一种用于计算压路机施工次数的方法及系统
技术领域
本发明涉及路面摊铺项目中压路机施工技术领域，尤其是一种用于计算压路机施工次数的方法及系统。
背景技术
压路机是一种利用机械自重、振动或冲击的方法，对被压实材料重复加载，排除其内部的空气和水分，使之达到一定密实度和平整度的作业机械。目前主要用于公路、码头、机场以及大坝的基础面和路面压实作业，施工时经常需要向前后和向后两个方向进行压路施工，压路机在施工过程中由于施工的要求一直处于振动状态，容易导致驾驶员疲劳。
路面的密实度和平整度无论是在道路施工过程中，还是质量验收和养护管理中都是一项必检的重要指标，它直接影响到行车的舒适性和安全性，而压路机的施工情况直接决定了路面的密实度和平整度指标。在压路机工序施工过程中，如未能按工艺规范要求进行，将无法保证路面施工的密实度和平整度等指标要求，给道路施工质量和使用安全埋下隐患。通常公路的建设里程较长，对公路施工过程的监管难度较大，即使采取了分段施工和监管措施，也很难实现全天候全方位的监管，很容易导致道路建设不达标。因此除了依靠施工人员的自我监督操作外，十分有必要采取一定的措施来对道路的施工过程进行数字化的监控，从而保证施工质量。
目前有很多基于3G网络的数据传输装置，将安装的传感器模块，如视频传感器、压实度传感器、温度传感器、车速传感器等传送到服务器，然后通过屏幕介质进行直接显示，如图7所示，由人工对数据进行观测，对于施工轨迹也是人为的观测和计数。而压实度检测也只能检测压路机经过路段的数据，往往会有忽略的地方，而且当网络不好或者硬件数据丢失的时候，对采集精度会有很大影响。由于实际施工过程中，压路机的行走路径经常有随机性和重复性，单靠获取的GPS数据直接显示和人为的直接观测误差很大。此外，也有直接按经度的排列或者纬度的排列来计算点的重复度作为施工的次数，由于路不一定都是顺着经度或者纬度方向的，或者数据量大的时候，变化很难看出来，所以也很容易产生误差。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种自动对获得的GPS数据进行处理计算，以获得各个路段的施工次数，直接方便的找出施工不合格路段，及时进行检验和修复的用于计算压路机施工次数的方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种用于计算压路机施工次数的方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）获取GPS数据，判断其是否有效，若判断结果为是，则将有效数据按照采集的时间进行存储，进入下一步；否则，将无效数据删除；
（2）将存储的GPS数据中的经、纬坐标数据从WGS-84球面坐标系中转换到平面直角坐标系xOy中；
（3）以数据存储时间顺序为基准，选取这批数据中的初始点M(xm，ym)，并计算出这批数据中与初始点M(xm，ym)距离最远的点N（xn，yn）；
（4）建立用于计算遍数的XMY平面直角坐标系，并对处于xOy平面直角坐标系中的GPS数据进行坐标系变换；
（5）将XMY平面直角坐标系下所有的点向X轴或Y轴投影，获得在坐标轴上的点（Xj，0）或（0，Yj），形成一维的数据值；
（6）根据外部设置的需要观测的长度间隔L，在XMY平面直角坐标系的坐标轴上设置等间距的采集测试点Lk；
（7）依次将所有相邻时刻的坐标点的坐标值（Xj，0）和（Xj+1，0），或（Yj，0）和（Yj+1，0），与Lk进行差值运算后相乘；
（8）根据相乘后数值的正负判断所有相邻时刻的坐标点的坐标值（Xj，0）和（Xj+1，0），或（Yj，0）和（Yj+1，0）是否分布在点Lk两侧，若乘积为负，则两点分布在采集测试点LK的两侧，则令当前截面位置Lk点的压路机的施工次数Bk加1；若乘积为正，则两点在同一侧，令当前截面位置Lk点的压路机的施工次数Bk不变；遍历所有的点，得到过点Lk的路面截面的压路机施工次数；
（9）判断Lk是否为最后一个截面位置，若判断结果为是，则输出需要观测截面的施工次数，程序停止，等待下次启动；否则，继续进行下个截面施工次数的计算。
在步骤（1）中，所述获取的GPS数据包括数据采集时间、安装在压路机上的GPS定位仪的经纬度数据以及压路机的速度值，所述判断数据是否有效是指，将通过查看速度数据发现的速度为零时重复在同一位置即经纬度值相同的点设定为无效进行删除，将通过查看速度数据发现的速度为零时没有规则变动的位置数据全部删除,此时等待速度为非零时,取速度非零时刻的点的坐标作为以后位置数据对比基点,当速度为非零时根据速度和上一坐标点计算出的坐标点的距离值误差在2米以上的点设定为无效点，将无效点的数据删除；其中根据经纬度计算距离的公式为Distance = R*Arccos(C)*Pi/180，其中第一点A的经纬度为(LonA, LatA)，第二点B的经纬度为(LonB, LatB)， C = sin(LatA)*sin(LatB)*cos(LonA-LonB) + cos(LatA)*cos(LatB)，R为地球半径，R和Distance单位为KM；Pi是π的英文，A、B点用于计算直接采集到的、以经纬度为单位的两个点之间的距离，在初始化后，第一个点为速度为零，经纬度没有发生变化的点，也就是获得的第一个有效点，在以后的计算中，B点为获取时刻的点，A点为上一时刻确定为有效的点。
在步骤（2）中，将存储的GPS数据的经、纬坐标数据从WGS-84球面坐标系中转换到平面直角坐标系xOy中时，其中经度值转换为x坐标值，纬度转换为y坐标值，即每个点的坐标由(经度，纬度)转换成(xi，yi)，其中i为按照有效数据采集时刻进行排序后的点，第一时刻就为1，第二时刻获取的有效点就为2，直到最后一个有效点；i大于等于1且小于等于获取的有效GPS点总的个数，坐标轴以及各点的坐标值的的单位为由度转换为米。
在步骤（3）中，采用公式（1）进行距离远近的比较计算，公式（1）如下：
Di= ![]()
公式（1）
Di为第i个点和初始点M（xm,ym）的距离值，其中i为按照有效数据采集时刻进行排序后的点；将D1计算出后保存，计算D2并与D1进行比较，保留两者中的较大距离值删除较小值，依次计算所有点，对应得到的最大距离Dn，找到点N（xn，yn）。
在步骤（4）中，以M（xm，ym）为原点，以M（xm，ym）和N（xn，yn）所在直线为X轴，并且正方向指向N（xn，yn），并以通过M（xm，ym）垂直于所述X轴建立Y轴，以X轴正向逆时针旋转90°为正方向，建立用于计算遍数的XMY平面直角坐标系；所述坐标的变换方法为：先进行平移运算，平移后的xOy中的数据点的坐标值变为(xi-xm，yi-ym)，然后旋转运算，旋转后的坐标转变为((xi-xm)×cosθ-(yi-ym)×sinθ+xm,(xi-xm)×sinθ+(yi-ym)×cosθ+ym)，使所述的数据点成为以XMY平面直角坐标系下的点，即（Xj，Yj）。
在步骤（5）中，所述采集测试点 Lk的坐标值计算公式为Lk=k*L+Lo，k>=0,k为整数，待观测的截面垂直于坐标轴，待观测的截面在坐标轴上的初始点Lo设置在Xj或Yj中最小的点的位置，即初始点Lo=MIN(Xj)或MIN（Yj），其余截面在坐标轴上的位置依次为（MIN（Xj）+L*k，0），或（0，MIN（Yj）+L*k），其中，MAX（MIN（Xj）+L*k）小于MAX（Xj），MAX（MIN（Xj）+L*k+1）大于MAX（Xj）；或者，MAX（MIN（Yj）+L*k）小于MAX（Yj），MAX（MIN（Yj）+L*k+1）大于MAX（Yj）。
在步骤（8）中，0<j<总点数，总点数是获取的GPS的坐标点的总的个数，与i的个数相同；采集测试点Lk的起点值为Xj中的最小值，或者Yj中的最小值。
本发明还公开了一种用于计算压路机施工次数的系统，包括：
供电系统，自动将太阳能转换为电能并存储在蓄电池中，当系统工作时，为系统供电；
供电与开关控制模块，将供电系统输出至本模块的电压进行转换，监测随着压路机启动带来的震动工况，当有连续震动的时候启动开关，为信息收集与转发模块中的子模块进行不同电压的供电；
信息收集与转发模块，采集GPS、温度和RFID节点信息，并且与服务器进行网际互联后，将数据发送到服务器。
所述供电系统由太阳能电池板、太阳能充电控制器和蓄电池组成，太阳能电池板的输出端与太阳能充电控制器的输入端相连，太阳能电池板通过太阳能充电控制器向蓄电池供电，太阳能充电控制器的输出端与供电与开关控制模块的输入端相连；供电与开关控制模块由第一、二、三DC/DC模块、继电器模块和震动开关模块组成，太阳能充电控制器的输出端分别与第一DC/DC模块、继电器模块的输入端相连，第一DC/DC模块的输出端与继电器模块的输入端相连，继电器模块的输出端分别与第二DC/DC模块、第三DC/DC模块的输入端相连，震动开关模块的输出端与继电器模块的输入端相连，第二、三DC/DC模块的输出端与信息收集与转发模块的输入端相连。
所述信息收集与转发模块包括温度传感器模块、GPS模块、RFID模块、3G网络模块和主控单元，所述温度传感器模块、GPS模块、RFID模块的输出端与主控单元的输入端相连，所述主控单元的输出端与3G网络模块的输入端相连。
由上述技术方案可知，本发明的优点如下：第一，能够处理和分析长时间收集的大量的GPS数据点，计算出压路机具有不确定性的往返路径的施工次数，以记录施工的进度，直观的显示出施工次数，并对施工的过程进行数字化记录和存档，方便实施的查看以及作为质量检验的参考依据，无需现场施工人员进行记录，减少施工人员和监督人员的疏忽，降低施工人员和监督人员的工作强度；第二，本发明对数据的真实度进行判断并剔除无效数据，所以真实度更加可靠，而且施工次数是通过计算GPS数据点相对位置得到的，所以对于个别GPS数据点的丢失，对计算结果没有太大的影响，相对于压实度测量，本发明更加准确；第三，本发明能够经过计算直接得到施工次数结果与设定的要求的值进行比对，发现施工次数不合格的路段，以方便在web界面根据数值大小进行施工次数不合格报警量化显示，显示的更加直观，记录更加方便，直接形成电子记录。
附图说明
图1为本发明的系统构架框图；
图2为本发明的方法流程图；
图3为点在两个直角坐标系中转换后的对比图；
图4为转换坐标系后的各点在新坐标系中的分布示意图；
图5为各点在新坐标系坐标轴上投影后形成的一维数据点相对于坐标系的位置的示意图；
图6为在坐标系上设置的观测横截面Lk的示意图；
图7为现有技术的显示示意图。
具体实施方式
如图2所示，一种用于计算压路机施工次数的方法，该方法包括下列顺序的步骤：
（1）获取GPS数据，判断其是否有效，若判断结果为是，则将有效数据按照采集的时间进行存储，进入下一步；否则，将无效数据删除；
（2）将存储的GPS数据中的经、纬坐标数据从WGS-84球面坐标系中转换到平面直角坐标系xOy中；
（3）以数据存储时间顺序为基准，选取这批数据中的初始点M(xm，ym)，并计算出这批数据中与初始点M(xm，ym)距离最远的点N（xn，yn）；
（4）建立用于计算遍数的XMY平面直角坐标系，并对处于xOy平面直角坐标系中的GPS数据进行坐标系变换；
（5）如图5所示，将XMY平面直角坐标系下所有的点向X轴或Y轴投影，获得在坐标轴上的点（Xj，0）或（0，Yj），形成一维的数据值；
（6）如图6所示，根据外部设置的需要观测的长度间隔L，在XMY平面直角坐标系的坐标轴上设置等间距的采集测试点Lk；其中横坐标为模拟道路方向做的近似设置，观测横截面就为垂直于道路方向的截面；
（7）依次将所有相邻时刻的坐标点的坐标值（Xj，0）和（Xj+1，0），或（Yj，0）和（Yj+1，0），与Lk进行差值运算后相乘；
（8）根据相乘后数值的正负判断所有相邻时刻的坐标点的坐标值（Xj，0）和（Xj+1，0），或（Yj，0）和（Yj+1，0）是否分布在点Lk两侧，若乘积为负，则两点分布在采集测试点LK的两侧，则令当前截面位置Lk点的压路机的施工次数Bk加1；若乘积为正，则两点在同一侧，令当前截面位置Lk点的压路机的施工次数Bk不变；遍历所有的点，得到过点Lk的路面截面的压路机施工次数；
（9）判断Lk是否为最后一个截面位置，若判断结果为是，则输出需要观测截面的施工次数，程序停止，等待下次启动；否则，继续进行下个截面施工次数的计算。
在步骤（1）中，所述获取的GPS数据包括数据采集时间、安装在压路机上的GPS定位仪的经纬度数据以及压路机的速度值，所述判断数据是否有效是指，将通过查看速度数据发现的速度为零时重复在同一位置即经纬度值相同的点设定为无效进行删除，将通过查看速度数据发现的速度为零时没有规则变动的位置数据全部删除,此时等待速度为非零时,取速度非零时刻的点的坐标作为以后位置数据对比基点,当速度为非零时根据速度和上一坐标点计算出的坐标点的距离值误差在2米以上的点设定为无效点，将无效点的数据删除；其中根据经纬度计算距离的公式为Distance = R*Arccos(C)*Pi/180，其中第一点A的经纬度为(LonA, LatA)，第二点B的经纬度为(LonB, LatB)， C = sin(LatA)*sin(LatB)*cos(LonA-LonB) + cos(LatA)*cos(LatB)，R为地球半径，R和Distance单位为KM；Pi是π的英文，A、B点用于计算直接采集到的、以经纬度为单位的两个点之间的距离，在初始化后，第一个点为速度为零，经纬度没有发生变化的点，也就是获得的第一个有效点，在以后的计算中，B点为获取时刻的点，A点为上一时刻确定为有效的点。
在步骤（2）中，将存储的GPS数据的经、纬坐标数据从WGS-84球面坐标系中转换到平面直角坐标系xOy中时，其中经度值转换为x坐标值，纬度转换为y坐标值，即每个点的坐标由(经度，纬度)转换成(xi，yi)，其中i为按照有效数据采集时刻进行排序后的点，第一时刻就为1，第二时刻获取的有效点就为2，直到最后一个有效点；i大于等于1且小于等于获取的有效GPS点总的个数，坐标轴以及各点的坐标值的的单位为由度转换为米。
在步骤（3）中，采用公式（1）进行距离远近的比较计算，公式（1）如下：
Di=![]()
公式（1）
Di为第i个点和初始点M（xm,ym）的距离值，其中i为按照有效数据采集时刻进行排序后的点；将D1计算出后保存，计算D2并与D1进行比较，保留两者中的较大距离值删除较小值，依次计算所有点，对应得到的最大距离Dn，找到点N（xn，yn）。
在步骤（4）中，如图3所示，以M（xm，ym）为原点，以M（xm，ym）和N（xn，yn）所在直线为X轴，并且正方向指向N（xn，yn），并以通过M（xm，ym）垂直于所述X轴建立Y轴，以X轴正向逆时针旋转90°为正方向，建立用于计算遍数的XMY平面直角坐标系；所述坐标的变换方法为：先进行平移运算，平移后的xOy中的数据点的坐标值变为(xi-xm，yi-ym)，然后旋转运算，旋转后的坐标转变为((xi-xm)×cosθ-(yi-ym)×sinθ+xm,(xi-xm)×sinθ+(yi-ym)×cosθ+ym)，使所述的数据点成为以XMY平面直角坐标系下的点，即（Xj，Yj），如图4所示。
在步骤（5）中，所述采集测试点 Lk的坐标值计算公式为Lk=k*L+Lo，k>=0,k为整数，待观测的截面垂直于坐标轴，待观测的截面在坐标轴上的初始点Lo设置在Xj或Yj中最小的点的位置，即初始点Lo=MIN(Xj)或MIN（Yj），其余截面在坐标轴上的位置依次为（MIN（Xj）+L*k，0），或（0，MIN（Yj）+L*k），其中，MAX（MIN（Xj）+L*k）小于MAX（Xj），MAX（MIN（Xj）+L*k+1）大于MAX（Xj）；或者，MAX（MIN（Yj）+L*k）小于MAX（Yj），MAX（MIN（Yj）+L*k+1）大于MAX（Yj）。
在步骤（7）中，将所有的点投影在坐标轴上以后，各个点的下角标依旧是按照时间顺序标明的，Xj作为上一时刻的点，Xj可能为所有的点中的任何一个，Xj+1是下一时刻的点，为了找到经过Lk截面的次数，就要判断，在所有的点中，两个相邻时刻的点的坐标值Xj与Xj+1与Lk的差，即（Xj-Lk）*（Xj+1-Lk）是否小于零，等于零的时候次数应该按0.5算，因为这是有个点可能和Lk重合了，就会多计算一次，两个点都在Lk两侧的时候，无论左侧还是右侧，得到的乘积都是正的。
在步骤（8）中，0<j<总点数，总点数是获取的GPS的坐标点的总的个数，与i的个数相同；采集测试点Lk的起点值为Xj中的最小值，或者Yj中的最小值。
图7是将直接获得的经纬度的点在路径显示软件上根据获得的时刻以及经纬度值在软件界面显示出。
如图1所示，本系统包括：供电系统，自动将太阳能转换为电能并存储在蓄电池中，当系统工作时，为系统供电；供电与开关控制模块，将供电系统输出至本模块的电压进行转换，监测随着压路机启动带来的震动工况，当有连续震动的时候启动开关，为信息收集与转发模块中的子模块进行不同电压的供电；信息收集与转发模块，采集GPS、温度和RFID节点信息，并且与服务器进行网际互联后，将数据发送到服务器。
如图1所示，所述供电系统由太阳能电池板、太阳能充电控制器和蓄电池组成，太阳能电池板的输出端与太阳能充电控制器的输入端相连，太阳能电池板通过太阳能充电控制器向蓄电池供电，太阳能充电控制器的输出端与供电与开关控制模块的输入端相连；供电与开关控制模块由第一、二、三DC/DC模块、继电器模块和震动开关模块组成，太阳能充电控制器的输出端分别与第一DC/DC模块、继电器模块的输入端相连，第一DC/DC模块的输出端与继电器模块的输入端相连，继电器模块的输出端分别与第二DC/DC模块、第三DC/DC模块的输入端相连，震动开关模块的输出端与继电器模块的输入端相连，第二、三DC/DC模块的输出端与信息收集与转发模块的输入端相连。第一DC/DC模块提供13V转5V的直流电，给继电器模块供电，第二、三 DC/DC模块分别提供13V转3.3V和13V转12V的直流电，其中3.3V电压用于给GPS模块和RFID模块以及主控单元供电，12V用于给3G网络模块供电。
如图1所示，所述信息收集与转发模块包括温度传感器模块、GPS模块、RFID模块、3G网络模块和主控单元，所述温度传感器模块、GPS模块、RFID模块的输出端与主控单元的输入端相连，所述主控单元的输出端与3G网络模块的输入端相连。从GPS模块采集当前位置的GPS数据，原始数据有多种格式，主要为：10：14：33 $GPRMC,023543.00,A,2308.28715,N,11322.09875,E,0.195,,240213,,,A*78，主控单元根据GPS模块的通信协议将数据进行转码，将GPS直接发送的带有经、纬度和速度标头信息的数据解析成纯数字的数据，转换后为GPS=33.051672,117.011705；speed=6.75；time=20150202101433，包括经度、纬度、行驶速度、采集时刻的时间信息；从RFID模块采集其他RFID节点信息，其他有源节点设置在有需求标明标段信息的路段，有源RFID标签内存储标段代号；同时从温度传感器模块获取温度信息。将GPS模块设置成差分式工作状态，以将定位精度设在两米以内，通过主控单元的单片机将采集的数据根据通信协议解码，并由3G网络模块进行GPS数据的转发，在主控单元上设置发送周期，设置为一秒钟一次，服务器端则一直处于接收状态，在服务器端设置需要观测的间隔点的距离，反映实际观测中隔多远看一下横截面被压过的次数。
综上所述，本发明能够处理和分析长时间收集的大量的GPS数据点，计算出压路机具有不确定性的往返路径的施工次数，以记录施工的进度，直观的显示出施工次数，并对施工的过程进行数字化记录和存档，方便实施的查看以及作为质量检验的参考依据，无需现场施工人员进行记录，减少施工人员和监督人员的疏忽，降低施工人员和监督人员的工作强度。