無線傳輸技術(shù)在公路工程質(zhì)量檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

董勝利，張瑞德，遲銀波，李長建

（1.黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050；2.哈爾濱建成集團，黑龍江 哈爾濱150030）

要搭建一個可互聯(lián)多種類型設(shè)備，且穩(wěn)定可用的公路工程質(zhì)量檢測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)是該系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)重點。結(jié)合實際應(yīng)用，設(shè)計一個具備層級特性的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸框架，并選取適合的數(shù)據(jù)連接選型方案。根據(jù)檢測現(xiàn)場的復(fù)雜性，作為數(shù)據(jù)處理的連接通道，無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)成為承擔(dān)該系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊模塊的主要角色。

1 公路工程質(zhì)檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸框架

公路工程質(zhì)檢系統(tǒng)由業(yè)務(wù)應(yīng)用層AL、數(shù)據(jù)中心層DCL、硬件通訊層HCL 3個層級構(gòu)成，而該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸位于硬件通訊層，其功能為數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，從低級數(shù)據(jù)電纜連接到高級網(wǎng)絡(luò)連接構(gòu)成完整數(shù)據(jù)運送通道。在數(shù)據(jù)傳輸中由傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)通道Sensor Channel、現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)交互Data Exchange和業(yè)務(wù)回傳數(shù)據(jù)交換Business Feedback構(gòu)成。

圖1展示了公路工程質(zhì)檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸框架，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸處理Data Transmission位于3個層級的底部基礎(chǔ)位置，數(shù)據(jù)傳輸模塊承擔(dān)將各種同構(gòu)、異構(gòu)設(shè)備進行交互連接的任務(wù)，并負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速運送到數(shù)據(jù)處理中心；同時，也承擔(dān)著將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)回傳到移動測試平臺和質(zhì)檢技術(shù)檢測中心的通訊任務(wù)。

圖1 公路工程質(zhì)檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸框架

2 數(shù)據(jù)傳輸級別與傳輸性能需求

在各個數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)中根據(jù)應(yīng)用的需求，將通訊級別分成設(shè)備級通訊Device Level、邏輯處理級通訊Logical Data Level和業(yè)務(wù)處理級通訊Business process level 3個級別。本系統(tǒng)在設(shè)計時以應(yīng)用模型為設(shè)計驅(qū)動，根據(jù)應(yīng)用的級別選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)通訊類型，以有線、無線結(jié)合方式運用到設(shè)備級別通訊，以無線傳輸技術(shù)適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境和覆蓋范圍，以無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)運營商提供的廣域規(guī)模遠(yuǎn)距離傳輸為業(yè)務(wù)級別通訊應(yīng)用。

1）連接性能。設(shè)備連接方面，該系統(tǒng)要求快速現(xiàn)場布控。因此，在邏輯數(shù)據(jù)比對檢測處理時，適合應(yīng)用無線數(shù)據(jù)連接技術(shù)，無需大量檢測人員進入現(xiàn)場對檢測點與檢測移動測站進行有線連接，開啟設(shè)備即時進行檢測點的通訊連接匹配。

2）數(shù)據(jù)傳輸帶寬。數(shù)據(jù)通訊的帶寬要求方面，對現(xiàn)場實況的視頻和音頻的采集需要較大數(shù)據(jù)傳輸帶寬，有線局域網(wǎng)、802.11無線局域網(wǎng)都可提供音視頻所需帶寬，保障傳輸帶寬達到1MB／s，并結(jié)合連接性能的要求，宜采用802.11無線連接。

3）數(shù)據(jù)延時。在公路工程檢測系統(tǒng)中，檢測目標(biāo)點采集傳感器要求有很低的數(shù)據(jù)延時，而對數(shù)據(jù)的帶寬要求較低，因此，RS232串口直線連接方式可以很好地完成低數(shù)據(jù)傳輸率、高速響應(yīng)的設(shè)備級傳輸需要，而數(shù)據(jù)邏輯處理采用802.11無線連接技術(shù)。對于定時的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)回傳，采用移動通訊運營商提供廣域數(shù)據(jù)通訊服務(wù)。

3 有線傳輸與無線傳輸?shù)膶Ρ?/h2>

以公路工程檢測的現(xiàn)場實測來看，現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，檢測點選取是隨機的，施工現(xiàn)場正在作業(yè)，機動設(shè)備進出頻繁，工料進場、人員活動等等，而檢測系統(tǒng)要完全適應(yīng)這些動態(tài)因素的變化。如果采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式，在小范圍、相對靜態(tài)的環(huán)境里，數(shù)名檢測人員通過線路連接、設(shè)備調(diào)試等程序后，方可進行檢測作業(yè)，對于復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境采用有線傳輸已不能實現(xiàn)。

采用無線傳輸可以有效解決這些難題。由于采用無線連接，通過軟件設(shè)計靈活選擇連接方式，避免設(shè)備與人員在現(xiàn)場的交叉作業(yè)所帶來的問題。由于無線通訊不需考慮實體線路的連接，因此，檢測作業(yè)可以節(jié)約大量物力、人力成本。在具備這些優(yōu)勢的同時，無線傳輸上必須選取穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)保護性好、傳輸指標(biāo)高的選型方案。數(shù)據(jù)連接的匹配要通過無線設(shè)備和軟件API接口進行周密的設(shè)計，方可達到系統(tǒng)應(yīng)用的實用性要求。

4 適用于公路工程質(zhì)檢系統(tǒng)的無線傳輸方案

對于在公路工程質(zhì)檢系統(tǒng)中的無線數(shù)據(jù)傳輸方案可以有GPRS或3G方案、藍(lán)牙或ZigBee方案、802.11方案供選擇。下面逐一對各個方案在該系統(tǒng)中的優(yōu)勢和缺點進行分析。

在GPRS或3G方案中，選用移動通信運營商提供的網(wǎng)絡(luò)接入，在傳輸距離方面具備覆蓋全國范圍的廣域優(yōu)勢，但在公路檢測的施工現(xiàn)場，很有可能是偏遠(yuǎn)地區(qū)，信號覆蓋弱，無法達到數(shù)據(jù)傳輸要求，在數(shù)據(jù)安全方面，如果增設(shè)數(shù)據(jù)加密解密環(huán)節(jié)，整體數(shù)據(jù)處理速度又將下降。而如果想建立獨立的檢測站點，必然受限于運營商提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)限制。而從經(jīng)濟成本方面考慮，由于檢測現(xiàn)場要實時動態(tài)的傳輸大量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通訊費用也會計算入檢測作業(yè)成本之中，因此，此方案可適用于定時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)回傳。

在藍(lán)牙或ZigBee方案中，具備精簡和靈活、結(jié)構(gòu)簡單的特點，可以在檢測現(xiàn)場建立一個獨立的站點環(huán)境。但在傳輸距離方面藍(lán)牙技術(shù)暫無法滿足工程中大于100m半徑的長距離要求，而ZigBee的速率指標(biāo)無法滿足工程應(yīng)用，因此，這個方案僅適用于該系統(tǒng)連接短距離的設(shè)備間數(shù)據(jù)通訊。

在IEEE 802.11方案中，由于該標(biāo)準(zhǔn)的傳輸距離完全滿足公路工程質(zhì)檢系統(tǒng)的檢測覆蓋范圍，并且在數(shù)據(jù)安全方面有WEP、WPA等多種硬件加密方式；在傳輸速率方面，新的802.11n標(biāo)準(zhǔn)已由54Mbps提高到300Mps甚至600Mps，已與采用IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的有線以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)率接近，在穩(wěn)定性方面也非?？煽浚涑墒斓膽?yīng)用已遍及各個領(lǐng)域。該方案可快速在公路工程檢測現(xiàn)場搭建一個獨立的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，無需借助移動通信運營商提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，在地形、現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜的條件下，能在短時間內(nèi)布控一個穩(wěn)定的移動式檢測平臺。

5 檢測現(xiàn)場實測應(yīng)用

為了驗證公路工程檢測系統(tǒng)在無線傳輸中的可靠性，本項目特選取了一個正在施工作業(yè)的工程現(xiàn)場，根據(jù)檢測作業(yè)設(shè)定了數(shù)個檢測點位。如圖2所示，該現(xiàn)場是正在施工的跨鐵路公路橋，通過在橋中心搭建一個移動式檢測平臺——檢測系統(tǒng)移動測站，并根據(jù)檢測要求分別設(shè)置檢測點01、檢測點02～檢測點97等近百個關(guān)鍵檢測點，檢測范圍在方圓2km范圍內(nèi)，控制點位于施工公路橋東南的一個二層建筑頂部；檢測現(xiàn)場各種設(shè)備、施工人員不需因檢測作業(yè)而改變狀態(tài)，照常作業(yè)，并可適應(yīng)公路橋下的鐵路列車的動態(tài)運行；此次檢測在數(shù)據(jù)傳輸方面運用了大功率的802.11無線傳輸設(shè)備，檢測系統(tǒng)入場1h內(nèi)，搭建好檢測平臺。檢測點與移動測站的數(shù)據(jù)傳輸匹配也順利進行，通過綜合運用無線傳輸技術(shù)，檢測作業(yè)得以高效地完成。

圖2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸布控

同時，無線傳輸系統(tǒng)布設(shè)造價具備明顯優(yōu)勢，僅包含線路連接部分，未包含有線連接系統(tǒng)人工成本和電力供應(yīng)造價，詳見表1。

表1 有線傳輸與無線傳輸系統(tǒng)布設(shè)造價對比

6 結(jié)束語

以數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、傳輸速度、數(shù)據(jù)質(zhì)量、系統(tǒng)適應(yīng)性、系統(tǒng)布設(shè)時間等方面的考量，通過實踐應(yīng)用，均達到了滿意的效果。如果采用有線數(shù)據(jù)傳輸已無法實現(xiàn)檢測任務(wù)，因為場地的復(fù)雜性不允許在現(xiàn)場設(shè)置數(shù)條連接數(shù)據(jù)線。即使可以采用數(shù)據(jù)線連接，而實際所耗用的連接時間、動用的測試人員的數(shù)量等種種指標(biāo)，都證明了采用無線傳輸技術(shù)在公路工程測量檢測系統(tǒng)中的優(yōu)勢。

通過無線傳輸技術(shù)在公路檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用，首先降低硬件連接成本，同時縮短檢測作業(yè)時間，降低整體檢測成本，最終由該系統(tǒng)提升檢測效率。

[1]張瑞生.無線局域網(wǎng)搭建與管理[M].北京.電子工業(yè)出版社，2011.

[2]802.11Wireless Networks：The Definitive Guide.Matthew S.Gast，O＇Reilly Media，Inc.，2005.

[3][美]R.J.（Bud）Bates.通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4]董勝利，李長建.公路工程質(zhì)檢系統(tǒng)高效模式－實時數(shù)據(jù)比對與處理[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，25（3）：34－36.

[5]董勝利，李長建，張家平.動態(tài)測量控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，22（1）：46－49.

[6]賈志海.公路控制測量[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[7]聶讓.高等級公路控制測量[M].北京：人民交通出版社，2001.

[8]李文仲.ZigBee2007／PRO協(xié)議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[9]董勝利，李長建.基于精簡系統(tǒng)下的E500與PC數(shù)據(jù)通訊可重用穩(wěn)固算法的實現(xiàn)[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，20（1）：39－42.

[10]孟書濤.公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)[J].北京：交通部公路科學(xué)研究所，2005.