专利名称：一种基于差分gps技术的工业料场实时定位监控系统及方法
技术领域：
本发明涉及工业料场监控领域，尤其涉及一种工业料场实时定位监控系统与方法。
背景技术：
在工业企业中，对原料进行有效管理，是保证生产平稳运行，提高产品质量的基 础。但针对原料，特别是工业料场的监控和管理，一直是冶金，火电等行业生产中的薄弱环 节。
工业料场属于露天场地，用于堆积存放焦炭，矿石等工业散装原料。原料的堆/取 操作通过斗轮式堆取料机完成。由于料场的露天特性，难于对场地使用进行精确规划，加之 散装原料有数量巨大，品种繁多，堆积位置、形状不规则，易变化的特点，给提高原料堆取作 业的规范化，精细化造成了难题。特别是由于无法准确监控堆取料机实时位置，在原料堆积 密集，夜晚照明条件不佳的情况下，取错原料的事故时有发生，造成生产上的损失。
可以看出，要实现工业料场的优化管理，除了需要将场地上的原料的种类，数量， 堆积分布图等数据实行电子化管理之外，最亟需解决的问题是如何实时，准确地获得堆取 料机所在的位置以及姿态。目前，针对此问题，已有一些积极的尝试。比较常见的有两种方 法是，1.在场地上安装激光测距仪对堆取料机进行定位；2.在堆取料机悬臂俯仰机构，旋 转机构以及走行机构上安装编码器测量角度和距离，并据此进行定位，该技术见公开号为 CN 101104480A的中国发明专利申请公开说明书。但这两种方法都有其固有缺陷第一种 方法成本高，且受天气条件影响大，在雨雾天气使用效果不佳，寿命短；第二种方法虽然成 本较低，但其测量装置安装在移动部件上，有较大的累积误差，且易受机械振动，粉尘的因 素干扰，需要定期校准，故障率高。发明内容
本发明首先所要解决的技术问题是提供一种基于差分GPS技术的工业料场实时 定位监控系统，以解决工业料场优化管理的难题。为此，本发明采用以下技术方案
一种基于差分GPS技术的工业料场实时定位监控系统，其特征在于，包括一个监 控中心，一个基站终端，和多个堆取料机移动站终端；
所述监控中心包括
堆取料机定位及运行状态数据库，存储有每一台堆取料机的定位数据以及运行状 态数据，
料场原料信息数据库，存储有当前料场的原料种类数据以及原料堆积的每一个料 堆在料场上的地理分布位置数据；
堆取料规则数据库，存储有当前生产周期内堆料及取料操作规则；
数据通讯模块，用于接收来自基站终端的堆取料机实时定位数据以及来自外部数据源的堆取料机运行状态数据，并更新堆取料机定位及运行状态数据库；
实时监控显示模块，用于根据料堆的地理分布位置数据及原料种类数据图形化显 示当前料场各料堆地理分布位置和原料种类，以及根据堆取料机的定位数据和工作状态数 据计算、显示当前时刻堆取料机的运行状态；
原料信息及料堆分布图维护模块，用于创建、编辑、删除原料种类数据和料堆在料 场上的地理分布位置数据，以及输入、编辑料场上的料堆地理分布位置数据和堆料及取料 操作规则，并存入料场原料信息数据库和堆取料规则数据库；
分析报警模块，用于将当前堆取料机运行状态，与堆取料规则数据库中的堆料以 及取料操作规则进行比对，发现当前堆取料机操作错误时，发出报警；
所述基站终端包括
基站GPS接收器以及配套天线，用于获取自身所在位置的经纬度和海拔高度数 据，并与堆取料机移动站终端配合进行差分运算，得出移动站G PS天线的定位数据，并传输 给监控中心的数据通讯模块；
基站电台及配套天线用于和堆取料机移动站终端进行数据通讯；
所述堆取料机移动站终端包括
移动站GPS接收器及配套天线用于获取自身所在位置的经纬度和海拔高度数 据；
移动站电台及配套天线用于和基站终端进行数据通讯。
本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种利用上述实时定位监控系统进行 工业料场实时定位监控的方法。为此，本发明采用以下技术方案
实时定位监控系统进行工业料场实时定位监控的方法，其特征在于，它依次包含 以下步骤
(1)、选择料场中的一个点作为料场本地相对三维坐标原点，将堆取料机移动站终 端GPS天线置于该点，使用移动站GPS接收器和天线，标定料场本地相对三维坐标原点的经 纬度和海拔高度；
O)、使用监控中心的原料信息及料堆分布图维护模块，通过图形化编辑或从外部 数据源导入的形式，将料场原料种类数据，及料堆地理分布位置数据导入料场原料信息数 据库，其中，料堆地理分布位置数据的坐标原点为步骤(1)中的料场本地相对三维坐标原点
(3)、将当前生产周期的堆料及取料操作导入堆取料规则数据库，所述当前生产周 期的堆料及取料操作规则包括当前生产周期规定堆、取的原料种类数据和其所在料堆的地 理分布位置数据；
(4)、移动站终端与基站终端接受GPS卫星定位信号，同时移动站终端与基站终端 相互通信，以差分计算方式计算出移动站终端GPS天线所在位置的精确经纬度和海拔高度 数据，并上传至监控中心；
(5)、从外部数据源实时传入堆取料机工作状态数据并存入堆取料机定位及运行 状态数据库；
(6)、监控中心接收移动站GPS天线所在位置的经纬度和海拔高度数据，并根据步 骤(1)所述的本地相对三维坐标原点，计算出堆取料机的位置以及姿态信息并存入堆取料机定位及运行状态数据库；
(7)、将步骤(6)计算的结果，由监控中心实时监控显示模块以三维图形的形式动 态显示；分析报警模块读取当前堆取料机的运行状态数据，与堆取料规则数据库中的当前 生产周期堆料及取料操作规则进行比对，如果不符，则自动报警。
本发明中，所述堆取料机的“定位数据”指的是GPS获取的移动站GPS天线所在位 置的经纬度和海拔高度数据；所述堆取料机的“位置”，是指在堆取料机上选取的某个点的 位置，以作为堆取料机整体的指代位置。由于悬臂是堆取料机的最主要的运动机构，其旋转 原点可认为是堆取料机机身的物理中心，能够准确地反映堆取料机机身所在的位置。本发 明中，选取堆取料机悬臂旋转原点作为堆取料机位置的指代点。即，堆取料机的“位置”就 是指堆取料机悬臂旋转原点所在的位置。所述堆取料机的“姿态”，指的是堆取料机悬臂当 前的俯仰角与旋转角；所述堆取料机的“工作状态”，指的是堆取料机目前的取料/堆料，开 关/故障等状态；所述堆取料机的“运行状态”，是堆取料机“位置”、“姿态”以及“工作状态” 的总称。所述“外部数据源”，是指料场现有的生产信息系统和控制系统。
GPS卫星定位技术经过多年发展，已在导航、测绘等多个领域得到了广泛应用，已 成为一项成熟的技术。“实时载波相位差分GPS技术(GPS RTK) ”则是GPS技术的突破性进 展，它将基准站的相位观测数据及坐标信息通过数据链方式及时发送给动态用户，动态用 户将收到的数据链同自采集的相位观测数据进行实时差分处理，从而获得动态用户的实时 三维位置。与传统GPS技术相比，具有实时性好，定位精度高的特点，能够实现厘米级的精 确定位；且与上述其他定位技术相比，具有成本低，适应性强，不受天气、环境干扰，无累积 误差等优点。
本发明提供了一种基于差分GPS的工业料场实时定位监控系统，这套系统将GPS RTK技术应用于工业料场的实时定位与监控，提高工业料场的自动化管理水平。料场调度 人员可以从监控中心实时观察现有场地中的原料种类与堆放位置，以及堆取料机的运行状 态。在堆取料机堆取原料种类不符合当前生产要求时，系统自动报警，消除事故隐患，保证 生产平稳运行。
本发明还提供了利用上述实时定位监控系统进行工业料场实时定位监控的方法。 通过所述方法的步骤，本发明即可实现对工业料场原料料堆地理分布位置以及堆取料机的 实时定位监控，保障料场生产的平稳运行。


图1是本发明基于差分GPS技术的工业料场实时定位监控系统的结构框图。
图2是本发明的监控中心结构示意图。
图3是本发明的基站终端结构示意图。
图4是堆取料机移动站终端的结构示意图。
图5是本发明的利用基于差分GPS技术的工业料场实时定位监控系统的工业料场 实时定位监控方法流程图。
图6是本发明监控中心的实时监控显示模块界面三维图形显示示意图。
图7是本发明中根据堆取料机移动站的本地相对三维坐标计算堆取料机位置及 姿态数据的说明图(俯视)。
图8是本发明中根据堆取料机移动站的本地相对三维坐标计算堆取料机位置及 姿态数据的说明图(侧视)。
具体实施方式
本发明提供一种基于差分GPS技术的工业料场实时定位监控系统，该系统采用差 分GPS技术、无线通信技术、数据库技术以及三维显示技术实现了工业料场堆取料机与料 位分布的实时定位监控，并可对堆取料机的误操作进行预警。该系统由包括一个监控中心 (1)，一个基站终端O)，和多个堆取料机移动站终端(3)。
其整体结构与安装形式如图1所示，其中，监控中心(1)与基站终端(2)安装于工 业料场的中央控制室(6)，并用电缆连接。堆取料机移动站终端C3)安装于堆取料机(4) 上。其中GPS天线(32)安装于的堆取料机悬臂Gl)上，靠近斗轮G2)处，其位置代表了 堆取料机斗轮进行堆取原料操作的位置。如果有多台堆取料机，则每一台堆取料机安装一 套堆取料机移动站终端。
监控中心的结构如图2所示。其通常安装于料场中央控制室内的一台或多台计算 机上，其负责从基站终端以及外部数据源实时导入堆取料机定位数据以及工作状态数据并 进行处理、计算、显示、分析，在必要的时候发出报警。监控中心由三个数据库和四个功能模 块组成。其中堆取料机定位及运行状态数据库(11)用于存放每一台堆取料机定位数据以 及运行状态数据，由数据通讯模块(14)负责更新；数据通讯模块(14)是监控中心负责与 基站终端O)以及外部数据源进行数据通讯的功能模块，包含通讯所需的各种网络协议以 及硬件接口。料场原料信息数据库(12)包含当前料场每一种原料的种类信息，以及原料堆 积的每一个料堆在料场上的地理分布位置数据；堆取料规则数据库(1 包含当前生产周 期内对堆料及取料操作规则。这两个数据库都由原料信息及料堆分布图维护模块(16)负 责更新。原料信息及料堆分布图维护模块(16)用于创建、编辑、删除原料种类数据和料堆 数据，以及输入、编辑料场上的料堆地理分布位置，以及堆料及取料规则；这些操作可由操 作人员通过该模块的软件界面手工完成，也可从外部数据源自动导入。实时监控显示模块 则负责将料场中的料堆分布以及堆取料机的位置、姿态数据用三维图形的形式动态显示出 来，其人机界面示意图如图6所示，分为图形显示区域(71)和文字显示区域m两部分。 其中图形显示区域显示场地内原料料堆以及堆取料机的三维图形，原料种类数据也可在此 区域随图形显示。堆取料机动作的变化会在此区域实时更新；文字区域则用来显示无法图 形化的数据，如堆取料机当前开关/故障状态等。分析报警模块(17)，则是用于将当前堆取 料机运行状态，与堆取料规则数据库(1 中的堆料以及取料操作规则进行比对，发现当前 堆取料机操作错误时，发出报警。
基站终端⑵和移动站终端(3)的结构如图3所示。基站终端O)由GPS接收 器(21)、GPS天线02)、电台03)、电台天线04)组成，移动站终端3由GPS接收器(31)、 GPS天线(32)、电台(33)、电台天线(34)组成。其中，移动站GPS接收器(31)及配套天线 (32)用于获取自身所在位置的经纬度和海拔高度数据；而基站GPS接收器以及配套 天线(22)，用于获取自身所在位置的经纬度和海拔高度数据，同时与堆取料机移动站终端 配合进行差分运算，得出移动站GPS天线的定位数据。移动站终端GPS接收器及其天线负 责接收G PS卫星信号，并与基站接收到的卫星信号进行差分运算，得到移动站终端GPS天线的精确经纬度和海拔高度位置数据。电台及其天线则负责基站终端和移动站终端之间的 无线通讯。进行差分计算后的移动站G PS天线定位数据则由基站终端通过线缆传输至监 控中心(1)。
如图5所示，本发明提供的基于差分GPS技术的工业料场实时定位监控方法，主要 遵循如下步骤
第一步，选择料场中的一个点作为料场本地相对三维坐标原点，将堆取料机移动 站终端GPS天线置于该点，使用移动站GPS接收器和天线，标定料场本地相对三维坐标原点 的经纬度和海拔高度及海拔高度(S81)。首先对料场的地理位置进行标定的原因是，差分 GPS计算得到的位置数据为WGS-84经纬度和海拔高度数据，不能直接用于料场定位。需要 转化为本地相对三维坐标。而本地相对三维坐标系的原点则需要事先标定。一般选取料场 某一角落上的点作为原点，使用GPS接收器的静态标定功能得到该点的经纬度和海拔高度 信息，作为本地本地相对三维坐标系的原点(0，0，0)，则之后移动站终端和基站终端接收到 的经纬度和海拔高度数据则根据此原点转换为本地相对三维坐标。
第二步，使用监控中心的原料信息及料堆分布图维护模块，通过图形化编辑或从 外部数据源导入的形式，将料场原料种类数据，及料堆地理分布位置数据导入料场原料信 息数据库，其中，料堆地理分布位置数据的坐标原点为步骤一中的料场本地相对三维坐标 原点(S82)。这里的料堆地理分布位置数据使用本地相对三维坐标系，坐标原点与第一步标 定的坐标原点一致，其作用在于保证监控画面上堆取料机以及原料料堆的相对位置与实际 一致，也使得分析报警模块能够正确判断违反堆料及取料规则的操作(堆取料机是否在错 误的料堆上进行堆/取料)。
第三步，将当前生产周期的堆料及取料操作导入堆取料规则数据库，所述当前生 产周期的堆料及取料操作规则包括当前生产周期规定堆、取的原料种类数据和其所在料堆 的地理分布位置数据(S83)。在本实例中，通过原料信息及料堆分布图维护模块将当前生产 周期的堆料及取料操作规则导入堆取料规则数据库，作为分析报警模块判断的依据。规则 具体包括当前生产周期中，需要堆放的原料，堆放的顺序，以及允许对放的位置，需要取用 的原料以及取用的顺序。
第四步，移动站终端与基站终端接受GPS卫星定位信号，同时移动站终端与基站 终端相互通信，以差分计算方式计算出移动站终端GPS天线所在位置的精确经纬度和海拔 高度数据，并上传至监控中心(S84)。在本实例中，堆取料机在料场场地内移动，并实施堆取 料操作同时，堆取料机移动站终端与基站终端接受GPS卫星定位信号，同时移动站终端与 基站终端相互通信，以差分计算方式计算出移动站终端GPS天线所在位置的精确经纬度和 海拔高度数据，并通过连接基站终端和监控中心数据通讯模块的线缆上传至监控中心。根据GPS接收器以及电台性能，数据上传频率为1/2ηΗζ。其中η为堆取料机移动站终端的数目。
第五步，从外部数据源实时传入堆取料机工作状态数据并存入堆取料机定位及运 行状态数据库(S85)。通常堆取料机工作状态(开关/故障，堆料/取料)由料场现有的控 制系统控制，此数据可由控制系统直接接入，或对现场安全要求更严格的情况下，通过料场 现有的生产信息系统中转后接入。
第六步，监控中心接收移动站GPS天线所在位置的经纬度和海拔高度数据，并根据步骤一所述的本地相对三维坐标原点，计算出堆取料机的位置以及姿态信息并存入堆取 料机定位及运行状态数据库(S86)。在本实例中，首先根据步骤一确定的本地相对三维坐 标原点(0，0，0)，将步骤四获取的移动站终端GPS天线位置的经纬度和海拔高度数据换算 为本地相对三维坐标(xl，yl，zl)，再根据本地相对三维坐标计算堆取料机位置和姿态数据 (包括堆取料机悬臂中心点G3)位置，堆取料机悬臂俯仰角，对取料机悬臂旋转角)，算法 如下(如图7，图8所示)
已知堆取料机(4)在与料堆(6)平行的固定的轨道( 上做往复运动，同时通过 旋转、俯仰悬臂Gl)来堆、取不同料堆上的原料。
已知堆取料机移动站GPS天线(32)位置的本地相对三维坐标(xl，yl，zl)，以及 轨道起始点(51)坐标(xO，y0，0)，且已知定位点到堆取料机悬臂旋转原点距离L(悬臂长 度)，即可求得堆取料机俯仰角α (1式)，并进一步求出悬臂在地面投影长度H，从而求出旋 转角β 0，3式)。
α = Brcsin(Z1ZL) (1)
H = cot α · Z1 (2)
β = arc cot α · (y「y0) (3)
则，对于堆取料机悬臂旋转原点03)坐标(x2，y2，0)x2可以由式(4)求得
x2 = X1-H · cot β (4)
而由于堆取料机始终沿着导轨(5)做往复运动，则显然
y2 = y0 (5)
至此，堆取料机悬臂旋转原点03)坐标(x2，y2，0)以及其悬臂俯仰角α，悬臂旋 转角β计算完毕。
第七步，将步骤六计算的结果，由监控中心实时监控显示模块以三维图形的形式 动态显示；分析报警模块读取当前堆取料机的运行状态数据，与堆取料规则数据库中的当 前生产周期堆料及取料操作规则进行比对，如果不符，则自动报警(S87)。在本示例中，根据 步骤六计算所得的堆取料机位置、俯仰角、旋转角作为预制在实时监控显示模块中的堆取 料机三维模型的显示参数，即可使实时显示模块能够实时地将堆取料机的位置和姿态显示 在人机界面(71)上。在监控中心不断接收堆取料机定位数据的同时，分析报警模块(17)也 在将堆取料机运行状态同堆取料规则数据库中的规则进行比对。在正常工况下，堆取料机 堆料时，堆料的原料种类必须在规则库准许的堆料原料种类中，斗轮所在的位置也必须在 规则规定的可堆料范围之内；堆取料机取料时，首先通过斗轮所在的位置的料堆获知当前 正在取用的原料种类，再通过检查该种原料是否存在与取料规则允许的取料种类名单中， 且当前时刻取用该种原料，是否符合规则规定的取料顺序。如果不能通过上述检测，则发出 报警，提示中央控制室的操作人员，防止事故发生。
本发明通过差分GPS技术，对工业料场上的对取料机进行定位，达到对料场运行 进行实时监控的目的，具有较高的实用性，能够有效避免由于堆取料机位置错误导致的取 错原料等事故。本发明与采用其它定位技术的系统相比，具有成本低，免维护，无累计误差， 基本不受天气、粉尘环境影响等优点，适用于煤矿、冶金、火电等多种行业的散料料场。
权利要求
1.一种基于差分GPS技术的工业料场实时定位监控系统，其特征在于，包括一个监控 中心(1)，一个基站终端(2 )，和多个堆取料机移动站终端(3 )；所述监控中心(1)包括堆取料机定位及运行状态数据库(11)，存储有每一台堆取料机的定位数据以及运行状 态数据，料场原料信息数据库(12)，存储有当前料场的原料种类数据以及原料堆积的每一个料 堆在料场上的地理分布位置数据；堆取料规则数据库(13)，存储有当前生产周期内堆料及取料操作规则； 数据通讯模块(14)，用于接收来自基站终端的堆取料机实时定位数据以及来自外部数 据源的堆取料机运行状态数据，并更新堆取料机定位及运行状态数据库；实时监控显示模块(15)，用于根据料堆的地理分布位置数据及原料种类数据图形化显 示当前料场各料堆地理分布位置和原料种类，以及根据堆取料机的定位数据和工作状态数 据计算、显示当前时刻堆取料机的运行状态；原料信息及料堆分布图维护模块(16)，用于创建、编辑、删除原料种类数据和料堆在料 场上的地理分布位置数据，以及输入、编辑料场上的料堆地理分布位置数据和堆料及取料 操作规则，并存入料场原料信息数据库(12)和堆取料规则数据库(13)；分析报警模块(17)，用于将当前堆取料机运行状态，与堆取料规则数据库(13)中的堆 料以及取料操作规则进行比对，发现当前堆取料机操作错误时，发出报警； 所述基站终端(2)包括基站GPS接收器(21)以及配套天线(22)，用于获取自身所在位置的经纬度和海拔高度 数据，并与堆取料机移动站终端配合进行差分运算，得出移动站GPS天线的定位数据，并传 输给监控中心的数据通讯模块；基站电台(23)及配套天线(24)用于和堆取料机移动站终端进行数据通讯； 所述堆取料机移动站终端(3)包括移动站GPS接收器(31)及配套天线(32):用于获取自身所在位置的经纬度和海拔高度 数据；移动站电台(33 )及配套天线(34 )用于和基站终端进行数据通讯。
2.根据权利要求1所述的一种基于差分GPS技术的工业料场实时定位监控系统，其特 征在于，监控中心(1)的实时监控显示模块(15)用三维图形的方式显示当前料场各料堆地 理分布位置和原料种类，以及显示当前堆取料机的运行状态。
3.根据权利要求1所述的一种基于差分GPS技术的工业料场实时定位监控系统，其特 征在于，堆取料机移动站(3)中的移动站GPS天线(32)安装于堆取料机悬臂上靠近斗轮的 位置。
4.利用权利要求1所述的实时定位监控系统进行工业料场实时定位监控的方法，其特 征在于，它依次包含以下步骤(1)、选择料场中的一个点作为料场本地相对三维坐标原点，将堆取料机移动站终端 GPS天线置于该点，使用移动站GPS接收器和天线，标定料场本地相对三维坐标原点的经纬 度和海拔高度；(2)、使用监控中心的原料信息及料堆分布图维护模块，通过图形化编辑或从外部数据源导入的形式，将料场原料种类数据，及料堆地理分布位置数据导入料场原料信息数据库， 其中，料堆地理分布位置数据的坐标原点为步骤(1)中的料场本地相对三维坐标原点；(3)、将当前生产周期的堆料及取料操作导入堆取料规则数据库，所述当前生产周期的 堆料及取料操作规则包括当前生产周期规定堆、取的原料种类数据和其所在料堆的地理分 布位置数据；(4)、移动站终端与基站终端接受GPS卫星定位信号，同时移动站终端与基站终端相 互通信，以差分计算方式计算出移动站终端GPS天线所在位置的精确经纬度和海拔高度数 据，并上传至监控中心；(5)、从外部数据源实时传入堆取料机工作状态数据并存入堆取料机定位及运行状态 数据库；(6)、监控中心接收移动站GPS天线所在位置的经纬度和海拔高度数据，并根据步骤 (1)所述的本地相对三维坐标原点，计算出堆取料机的位置以及姿态信息并存入堆取料机 定位及运行状态数据库；(7)、将步骤(6)计算的结果，由监控中心实时监控显示模块以三维图形的形式动态显 示；分析报警模块读取当前堆取料机的运行状态数据，与堆取料规则数据库中的当前生产 周期堆料及取料操作规则进行比对，如果不符，则自动报警。
5.根据权利要求4中所述的实时定位监控系统进行工业料场实时定位监控的方法，其 特征在于，当移动站终端GPS天线安装于堆取料机斗轮附近时，在步骤(6)中，根据堆取料 机斗轮所在位置的本地相对三维坐标，计算堆取料机悬臂旋转原点的位置，以及堆取料机 悬臂的旋转角和俯仰角。
全文摘要
本发明提供一种基于差分GPS技术的工业料场实时定位监控系统，以解决工业料场优化管理的难题。它包括一个监控中心，一个基站终端，和多个堆取料机移动站终端；监控中心包括堆取料机定位及运行状态数据库，料场原料信息数据库，堆取料规则数据库，数据通讯模块，实时监控显示模块，原料信息及料堆分布图维护模块，分析报警模块；基站终端包括基站GPS接收器以及配套天线，基站电台及配套天线；堆取料机移动站终端包括移动站GPS接收器及配套天线，移动站电台及配套天线。本发明具有实时性好，定位精度高的特点，能够实现厘米级的精确定位；与其他定位技术相比，具有成本低，适应性强，不受天气、环境干扰，无累积误差等优点。
文档编号G01S19/42GK102033533SQ201010554828
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者李平, 胡凯林 申请人:浙江大学