一种倾斜钢柱安装监测系统及方法与流程

1.本发明涉及建筑施工领域，涉及一种倾斜钢柱安装监测系统及方法。


背景技术：

2.目前，钢结构已广泛应用于超高层建筑和大跨度空间结构领域，例如各种大厦、电视塔、金融中心、体育馆、展览中心、大剧院、候机楼、飞机库和一些工业厂房等。随着钢结构的发展成熟，现在很多大型公共建筑为追求建筑效果采用倾斜钢柱。通常来说，倾斜钢柱的施工过程包括设计、吊装、临时支撑、最终固定、其他加工等必要步骤。经过前期模拟仿真计算后，确定倾斜钢柱的数量、位置、尺寸、材质等参数，制定施工方案。然后使用吊车或塔吊将预制好的倾斜钢柱从地面吊起，并精确定位到指定位置。再将倾斜钢柱嵌入混凝土基础中，并用锚固螺栓固定。而后安装抗倾覆支撑、横向稳定支撑、顶部加强支撑等支撑体系，保证倾斜钢柱能够承受建筑荷载和风力荷载。如需要的话，还需在钢柱上进行切割、焊接等后续加工。可见，倾斜钢柱的施工过程较为复杂，需要把控的关键施工点较多，对于施工的精度要求也是较高的。
3.然而，目前施工现场对于倾斜钢柱安装过程的安全监测通常是通过定期进行项目现场巡检和监控来及时发现和处理任何安全隐患从而确保整个施工过程的顺利进行。监管人员大多是借助一些繁琐的监测设备对倾斜钢柱的施工过程进行监控，例如全站仪、倾斜仪等，再加上自身经验和个人判断评价施工过程的安全性。这使得监管人员无法察觉倾斜钢柱在不稳定初期发生的细微变化，再加上设备的繁琐性和低灵敏性，导致这样的监测模式存在较严重的时间滞后问题。进一步地，监管人员的主观判断结果占主导地位也使得安全监测缺乏客观数据支撑，监测结果缺乏精准性。这些落后的监测模式十分容易错失倾斜钢柱的施工过程的关键监测时间点/空间点，进而使得钢柱位置偏离预设，使得整个建筑结构的稳定性都受到影响。不仅如此，倾斜钢柱在施工过程中还极容易发生自身形变，若倾斜钢柱与临时固定系统的连接不牢固，就有可能在安装过程中发生松动甚至断裂的情况，进而使得倾斜钢柱受到瞬间过大的、超出预期荷载的作用力，最终导致钢柱变形或者折断等严重事故，这也将严重威胁施工现场的生命和财产安全。
4.可见，为保障施工成果和施工安全，对于倾斜钢柱施工过程进行可靠有效的安全监测是至关重要的。虽然目前的数字化建模技术已经非常成熟，可以用其对倾斜钢柱的结构特征进行预测和分析，通过模拟仿真等手段，提前发现可能存在的风险因素。但该种方法的设计成本、安装成本、维护成本较高，并且该种方法也无法监测倾斜钢柱的自身形变，尤其是微小形变的发生情况。
5.再者，由于施工现场的施工点众多，监管人员难以兼顾所有的施工检查细节。但是对于倾斜钢柱来说，如果产生微小形变或者轻微位移，容易造成后续在倾斜钢柱上安装主体时存在安装错位、安装失败、安装后稳定性显著降低等工程失误。而现有用于检测施工点状态的检测器，由于成本原因，较难在每个检测器上配置智能处理组件。由于检测器数量众多且容易损坏，通常设置一个主机来接收每个检测器发送的数据并进行统一处理。然而，用
于巡查状态的主机一般配置在工程监管人员身上，并伴随其在施工工地中流转巡查。当主机与检测器距离超过一定数值后，数据传输效果显著降低，存在大量数据丢包的情况。此时将会造成对倾斜钢柱的监测不连续，无法及时地发现倾斜钢柱的微小形变或位移。然而若选择持续采用高功率信号传输，则一方面影响检测器的续航，另一方面会产生影响周边其余电子设备的信号噪声。
6.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

7.针对现有技术之不足，本发明提供了一种倾斜钢柱安装监测系统及方法，以使得监管人员能及时发现倾斜钢柱在安装固定过程中的柱体形状和/或运动状态变化，同时根据传输距离自适应地调节传输参数以保障数据传输的高效性、及时性和精准性。
8.本发明提供了一种倾斜钢柱的安装监测系统，用于监测倾斜钢柱的安装过程，包括：
9.固定部，附接并固定至倾斜钢柱以限制所述倾斜钢柱在垂直和/或水平方向的移动自由度，优选地，所述固定部被配置于倾斜钢柱上的至少一个位置；
10.检测部，附接并固定至所述固定部以获取与所述倾斜钢柱自身形状和/或运动状态有关的至少一个状态参数，其被配置为至少一个设置在所述固定部上的传感组件；
11.处理部，基于所述状态参数生成并传输与倾斜钢柱自身形状和/或运动状态有关的预警信息；
12.其中，所述预警信息的传输参数是基于所述倾斜钢柱与监控部的距离而确定的。
13.优选地，本发明提供的安装监测系统还包括通讯部，所述通讯部用于将所述与倾斜钢柱自身形状和/或运动状态有关的预警信息无线传输至监控部，所述监控部被配置为监管人员随身携带的移动式的智能终端设备。
14.优选地，所述监控部用于检测自身与倾斜钢柱的距离从而确定通讯部的传输参数，以及用于以可视化的形式向监管人员输出预警信息，所述可视化的形式至少包括图像显示、声光预警等。
15.其中，所述监控部检测监控部与倾斜钢柱的距离，包括：
16.检测所述通讯信道的信道属性量，基于所述信道属性量和距离的变化关系确定所述通讯部和所述监控部的距离。
17.优选地，所述信道属性量包括所述通讯部向传输预警信息时的信号信噪比、信号强度、丢包率中的一个或多个。所述通讯信道的信道属性量发生改变可说明监控部和通讯部之间的距离发生改变，例如，若信道属性量中的信号强度减小、信噪比降低或丢包率变大，则说明监控部与通讯部的距离变大，反之则说明监控部与通讯部的距离变小。
18.其中，所述监控部基于所述距离确定通讯部传输参数包括：
19.基于所述距离，监控部按照传输参数-传输距离经验公式调整所述通讯部的传输参数，或者，基于所述距离，监控部按照预先设定的标定传输参数调整所述通讯部的传输参
数。
20.优选地，所述传输参数-传输距离经验公式包括传输频率-传输距离经验公式、传输功率-传输距离经验公式、传输信息密度-传输距离经验公式中的一个或多个。
21.优选地，所述传输参数是传输功率、传输信息密度、传输频率中的一个或多个，所述传输参数切换时的调整内容包括调整传输频率、调整传输功率、调整传输信息密度中的一个或多个。
22.进一步优选地，所述通讯部的传输参数至少包括彼此不同的预设的第一传输参数和根据距离调整的第二传输参数。
23.优选地，所述传感组件至少包括用于检测柱体形状变化的测力传感器和用于检测倾斜钢柱运动状态变化的角度传感器，所述固定部的状态参数至少包括柱体形状变化参数和运动状态变化参数。
24.优选地，所述预警信息至少包括与柱体形状变化有关的一类预警、与运动状态变化有关的二类预警和与柱体形状、运动状态均有关的三类预警，其中，所述一类预警指倾斜钢柱柱体发生微小形变，所述二类预警指倾斜钢柱发生位移运动，所述三类预警指倾斜钢柱同时发生柱体形变和位移运动。
25.优选地，所述监控部被配置为监管人员随身携带的移动式的智能终端设备。尤其是针对较为大型的工地，监管人员往往需要在场地中到处巡查，以检查工地中各个位置的设备情况、环境情况、施工情况等，因此监控部是移动的。
26.本发明还提供一种倾斜钢柱的安装监测方法，包括以下步骤：
27.s1：采用一种倾斜钢柱的安装监测系统，其至少包括配置于倾斜钢柱的固定部和移动式的监控部；
28.s2：以限定所述倾斜钢柱在垂直和/或水平方向上的移动自由度的方式将固定部配置在所述倾斜钢柱的至少一个位置；
29.s3：基于至少一个设置在所述固定部上的传感组件获取与倾斜钢柱自身形状和/或运动状态有关的至少一个状态参数；
30.s4：基于所述状态参数生成并传输与倾斜钢柱自身形状和/或运动状态有关的预警信息；
31.其中，
32.所述预警信息的传输参数是基于所述倾斜钢柱与所述监控部的距离而确定的。
33.优选地，所述监控部基于所述距离确定通讯部的传输参数包括：
34.基于所述距离，监控部按照传输参数-传输距离经验公式调整所述通讯部的传输参数，或者，基于所述距离，监控部按照预先设定的标定传输参数调整所述通讯部的传输参数。进一步优选地，所述通讯部的传输参数至少包括彼此不同的预设的第一传输参数和根据距离调整的第二传输参数。
35.优选地，所述传输参数-传输距离经验公式包括传输频率-传输距离经验公式、传输功率-传输距离经验公式、传输信息密度-传输距离经验公式中的一个或多个。
36.优选地，所述预警信息至少包括与柱体形状变化有关的一类预警、与运动状态变化有关的二类预警和与柱体形状、运动状态均有关的三类预警，其中，所述一类预警指倾斜钢柱柱体发生微小形变，所述二类预警指倾斜钢柱发生位移运动，所述三类预警指倾斜钢
柱同时发生柱体形变和位移运动。
37.本发明提供了一种倾斜钢柱的安装监测系统，将检测部设置于固定部上，而固定部可以有选择地布置于倾斜钢柱的多个关键监测点位，这种灵活的布置方式使得监管人员能够对倾斜钢柱施工过程的关键监测点位进行全面监控。进一步地，检测部具有能够检测倾斜钢柱柱体形变和运动状态的两类传感组件，从柱体形变和运动状态两个维度对倾斜钢柱的安装过程进行风险评估，提高了对倾斜钢柱安装过程中出现的各类风险状况的评估全面性和准确些，这种数据可视化的监控结果使得监管人员可以直观发现倾斜钢柱在安装固定过程中的状态变化，并及时捕捉倾斜钢柱的异常状态以避免大型事故的发生，保障施工安全的同时也提高了施工效率和施工精度。
38.进一步地，本发明提供的一种倾斜钢柱的安装监测系统能够基于监管人员和倾斜钢柱的实时间距，针对性地自适应调节通讯部的信息传输方式，对于传输功率而言，本发明能够在远距离采用高功率传输模式而造成场地中其余电子设备噪声干扰与中远距离采用低功率传输模式而造成采样数据丢失的两难问题中提供自适应的最佳传输模式选择；对于传输频率而言，在一定范围内，随着传输频率的增加，信号能够传输的距离会减小。这是因为高频信号容易被建筑物、树木等阻挡，而且高频信号的衰减速度更快。然而，当传输距离超过一定范围时，低频信号也会面临同样的问题。当信号跨越较长的距离时，会遇到大量的信号衰减和干扰，导致信号质量下降，难以有效传输，而本发明能够在距离改变时适当地调整传输频率以保证最佳传输状态；对于传输信息密度而言，如果要在较长的距离上传输大量的信息，就需要更高的带宽和更快的数据传输速度。如果传输距离很短，那么即使带宽不够大，也可以以较低的速度进行传输。因此在传输距离增大或减小时，本发明可以调节将传输信息密度适应性地减小或增大，以保证传输速度和传输效果。
39.可见，本发明提供的监测系统能够显著提升数据传输质量，显著降低对周边电子设备的噪声干扰，最终显著提升监管人员发现倾斜钢柱施工安全隐患的时效性，对倾斜钢柱安装固定过程中的重要节点进行可靠、及时的安全监测。
附图说明
40.图1是本发明提供的一种优选实施方式的监测系统的组成示意图；
41.图2是本发明提供的一种优选实施方式的倾斜钢柱安装结构示意图；
42.图3是本发明提供的一种优选实施方式的套管结构示意图。
43.附图标记列表
44.100：固定部；200：检测部；300：处理部；400：监控部；500：通讯部；600：倾斜钢柱；101：刚性支撑基础；102：柔性支撑构件；103：第一套管；104：第二套管；105：临时桁架；106：第一套板；107：第二套板；108：紧固件。
具体实施方式
45.需要说明的是，当组件被称为“固定于”或“设置于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。本技术的说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是
唯一的实施方式。
46.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
47.除非另有定义，本技术的说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术。本技术的说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个有关的所列项目的任意的和所有的组合。
48.本发明提供了一种倾斜钢柱的安装监测系统，用于监测倾斜钢柱的安装过程，旨在及时发现倾斜钢柱在安装固定过程中的柱体形状和/或运动状态变化，以使得施工人员及时捕捉倾斜钢柱的异常状态以避免大型事故的发生，保证了生产和人身安全。进一步地，本发明的安装监测系统还设置了自适应、自调节的数据传输模式，以保障数据传输的高效性、及时性和精准性，对倾斜钢柱安装固定过程中的重要节点进行可靠、及时的安全监测。
49.如图1所示，本发明的安装监测系统包括固定部100，所述固定部100以限定所述倾斜钢柱在垂直和/或水平方向上的移动自由度的方式配置在所述倾斜钢柱的至少一个位置。优选地，所述固定部100由柔性支撑装置、刚性支撑装置和辅助配合装置联合构成，以实现倾斜钢柱在特定倾斜角下的临时固定效果。
50.根据一种优选的实施方式，如图1和图2所示，本发明的固定部100包括混凝土浇筑定型的刚性基础101，优选为类杯型的刚性基础件以使得倾斜钢柱600的底端可以插入刚性基础101的杯口中。固定部100还包括柔性支撑构件102，优选为与地面呈稳定三角构型的缆风绳套组。除此之外，固定部100还包括用于限制倾斜钢柱600自由端位移的临时桁架105，以及配置于倾斜钢柱600柱身、与柔性支撑构件102连接配合的若干个套管所述套管至少设置在倾斜钢柱600与刚性支撑基础101的连接位置附近，如图2中第一套管103所示。其他设置于倾斜钢柱600柱身的套管需配合其他的临时固定机构对倾斜钢柱600进行临时固定，如图2中第二套管104所示。
51.进一步地，根据一种优选的实施方式，如图2和图3所示，套管优选为由第一套板106和第二套板107扣合而成的空心管状结构，与倾斜钢柱600一同加工成型，其内壁形状、尺寸均与倾斜钢柱600表面相合。第一套板106和第二套板107通过紧固件108紧固贴合于倾斜钢柱600的表面上，紧固件108优选为具有较高强度和硬度的紧固螺栓。
52.更进一步地，所述套管上设置有数个用于获取不同种类信号的传感组件，优选为相对设置的一对测力传感器和设置于套管外壁面的角度传感器，以获取套管固定处的倾斜钢柱的受力变化和倾斜钢柱的倾斜角度变化情况。对于传感组件安装于套管内壁的具体位置或尺寸，图中没有示出，本发明对此不做限定。优选地，套管还可被配置为结构或材料强度不同的多个套管组，如图2所示，选择强度较高为第一套管103，其被配置在倾斜钢柱600与刚性支撑基础101的连接位置附近。选择强度稍低的为第二套管104和第三套管(图中未示出)，分别配置在倾斜钢柱600的中段和尾段。同时在所述若干套管上均配置相应数目的传感器组，以获取倾斜钢柱600端部和中部的受力情况和倾斜角变化情况，从而实现对倾斜钢柱600不同区域的柱体形状和工作状态有直观的数据化监测。优选地，所述套管的数量还
可依据施工难度、倾斜角度及柱体规格等因素进行适量增加。例如，对于双向倾斜的双钢柱系统，钢柱的重心在刚性基础的外侧，两钢柱各自向左右两方向倾斜，也相对于各自的刚性基础向外倾斜。这种较复杂的双钢柱系统，两钢柱的接合处或搭接处是最容易产生形变或位移的点位，需在此位置套设本发明提供的能够检测柱体形状和运动状态的套管以避免错失对关键点位的关键监测信号。
53.根据一种优选的实施方式，如图1所示，本发明的安装监测系统还包括检测部200和处理部300，所述检测部200被配置为至少一个设置在所述固定部100上的传感组件以获取关于固定部100的至少一个状态参数，所述处理部300将所述至少一个状态参数处理为能够传输的预警信息。优选地，所述检测部200的传感组件被配置为测力传感器和角度传感器。测力传感器成对地被配置在倾斜钢柱和套管的接触壁面上，用于检测倾斜钢柱与套管接触壁面的受力变化情况。所述测力传感器优选为压力传感器。
54.一般情况下，倾斜钢柱的安装固定过程会经历四个阶段：定位设计阶段、定位复测阶段、安装定位阶段、安装校正阶段。在定位设计阶段，需对倾斜钢柱进行深化模型设计，并在模型中正确导入空间轴网，根据已知的基点坐标推算倾斜钢柱上端口中心点的理论坐标，以作为倾斜钢柱定位校正的基准值。再者，由于倾斜钢柱具有相当可观的自重，通常用于辅助固定的柔性支撑机构，如缆风绳或钢丝绳，会由于倾斜钢柱的自重而发生较大的后续变形，因此在定位设计阶段就需将后续变形值纳入计算中，以使得在对倾斜钢柱进行定位时能够进行反预偏控制。此外，技术人员还需通过前期软件仿真放样，将倾斜钢柱的目标倾斜状态转换为地面多角度投影及距离，以指导施工人员对倾斜钢柱进行初步安装。接下来是定位复测阶段，技术人员需在倾斜钢柱正式进行安装前对钢柱的长度及截面尺寸进行再次测量和核定，并以此控制吊装倾斜钢柱的吊装高程。然后安装定位阶段，将倾斜钢柱按照理论角度起吊就位后，将其下端与刚性固定基础(或刚性固定机构)进行连接固定，其上端则通过钢丝绳、缆风绳、手拉葫芦等柔性支撑装置和临时支撑架等机构进行临时拉结固定，而后进入倾斜钢柱安装矫正阶段。通过调整临时固定机构对倾斜钢柱上、下段的支撑效果来对倾斜钢柱的倾斜角度进行微调，以使其符合预设的倾斜角度并进行最终固定，而后撤除临时固定装置，完成倾斜钢柱的安装工作。
55.而本发明在一种优选实施方式下提供的具有检测功能的套管应于安装定位阶段前套设于倾斜钢柱上，以反映倾斜钢柱在安装定位和安装校正时的柱体形状和运动状态。这是由于安装定位阶段和安装矫正阶段是最容易出现施工误差和施工事故的阶段。在对倾斜钢柱进行临时固定时，倾斜工作钢柱可能会由于施工动作而发生微小的形变或角度偏移，若施工人员或监管人员没有及时察觉这些微小偏差并做出相应调整，会导致倾斜钢柱的施工结果偏离预设，将使得包括倾斜钢柱在内的整体构造失去应有的结构强度，甚至无法达到设计的抗压、抗弯、抗震性能。而对倾斜钢柱进行校正后撤除临时固定装置的过程正是极易发生事故的过程，尤其是在无法获知倾斜钢柱的最终固定结果的情况下，施工人员容易在倾斜钢柱并未达到稳定倾斜状态时贸然撤除临时固定装置，引起倾斜钢柱的晃动、摆动，给作业人员带来极大的作业风险。若施工人员对倾斜钢柱的微小运动或形变处置不及时、不妥当，倾斜钢柱甚至会发生倾翻事故，将严重威胁施工现场的生命和财产安全。
56.因此，在套管和倾斜钢柱的接触面上设置测力传感器，如果倾斜钢柱发生微小位移或微小形变，测力传感器与套管内壁的抵靠面积和抵靠力的作用方向会发生变化，进而
使得倾斜钢柱作用在套管内壁上的作用力发生改变。因此，在撤除临时固定装置之前，套管和倾斜钢柱的互相抵靠的作用力变化可以表示倾斜钢柱的运动状态变化。而在撤除辅助支撑机构之后，若倾斜钢柱发生旋转或摆动，即使倾斜钢柱和套管自身质量不同会导致二者的运动存在一定的加速度差异，进而使得倾斜钢柱与套管的接触面积和接触压力发生变化，但这个变化是短暂和微小的，套管的运动状态很快就会与倾斜钢柱达成一致。可见，在此阶段，这个短暂和微小的变化过程不宜作为预警标准。也就是说，在撤除辅助支撑机构之后，套管和倾斜钢柱的抵靠力变化不可作为倾斜钢柱运动状态变化的主要参考因素。
57.因此进一步地，本发明还在套管上增设了角度传感器，作为灵敏度更高响应速度更快的检测方式，以补偿测力传感器在安装校正阶段的应用缺失。相应地，角度传感器也会在安装定位阶段同样存在不适宜使用的问题，因为在安装定位阶段，倾斜钢柱的倾斜角度会因为其他施工环节的作业而始终处于不稳定的变化状态，而此时测力传感器更为准确，因此测力传感器和角度传感器应同时配合使用。
58.由于倾斜钢柱在固定过程中的位移或角度变化都可以视为倾斜钢柱围绕刚性支撑基础与倾斜钢柱的连接固定点的转动或摆动运动，所以角度传感器优选为陀螺仪，可通过测量自身的角速度来判断当前倾斜钢柱的旋转运动状态，并且可获知倾斜钢柱是否具有相对于连接固定点的向前、向后、向左、向右的旋转运动趋势。但选用陀螺仪无法获知倾斜钢柱的空间方位，尤其是对于多个倾斜钢柱配合施工的情况，角度传感器优选为九轴传感器，更优选为将三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴电子罗盘的检测结果通过欧拉角加四元数数据融合后的组合九轴传感器，其既可以检测倾斜钢柱的运动状态，也可以获得倾斜钢柱的运动角速度，还可以获知倾斜钢柱在空间中的具体运动方向。在多个钢柱联合施工的场景下，若只关注单一钢柱相对于其连接固定点的运动状态变化，便无法预测各倾斜钢柱在空间中发生运动时可能出现的碰撞情况。因此，对于多钢柱联合施工的情况，优选采用九轴传感器测量其倾斜度，以使得施工人员和监管人员能够连接各倾斜钢柱的空间方位，从而在避免单个倾斜钢柱倾斜偏转的同时，也避免各倾斜钢柱的在倾斜角度不可控时互相产生碰撞。
59.特别地，所述套管和传感器还可以基于倾斜钢柱的柱体应力变化情况呈现密度可变的阵列式分布，倾斜钢柱柱体的应力分布情况与其倾斜角度和钢柱长度存在非线性的映射关系，因此优选根据倾斜钢柱的柱体应力分布密度布置传感器分布密度。
60.进一步地，根据一种优选的实施方式，所述固定部100上还配置有用于将传感组件采集所得的至少一个状态参数处理为能够传输的预警信息的处理部300。所述处理部300优选为配置有adc的微型mcu芯片，以将传感组件采集所得的信号转换成便于中央处理器进行处理的数字信号，并将传感组件的数字信号经处理和分析后形成用于表示倾斜钢柱状态的预警信息，预警信息至少包括与柱体形状变化有关的一类预警、与运动状态变化有关的二类预警和与柱体形状、运动状态均有关的三类预警。其中，一类预警指倾斜钢柱柱体发生微小形变，二类预警指倾斜钢柱发生位移运动，三类预警指倾斜钢柱同时发生柱体形变和位移运动。
61.在一种优选的实施方式下，当单个套管上的一对测力传感器的采集数据发生同步变化时，表示此位置的钢柱壁面与套管的抵靠状态发生变化，此时考虑目标倾斜钢柱是否发生旋转或摆动，处理部300生成二类预警。需明确的是，测力传感器的同步变化指的是两
传感器的变化发生时刻相同、变化浮动范围相同。进一步地，若目标倾斜钢柱上配置有多个套管，每个套管上均设置有一对测力传感器时，需进一步联合其他套管的测力传感器对的变化结果进行判断，若其他任一套管的测力传感器对的采集数据发生相同变化，即数据变化发生时刻相同、变化数据的浮动范围相同，则认为是目标倾斜钢柱整体发生了位移，此时处理部300生成二类预警；若其余套管上的测力传感器对均未体现出变化，则说明倾斜钢柱发生了区域性的受力波动，此时处理部300生成一类预警，并将微小形变预警和发生传感数据波动的套管位置联合标记为一个数据组；更进一步地，若目标倾斜钢柱上的若干测力传感器的采集数据均发生了不同变化，即数据变化发生时刻不同、变化数据的浮动范围不同，此时也可说明倾斜钢柱发生了局部的受力波动，甚至是密集出现的局部受力波动，此时的目标倾斜钢柱甚至存在断裂风险，此时处理部300生成一类预警并根据数据浮动范围提示相应的风险等级。特别地，当一对测力传感器的采集数据变化不同步时，此时可能出现传感器故障，或套管未正确装配等情况，此时处理部300生成提示检查信号，以提示施工人员暂停施工进程，排除设备故障。
62.相应地，对于套管上的角度传感器来说，当单个套管上的角度传感器的采集数据发生变化时，表示此位置的倾斜钢柱的倾斜角度发生变化，若目标倾斜钢柱上仅配置了一个套管，则需联合该套管上的测力传感器对的采集数据变化情况进行联合考虑。若单个套管上的角度传感器和测力传感器的采集数据均发生变化，则说明套管处的钢柱壁面与套管的接触状态发生变化，与此同时，目标倾斜钢柱(至少是套管附近区域)发生了旋转或摆动，此时处理部300生成三类预警并提示风险区域(即单个套管的配置区域)；若单个套管上角度传感器的采集数据发生变化，测力传感器的采集数据无变化，则说明目标倾斜钢柱整体发生了旋转或摆动，此时处理部300生成二类预警；若单个套管上角度传感器的采集数据无变化，而测力传感器对的采集数据发生变化，则说明套管附近的倾斜钢柱没有发生旋转或摆动，但套管内的倾斜钢柱发生了形变而导致钢柱壁面和套管内壁的抵靠作用力发生变化，此时处理部300生成一类预警。进一步地，若目标倾斜钢柱上配置有多个套管，每个套管上均设置有角度传感器时，需进一步联合其他套管的角度传感器对变化结果进行判断，若其他任一套管的角度传感器的采集数据发生相同变化，即数据变化发生时刻相同、变化数据的浮动范围相同，则认为是目标倾斜钢柱整体发生了位移，此时处理部300生成二类预警；若其余套管上的角度传感器均未体现出变化，则说明倾斜钢柱发生了区域性的受力波动，此时处理部300生成一类预警，并将微小形变预警和发生传感数据波动的套管位置联合标记为一个数据组；更进一步地，若目标倾斜钢柱上的若干角度传感器的采集数据均发生了不同变化，即数据变化发生时刻不同、变化数据的浮动范围不同，此时也可说明倾斜钢柱的不同区域可能已经开始出现不同程度的形变甚至是断裂，从而引起了不同区域的运动状态不连续状况，此时处理部300生成一类预警并根据数据浮动范围提示相应的风险等级。
63.在另一种实施方式下，配置于目标倾斜钢柱上的至少一个测力传感器或角度传感器可以连续或在一定频率下间隔地采集目标倾斜钢柱的状态参数，各传感器的采集结果以数字信号的形式记录，也可以以图形的形式进行记录，此处不做任何限定。
64.根据一种优选的实施方式，考虑到固定部100及固定部100上的传感组件的成本问题，可以仅在固定部100上设置测力传感器，而对于目标倾斜钢柱在安装过程中的角度测量，还可以采用施工场景中常用免棱镜全站仪进行。首先，在距离需要检测的目标倾斜钢柱
的至少20米处设置具有免棱镜测距功能的全站仪，并将此作为进行测量工作的工作基点。在该工作基点上对目标倾斜钢柱的顶部和底部(或相对顶端和底端)进行水平角观测，需同时记录目标倾斜钢柱顶部和底部(或相对顶端和底端)左右两侧的水平角，并对二者进行平均处理获得目标倾斜钢柱观测点中心的水平角。然后，根据当地的磁偏角和地理经度计算真北方向与磁北方向的夹角，将测得的水平角减去上述夹角即可获得目标倾斜钢柱相对于磁北方向的方位角。最后，将全站仪对准目标倾斜钢柱的顶部和底部，采用免棱镜测距方法，结合方位角确认目标倾斜钢柱的倾斜距离和水平距离，并采用如下公式计算获得目标倾斜钢柱的倾斜度：
65.α＝arc tan(a
÷
b)
66.其中，α是目标倾斜钢柱的倾斜度；a是目标倾斜钢柱的倾斜距离，指目标倾斜钢柱顶部与垂直方向之间的距离，b是目标倾斜钢柱的水平距离，指目标倾斜钢柱底部与测量点之间的距离。
67.进一步地，采用免棱镜全站仪测量倾斜度时也可以设置多个工作基点进行测量，例如在目标倾斜钢柱的相对两侧设置两个与目标倾斜钢柱的夹角约为90度的工作基点，并分别测量、分别计算出两组倾斜度结果，对二者进行误差比较和误差补偿，以避免单个测量结果误差较大而影响对目标倾斜钢柱的安装固定过程的安全监测效果。但需注意的是，免棱镜全站仪测量法是利用现有的装置，一定程度上可以降低设备更新成本，但是该种方法需要人工操作，无法做到对倾斜钢柱的实时监测，容易错失关键监测点。因此，该方法仅适用于施工难度低、监测对象少的工程项目。
68.根据一种优选的实施方式，如图1所示，本发明提供的监测系统还包括监控部400和通讯部500，通讯部500配置在固定部100上，通讯部500以第一传输参数将所述预警信息传输至所述监控部400。进一步地，所述监控部400被配置为能够检测其与所述通讯部500之间的距离，所述监控部400基于所述距离确定所述通讯部500的传输参数，所述通讯部500基于所述输参数将所述预警信息传输至所述监控部400，其中，所述传输参数至少包括预设的第一传输参数和根据距离调整的第二传输参数，第一传输参数与第二传输参数不同，所述第一传输参数和第二传输参数是传输功率、传输信息密度、传输频率中的一个或多个。
69.优选地，第一传输参数优选为提前预设的初始传输参数，更优选为对前一目标倾斜钢柱进行监测时出现次数最多的传输参数，即对前一目标倾斜钢柱进行监测的过程中，携带监控部400的监管人员根据个人习惯或施工要求最常出现的位置，该位置与倾斜钢柱形成的相对距离时的传输参数将是出现次数最多的传输参数。
70.进一步地，监控部400被配置为集成有测距功能的soc芯片以在工作期间随时检测监控部400和固定部100的距离。实现的测距的方法包括但不限于gps卫星定位法、红外测距法、微波测距法。考虑到设备成本不宜过高，优选采用红外测距法，并在监控部400和固定部100上分别布置红外线发射器和红外线接收器。
71.在另一种优选的实施方式下，监控部400与固定部100的距离检测还可以通过标定法，即检测配置于目标倾斜钢柱600上的通讯部500和监管人员随身携带的监控部400的通讯信道的传输信号，并基于通讯信道的传输信号确定通讯信道的信道属性量确定现场人员和目标倾斜钢柱的实时距离。信道属性量是指用来描述无线电信号在传输过程中的特性和质量的一系列参数，例如信噪比、带宽、功率、频率响应、多径效应等。其中，信噪比是指信号
与背景噪声之间的比值，带宽表示信号所占的频带宽度，功率指信号的强度，频率响应表示信道对于不同频率的信号的衰减情况，而多径效应则是由于信号在传输过程中经历了多条不同路径而引起的干扰现象。若通讯信道的信道属性量发生改变，即可说明监控部400和通讯部500直接的距离发生改变。例如，若信道属性量中的信号强度减小、信噪比降低或丢包率变大，则说明监控部400与通讯部500的距离变大，反之则说明监控部400与通讯部500的距离变小。根据信道属性量的变化情况可以获知监控部400与通讯部500的距离变化情况进而确定二者的实时间距。
72.进一步地，监控部400可在预设的传输参数和传输距离的对应关系的指导下基于所测得的监控部400和通讯部500的实时距离来自适应地调节第二传输参数，以保证信号传输过程不会因为距离过大而导致的信号衰减影响传输效果，或因为距离过小时通讯部500依然以不变的传输参数进行传输工作而使得传输效果溢出，不仅浪费资源、占用通讯频道，还可能对场内其他设备造成不必要的信噪干扰。
73.优选地，对传输参数的调整和切换至少包括调整传输功率这一个参数，传输参数和传输距离的对应关系至少包括传输参数-传输距离经验公式。预设的传输参数-传输距离经验公式可以通过预先进行场景模拟实验后形成的传输参数-传输距离关系表，再进行数学拟合生成。本领域技术人员可以进行简单的模拟实验，综合传输效率、传输效果和传输经济成本三方面因素，确定最佳传输状态。然后不断改变传输距离，并在过程中控制多个传输参数中的一个以保证传输效果维持在最佳传输状态。例如，保持传输功率、传输信息密度不变，仅根据距离变化改变传输频率，通常来说，传输频率越高传输距离越短，基于这个基本变化规律，在距离改变时调整传输频率以使得传输状态最佳，从而获得最佳传输状态下传输频率-传输距离关系表，进而获得传输频率-传输距离经验公式。相应地，传输功率-传输距离经验公式、传输信息密度-传输距离经验公式的获取方法同上，在此不过多赘述。
74.优选地，依据传输参数-传输距离经验公式，监控部按照与传输距离变化趋势相同和/或相反的方式对传输频率、传输功率和传输信息密度中的一个或多个进行适应性调整，以保证监控部与通讯部处于中远距离时的传输效果，同时减小监控部与通讯部处于较近距离时的通讯资源浪费。
75.具体地，对于传输频率，监控部按照与监控部和通讯部距离变化趋势相反的方式调整通讯部的传输频率，即，当通讯部与监控部的距离增大时，监控部控制通讯部的传输频率逐渐减小，当通讯部与监控部的距离呈减小趋势时，监控部控制通讯部的传输频率逐渐增大；对于传输功率，监控部按照与监控部和通讯部距离变化趋势相同的方式调整通讯部的传输功率，即，当通讯部与监控部的距离呈增大趋势时，监控部控制通讯部的传输功率逐渐增大，当通讯部与监控部的距离呈减小趋势时，监控部控制通讯部的传输频率逐渐减小；对于传输信息密度，监控部按照与监控部和通讯部距离变化趋势相反的方式调整通讯部的传输功率，在通讯部与监控部的距离呈增大趋势时，监控部控制通讯部的传输信息密度逐渐减小，当通讯部与监控部的距离呈减小趋势时，监控部控制通讯部的传输信息密度逐渐增大。
76.更进一步地，对于待调节的传输参数种类的选择可以是现场人员基于施工现场实际环境情况输入设定的，也可以是由系统自动检测施工现场相关环境参数而进行适应性选择的。若施工现场存在较多信号屏蔽物或分布较多建筑物、树木等，对于传输频率的调节将
处于最末优先级，这是因为传输信号的不同频率对应会由不同类型的障碍物造成针对性阻挡，此时调节传输功率和传输信息密度能够更有效地控制传输效果；若施工现场是大型场地，则携带监控部的监管人员与目标倾斜钢柱之间的距离始终处于较大距离范围，由于带宽等设备调节的上限和下限限制，此时调节传输信息密度对于传输效果的调节效果并不明显，因此在该种情况下，对于传输信息密度的调节将处于最末优先级；而对于传输功率而言，更多地取决于硬件设施、通讯基础设施、设备负载等因素，因此对于传输功率的调节优选由现场人员基于项目实际情况和经济成本因素进行。
77.进一步地，监控部400可以根据已优先设定于程序中的传输参数-传输距离经验公式，基于实时变化的传输距离自适应地调节通讯部500的第二传输参数。需要说明的是，根据经验公式的调节过程是无极调节的动态过程。在另一种实施方式下，本领域技术人员也可以在实验中选取传输效果佳、传输成本经济时的传输参数作为标定传输参数，标定传输参数至少包括标定传输功率、标定传输信息密度、标定传输频率中的一个或多个。相应地，监控部400可以取消对传输距离的实时连续检测，而采用更加经济的周期或频率测距模式，从而可以根据当前的传输距离选取对应的标定传输参数，此时监控部400对于第二传输参数的调整过程是分档位、分阶段渐增或渐减调节的。上述两种调节第二传输参数的方法都是可取的，具体可依据工程规模、场地大小、地形复杂程度、经济预算等成本进行选择，在此不作为限定。
78.根据一种优选的实施方式，通讯部500将预警信息发送给监控部400时优选采用将数据进行压缩的方式以加快数据传输速度，同时也降低数据传输负担。通讯部500可以对处理部300处理后的单一套管上的传感数据进行压缩处理后并排形成多个压缩包进行顺序传输，也可以将处理部300处理后的所有套管的传感数据压缩成一个压缩包进行整体传输，在此不做限定。此外，通讯部500处理得到的压缩包还包括时间编码以供监控部400确认目标倾斜钢柱工作状态参数的监测连续性，进而对目标倾斜钢柱的工作状态数据按照时序进行集中存储。
79.本发明还提供一种倾斜钢柱的安装监测方法，包括以下步骤：
80.s1：采用一种倾斜钢柱的安装监测系统，其至少包括配置于倾斜钢柱的固定部100和移动式的监控部400；
81.s2：以限定所述倾斜钢柱在垂直和/或水平方向上的移动自由度的方式将固定部100配置在所述倾斜钢柱的至少一个位置；
82.s3：基于至少一个设置在所述固定部100上的传感组件获取与倾斜钢柱自身形状和/或运动状态有关的至少一个状态参数；
83.s4：基于所述状态参数生成并传输与倾斜钢柱自身形状和/或运动状态有关的预警信息；
84.其中，
85.所述预警信息的传输参数是基于所述倾斜钢柱与所述监控部的距离而确定的。
86.优选地，监控部基于预设的传输参数和传输距离的对应关系确定所述传输参数，传输参数和传输距离的对应关系至少包括传输参数-传输距离经验公式。
87.优选地，所述传输参数是传输功率、传输信息密度、传输频率中的一个或多个，所述传输参数切换时的调整内容包括调整传输频率、调整传输功率、调整传输信息密度中的
一个或多个。
88.优选地，所述预警信息至少包括与柱体形状变化有关的一类预警、与运动状态变化有关的二类预警和与柱体形状、运动状态均有关的三类预警。
89.需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

技术特征：
1.一种倾斜钢柱的安装监测系统，用于对倾斜钢柱的安装过程进行安全监测，其特征在于，包括：固定部（100），附接并固定至倾斜钢柱以限制所述倾斜钢柱在垂直和/或水平方向的移动自由度；检测部（200），附接并固定至所述固定部（100）以获取与所述倾斜钢柱自身形状和/或运动状态有关的至少一个状态参数；处理部（300），基于所述状态参数生成并传输与倾斜钢柱自身形状和/或运动状态有关的预警信息，其中，所述预警信息的传输参数是基于所述倾斜钢柱与监控部（400）的距离而确定的。2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述预警信息至少包括与柱体形状变化有关的一类预警、与运动状态变化有关的二类预警和与柱体形状、运动状态均有关的三类预警。3.根据前述任一权利要求所述的监测系统，其特征在于，还包括通讯部（500），所述通讯部（500）用于将所述与倾斜钢柱自身形状和/或运动状态有关的预警信息无线传输至监控部（400），所述监控部（400）被配置为监管人员随身携带的移动式的智能终端设备。4.根据前述任一权利要求所述的监测系统，其特征在于，检测所述监控部（400）与所述通讯部（500）之间的距离，包括：检测所述监控部（400）和所述通讯部（500）的通讯信道的信道属性量，基于所述信道属性量和距离的变化关系确定所述监控部（400）与所述通讯部（500）之间的距离，其中，所述信道属性量包括所述通讯部（500）向所述监控部（400）传输预警信息时的信号信噪比、信号强度、丢包率中的一个或多个。5.根据前述任一权利要求所述的监测系统，其特征在于，所述监控部（400）基于预设的传输参数和传输距离的对应关系确定所述通讯部（500）的传输参数。6.根据前述任一权利要求所述的监测系统，其特征在于，所述传输参数是传输频率、传输功率、传输信息密度中的一个或多个，所述通讯部（500）的传输参数切换时的调整内容包括调整传输频率、调整传输功率、调整传输信息密度中的一个或多个。7.根据前述任一权利要求所述的监测系统，其特征在于，所述检测部（200）被配置为至少一个设置于所述固定部（100）的传感组件，所述传感组件至少包括用于检测形状变化的测力传感器和用于检测倾斜钢柱运动状态变化的角度传感器，所述倾斜钢柱的状态参数至少包括柱体形状变化参数和运动状态变化参数。8.一种倾斜钢柱的安装监测方法，其特征在于，采用一种倾斜钢柱的安装监测系统，其至少包括配置于倾斜钢柱的固定部（100）和移动式的监控部（400）；以限定所述倾斜钢柱在垂直和/或水平方向上的移动自由度的方式将固定部（100）配置在所述倾斜钢柱的至少一个位置；基于设置在所述固定部（100）上的至少一个传感组件获取与所述倾斜钢柱自身形状和/或运动状态有关的至少一个状态参数；基于所述状态参数生成并传输与所述倾斜钢柱自身形状和/或运动状态有关的预警信
息；其中，所述预警信息的传输参数是基于所述倾斜钢柱与所述监控部（400）的距离而确定的。9.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于，所述监控部（400）基于预设的传输参数和传输距离的对应关系确定所述传输参数。10.根据权利要求8或9所述的监测方法，其特征在于，所述预警信息至少包括与柱体形状变化有关的一类预警、与运动状态变化有关的二类预警和与柱体形状、运动状态均有关的三类预警。11.根据权利要求10所述的监测方法，其特征在于，所述传输参数是传输频率、传输功率、传输信息密度中的一个或多个；所述传输参数切换时的调整内容包括调整传输频率、调整传输功率、调整传输信息密度中的一个或多个。

技术总结
本发明提供了一种倾斜钢柱的安装监测系统，用于监测倾斜钢柱的安装过程，包括固定部，配置在所述倾斜钢柱的至少一个位置上，用以限定所述倾斜钢柱在垂直和/或水平方向上的移动自由度；检测部，配置为至少一个传感组件以获取关于固定部的至少一个状态参数；处理部，将所述至少一个状态参数处理为能够传输的预警信息；监控部，基于监控部和倾斜钢柱的实时距离自适应地确定通讯部的传输参数；通讯部，将预警信息无线传输至监控部，以使得监管人员能及时发现倾斜钢柱在安装固定过程中的柱体形状和/或运动状态变化，同时监控部自适应调节数据传输参数以保障数据传输的高效性、及时性和精准性。和精准性。和精准性。


技术研发人员：薛元新 张鹏飞 唐海波 王会斌 李高峰 侯帅 常磊 张艳民 黄天琪 万小飞 黄金龙 孔宏 魏娜
受保护的技术使用者：北京城建轨道交通建设工程有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/28