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        基于GPS的大型設(shè)備防撞預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換技術(shù)研究與實現(xiàn)

        2014-02-08 09:32:22劉爭戰(zhàn)丁旭申麗麗王磊
        城市勘測 2014年2期
        關(guān)鍵詞:防撞服務(wù)器端預(yù)警系統(tǒng)

        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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