设备进行安全施工控制。
12.根据本实用新型提供的安全施工控制装置，所述控制模块包括：
13.挖掘位置确定子模块，用于基于所述挖掘设备的实时位置、所述挖掘部件的实时伸出距离、以及所述预设位置与定位模块之间的距离，确定所述挖掘部件的实时挖掘位置。
14.根据本实用新型提供的安全施工控制装置，所述管线的掩埋状态数据包括掩埋位置、掩埋宽度和掩埋深度。
15.根据本实用新型提供的安全施工控制装置，所述控制模块还包括：
16.作业强停子模块，用于若任一管线的掩埋位置位于所述挖掘设备的实时作业区域
内，则将所述管线确定为所述挖掘设备对应的作业影响管线；
17.若所述挖掘部件的实时挖掘位置与所述作业影响管线的掩埋宽度中心之间的距离小于等于预设距离阈值且所述挖掘部件的实时挖掘深度与所述作业影响管线的掩埋深度之间的距离小于等于预设深度阈值，则生成作业强停指令，控制所述挖掘设备停止作业；
18.其中，所述实时作业区域是以所述挖掘设备的挖掘部件的实时挖掘位置为圆心、预设安全距离为半径确定的区域。
19.根据本实用新型提供的安全施工控制装置，所述控制模块还包括：
20.管线预警子模块，用于若任一管线的掩埋位置位于所述挖掘设备的实时作业区域外，则将所述管线确定为所述挖掘设备对应的作业预警管线；
21.若所述挖掘部件的实时挖掘位置与所述作业预警管线的掩埋位置之间的距离小于等于预设预警距离，则生成管线安全预警信号。
22.根据本实用新型提供的安全施工控制装置，还包括：
23.显示模块，设置于挖掘设备的驾驶室内，与所述控制模块电连接，用于显示所述挖掘部件的实时挖掘位置、以及所述作业影响管线的掩埋位置和掩埋宽度。
24.根据本实用新型提供的安全施工控制装置，所述显示模块以二维平面坐标图形式显示所述挖掘部件的实时挖掘位置；其中，所述二维平面坐标图以所述挖掘部件的实时挖掘位置为原点。
25.根据本实用新型提供的安全施工控制装置，所述显示模块还用于显示所述挖掘部件的实时挖掘位置与所述作业影响管线的掩埋宽度中心之间的距离，以及所述挖掘部件的实时挖掘深度。
26.根据本实用新型提供的安全施工控制装置，所述定位模块为差分gps定位器、rtk定位器和bds定位器中的一种。
27.本实用新型提供一种挖掘设备，包括所述的安全施工控制装置。
28.本实用新型提供的安全施工控制装置和挖掘设备，测深模块和测距模块设置在挖掘设备的挖掘部件上，分别用于获取挖掘部件的实时挖掘深度和相对于挖掘设备上的预设位置的实时伸出距离，结合定位模块获取的挖掘设备的实时位置和获取模块获取的管线的掩埋状态数据，控制模块确定挖掘部件的实时挖掘位置，并对挖掘设备进行安全施工控制，无需根据操作人员的经验进行主观判断，自动化地实现了对当前挖掘作业的合理性判断，降低挖掘事故发生的可能性，提高了对地下管网进行挖掘施工作业的安全性，提高了挖掘施工的作业效率。
附图说明
29.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本实用新型提供的安全施工控制装置的结构示意图之一；
31.图2为本实用新型提供的挖掘设备的结构示意图；
32.图3为本实用新型提供的安全施工控制装置的结构示意图之二；
33.图4为本实用新型提供的挖掘部件与管线的直线距离的计算示意图；
34.图5为本实用新型提供的实时作业区域的示意图；
35.图6为本实用新型提供的显示模块的显示示意图。
36.附图标记：
37.100：安全施工控制装置；
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110：测深模块；
38.120：测距模块；
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130：定位模块；
39.140：获取模块；
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150：控制模块；
40.151：测深数据接收单元；
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152：测距数据接收单元；
41.153：差分gps接收单元；
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154：gis数据接收单元；
42.155：数据处理单元；
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160：显示模块；
43.200：挖掘设备；
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410：差分gps定位模块；
44.420:铲斗；
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430:管线；
45.440:驾驶室；
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510：挖掘机。
具体实施方式
46.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
47.图1为本实用新型提供的安全施工控制装置的结构示意图之一，如图1所示，安全施工控制装置100包括测深模块110、测距模块120、定位模块130、获取模块140和控制模块150；
48.测深模块110，设置于挖掘设备的挖掘部件上，与控制模块150电连接，用于获取挖掘部件的实时挖掘深度；
49.测距模块120，设置于挖掘设备的挖掘部件上，与控制模块150电连接，用于获取挖掘部件相对于挖掘设备上的预设位置的实时伸出距离；
50.定位模块130，与控制模块150电连接，用于获取挖掘设备的实时位置；
51.获取模块140，与控制模块150电连接，用于获取管线的掩埋状态数据；
52.控制模块150，用于基于挖掘设备的实时位置和挖掘部件的实时伸出距离，确定挖掘部件的实时挖掘位置，并基于挖掘部件的实时挖掘位置、实时挖掘深度、以及管线的掩埋状态数据，对挖掘设备进行安全施工控制。
53.具体地，本实用新型实施例提供的安全施工控制装置100用于使用挖掘设备对包含地下管网的区域进行挖掘作业的场景。挖掘设备的挖掘部件为直接用于进行挖掘作业的部件，例如挖掘机的铲斗等。
54.测深模块110用于获取挖掘部件的实时挖掘深度。测深模块110对挖掘部件进行挖掘作业时的垂直挖掘距离进行测量。测深模块110可以采用距离传感器。测深模块110设置于挖掘设备的挖掘部件上，例如设置在挖掘机铲斗、或者铲斗和斗杆的结合处。优选地，将挖掘部件停放在与挖机设备处于同一水平面时，对测深模块进行零点标定。
55.测距模块120用于获取挖掘部件相对于挖掘设备上预设位置的实时伸出距离。伸出距离为挖掘部件向外伸出时相对于挖掘设备上某一预设位置的水平距离。预设位置所在的部件能够与挖掘部件一同相对于挖掘设备的回转中心做回转动作，例如，预设位置所在的部件为挖掘机的驾驶室。测距模块120可采用距离传感器，例如激光测距传感器、超声波测距传感器等。测距模块120设置于挖掘设备的挖掘部件上，例如设置在挖掘机铲斗、或者铲斗和斗杆的结合处。
56.定位模块130对挖掘设备的位置进行实时获取。例如，定位模块130采用gps差分定位方式，其可设置在挖掘设备的回转平台上，用于提供实时的挖掘设备的经纬度定位信息，进而确定挖掘机的实时位置。
57.获取模块用于获取管线的掩埋状态数据。掩埋状态数据用于表征地下管网中的管线的掩埋状态，例如，可以包括管线的掩埋位置、掩埋宽度和掩埋深度等。管线的掩埋状态数据是可以通过外部获取的数据。例如，可以通过城市的地下管网gis(geographic information system，地理信息系统)获取管线的掩埋状态。
58.由于挖掘部件是直接进行挖掘作业的部位，也是造成挖掘事故的部位，挖掘部件一般伸出，其距离挖掘设备本体(包括回转平台、驾驶室等)的距离较远。若采用挖掘设备的实时位置用于判断和预警是否可能导致地下管网中的管线被损坏，判断结果不够准确，也会导致预警失效或滞后。因此，本实用新型中提出了根据挖掘设备的挖掘部件的实时挖掘位置及深度与管线的掩埋状态数据来实时判断是否存在作业风险，并根据风险等级进行提示和预警。具体的，控制模块150根据挖掘设备的实时位置和挖掘部件的实时伸出距离，确定挖掘部件的实时挖掘位置。继而，根据挖掘部件的实时挖掘位置和实时挖掘深度，以及管线的掩埋状态数据，对挖掘设备进行安全施工控制。
59.例如，控制模块150可以根据挖掘部件的实时挖掘位置和管线的掩埋状态数据中的掩埋位置，判断该位置处的地下是否存在掩埋的管线；再根据实时挖掘深度和管线的掩埋状态数据中的掩埋深度，判断挖掘部件是否具有损坏管线的可能性；若实时挖掘深度与掩埋深度之间的距离较小，则表明继续施工损坏管线的可能性较大，应立即停止；若实时挖掘深度与掩埋深度之间的距离较大，则表明继续施工损坏管线的可能性较小，可以采用减小挖掘深度或者其他方式进行安全施工。
60.本实用新型实施例提供的安全施工控制装置，测深模块和测距模块设置在挖掘设备的挖掘部件上，分别用于获取挖掘部件的实时挖掘深度和相对于挖掘设备上的预设位置的实时伸出距离，结合定位模块获取的挖掘设备的实时位置和获取模块获取的管线的掩埋状态数据，控制模块确定挖掘部件的实时挖掘位置，并对挖掘设备进行安全施工控制，无需根据操作人员的经验进行主观判断，自动化地实现了对当前挖掘作业的合理性判断，降低挖掘事故发生的可能性，提高了对地下管网进行挖掘施工作业的安全性，提高了挖掘施工的作业效率。
61.基于上述实施例，控制模块包括：
62.挖掘位置确定子模块，用于确定挖掘部件的实时挖掘位置。具体地，基于定位模块130获取的挖掘设备的实时位置、测距模块120获取的挖掘部件的实时伸出距离、以及预设位置与定位模块之间的距离，确定挖掘部件的实时挖掘位置。
63.例如，对于大型挖掘机，挖掘设备的实时位置一般是通过定位模块获取的，预设位
置可以选择为驾驶室的位置，驾驶室与定位模块之间的间隔距离是固定不变的，则预设位置的实时位置可以通过挖掘设备的实时位置和间隔距离进行相加后得到。
64.在得到挖掘部件的预设位置的实时位置后，再加上挖掘部件相对于挖掘设备上的预设位置的实时伸出距离，就可以得到挖掘部件的实时挖掘位置。
65.基于上述任一实施例，管线的掩埋状态数据包括掩埋位置、掩埋宽度和掩埋深度。
66.具体地，掩埋位置为管线在地下管网中的位置，可以以地面建立平面坐标系，确定管线的掩埋位置。掩埋宽度为管线的宽度。掩埋深度为管线的掩埋位置距离地面的垂直距离。其中，此处的地面可以是自定义的某一海拔高度的水平面。
67.基于上述任一实施例，控制模块还包括：
68.作业强停子模块，用于若任一管线的掩埋位置位于挖掘设备的实时作业区域内，则将该管线确定为挖掘设备对应的作业影响管线；
69.若挖掘部件的实时挖掘位置与作业影响管线的掩埋宽度中心之间的距离小于等于预设距离阈值且挖掘部件的实时挖掘深度与作业影响管线的掩埋深度之间的距离小于等于预设深度阈值，表明挖掘部件可能导致管线损坏，则立即生成作业强停指令，控制挖掘设备停止作业；其中，预设距离阈值和预设深度阈值可以根据实际情况进行自定义，考虑因素包括挖掘设备的挖掘部件的制动距离等。
70.其中，实时作业区域是基于挖掘设备的挖掘部件的实时挖掘位置为圆心，预设安全距离为半径所形成确定的。
71.具体地，作业强停子模块用于当挖掘部件在距离管线较近的位置进行挖掘，如不立即停止可能导致管线损坏造成挖掘事故时，对挖掘机进行强制停止。
72.可能被损坏的管线必然是位于挖掘设备的实时作业区域内的管线，这些管线可以被认为是作业影响管线，即对挖掘作业造成实质影响的管线。实时作业区域是当前时刻挖掘设备的挖掘部件所在的位置对应的作业区域，会随着挖掘设备的挖掘部件的位置变化而变化。为了提高预警的精度和及时性，可以以挖掘设备的挖掘部件的实时位置为圆心，预设安全距离为半径，确定一个圆形区域，该圆形区域即为实时作业区域。其中，该预设安全距离可基于当前施工作业场景下管线布局的复杂程度而自定义；影响复杂程度的因素包括管线布置的密集程度；若当前施工作业场景下管线布局的复杂程度高时，该预设安全距离则相对较小。
73.基于上述任一实施例，控制模块还包括：
74.管线预警子模块，用于若任一管线的掩埋位置位于挖掘设备的实时作业区域外，则将该管线确定为挖掘设备对应的作业预警管线；
75.若挖掘部件的实时挖掘位置与作业预警管线的掩埋位置之间的距离小于等于预设预警距离，则生成管线安全预警信号。
76.具体地，对于位于挖掘设备的实时作业区域外的管线，控制模块可以将其确定为作业预警管线，用于对操作人员进行提醒。
77.当挖掘部件的实时挖掘位置与作业预警管线的掩埋位置之间的距离小于等于预设预警距离，控制模块可以生成管线安全预警信号，驱动蜂鸣器或者灯光等，对操作人员进行预警，从而引起操作人员的注意。其中，预设预警距离可以根据实际情况进行自定义。
78.基于上述任一实施例，还包括：
79.显示模块，设置于挖掘设备的驾驶室内，与控制模块电连接，用于以二维平面坐标图形式显示挖掘部件的实时挖掘位置，以及作业影响管线的掩埋位置和掩埋宽度，使得操作人员能够实施监控作业情况；其中，该车载中控屏可以作为本实用新型的安全施工控制装置中的显示模块。
80.其中，以挖掘部件的实时位置作为二维平面坐标图的原点，更适合操作人员以360度视角监控作业区域的管线分布情况。对于二维平面坐标图的坐标轴，可以采用固定坐标轴，例如以南北为y轴，以东西为x轴；也可以采用车身坐标轴，例如以挖掘设备的前进方向为y轴，以前进方向的垂直方向为x轴。
81.基于上述任一实施例，显示模块还用于显示挖掘部件的实时挖掘位置与作业影响管线的掩埋宽度中心之间的距离，以及挖掘部件的实时挖掘深度。将上述距离和深度对操作人员进行直接显示，使得操作人员能够实时调整操作步骤，降低挖掘事故发生的可能性。
82.基于上述任一实施例，定位模块为差分gps定位器、rtk(real-time kinematic，实时差分)定位器和bds(beidou navigation satellite system，北斗卫星导航系统)定位器中的一种。
83.基于上述任一实施例，图2为本实用新型提供的挖掘设备的结构示意图，如图2所示，挖掘设备200包括上述安全施工控制装置100。
84.具体地，挖掘设备是能够实现挖掘功能的设备，例如挖掘机。
85.基于上述任一实施例，图3为本实用新型提供的安全施工控制装置的结构示意图之二，如图3所示，该装置由控制模块150、显示模块160、测深模块110、定位模块130、获取模块140以及测距模块120四部分组成。定位模块130采用差分gps。其中，控制模块150主要包括差分gps接收单元153、gis数据接收单元154、测深数据接收单元151、测距数据接收单元152以及数据处理单元155。定位模块130用来获取挖掘设备定位数据；获取模块140用来获取管线掩埋宽度、深度以及定位数据；测深模块110用来获取当前挖掘深度；测距模块120用来获取挖掘部件(如铲斗)与驾驶室之间的距离。
86.图4为本实用新型提供的挖掘部件与地下管线的直线距离的计算示意图，如图4所示，挖掘机(挖掘设备)的铲斗420(挖掘部件)执行挖掘作业，装置需要计算铲斗420与地下管线430的直线距离a(挖掘部件的实时挖掘位置与管线之间的距离)。差分gps定位数据为挖掘机位置信息，铲斗位置会随着动臂、斗杆等执行机构动作而发生变化，安装在连杆位置的测距模块，实时反馈铲斗420与驾驶室440之间的距离b(挖掘部件相对于挖掘设备上的预设位置的实时伸出距离)；驾驶室440与差分gps定位模块410安装固定距离为c(预设位置与定位模块之间的距离)；依据地下管线定位数据和差分gps定位数据，计算管线430与差分gps定位模块410的直线距离d(管线与挖掘设备之间的距离)；根据上述距离信息，可计算出a＝d-b-c。
87.图5为本实用新型提供的实时作业区域的示意图，如图5所示，实时作业区域为以挖掘机510的铲斗为圆心，预设安全距离r为半径，确定的圆形区域。
88.图6为本实用新型提供的显示模块的显示示意图，如图6所示，显示模块呈现相对位置二维坐标图，以挖掘部件的实时位置为原点建立坐标系，仅显示进入实时作业区域的管线，以及当前挖掘深度和当前相对距离。
89.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可
以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
90.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干命令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
91.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。