楊 帆,林吉兆,謝義林,賈登科

(1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510230;2.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)

基于GPS-RTK的海上打樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 帆1,林吉兆1,謝義林2,賈登科1

(1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510230;2.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)

討論海上打樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的意義，闡述GPS-RTK智能打樁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理，提出海上打樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)方案，利用數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)存貯技術(shù)等計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)出一套智能化的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看項(xiàng)目當(dāng)前工作狀態(tài)和工作質(zhì)量、生成工程報(bào)表、遠(yuǎn)程控制等功能，已應(yīng)用于江蘇某海上打樁項(xiàng)目中,保障了項(xiàng)目順利進(jìn)行,為類似工程提供借鑒。

海上打樁；GPS-RTK；遠(yuǎn)程監(jiān)控；數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)庫(kù)

近年來(lái)，我國(guó)海洋事業(yè)大力發(fā)展，打樁定位在一些水運(yùn)碼頭、港口、跨海橋梁工程的建設(shè)過(guò)程中是必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1-2]。當(dāng)前海上打樁測(cè)量定位方法日益成熟，基于GPS-RTK多傳感器集成樁位定位系統(tǒng)集成化程度較高，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，往往需要專家親臨現(xiàn)場(chǎng)找出系統(tǒng)故障原因，不僅浪費(fèi)人力物力，還影響施工進(jìn)度。同時(shí)上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)需直接了解項(xiàng)目進(jìn)展情況時(shí)，往往親自前往施工現(xiàn)場(chǎng)，不利于公司的統(tǒng)籌規(guī)劃和質(zhì)量把握。

現(xiàn)如今，物聯(lián)網(wǎng)掀起了世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮[2]。我國(guó)許多機(jī)構(gòu)和單位也做了大量的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用工作。為了滿足物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展，國(guó)內(nèi)電信運(yùn)營(yíng)商已成功實(shí)現(xiàn)我國(guó)移動(dòng)數(shù)據(jù)通信產(chǎn)業(yè)由2G到3G的飛躍[3-4]。網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)覆蓋范圍廣和網(wǎng)絡(luò)速度快為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了契機(jī)。

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在充分滿足用戶需求前提下，結(jié)合2G網(wǎng)絡(luò)速率慢、資費(fèi)低和3G網(wǎng)絡(luò)速率快、資費(fèi)高的特點(diǎn)，將遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分為基于GPRS單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)和基于3G網(wǎng)路的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)兩部分。其中，基于GPRS單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)提供日常數(shù)據(jù)采集，發(fā)送入庫(kù)、數(shù)據(jù)處理分析以及用戶訪問(wèn)等功能，作為主體部分進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)；基于3G網(wǎng)路的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是將打樁船現(xiàn)場(chǎng)控制中心接入3G網(wǎng)絡(luò)后用遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)助服務(wù)功能，遠(yuǎn)程控制軟件與常規(guī)遠(yuǎn)程控制軟件無(wú)異。本文將詳細(xì)介紹基于GPRS單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

1 GPS-RTK智能打樁定位系統(tǒng)

目前，海上打樁系統(tǒng)主要是基于GPS-RTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)的智能打樁系統(tǒng)，主要設(shè)備有在陸地的GPS基準(zhǔn)站接收機(jī)和電臺(tái)發(fā)射器；船上的3臺(tái)GPS流動(dòng)站接收機(jī)、橫向傾斜儀、縱向傾斜儀和兩個(gè)測(cè)距儀。硬件設(shè)備安放參考位置如圖1所示。

圖1 海上打樁系統(tǒng)硬件設(shè)備位置

該打樁測(cè)量定位系統(tǒng)對(duì)船體的控制采用3臺(tái)GPS儀器，目的是在控制船位的同時(shí)，控制船體橫、縱搖擺的傾斜量。在數(shù)學(xué)模型中，對(duì)因船體姿態(tài)的變化所引起的定位計(jì)算誤差加以改正，提高對(duì)樁位的定位精度。

整個(gè)海上打樁基本流程為移船、定位、開(kāi)始打樁和結(jié)束打樁4個(gè)步驟。在打樁過(guò)程，由于重錘一直猛烈地錘擊樁體，因此使用GPS定位時(shí)，無(wú)法使用GPS定位儀對(duì)樁身直接進(jìn)行定位。定位系統(tǒng)采用分級(jí)控制形式。首先將安裝在船體上的GPS設(shè)備對(duì)船體進(jìn)行RTK定位[5-6]；其次再以船體作為已知參照物，用安裝在船體前端適宜位置上的免棱鏡激光測(cè)距儀對(duì)樁身位置進(jìn)行測(cè)定，并用傾斜儀測(cè)量船體姿態(tài)；最后利用這些測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串口線發(fā)送至控制室的電腦主機(jī)進(jìn)行計(jì)算，從而間接得到樁體的測(cè)量坐標(biāo)，使系統(tǒng)的測(cè)量精度達(dá)到厘米級(jí)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)

基于GPRS單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)從功能上可以分為3個(gè)組成部分，即現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控部分、服務(wù)器部分和客戶端遠(yuǎn)程訪問(wèn)部分。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸整體流程如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控部分負(fù)責(zé)將GPS、測(cè)距儀、傾斜儀等傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和解算，并將解算結(jié)果和工程屬性信息等通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至內(nèi)陸服務(wù)器；服務(wù)器部分負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)的讀取、分割、存貯并供用戶訪問(wèn)提取；客戶端遠(yuǎn)程訪問(wèn)部分負(fù)責(zé)獲取用戶操作從而訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)并提取對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表生成、繪圖以及模擬動(dòng)畫(huà)形式呈現(xiàn)于用戶面前。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸流程

2.1 服務(wù)器開(kāi)發(fā)

服務(wù)器接收和存貯來(lái)自各艘打樁船發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，并為客戶端程序提供訪問(wèn)數(shù)據(jù)，因此，它在本系統(tǒng)處于至關(guān)重要的地位。首先需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件的操作步驟分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w內(nèi)容，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)表1。其次選擇運(yùn)行環(huán)境和數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，服務(wù)器運(yùn)行環(huán)境選用微軟Windows 7 Sever版本；數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)選用SQLSEVER2005，它相比ORACALE、ACCESS、Foxpro等國(guó)內(nèi)外常用數(shù)據(jù)庫(kù)具有的優(yōu)點(diǎn)是：良好的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、杰出的管理和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行功能。最后在SQLSEVER2005數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)中創(chuàng)建項(xiàng)目名稱，針對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容創(chuàng)建數(shù)據(jù)表和選擇關(guān)鍵字。

表1 海上打樁遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容

創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)名為PilingData數(shù)據(jù)庫(kù)，在PilingData庫(kù)中建立5張數(shù)據(jù)表，這些數(shù)據(jù)表分別是樁位數(shù)據(jù)表PicketData、船固坐標(biāo)表PilingShipCoor、臨時(shí)數(shù)據(jù)表CurTemPilingInfo、樁體定位數(shù)據(jù)表PositionProcess、工程屬性表ProjectInfo，這些表都記錄了打樁船的重要參數(shù)信息和樁體定位過(guò)程和數(shù)據(jù)。以樁位數(shù)據(jù)存貯表PicketData(見(jiàn)表2)為例，該表存貯了所有樁位的設(shè)計(jì)坐標(biāo)、打樁方式、實(shí)測(cè)坐標(biāo)和完成信息等，樁體號(hào)碼是該表的索引關(guān)鍵字。這些數(shù)據(jù)將用于繪制樁位詳細(xì)分布圖、已完成樁位的坐標(biāo)偏差計(jì)算、工作質(zhì)量和進(jìn)度的統(tǒng)計(jì)制表等其他工作。

表2 樁位數(shù)據(jù)存貯表PicketData

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件在SeaGPS軟件(詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1])基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件流程

當(dāng)項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，用戶需新建工程項(xiàng)目，并輸入工程參數(shù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)還需進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)初始化操作，數(shù)據(jù)庫(kù)初始化操作的目的是將打樁項(xiàng)目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(設(shè)計(jì)樁位數(shù)據(jù)、項(xiàng)目屬性數(shù)據(jù)等)發(fā)送至服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)完成首次初始化后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件此功能按鈕變?yōu)榛疑苑勒`操作，再開(kāi)啟遠(yuǎn)程監(jiān)控，這樣就完成了打樁前的所有準(zhǔn)備工作。

接下來(lái)，用戶在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件中選擇需要施打樁的樁號(hào)進(jìn)行樁體定位，并將定位結(jié)果與樁位設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)差值滿足限差規(guī)定時(shí)，電腦語(yǔ)音提示可以開(kāi)始打樁。當(dāng)完成當(dāng)前樁時(shí)，用戶可以選擇繼續(xù)打樁或者退出系統(tǒng)結(jié)束打樁工作。

2.3 遠(yuǎn)程可視化軟件設(shè)計(jì)

軟件主要包含實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、動(dòng)畫(huà)模擬打樁、數(shù)據(jù)報(bào)表生成等功能，此外還具有放大、縮小、平移、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)、總體視圖等其他人性化的功能。軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)流程

其中，在實(shí)時(shí)監(jiān)控功能界面中可以查看任意選擇的打樁船實(shí)時(shí)工作畫(huà)面，如圖5所示。在總圖區(qū)域中，用戶不僅可以查看該船正在進(jìn)行的項(xiàng)目基本信息，還可以觀察已打樁的分布位置(紅色表示已打樁，綠色表示當(dāng)前施打樁，黑色表示未打樁)，并查看當(dāng)前打樁船在樁位設(shè)計(jì)圖中的準(zhǔn)確位置；在船體樁位視圖區(qū)域中，用戶可以查看當(dāng)前樁的平面偏差；在施打樁立面圖中，用戶可以查看當(dāng)前樁的高程偏差。

在歷史查詢功能中，用戶可以查詢已打樁的屬性信息和定位數(shù)據(jù)結(jié)果等其他內(nèi)容，如圖6所示。在歷史記錄示意圖區(qū)域中，用戶可以查看已打樁的打樁定位模擬動(dòng)畫(huà)，并可以通過(guò)該區(qū)域的相應(yīng)控件進(jìn)行畫(huà)面播放的快慢、圖形大小等基本設(shè)置。

圖6 歷史記錄查詢界面

同時(shí)，該軟件還可對(duì)已打樁的數(shù)量和質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和制圖，并結(jié)合工程屬性和其他內(nèi)容生成Word報(bào)表，滿足用戶對(duì)項(xiàng)目的紙質(zhì)簽名和歸檔等需求。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于GPRS單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)的各個(gè)組成軟件都是在Windows7編譯環(huán)境，選用VC.net中的C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，本項(xiàng)目選用C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)，它相比B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)[7-8]具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)C/S結(jié)構(gòu)相應(yīng)速度快；

2)在操作簡(jiǎn)便性和快捷性方面，C/S結(jié)構(gòu)優(yōu)于B/S結(jié)構(gòu)；

3)在數(shù)據(jù)傳輸安全方面，C/S結(jié)構(gòu)優(yōu)于B/S結(jié)構(gòu)；

4)C/S結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)周期短，對(duì)服務(wù)器要求較低。

在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上，TCP(Transmission Control Protocol)協(xié)議相比UDP(User Datagram Protocol)協(xié)議[9]雖然傳輸效率稍低，對(duì)系統(tǒng)資源需求較多，但是TCP協(xié)議可靠性程度高。經(jīng)多次試驗(yàn)測(cè)試證明，TCP協(xié)議從未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，而UDP協(xié)議出現(xiàn)少量數(shù)據(jù)丟失。由于此項(xiàng)目對(duì)數(shù)據(jù)安全和完整性要求較高。因此，本項(xiàng)目選用TCP協(xié)議作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

一套基于GPRS單片機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要的硬件設(shè)備和軟件見(jiàn)表3。當(dāng)系統(tǒng)需要增加新的打樁船時(shí)，只需給這艘打樁船添加一套GPRS單片機(jī)，并在現(xiàn)場(chǎng)電腦主機(jī)中安裝現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件。

表3 硬件和軟件統(tǒng)計(jì)

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

本文研發(fā)的海上打樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成功在某海上打樁項(xiàng)目中得到應(yīng)用。經(jīng)過(guò)努力和協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)各部分都安裝調(diào)試成功。在系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間試運(yùn)行過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件成功將所有數(shù)據(jù)發(fā)送出去，服務(wù)器在接收和存貯大量來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端的數(shù)據(jù)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性；遠(yuǎn)程可視化軟件與服務(wù)器快速建立連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化操作，在多個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)時(shí)未出現(xiàn)系統(tǒng)故障，實(shí)現(xiàn)了多用戶同時(shí)操作且互不干擾；在實(shí)時(shí)性方面，遠(yuǎn)程可視化軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控界面與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控界面基本一致，延遲較小。

目前，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，用戶體驗(yàn)效果較好，得到各使用者的廣泛好評(píng)，圖5所示為海上打樁遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)界面，用戶只需要選擇訪問(wèn)的打樁船名稱，就能實(shí)時(shí)查看當(dāng)前打樁船的工作狀態(tài)和項(xiàng)目基本信息，一目了然，非常清楚地反映用戶需要了解的信息內(nèi)容。

圖6所示為歷史記錄查詢界面，用戶可以在這個(gè)界面中查看已打樁的完成時(shí)間、打樁時(shí)長(zhǎng)和位置偏差等基本信息，并且用戶還可以在該界面中查看已打樁的動(dòng)畫(huà)模擬過(guò)程，動(dòng)畫(huà)模擬打樁非常形象地還原了打樁的具體過(guò)程，方便用戶詳細(xì)了解具體施工細(xì)節(jié)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文綜合應(yīng)用了無(wú)線通訊技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)及可視化軟件設(shè)計(jì)等多種技術(shù)對(duì)海上打樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，具體歸納如下：

1)系統(tǒng)闡述了海上打樁測(cè)量工藝流程及海上打樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和各個(gè)子系統(tǒng)的功能。

2)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容和處理過(guò)程的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入分析，嘗試性提出該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)模式的選擇策略。

3)按本文所述方法研發(fā)的海上打樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已成功用于某打樁工程項(xiàng)目中，目前該系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，用戶體驗(yàn)較好。公司領(lǐng)導(dǎo)及專家能隨時(shí)掌握所有打樁船的工作情況，并對(duì)突發(fā)事件準(zhǔn)確進(jìn)行及時(shí)處理，節(jié)省了大量的人力、物力，為保障工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行做出重要貢獻(xiàn)。

[1]楊帆.海上打樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué),2012.

[2]周小平，姚連壁，劉春.打樁定位的理論、方法與實(shí)現(xiàn)[M].西安：西安地圖出版社，2008.

[3]關(guān)勇.物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展與分析[D].北京：北京郵電大學(xué)，2010.

[4]孫軍亮.基于GPRS的電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)的研制[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[5]程劍剛.網(wǎng)絡(luò)RTK聯(lián)合聲波測(cè)深儀在水下地形測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪工程，2014，23(3)：63-65.

[6]王建忠，王玉龍.多波束與RTK三維水深測(cè)量技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用[J].測(cè)繪工程，2014，23(4)：65-68.

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[8]苗沐新.淺論C/S和B/S軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的差異[J].長(zhǎng)春師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，26(3)：92-95.

[9](美)萊特 (Wright，G．R．)，(美)史蒂文斯(Stevens，W．R．).TCPTCP/IP詳解(卷2：實(shí)現(xiàn))[M]．陸雪瑩,蔣慧，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[責(zé)任編輯：劉文霞]

A design of remote monitoring for marine piling based on GPS-RTK

YANG Fan1，LIN Ji-zhao1，XIE Yi-lin2，JIA Deng-ke1

(1.CCCC-FHDI Engineering Co.，Ltd.,Guangzhou 510230,China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210029,China)

It presents the significance of a design of remote monitoring for marine piling, and the structure of the system of marine piling based on GPS-RTK.A scheme of remote monitoring system for marine piling is proposed. The system enables the user to examine the working condition and the quality of finished work，and creates engineering reports.At last it can be applied to some project in Jiangsu Province successfully，which reaches to the smooth process of this project and gives some advice for other Projects.

marine piling;GPS-RTK;remote monitoring;data transmission;data base

2013-11-12；補(bǔ)充更新日期：2014-05-10

楊 帆(1988-)，男，碩士研究生.

P228.4

：A

：1006-7949(2014)12-0076-05