GPS管理系統(tǒng)在港口機(jī)械中的應(yīng)用

李宗文

（河北港口集團(tuán)有限公司通信信息工程分公司 河北 秦皇島 066000）

1 背景

秦皇島港是世界上最大的煤炭樞紐港，港內(nèi)用于煤炭堆、取的有軌大型機(jī)械體積龐大，作業(yè)過程中存在諸多需要解決的問題：1）司機(jī)操控過程中盲區(qū)大，容易與鄰近大機(jī)發(fā)生碰撞；2）作業(yè)目標(biāo)對(duì)正困難，需要地面指導(dǎo)員配合，浪費(fèi)人力；3）夜間作業(yè)難以辨認(rèn)需要工作的垛位，容易造成作業(yè)失誤；4）利用編碼器計(jì)數(shù)方式計(jì)算大機(jī)位置誤差大，故障率高。GPS 管理系統(tǒng)有效地解決了以上難點(diǎn)并且為進(jìn)一步提高作業(yè)效率，減少工作失誤，預(yù)防作業(yè)事故起到了良好的效果。

2 GPS 管理系統(tǒng)介紹

GPS 管理系統(tǒng)主要通過在流動(dòng)機(jī)械上安裝GPS 定位儀， 通過網(wǎng)絡(luò)通訊，與機(jī)械現(xiàn)有的PLC 進(jìn)行交互，讀取機(jī)械狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)機(jī)械生產(chǎn)運(yùn)輸監(jiān)控和管理，可以提高流動(dòng)機(jī)械的作業(yè)效率，科學(xué)統(tǒng)計(jì)流動(dòng)機(jī)械的作業(yè)量，節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，提升公司管理水平。

GPS 定位是本套系統(tǒng)的核心， 它依靠于美國(guó)發(fā)射的24 顆衛(wèi)星（21 顆工作衛(wèi)星，3 顆備用衛(wèi)星），它們位于距地表20200km 的上空,均勻分布在6 個(gè)軌道面上（每個(gè)軌道面4 顆） ,軌道傾角為55°。 衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)到4 顆以上的衛(wèi)星。

GPS 定位的基本原理是根據(jù)同時(shí)觀測(cè)到的4 顆已知衛(wèi)星坐標(biāo)數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法來確定需要測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)。 例如某待測(cè)點(diǎn)（X,Y,Z）在同一時(shí)刻t 接收到4 顆衛(wèi)星（X1，Y1，Z1）（X2，Y2，Z2）（X3，Y3，Z3）（X4，Y4，Z4）則可通過以下方程式求得待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。

[（X1-X）2+（Y1-Y）2+（Z1-Z）2]1/2+C（Vt1-Vt0）=d1

[（X2-X）2+（Y2-Y）2+（Z2-Z）2]1/2+C（Vt2-Vt0）=d2

[（X3-X）2+（Y3-Y）2+（Z3-Z）2]1/2+C（Vt3-Vt0）=d3

[（X4-X）2+（Y4-Y）2+（Z4-Z）2]1/2+C（Vt4-Vt0）=d4

其中四顆衛(wèi)星的坐標(biāo)可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得，C 為電文傳播速度即光速。

3 系統(tǒng)組成

GPS 管理系統(tǒng)的總體框包括：

（1）基準(zhǔn)站子系統(tǒng)；

（2）車載終端子系統(tǒng)；

（3）通信鏈路；

（4）調(diào)度監(jiān)控中心。

3.1 基準(zhǔn)站子系統(tǒng)

只有GPS 基準(zhǔn)站的正常工作才能保證全場(chǎng)每一臺(tái)機(jī)械上安裝的GPS 的定位達(dá)到要求的精度（否則均降為3-5m 量級(jí)），故GPS 基準(zhǔn)站的正常工作對(duì)至關(guān)重要，GPS 基準(zhǔn)站分系統(tǒng)配置2 套基準(zhǔn)站設(shè)備進(jìn)行雙機(jī)冗余，并通過網(wǎng)絡(luò)播發(fā)差分改正數(shù)據(jù)給GPS 移動(dòng)站。 基準(zhǔn)站安裝于主機(jī)房大樓，GPS 天線安裝于其樓頂上。

基準(zhǔn)站雙機(jī)熱備的實(shí)現(xiàn)需要軟件的支持，即需要軟件實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站的狀態(tài)檢測(cè)和雙機(jī)切換功能。 同時(shí)，通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也可利用GPS 高精度的授時(shí)功能，為網(wǎng)絡(luò)提供準(zhǔn)確的時(shí)間，使得系統(tǒng)的時(shí)間一致。

基準(zhǔn)站軟件運(yùn)行于服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)以下功能：

●接收GPS 接收機(jī)的狀態(tài)信息、時(shí)間信息、差分改正信息；

●收機(jī)工作狀態(tài)判別和基準(zhǔn)接收機(jī)切換；

●時(shí)間信息和差分改正信息播發(fā)；

●差分基準(zhǔn)站狀態(tài)報(bào)告等；

●記錄接收機(jī)運(yùn)行日志（服務(wù)開啟、關(guān)閉、切換、異常數(shù)據(jù)等）；

●播發(fā)時(shí)可以通過網(wǎng)絡(luò)或者串口發(fā)送。

時(shí)間同步軟件

運(yùn)行于服務(wù)器（需要的話也可運(yùn)行于網(wǎng)上的其它計(jì)算機(jī)）上，實(shí)現(xiàn)以下功能：

時(shí)間同步軟件接收基準(zhǔn)站軟件播發(fā)的時(shí)間同步信息并修改基準(zhǔn)站服務(wù)器（和其它計(jì)算機(jī)）的時(shí)間，使其與GPS 系統(tǒng)的精確時(shí)間一致。

3.2 車載終端子系統(tǒng)

本碼頭流動(dòng)機(jī)械GPS 生產(chǎn)管理系統(tǒng)中， 車載終端是安裝在流動(dòng)機(jī)械上用于測(cè)量、上報(bào)位置的設(shè)備。 車載終端主要功能就是為現(xiàn)代化的港口管理提供了一個(gè)可靠的，強(qiáng)有力的平臺(tái)。

車載終端包括GPS 接收機(jī)及相應(yīng)天線、控制單元、顯示屏和車載電腦等，車載終端主要是負(fù)責(zé)接收GPS 信號(hào)，并通過無線通信系統(tǒng)或者光纖等網(wǎng)絡(luò)向中心發(fā)送流動(dòng)機(jī)械位置和狀態(tài)信息。

GPS 定位是定的天線坐標(biāo)，故天線安裝位置至關(guān)重要，天線位置要能準(zhǔn)確體現(xiàn)大機(jī)位置， 由于大機(jī)的體積龐大上半部分有25 米長(zhǎng)的大臂可以320 度旋轉(zhuǎn)，下端是固定部分，坐于軌道上，天線安裝需要在旋轉(zhuǎn)部位的頭部和非旋轉(zhuǎn)部位的尾部各安裝一個(gè)， 由于大機(jī)軌道固定，臂長(zhǎng)固定，所以通過計(jì)算可以準(zhǔn)確反映出大機(jī)的準(zhǔn)確位置及狀態(tài)。

3.3 通信鏈路

車載站和基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)輸出都支持方便快捷的TCP/IP 通信。

車載移動(dòng)站、基準(zhǔn)站和服務(wù)器之間通信沒有采用傳統(tǒng)的無線傳輸而是采用了傳輸速度快，效率高，丟幀少的光纜傳輸，主要是因?yàn)楦劭趯?duì)場(chǎng)內(nèi)煤塵大，大機(jī)都為鋼結(jié)構(gòu)，并且很高，對(duì)無線信號(hào)有很大的阻礙，無線傳輸不適合我港的實(shí)際情況。 GPS 生產(chǎn)管理系統(tǒng)控制內(nèi)的大機(jī)PLC、 車載移動(dòng)站、 基準(zhǔn)站和調(diào)度監(jiān)控中心PLC 通過光纜全部聯(lián)通。

3.4 調(diào)度監(jiān)控中心

調(diào)度監(jiān)控中心設(shè)在作業(yè)調(diào)度室，調(diào)度人員可以實(shí)時(shí)在中心大屏幕上觀測(cè)堆場(chǎng)內(nèi)大機(jī)位置。

大機(jī)行駛在800 米長(zhǎng)的直線軌道上， 軌道兩側(cè)為堆放煤的堆場(chǎng)，地圖繪制前需要用GPS 測(cè)出軌道的坐標(biāo)，先繪制出每條軌道的位置，再根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)將每個(gè)堆場(chǎng)按照正確順序標(biāo)識(shí)在地圖上，調(diào)度人員可在屏幕上準(zhǔn)確觀測(cè)到大機(jī)在軌道上的位置和大機(jī)大臂頭部所對(duì)應(yīng)的堆場(chǎng)號(hào)。

4 主要功能

GPS 管理系統(tǒng)以定位為基礎(chǔ)，利用定位功能開發(fā)出的主要應(yīng)用功能有：

4.1 大機(jī)防撞功能:流動(dòng)機(jī)械位置狀態(tài)數(shù)據(jù)數(shù)字化，實(shí)時(shí)回報(bào)取料機(jī)或堆料機(jī)的行走位置、速度。本機(jī)PLC 通過計(jì)算GPS 提供的本臺(tái)大機(jī)及相鄰、相對(duì)大機(jī)的位置數(shù)據(jù)來計(jì)算彼此之間的距離，相鄰大機(jī)及在同一軌道上的兩臺(tái)a 和b，相撞有兩種可能：1）a 大臂撞在b 大臂；2）a尾部撞在b 尾部；3）a 大臂頭部撞在b 尾部。 每條軌道上最多有兩臺(tái)大機(jī)， 大機(jī)大臂旋轉(zhuǎn)角度不超過320 度所以b 大臂不會(huì)撞在a 大機(jī)上。 相對(duì)大機(jī)及相鄰軌道上的兩臺(tái)大機(jī)，堆場(chǎng)的寬度約為25 米，相對(duì)大機(jī)c 和d 大臂分別存在和a、b 碰撞可能，充分考慮到有可能發(fā)生碰撞的幾種可能性， 利用GPS 生產(chǎn)管理系統(tǒng)提供的坐標(biāo)量可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行報(bào)警以提醒大機(jī)司機(jī)，還可以設(shè)定PLC 程序，到達(dá)一定距離內(nèi)強(qiáng)制停止大機(jī)運(yùn)行。

4.2 控制灑水功能：為防止煤垛自燃，堆場(chǎng)要定期對(duì)煤垛進(jìn)行噴水降溫，為防止噴槍灑水時(shí)對(duì)大機(jī)或者大機(jī)上維修人員的誤噴射，大機(jī)尾部所在坐標(biāo)30 米范圍內(nèi)噴槍將停止噴水。

4.3 作業(yè)監(jiān)控功能： 中控室調(diào)度人員通過大屏幕可以直觀的看到大機(jī)在軌道上的位置，方便指揮，有作業(yè)任務(wù)時(shí)還能觀測(cè)到大機(jī)頭部對(duì)應(yīng)的堆場(chǎng)號(hào)，防止司機(jī)作業(yè)失誤。

4.4 大機(jī)作業(yè)記錄：GPS 配套軟件有記錄作業(yè)人員、作業(yè)時(shí)間、作業(yè)量的記錄功能。

4.5 對(duì)將來實(shí)現(xiàn)大機(jī)的無人作業(yè)，遠(yuǎn)程操作做基礎(chǔ)。

［1］胡五生.GPS 精密高程測(cè)量理論與方法相關(guān)應(yīng)用研究[D].河海大學(xué),2011.

［2］杜國(guó)慶.基準(zhǔn)站分布設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].測(cè)繪科學(xué),2007.

［3］徐紹全.GPS 測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢大學(xué)出版社,2000.