CN112487532B - 高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法、装置及应用 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法、装置及应用，其方法包括：获取打桩区域的地形点云数据和设计桩参数；根据设计桩参数，在预设打桩位置打桩；根据地形点云数据，绘制三维地形图；进行桩中心线与设计高程面交点的工程坐标计算；根据实际桩体在空间中的三维实时位置，构建实际桩体的三维空间参数方程，得到实际桩体和设计桩体之间距离函数，对距离函数求解，得到实际桩体和设计桩体之间最小距离、实际桩体和设计桩体的桩***置；判断实际桩体和设计桩体之间最小距离是否超出阈值范围，如超出则进行预警。本公开实时监测和预警桩在海底持力层、海水水面和其他桩构成的三维空间位置，提高打桩的精度、可靠性和效率。

Description

高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法、装置及应用

技术领域

本公开涉及建筑工程领域，尤其涉及一种高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法、装置及应用。

背景技术

目前我国基础设施建设迅速发展，工程建设规模越来越大，对精度、可靠性和效率的要求也越来越高。桩作为工程建设的重要基础，打桩的精度直接影响到后续工程建设质量。海上打桩与陆地打桩相比更容易受到环境的影响，如风速大小、水面波动幅度和海底泥沙摩擦力等。因此，提供桩在海面和海底持力层构成的三维空间位置和桩之间距离预警是保证工程质量的必要过程。

利用RTK(Rael-time kinematic，实时差分定位)和其他设备进行高精度桩定位的方式逐渐成为主流，特别是北斗国家导航***的顺利组网建成，为高精度桩定位提供了硬件支撑。目前，打桩船一般具有3个GPS(Global Positioning System，全球定位***)、1个船体测倾仪、2个测距仪和1个桩测倾仪，其中GPS接收来自卫星的定位信号并得到实时工程坐标，船体测倾仪测量船在风和水面作用下的倾角、测距仪测量桩相对于抱桩器的相对位移、桩测倾仪测量桩与竖直线的夹角。打桩船主要由抱桩器、起吊支架和控制室组成。风向改变、水面起伏和打桩锤的震动对仪器产生干扰，干扰严重时使得仪器失效。尽管现有的打桩***建立了多个获取桩空间位置的备选方案以解决仪器非正常工作的问题，例如韦长算等提出了自动选择最优桩定位方案的融合方法，但仍然存在以下问题：

(1)船体结构遮挡和打桩锤震动对RTK信号存在干扰，影响GPS定位精度，缺少对RTK信号预处理；

(2)当仪器自身故障造成仪器监测数据偏离正常值范围时，缺少对仪器状态的评价和对仪器故障的预警，监测数据的可靠性无法保证；

(3)通过人工或者***选择桩空间位定位方案中的一种作为唯一的桩定位方案，缺少不同方案间的对比和权重赋值，无法自适应不同设备组建的定位方案，无法量化桩定位的精度和可靠性；

(4)使用最小二乘法确定坐标系相互转换参数。若数据点存在粗差，则会影响转换参数的精度，缺少对粗差数据点的处理；

(5)打桩可视化以二维俯视图居多，仅能展现在设计高程桩截面位置与设计位置的相对关系，缺少桩与地基基础持力层和海水水面之间位置关系，不能直观展现打桩时桩的倾向和倾角；

(6)打桩时无法对桩间距离计算和预警，当桩方位和桩间距离超过工程允许值时无相应预警，容易造成工程损失，工程效率无法得到保证。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法、装置及应用，以解决以上所提出的打桩***无法量化仪器自身状态、无法自适应不同桩定位方法、无法直观精确展示桩空间位置和桩距离预警的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法，包括：

S1，获取打桩区域的地形点云数据和设计桩参数；

S2，根据设计桩参数，在预设打桩位置进行打桩；

S3，根据地形点云数据，绘制三维地形图；

S4，进行桩中心线与设计高程面交点的工程坐标计算；

S5，根据实际桩体在空间中的三维实时位置，构建出实际桩体的三维空间参数方程，进而得到实际桩体和设计桩体之间距离函数，对距离函数进行求解，得到实际桩体和设计桩体之间最小距离、实际桩体的桩***置和设计桩体的桩***置；

S6，如果实际桩体和设计桩体之间最小距离没有超出阈值范围，持续打桩至完成。

在本公开的一些实施例中，如果实际桩体和设计桩体之间最小距离超出阈值范围，发出预警提示，重新返回S1中对设计桩参数进行调整。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S4包括：

子步骤S41，获取三个GPS定位装置接收的坐标信号，计算得到对应所述GPS定位装置的工程坐标，建立以船为参考目标的船固坐标系；

子步骤S42，将船固坐标系向水平面投影，建立基于船的船固水平坐标系；

子步骤S43，基于设计桩体建立工程坐标，根据船固水平坐标系、船固水平坐标系与工程坐标系共同存在的数据点坐标，使用Theil-Sen回归预测方法计算船固水平坐标系、船固水平坐标系与工程坐标系之间转换参数：

y＝α+βx+ε

其中，

α为回归公式常数；ε为回归误差；x为数据点x轴坐标；y为数据点y轴坐标；

子步骤S44，获取侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪相对于桩的坐标信号，根据侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪运行的不同状态，分别构建多个设计桩体中心线与设计高程面交点的工程坐标计算方法；

子步骤S45，计算在侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪运行的不同状态时，每个设计桩体中心线与设计高程面交点的工程坐标计算方法的权重，加权平均得到交点的工程坐标。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S41中，获取三个GPS定位装置接收的坐标信号，计算得到对应所述GPS定位装置的工程坐标，建立以船为参考的船固坐标系包括：

使用零相位滤波公式：

Y(e^jω)＝X(e^jω)|H(e^jω)|²

其中，Y为滤波后的三个GPS定位装置的坐标信号；X为三个GPS定位装置接收的坐标信号；|H(e^jω)|为滤波***增益；e^jω为待滤波信号的频域表示；

根据滤波后的三个GPS定位装置的坐标信号，确定三个GPS定位装置的工程坐标，并建立以船为参考的船固坐标系。

在本公开的一些实施例中，所述步骤S5包括：

子步骤S51，利用空间几何方法，在全部设计桩体中提出可能与实际桩体发生碰撞的设计桩体；

子步骤S52，分别建立实际桩体与设计桩体的三维空间方程；

子步骤S53，以实际桩体与设计桩体的三维空间方程，构建实际桩体与设计桩体间的距离函数，并计算实际桩体和设计桩体三维空间方程的梯度函数；

子步骤S54，根据实际桩体与设计桩体间的距离函数，利用盒约束非线性优化问题迭代处理求解方程，计算得到最小距离。

在本公开的一些实施例中，获取地形点云数据，绘制打桩背景图；其中，所述地形点云数据包括：施工区域地形数据与海水水位。

在本公开的一些实施例中，所述设计桩参数包括桩俯仰角、桩型、桩长、桩宽、扭角、坡比、X坐标、Y坐标、设计高。

根据本公开的另一个方面，提供了一种高精度自适应三维实时可视化打桩预警装置，包括：

获取模块，用于获取打桩区域的地形点云数据和设计桩参数；

打桩模块，用于根据设计桩参数，在预设打桩位置进行打桩；

绘制模块，用于根据地形点云数据，绘制三维地形图；

桩三维空间实时位置计算模块，用于进行桩中心线与设计高程面交点的工程坐标计算；

桩三维空间实时碰撞监测模块，用于根据实际桩体在空间中的三维实时位置，构建出实际桩体的三维空间参数方程，进而得到实际桩体和设计桩体之间距离函数，对距离函数进行求解，得到实际桩体和设计桩体之间最小距离、实际桩体的桩***置和设计桩体的桩***置；

桩三维空间实时碰撞报警模块，用于在实际桩体和设计桩体之间最小距离超出阈值范围时进行报警。

根据本公开的另一个方面，提供了一种计算机***，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序，

其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。

根据本公开的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器实现上述的方法。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法、装置及应用至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开同时三维可视化桩与海底持力层和海水面间的相对位置，通过盒约束非线性优化问题迭代方法，设置相应目标函数及梯度，计算桩之间最小距离及对应桩***置，提供桩距离预警，由此构建三维可视化打桩预警***。

(2)本公开通过引入零相位滤波方法，以解决信号遮蔽和打桩锤震动的影响，在仪器监测数据中引入自回归方法实现对仪器状态的评价和数据预处理。

(3)根据不同桩定位方法中使用的仪器状态赋予不同权重，以量化桩定位的精度和可靠性。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法的示例性***架构；

图2示意性示出了根据本公开实施例的高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法的流程图；以及

图3示意性示出了根据本公开实施例的高精度自适应三维实时可视化打桩预警装置的框图。

图4示意性示出了根据本公开实施例的适于高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法的第一电子设备的框图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的***”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的***等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的***”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的***等)。

本公开的实施例提供了一种高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法，包括：获取打桩区域的地形点云数据；获取三个GPS定位装置接收的坐标信号，计算得到对应所述GPS定位装置的工程坐标，建立以船为参考的船固坐标系；获取打桩船侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪相对于桩的坐标信号；根据设计桩参数，打桩船驶入预设打桩位置，开始进行打桩；根据地形点云数据，绘制三维地形图；进行桩中心线与设计高程面交点的工程坐标计算；根据实际桩体在空间中的三维实时位置，构建出实际桩体的三维空间参数方程，进而得到实际桩体和设计桩体之间距离函数，对距离函数进行求解，得到实际桩体和设计桩体之间最小距离、实际桩体的桩***置和设计桩体的桩***置；如果实际桩体和设计桩体之间最小距离没有超出阈值范围，持续打桩至完成。

图1示意性示出了根据本公开实施例的高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法的示例性***架构。需要注意的是，图1所示仅为可以应用本公开实施例的***架构的示例，以帮助本领域技术人员理解本公开的技术内容，但并不意味着本公开实施例不可以用于其他设备、***、环境或场景。

如图1所示，根据该实施例的***架构100可以包括终端设备101、102、103，网络104和服务器105。网络104用以在终端设备101、102、103和服务器105之间提供通信链路的介质。网络104可以包括各种连接类型，例如有线和/或无线通信链路等等。

用户可以使用终端设备101、102、103通过网络104与服务器105交互，以接收或发送消息等。终端设备101、102、103上可以安装有各种信息***，例如交易***，数据库***等其他业务***。

终端设备101、102、103可以是具有显示屏并且支持网页浏览的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、膝上型便携计算机和台式计算机等等。

服务器105可以是提供各种服务的服务器，例如对用户利用终端设备101、102、103所浏览的网站提供支持的后台管理服务器(仅为示例)。后台管理服务器可以对接收到的用户请求等数据进行分析等处理，并将处理结果(例如根据用户请求获取或生成的网页、信息、或数据等)反馈给终端设备。

需要说明的是，本公开实施例所提供的高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法一般可以由服务器105执行。相应地，本公开实施例所提供的高精度自适应三维实时可视化打桩预警装置一般可以设置于服务器105中。本公开实施例所提供的高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法也可以由不同于服务器105且能够与终端设备101、102、103和/或服务器105通信的服务器或服务器集群执行。相应地，本公开实施例所提供的高精度自适应三维实时可视化打桩预警装置也可以设置于不同于服务器105且能够与终端设备101、102、103和/或服务器105通信的服务器或服务器集群中。或者，本公开实施例所提供的也可以由终端设备101、102、或103执行，或者也可以由不同于终端设备101、102、或103的其他终端设备执行。相应地，本公开实施例所提供的高精度自适应三维实时可视化打桩预警装置也可以设置于终端设备101、102、或103中，或设置于不同于终端设备101、102、或103的其他终端设备中。

例如，与地形点云数据可以原本存储在终端设备101、102、或103中的任意一个(例如，终端设备101，但不限于此)之中，或者存储在外部存储设备上并可以导入到终端设备101中。然后，终端设备101可以在本地执行本公开实施例所提供的高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法，或者将地形点云数据发送到其他终端设备、服务器、或服务器集群来执行本公开实施例所提供的高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法。

应该理解，图1中的终端设备、网络和服务器的数目仅仅是示意性的。根据实现需要，可以具有任意数目的终端设备、网络和服务器。

本公开的实施例提供了一种高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法及装置，同时三维可视化桩与海底持力层和海水面间的相对位置，通过盒约束非线性优化问题迭代方法，设置相应目标函数及梯度，计算桩之间最小距离及对应桩***置，提供桩距离预警。

图2示意性示出了根据本公开实施例的高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法的流程图。

如图2所示，该方法包括操作S1～S7。

操作S1，获取打桩区域的地形点云数据和设计桩参数。

例如，地形点云数据选择施工区域地形数据、海水水位中一个或多个。

例如，设计桩参数选择桩俯仰角、桩型、桩长、桩宽、扭角、坡比、X坐标、Y坐标、设计高中一个或多个参数，其他本领域技术人员可以获知的设计参数这里不再一一例举。

操作S2，根据设计桩参数，打桩船驶入预设打桩位置，开始进行打桩。

操作S3，根据地形点云数据，绘制三维地形图。

操作S4，进行桩中心线与设计高程面交点的工程坐标计算。其中，所述操作S4还包括：

子步骤S41，获取三个GPS定位装置接收的坐标信号，计算得到对应所述GPS定位装置的工程坐标，建立以船为参考目标的船固坐标系。

其中，使用零相位滤波公式：

Y(e^jω)＝X(e^jω)|H(e^jω)|²

其中，Y为滤波后的三个GPS定位装置的坐标信号；X为三个GPS定位装置接收的坐标信号；|H(e^jω)|为滤波***增益；e^jω为待滤波信号的频域表示；

根据滤波后的三个GPS定位装置的坐标信号，确定三个GPS定位装置的工程坐标，并建立以船为参考的船固坐标系。

通过零相位滤波方法解决信号遮蔽和打桩锤震动的影响，在仪器监测数据中引入自回归模型实现对仪器状态的评价和数据预处理。

子步骤S42，将船固坐标系向水平面投影，建立基于船的船固水平坐标系。

子步骤S43，基于设计桩体建立工程坐标，根据船固水平坐标系、船固水平坐标系与工程坐标系共同存在的数据点坐标，使用Theil-Sen回归预测方法计算船固水平坐标系、船固水平坐标系与工程坐标系之间转换参数：

y＝α+βx+ε

其中，

α为回归公式常数；ε为回归误差；x为数据点x轴坐标；y为数据点y轴坐标。

子步骤S44，获取侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪相对于桩的坐标信号，根据侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪运行的不同状态，分别构建多个设计桩体中心线与设计高程面交点的工程坐标计算方法。

根据设计原理，当某些设备工作状态不理想时，***仍然可以使用另外的计算方法以计算桩的位置。但此时由于条件检核较少，对定位的可靠性有一定的影响。下表将各个设备可能出现的情况，进行罗列，得到可能出现的九种方案。

其中，表格中“√”代表仪器工作正常，“×”代表仪器工作异常。

方案1即为各个仪器均正常的情况下，执行步骤S4。当3个GPS中任意一个工作异常时，可由测倾仪与另外2个GPS推算工作异常GPS的正常数据，从而将方案2、4、6的计算方法转换为方案1，进而实施计算。当测距仪工作异常时，可由打桩船支架上某一固定已知点的船固坐标推算桩体中心线与设计高程面交点的工程坐标，从而不用建立基于测距仪的坐标系，进而完成方案3、5、7的计算，但这些方案精度较低。当测倾仪工作异常时，3个GPS必须全部处于正常状态，否则无法进行坐标计算，此时可由3个GPS推算测倾仪的距常数据，从而将方案9的计算方法转换为方案3、5、7，进而实施计算。

子步骤S45，计算在侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪运行的不同状态时，每个设计桩体中心线与设计高程面交点的工程坐标计算方法的权重，加权平均得到交点的工程坐标。对于上述九个方案中每个方案的权重，与每个仪器数据的完整性、单位时间内仪器数据波动的程度和方案中仪器的数量种类相关。

操作S5，根据实际桩体在空间中的三维实时位置，构建出实际桩体的三维空间参数方程，进而得到实际桩体和设计桩体之间距离函数，对距离函数进行求解，得到实际桩体和设计桩体之间最小距离、实际桩体的桩***置和设计桩体的桩***置。其中，步骤S5包括：

子步骤S51，利用空间几何方法，在全部设计桩体中剔除可能与实际桩体发生碰撞的设计桩体；

子步骤S52，分别建立实际桩体与设计桩体的三维空间方程；

子步骤S53，以实际桩体与设计桩体的三维空间方程，构建实际桩体与设计桩体间的距离函数，并计算实际桩体和设计桩体三维空间方程的梯度函数；

子步骤S54，根据实际桩体与设计桩体间的距离函数，利用盒约束非线性优化问题迭代处理求解方程，计算得到最小距离。

操作S6，如果实际桩体和设计桩体之间最小距离没有超出阈值范围，持续打桩至完成。如果实际桩体和设计桩体之间最小距离超出阈值范围，发出预警提示，重新返回S1中对设计桩参数进行调整。

图3示意性示出了根据本公开实施例的高精度自适应三维实时可视化打桩预警装置的框图。

如图3所示，高精度自适应三维实时可视化打桩预警装置，包括：获取模块310、打桩模块320、绘制模块330、桩三维空间实时位置计算模块340、桩三维空间实时碰撞监测模块340和桩三维空间实时碰撞报警模块360。以下分别对每个模块进行介绍：

获取模块，用于获取打桩区域的地形点云数据和设计桩参数。

打桩模块，用于根据设计桩参数，在预设打桩位置进行打桩。

绘制模块，用于根据地形点云数据，绘制三维地形图。

桩三维空间实时位置计算模块，用于进行桩中心线与设计高程面交点的工程坐标计算。其中桩三维空间实时位置计算模块还包括：RTK参数获取转换子模块、

RTK参数获取转换子模块，用于根据三个GPS定位装置接收的坐标信号，计算得到对应所述GPS定位装置的工程坐标，建立以船为参考目标的船固坐标系。

其中，船固水平坐标系子模块、转换参数子模块、构建工程坐标计算方案子模块和工程坐标计算子模块。以下分别对各个子模块进行具体介绍：

RTK参数获取转换子模块中使用零相位滤波公式：

Y(e^jω)＝X(e^jω)|H(e^jω)|²

通过零相位滤波方法解决信号遮蔽和打桩锤震动的影响，在仪器监测数据中引入自回归模型实现对仪器状态的评价和数据预处理。

其中，Y为滤波后的三个GPS定位装置的坐标信号；X为三个GPS定位装置接收的坐标信号；|H(e^jω)|为滤波***增益；e^jω为待滤波信号的频域表示。

船固水平坐标系子模块，用于将船固坐标系向水平面投影，建立基于船的船固水平坐标系。

转换参数子模块，用于基于设计桩体建立工程坐标，根据船固水平坐标系、船固水平坐标系与工程坐标系共同存在的数据点坐标，使用Theil-Sen回归预测方法计算船固水平坐标系、船固水平坐标系与工程坐标系之间转换参数：

y＝α+βx+ε

其中，

α为回归公式常数；ε为回归误差；x为数据点x轴坐标；y为数据点y轴坐标。

构建工程坐标计算方案子模块，用于根据侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪运行的不同状态，分别构建多个设计桩体中心线与设计高程面交点的工程坐标计算方法。

工程坐标计算子模块，用于计算在侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪运行的不同状态时，每个设计桩体中心线与设计高程面交点的工程坐标计算方法的权重，加权平均得到交点的工程坐标。

桩三维空间实时碰撞监测模块，用于根据实际桩体在空间中的三维实时位置，构建出实际桩体的三维空间参数方程，进而得到实际桩体和设计桩体之间距离函数，对距离函数进行求解，得到实际桩体和设计桩体之间最小距离、实际桩体的桩***置和设计桩体的桩***置。

桩三维空间实时碰撞监测模块还包括：筛选子模块、三维空间方程构造子模块、距离函数构造子模块和最小距离计算子模块。以下对各个子模块进行具体介绍：

筛选子模块，用于利用空间几何方法，在全部设计桩体中剔除可能与实际桩体发生碰撞的设计桩体。

三维空间方程构造子模块，用于分别建立实际桩体与设计桩体的三维空间方程。

距离函数构造子模块，用于以实际桩体与设计桩体的三维空间方程，构建实际桩体与设计桩体间的距离函数，并计算实际桩体和设计桩体三维空间方程的梯度函数。

最小距离计算子模块，用于根据实际桩体与设计桩体间的距离函数，利用盒约束非线性优化问题迭代处理求解方程，计算得到最小距离。

桩三维空间实时碰撞报警模块，用于在实际桩体和设计桩体之间最小距离超出阈值范围时进行报警。

根据本公开的实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意多个、或其中任意多个的至少部分功能可以在一个模块中实现。根据本公开实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。根据本公开实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上***、基板上的***、封装上的***、专用集成电路(ASIC)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式的硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，根据本公开实施例的模块、子模块、单元、子单元中的一个或多个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。

例如，获取模块310、打桩模块320、绘制模块330、桩三维空间实时位置计算模块340、桩三维空间实时碰撞监测模块340和桩三维空间实时碰撞报警模块360中的任意多个可以合并在一个模块/单元/子单元中实现，或者其中的任意一个模块/单元/子单元可以被拆分成多个模块/单元/子单元。或者，这些模块/单元/子单元中的一个或多个模块/单元/子单元的至少部分功能可以与其他模块/单元/子单元的至少部分功能相结合，并在一个模块/单元/子单元中实现。根据本公开的实施例，获取模块310、打桩模块320、绘制模块330、桩三维空间实时位置计算模块340、桩三维空间实时碰撞监测模块340和桩三维空间实时碰撞报警模块360中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑阵列(PLA)、片上***、基板上的***、封装上的***、专用集成电路(ASIC)，或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，获取模块310、打桩模块320、绘制模块330、桩三维空间实时位置计算模块340、桩三维空间实时碰撞监测模块340和桩三维空间实时碰撞报警模块360中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。

需要说明的是，本公开的实施例中高精度自适应三维实时可视化打桩预警装置部分与本公开的实施例中高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法部分是相对应的，高精度自适应三维实时可视化打桩预警装置部分的描述具体参考高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法部分，在此不再赘述。

图4示意性示出了根据本公开实施例的适于高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法的第一电子设备的框图。图4示出的计算机***仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图4所示，根据本公开实施例的计算机***400包括处理器401，其可以根据存储在只读存储器(ROM)402中的程序或者从存储部分408加载到随机访问存储器(RAM)403中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器401例如可以包括通用微处理器(例如CPU)、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器(例如，专用集成电路(ASIC))，等等。处理器401还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器401可以包括用于执行根据本公开实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。

在RAM 403中，存储有***400操作所需的各种程序和数据。处理器401、ROM 402以及RAM 403通过总线404彼此相连。处理器401通过执行ROM 402和/或RAM 403中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。需要注意，所述程序也可以存储在除ROM 402和RAM 403以外的一个或多个存储器中。处理器401也可以通过执行存储在所述一个或多个存储器中的程序来执行根据本公开实施例的方法流程的各种操作。

根据本公开的实施例，***400还可以包括输入/输出(I/O)接口405，输入/输出(I/O)接口405也连接至总线404。***400还可以包括连接至I/O接口405的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分406；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分407；包括硬盘等的存储部分408；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分409。通信部分409经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器410也根据需要连接至I/O接口405。可拆卸介质411，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器410上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分408。

根据本公开的实施例，根据本公开实施例的方法流程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分409从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质411被安装。在该计算机程序被处理器401执行时，执行本公开实施例的***中限定的上述功能。根据本公开的实施例，上文描述的***、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。

本公开还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/***中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/***中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本公开实施例的方法。

根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质。例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。

例如，根据本公开的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的ROM 402和/或RAM 403和/或ROM 402和RAM 403以外的一个或多个存储器。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (9)

1.一种高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法，包括：

S1，获取打桩区域的地形点云数据和设计桩参数；

S2，根据设计桩参数，在预设打桩位置进行打桩；

S3，根据地形点云数据，绘制三维地形图；

S4，进行桩中心线与设计高程面交点的工程坐标计算；

S5，根据实际桩体在空间中的三维实时位置，构建出实际桩体的三维空间参数方程，进而得到实际桩体和设计桩体之间距离函数，对距离函数进行求解，得到实际桩体和设计桩体之间最小距离、实际桩体的桩***置和设计桩体的桩***置；

S6，如果实际桩体和设计桩体之间最小距离没有超出阈值范围，持续打桩至完成；

其中，所述步骤S4包括：

子步骤S41，获取三个GPS定位装置接收的坐标信号，计算得到对应所述GPS定位装置的工程坐标，建立以船为参考目标的船固坐标系；

子步骤S42，将船固坐标系向水平面投影，建立基于船的船固水平坐标系；

子步骤S43，基于设计桩体建立工程坐标，根据船固水平坐标系、船固水平坐标系与工程坐标系共同存在的数据点坐标，使用Theil-Sen回归预测方法计算船固水平坐标系、船固水平坐标系与工程坐标系之间转换参数：

y＝α+βx+ε

其中，

α为回归公式常数；ε为回归误差；x为数据点x轴坐标；y为数据点y轴坐标；

子步骤S44，获取侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪相对于桩的坐标信号，根据侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪运行的不同状态，分别构建多个设计桩体中心线与设计高程面交点的工程坐标计算方法；

子步骤S45，计算在侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪运行的不同状态时，每个设计桩体中心线与设计高程面交点的工程坐标计算方法的权重，加权平均得到交点的工程坐标。

2.根据权利要求1所述的高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法，其中，如果实际桩体和设计桩体之间最小距离超出阈值范围，发出预警提示，重新返回S1中对设计桩参数进行调整。

3.根据权利要求1所述的高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法，其中，所述步骤S41中，获取三个GPS定位装置接收的坐标信号，计算得到对应所述GPS定位装置的工程坐标，建立以船为参考的船固坐标系包括：

使用零相位滤波公式：

Y(e^jω)＝X(e^jω)|H(e^jω)|²

其中，Y为滤波后的三个GPS定位装置的坐标信号；X为三个GPS定位装置接收的坐标信号；｜H(e^jω)|为滤波***增益；e^jω为待滤波信号的频域表示；

根据滤波后的三个GPS定位装置的坐标信号，确定三个GPS定位装置的工程坐标，并建立以船为参考的船固坐标系。

4.根据权利要求1所述的高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法，其中，所述步骤S5包括：

子步骤S51，利用空间几何方法，在全部设计桩体中提出可能与实际桩体发生碰撞的设计桩体；

子步骤S52，分别建立实际桩体与设计桩体的三维空间方程；

子步骤S53，以实际桩体与设计桩体的三维空间方程，构建实际桩体与设计桩体间的距离函数，并计算实际桩体和设计桩体三维空间方程的梯度函数；

子步骤S54，根据实际桩体与设计桩体间的距离函数，利用盒约束非线性优化问题迭代处理求解方程，计算得到最小距离。

5.根据权利要求1所述的高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法，其中，获取地形点云数据，绘制打桩背景图；其中，所述地形点云数据包括：施工区域地形数据与海水水位。

6.根据权利要求1所述的高精度自适应三维实时可视化打桩预警方法，其中，所述设计桩参数包括桩俯仰角、桩型、桩长、桩宽、扭角、坡比、X坐标、Y坐标、设计高。

7.一种高精度自适应三维实时可视化打桩预警装置，包括：

获取模块，用于获取打桩区域的地形点云数据和设计桩参数；

打桩模块，用于根据设计桩参数，在预设打桩位置进行打桩；

绘制模块，用于根据地形点云数据，绘制三维地形图；

桩三维空间实时位置计算模块，用于进行桩中心线与设计高程面交点的工程坐标计算；

桩三维空间实时碰撞监测模块，用于根据实际桩体在空间中的三维实时位置，构建出实际桩体的三维空间参数方程，进而得到实际桩体和设计桩体之间距离函数，对距离函数进行求解，得到实际桩体和设计桩体之间最小距离、实际桩体的桩***置和设计桩体的桩***置；

桩三维空间实时碰撞报警模块，用于在实际桩体和设计桩体之间最小距离超出阈值范围时进行报警；

其中，所述桩三维空间实时位置计算模块包括：

RTK参数获取转换子模块，用于根据三个GPS定位装置接收的坐标信号，计算得到对应所述GPS定位装置的工程坐标，建立以船为参考目标的船固坐标系；

船固水平坐标系子模块，用于将船固坐标系向水平面投影，建立基于船的船固水平坐标系；

转换参数子模块，用于基于设计桩体建立工程坐标，根据船固水平坐标系、船固水平坐标系与工程坐标系共同存在的数据点坐标，使用Theil-Sen回归预测方法计算船固水平坐标系、船固水平坐标系与工程坐标系之间转换参数：

y＝α+βx+ε

其中，

α为回归公式常数；ε为回归误差；x为数据点x轴坐标；y为数据点y轴坐标；

构建工程坐标计算方案子模块，用于根据侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪运行的不同状态，分别构建多个设计桩体中心线与设计高程面交点的工程坐标计算方法；

工程坐标计算子模块，用于计算在侧倾仪、桩测倾仪、两个测距仪运行的不同状态时，每个设计桩体中心线与设计高程面交点的工程坐标计算方法的权重，加权平均得到交点的工程坐标。

8.一种计算机***，包括：

一个或多个处理器；

存储器，用于存储一个或多个程序，

其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1至6中任一项所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器实现权利要求1至6中任一项所述的方法。

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