劉爭戰(zhàn) ，丁旭，申麗麗，王磊

(1.天津市測繪院，天津 300381;2.精密工程與工業(yè)測量國家測繪地理信息局重點(diǎn)實驗室，湖北武漢 430079)

1 引言

纜機(jī)吊裝施工方法因具有安裝簡易、機(jī)動靈活、起重量大等特點(diǎn)，且可以服務(wù)于整個工程建設(shè)周期而不用移動、停工和撤出，已經(jīng)成為國內(nèi)外許多水電站建設(shè)過程中的重要施工模式［1］。大型壩體混凝土澆筑主要依靠纜機(jī)吊裝混凝土料罐施工模式來進(jìn)行數(shù)量眾多、體積龐大、運(yùn)動實時性強(qiáng)的混凝土料罐一旦發(fā)生碰撞會造成設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞甚至人員傷亡［2］。因此對大型施工機(jī)械的安全監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警顯得十分重要。因此需要實現(xiàn)自動判斷設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的安全性，預(yù)測并顯示運(yùn)行中可能發(fā)生碰撞的障礙物，為司機(jī)提供安全的操作指導(dǎo)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用前景［6］。

大型施工機(jī)械的安全監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的最重要的特點(diǎn)就是其時效性，因為施工機(jī)械經(jīng)常處于運(yùn)動狀態(tài)，因此需要一個能快速獲取數(shù)據(jù)并快速進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的通信系統(tǒng);傳統(tǒng)手工式的質(zhì)量管理機(jī)制已很難適應(yīng)現(xiàn)代化機(jī)械施工質(zhì)量與進(jìn)度控制、效益提高的迫切要求，因此本文利用快速、高效、準(zhǔn)確的GPS測量技術(shù)和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實時獲取施工設(shè)備的位置，數(shù)據(jù)實時回傳服務(wù)器，實現(xiàn)終端、服務(wù)器端并行處理的效果，保證防撞預(yù)警的時效性。

2 防撞預(yù)警系統(tǒng)組成

防撞預(yù)警系統(tǒng)可以分為三個模塊:第一模塊是數(shù)據(jù)采集模塊，本文采用中海達(dá)Q5 GPS接收機(jī)，將接收機(jī)安裝在施工設(shè)備的運(yùn)動吊臂上，目的是隨著設(shè)備的運(yùn)動動態(tài)采集數(shù)據(jù);第二模塊是數(shù)據(jù)分析模塊，該模塊是運(yùn)行在服務(wù)器端的程序集，用于實現(xiàn)施工現(xiàn)場的多臺GPS接收機(jī)的回傳數(shù)據(jù)的并行接收，剔除掉條件不好的數(shù)據(jù)和不滿足解算條件的數(shù)據(jù)然后進(jìn)行實時解算，最終給出預(yù)警的方案;第三模塊是通信模塊，通信部分是保證數(shù)據(jù)實時性的重要模塊，本文著重對該模塊進(jìn)行分析研究。

流動站、參考站接收機(jī)的偽距和載波相位觀測值以及數(shù)據(jù)檢校標(biāo)志通過發(fā)送天線發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，所有GPS接收機(jī)的同步觀測數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理中心一次性處理完成。如果由于網(wǎng)絡(luò)中斷或者是數(shù)據(jù)傳輸時間過長，則對歷元進(jìn)行篩選丟棄，直接解算下個歷元的數(shù)據(jù)從而保證數(shù)據(jù)的實時性。

3 數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于連接數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析模塊，網(wǎng)絡(luò)通信的質(zhì)量的好壞直接決定了預(yù)警的時效性，系統(tǒng)采用GPRS技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)又可以分為三個部分，首先是客戶端，實現(xiàn)串口通信和網(wǎng)絡(luò)傳輸請求，然后是傳輸鏈路，外用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，講客戶端請求以TCP/IP協(xié)議要求傳送出去，最后就是服務(wù)器端，服務(wù)器端實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽，一旦監(jiān)聽到有數(shù)據(jù)請求，則與客戶端連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。通信模塊原理圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 串口通信獲取原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)

GPS終端架設(shè)在施工設(shè)備運(yùn)動的吊臂上，用于實時獲取設(shè)備的運(yùn)動狀態(tài)，GPS獲取的數(shù)據(jù)輸出有兩種格式:十進(jìn)制ASCII碼和二進(jìn)制碼。GPS的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)格式NMEA0183采用的十進(jìn)制ASCII，該標(biāo)準(zhǔn)格式將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼輸出，優(yōu)點(diǎn)是易于識別和應(yīng)用，但是不方便數(shù)據(jù)傳輸，且不能自由獲取原始數(shù)據(jù);因此本文獲取二進(jìn)制碼數(shù)據(jù)，該輸出格式雖然不直觀，但是運(yùn)算方便，且易于在計算機(jī)之間交換［1］。

本文采用中海達(dá)Q5接收機(jī)，該接收機(jī)采用新月－HC12A芯片，芯片輸出的二進(jìn)制消息的結(jié)構(gòu)如表1所示，本文主要獲取BIN1、BIN95和BIN96三個類型，要獲取這三個類型的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要實現(xiàn)Win CE下的串口通信，串口通信的步驟是:選擇串口名稱;串口設(shè)置;打開串口;輸入串口通信命令;關(guān)閉串口。新月－HC12A芯片串口通信命令:

上述命令行中$符號之后的表示表1中的Header，第二列95表示表1中的Data，用于規(guī)定獲取的數(shù)據(jù)類型，第三列1表示獲取數(shù)據(jù)的頻率，＜CR＞和＜CF＞分別為回車符和換行符。串口打開后，一旦接收到通信命令，就會以該命令的設(shè)置向外輸出二進(jìn)制數(shù)據(jù)，程序?qū)⒔邮艿降臄?shù)據(jù)保存，存放數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器端進(jìn)行解算分析。

二進(jìn)制消息結(jié)構(gòu) 表1

4.2 無線通訊技術(shù)

由于移動終端、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器兩者之間的距離較遠(yuǎn)，而且移動監(jiān)測點(diǎn)經(jīng)常處于運(yùn)動狀態(tài)中，它與基準(zhǔn)站和系統(tǒng)服務(wù)器之間不可能通過有線通信鏈路來實現(xiàn)信息的交互。在連續(xù)高頻的GNSS數(shù)據(jù)采集條件下，為了保證實時性強(qiáng)、誤碼率低的數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控平臺考慮了不同通信條件的特點(diǎn)，采用了組合型無線通信鏈路，采用GPRS和無線電臺結(jié)合，以GPRS傳輸為主，電臺通訊為輔的工作模式，當(dāng)GPRS數(shù)據(jù)通訊的延遲量超過限值，則自動啟用電臺發(fā)送數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊主要需要解決兩大關(guān)鍵問題:實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和面向多終端負(fù)荷量保證。

無線網(wǎng)絡(luò)通訊是為了把流動站GPS接收機(jī)(裝在重型施工吊車機(jī)械臂上)采集的載波相位和偽距觀測值，用無線網(wǎng)絡(luò)的方式實時發(fā)回給基站解算，因為設(shè)置的GPS接收機(jī)的采樣率是1s，所以數(shù)據(jù)量較大，對數(shù)據(jù)通訊的速度要求較高，需對傳輸延遲時間嚴(yán)格控制，以便實現(xiàn)高速實時數(shù)據(jù)讀入計算機(jī)內(nèi)存。流動站接收機(jī)的偽距和載波相位觀測值以及數(shù)據(jù)檢校標(biāo)志通過發(fā)送天線發(fā)送到參考站數(shù)據(jù)處理中心，所有接收機(jī)的同步觀測數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理中心一次性處理完成，如果由于網(wǎng)絡(luò)中斷或者是數(shù)據(jù)傳輸時間過長，則對歷元進(jìn)行篩選丟棄，直接解算下個歷元的數(shù)據(jù)，且當(dāng)延遲超過限值時則啟用電臺傳輸數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)的實時性。

由于防撞系統(tǒng)是面向多終端的，一般工程項目都存在多個終端接入GPRS，同時向數(shù)據(jù)中心傳輸數(shù)據(jù)，對于GPRS傳輸方式，只要終端請求通過，則允許用戶接入網(wǎng)絡(luò)，因此系統(tǒng)能承載的負(fù)荷量就取決于數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器的性能，實際工程應(yīng)用中，中檔配置的服務(wù)器便能滿足系統(tǒng)的負(fù)荷承載。

本文在軟件實現(xiàn)中，數(shù)據(jù)通信傳輸用最為廣泛使用的Socket套接字編程來實現(xiàn)，Socket用于描述IP地址和端口，是一個通信句柄，應(yīng)用程序通常通過“套接字”向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出請求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請求［2］。Socket接口是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的API，Socket接口定義許多函數(shù)或例程，程序員可以用他們來開發(fā)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序，以．Net平臺為例，Socket類位于 System．Net．Socket命名空間下。首先服務(wù)器開啟固定端口監(jiān)聽，在GPS終端連接成功時，兩端都會產(chǎn)生一個Socket實例，操作這個實例，完成所需對話，圖2給出了面向連接的Socket工作流程。

圖2 Socket應(yīng)用流程圖

4.3 多線程技術(shù)實時解算

在工程實際中，往往是多臺設(shè)備同時施工，要保證報警系統(tǒng)通信的正確性與時效性，服務(wù)器端必須采用多個線程來對各個終端進(jìn)行實時監(jiān)控，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和分析。為了提高程序的運(yùn)行效率，在操作系統(tǒng)中提出了進(jìn)程和線程的概念，進(jìn)程是指一個可執(zhí)行程序一次運(yùn)行的過程，而線程是操作系統(tǒng)分配處理器(CPU)時間的基本單元，是系統(tǒng)中最小的執(zhí)行單元［3］。多線程就是指在一個進(jìn)程中執(zhí)行多個線程，多個線程的同時執(zhí)行，在一段時間內(nèi)并行完成更多的任務(wù)，既加快了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，又提高了執(zhí)行效率。多線程共存于應(yīng)用程序中是現(xiàn)代操作系統(tǒng)中的基本特征和重要標(biāo)志，在應(yīng)用程序的編寫中得到了廣泛的應(yīng)用。

在實現(xiàn)多測站觀測數(shù)據(jù)并行解碼的過程中，首先通過一個主線程讀取各個測站的原始觀測數(shù)據(jù)文件，然后根據(jù)測站的個數(shù)創(chuàng)建對應(yīng)數(shù)量的子線程，每一個子線程負(fù)責(zé)一個測站觀測數(shù)據(jù)的解碼過程，主線程負(fù)責(zé)以時間片為單位使處理器在多個子線程之間不斷切換，直到所有測站的解碼過程完成，最后結(jié)束主線程。由于處理器運(yùn)行速度很快，因此幾乎所有子線程都在同時運(yùn)行，這樣就實現(xiàn)了多個測站觀測數(shù)據(jù)的并行解碼，算法流程如圖3所示。

圖3 多測站數(shù)據(jù)實時解碼流程圖

在實際測試過程中，共設(shè)置3個觀測站，通過GPRS實時向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，同時調(diào)用本程序進(jìn)行實時解碼，測試結(jié)果表明，按照本文所述算法編寫的程序能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地對各個測站實施并行解碼，并將解碼結(jié)果寫入RINEX標(biāo)準(zhǔn)文件，用于數(shù)據(jù)處理和分析。

5 關(guān)鍵代碼及實驗驗證

本文采用C#實現(xiàn)通訊模塊，基于中海達(dá)Q5進(jìn)行二次開發(fā)，終端開發(fā)界面如圖4所示，其中主要代碼有:

圖4 通訊模塊終端界面

(1)串口原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)獲取

(2)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)請求

(3)服務(wù)器端網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽及多線程解算

在實際測試過程中，本文使用3臺中海達(dá)GPS接收機(jī)進(jìn)行實驗，把外界條件設(shè)置成同一環(huán)境，考慮到大部分工程現(xiàn)場的大型施工設(shè)備運(yùn)行速度都不是很快，若采樣率過高系統(tǒng)數(shù)據(jù)量太大反而容易造成系統(tǒng)的延時，分析表明 1 s采樣率足夠滿足系統(tǒng)需求。因此本文以 1 s采樣率為例，開始試驗，采集 10 min的觀測數(shù)據(jù)，原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)一份保存在流動站本身，另一份則通過本文的通信模塊傳輸?shù)椒?wù)器終端。

對比流動端和服務(wù)器端的原始觀測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，兩者無論是數(shù)據(jù)內(nèi)容還是數(shù)據(jù)量都是相同的，這就保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼_性;最后，在程序中進(jìn)行程序本身的傳輸時延測試，也完全滿足防撞預(yù)警系統(tǒng)精度要求。因此可以總結(jié)得出，該數(shù)據(jù)交換傳輸模塊能夠準(zhǔn)確實時的傳輸流動端的原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)至服務(wù)器，且多線程服務(wù)器技術(shù)能夠滿足多流動端需求，達(dá)到預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解算需求，能夠很好地應(yīng)用于防撞預(yù)警系統(tǒng)中。

6 結(jié)論

隨著國家大型基礎(chǔ)工程建設(shè)規(guī)模的提高和機(jī)械化施工的進(jìn)程，施工現(xiàn)場設(shè)施的防撞預(yù)警顯得越來越重要，本文介紹了防撞預(yù)警系統(tǒng)的原理，防撞預(yù)警最重要的就是數(shù)據(jù)分析的時效性，著重分析了其中的通信模塊，它是基于GPRS技術(shù)接入網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多方外業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時回傳數(shù)據(jù)中心的技術(shù)方法，闡述了通信模塊實現(xiàn)的三個關(guān)鍵技術(shù)。通過實驗測試表明，該基于GPRS的多線程通信模塊無論是數(shù)據(jù)的正確性和時效性都得到很好的保證，能夠滿足實際應(yīng)用的需求，有著廣闊的應(yīng)用范圍。

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