三維一體航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

方開(kāi)紅， 宋文廣， 鄔春學(xué)

（1.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，羅定 527200；2.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430100；3.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

三維一體航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

方開(kāi)紅1， 宋文廣2， 鄔春學(xué)3

（1.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，羅定 527200；2.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430100；3.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

研究了一種三維一體航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)航標(biāo)燈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證內(nèi)河航道的安全暢行.通過(guò)航標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)單元將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)與遙控指揮中心通過(guò)3G無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái)，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件服務(wù)平臺(tái)構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，在遙控中心的監(jiān)控平臺(tái)上能對(duì)航標(biāo)燈實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證航標(biāo)的正常工作狀態(tài)、航道的暢通.該系統(tǒng)將航標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)單元重要參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸至監(jiān)控中心，清晰地顯示出航標(biāo)工作現(xiàn)場(chǎng)情況，為內(nèi)河航道的交通安全提供了有力的保障，節(jié)約了航道維護(hù)成本.

遙控遙測(cè)；航標(biāo)；監(jiān)測(cè)

新航標(biāo)監(jiān)測(cè)一體化系統(tǒng)主要用于監(jiān)測(cè)航標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài).航標(biāo)是水上交通運(yùn)行的指南針，引導(dǎo)船只正常運(yùn)行，有著至關(guān)重要的作用.隨著科技的發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品的逐漸興起，在航標(biāo)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)單元中安裝內(nèi)核芯片［1］.芯片具有模塊化、功能化、能與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能適應(yīng)水上交通惡劣的環(huán)境，可靠性高.

航標(biāo)是內(nèi)河航道正常運(yùn)行的指示燈，白天用航標(biāo)船指示航道，夜幕降臨航標(biāo)燈點(diǎn)亮，可以顯示出清晰的航道，使來(lái)往船只能正常地運(yùn)行.航標(biāo)燈亮起，燈光照出近2 km范圍內(nèi)清晰的航道，左來(lái)右往的船只清晰地看到自己的航道，從而保證了船只的正常運(yùn)行［2］.

航標(biāo)監(jiān)測(cè)一體化主要是將航標(biāo)船的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)情況及航標(biāo)船周?chē)\(yùn)行環(huán)境的參數(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)采集后傳輸?shù)胶綐?biāo)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)單元芯片的存儲(chǔ)器中［3］.航標(biāo)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)單元利用3G網(wǎng)絡(luò)［4］將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器的3G網(wǎng)絡(luò)接收端，接收到了航標(biāo)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)單元的數(shù)據(jù)后，在服務(wù)器中利用軟件進(jìn)行處理，分析航標(biāo)是否正常運(yùn)行［5］.航標(biāo)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)單元具有三維一體的特征，三維一體是指航標(biāo)船的大地坐標(biāo)、時(shí)間、漂移距離這些關(guān)鍵參數(shù)與攝像頭結(jié)合成一整體，能對(duì)航標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有力的監(jiān)控.

1 三維一體航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

航標(biāo)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)單元是三維一體航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)采集航標(biāo)船自身的經(jīng)緯度坐標(biāo)、GPS（global positioning system）時(shí)間，計(jì)算是否發(fā)生漂移.通過(guò)安裝的攝像頭拍攝下航標(biāo)船自身的環(huán)境，將圖片數(shù)據(jù)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器中［6］.

經(jīng)緯度坐標(biāo)采用GPS衛(wèi)星的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行求解，一般針對(duì)航道中的航標(biāo)燈在同一時(shí)刻會(huì)有4顆GPS衛(wèi)星來(lái)為其服務(wù).可以根據(jù)下列方程來(lái)求解得到：

式中，（xi，yi，zi）為衛(wèi)星i的經(jīng)緯度；（x，y，z）為航標(biāo)燈的經(jīng)緯度；pi為衛(wèi)星i到航標(biāo)燈的距離；q為衛(wèi)星到監(jiān)測(cè)服務(wù)器端的距離.

式中，c為GPS衛(wèi)星傳輸信號(hào)的速度；t為GPS傳輸信號(hào)至航標(biāo)燈所花的時(shí)間；t0為航標(biāo)燈上面的接收機(jī)因時(shí)間偏差而引起的誤差校正參數(shù).

因?yàn)镚PS衛(wèi)星是同步授時(shí)，則計(jì)算出q值，就可以計(jì)算出GPS授時(shí)的時(shí)間.

漂移距離

式中，（x1，y1，z1）為原始設(shè)置的航標(biāo)燈的經(jīng)緯度；（x2，y2，z2）為GPS衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的航標(biāo)點(diǎn)的經(jīng)緯度.

三維一體航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能部分主要有：

a.GPS數(shù)據(jù)接收端［7］，負(fù)責(zé)接收GPS的經(jīng)緯度、時(shí)間等信息.

b.航標(biāo)燈控制部分，監(jiān)控航標(biāo)燈的正常運(yùn)行狀態(tài)，使之能正常運(yùn)行，能為來(lái)往船只指引航行方向.

c.現(xiàn)場(chǎng)單元硬件部分，集成航標(biāo)的各項(xiàng)基本功能，包括對(duì)GPS信號(hào)處理、GPRS（general packet radio service）信號(hào)處理［8］、航標(biāo)燈的啟停等硬件設(shè)備.

d.現(xiàn)場(chǎng)單元軟件部分，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)軟件功能，使得硬件系統(tǒng)集成一有機(jī)整體.

1.1 航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)單元芯片設(shè)計(jì)

考慮到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境的因素，在設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)單元芯片時(shí)采取核心板與底板結(jié)合的硬件開(kāi)發(fā)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示.

圖1 航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)單元芯片設(shè)計(jì)框架圖Fig.1 Design of unit chip framework in the beacon monitoring system

由航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)單元芯片設(shè)計(jì)框架圖可知，對(duì)外接口有GPS通信端口、A／D和D／A轉(zhuǎn)換端口、攝像端口及功能升級(jí)的接口等［9］.3G通信端口和USB端口與內(nèi)核芯片中的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙向通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向交換，電源可以為內(nèi)核芯片提供電能.

根據(jù)設(shè)計(jì)的框架圖，實(shí)現(xiàn)時(shí)分為兩部分來(lái)實(shí)施，一部分為核心板部分，另一部分為底板部分.核心板部分是用于整個(gè)航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)單元芯片中相對(duì)固定的功能部分，其集成度相對(duì)比較高.核心板采用ARM9［9］、3G／GPRS、電源管理和閃存.這種方式將核心的功能塊集成在內(nèi)核電路板上，采用4～6層板來(lái)完成.底板部分是由通信部分、電源管理及處理邏輯等部分構(gòu)成，全部集中在核心板上，所有量的輸入部分將由底板來(lái)完成.

1.2 內(nèi)核芯片設(shè)計(jì)

航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)單元芯片設(shè)計(jì)的主要功能集中于內(nèi)核芯片中.設(shè)計(jì)的內(nèi)核芯片功能模塊應(yīng)該具備以下幾個(gè)功能：GPS模塊、3G模塊、轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A／D轉(zhuǎn)換）、單片機(jī)模塊部件、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（D／A控制模塊）、數(shù)據(jù)顯示以及數(shù)據(jù)錄入的鍵盤(pán)接口電路等.為了系統(tǒng)功能的升級(jí)，要預(yù)留部分端口，可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)增加或減少系統(tǒng)的相關(guān)功能模塊電路，內(nèi)核芯片設(shè)計(jì)框圖如圖2所示.

圖2 內(nèi)核芯片結(jié)構(gòu)Fig.2 Kernel chip structure

三維一體中的關(guān)鍵參數(shù)如經(jīng)緯度、時(shí)間都是通過(guò)GPS模塊來(lái)接收GPS定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲得到的.對(duì)GPS的應(yīng)用均是直接利用其串口來(lái)獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)PC機(jī)上的GPS接收裝置，與現(xiàn)場(chǎng)單元中的GPS模塊通訊，首先需要將GPS模塊的TTL電平轉(zhuǎn)換成PC機(jī)串口可以直接讀取的電平.

1.3 服務(wù)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維一體航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了現(xiàn)場(chǎng)單元中獲取到航標(biāo)本身的三維數(shù)據(jù)之外，還要將數(shù)據(jù)傳輸至實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中，利用監(jiān)控服務(wù)器來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的所有航標(biāo)燈進(jìn)行一體化的實(shí)時(shí)監(jiān)控.航標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)單元與服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示.

航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)單元與服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)中心之間的通信是通過(guò)3G通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái)的.3G通信網(wǎng)絡(luò)可以將現(xiàn)場(chǎng)單元的數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)維護(hù)或監(jiān)控人員手中，同步將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且能在GIS（geographic information system）監(jiān)測(cè)終端上顯示出來(lái).所有的數(shù)據(jù)可以在Web服務(wù)器端顯示，也可以傳輸至客戶端計(jì)算機(jī)上顯示監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)結(jié)果數(shù)據(jù).

圖3 網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)流程圖Fig.3 Flow chart network system

根據(jù)式（3）設(shè)定，當(dāng)航標(biāo)燈監(jiān)測(cè)到d＞2.5 m時(shí)，認(rèn)為航標(biāo)出現(xiàn)了明顯的漂移，必須及時(shí)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至系統(tǒng)維護(hù)人員或系統(tǒng)監(jiān)控人員，以免影響航道的正常運(yùn)行.

2 系統(tǒng)在內(nèi)河航道管理中的應(yīng)用

根據(jù)要求在內(nèi)河漢江的江漢二橋附近安裝了12個(gè)航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)單元模塊至航標(biāo)船上.每當(dāng)能見(jiàn)度不足300 m的時(shí)候，監(jiān)控人員可以通過(guò)服務(wù)器或手機(jī)發(fā)送命令，利用3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶綐?biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)單元模塊的芯片中，啟動(dòng)航標(biāo)燈.在遇到大雨、大霧天氣或夜幕降臨時(shí)，都能正常啟動(dòng)航標(biāo)燈，控制航標(biāo)燈正常的運(yùn)行，為航道的正常運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用，在監(jiān)控中心的客戶端計(jì)算機(jī)上，顯示監(jiān)控的航標(biāo)如圖4所示.

圖4 客戶端計(jì)算機(jī)顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)界面Fig.4 Real-time monitoring data interface displayed on client computer

圖4是某航道服務(wù)器監(jiān)測(cè)中心的客戶端計(jì)算機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，可以觀察到每個(gè)航標(biāo)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，以及在航道中的地理位置.當(dāng)遇到異常數(shù)據(jù)時(shí)，監(jiān)測(cè)的結(jié)果數(shù)據(jù)以紅色底色突顯出來(lái).如果監(jiān)測(cè)的結(jié)果數(shù)據(jù)正常，則不用突出的底色顯示.

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在試運(yùn)行的3個(gè)月內(nèi)，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示.表1中的數(shù)據(jù)是在航道水流比較平緩、天氣比較晴朗的白天監(jiān)測(cè)得到的.

表1 新型一體化航標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 New type of integrated data in beacon monitoring

為了提高監(jiān)測(cè)漂移距離的精度，在監(jiān)控中心服務(wù)器端的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序中采用GPS載波相位差分技術(shù)來(lái)校正監(jiān)控單元的GPS定位精度.在航道監(jiān)測(cè)中，由于航標(biāo)船本身會(huì)受到水流的影響，以及航行中來(lái)往船只激起的水浪沖擊，會(huì)導(dǎo)致航標(biāo)出現(xiàn)偏移，一般漂移距離在2.5 m范圍內(nèi)都屬于正常情況.因此，設(shè)定漂移距離2.5 m為閥值，當(dāng)超過(guò)閥值，現(xiàn)場(chǎng)單元就發(fā)出報(bào)警信息至監(jiān)控中心.

根據(jù)實(shí)測(cè)的表1數(shù)據(jù)可知，如序號(hào)為4的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)單元測(cè)得漂移距離超過(guò)了2.5 m的時(shí)候，就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，這就需要航道維護(hù)人員親自去扶正該航標(biāo)船，使其回到原處.同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，這時(shí)該燈雖然能工作，但不是與其它航標(biāo)燈進(jìn)行同步的亮滅.這說(shuō)明該燈器的控制單元數(shù)據(jù)發(fā)生了改變，為了保證航標(biāo)燈的同步亮滅，需要監(jiān)控指揮中心發(fā)送命令，使得該航標(biāo)燈重置數(shù)據(jù)，將燈器重新點(diǎn)亮，與其它航標(biāo)燈一起接收GPS的統(tǒng)一授時(shí)的時(shí)間，根據(jù)這個(gè)時(shí)間來(lái)校正其亮滅的時(shí)鐘控制器，使得該航標(biāo)燈與其它航標(biāo)燈接收GPS統(tǒng)一授時(shí)的時(shí)間來(lái)控制航標(biāo)燈的亮滅，可以使得航道的航標(biāo)燈能同步亮滅.

3 結(jié) 論

三維一體航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)單元和服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)兩大部分構(gòu)成，兩者之間的數(shù)據(jù)通信通過(guò)3G通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái).航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)單元由內(nèi)核芯片與相關(guān)外圍接口構(gòu)成，控制程序通過(guò)電子儀器燒入芯片中.服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)接收到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)后，在后臺(tái)機(jī)器中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)可在監(jiān)控端口明顯地顯示出來(lái).如果需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，則可以對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，通過(guò)手機(jī)或服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)來(lái)發(fā)送監(jiān)控命令，控制航標(biāo)燈的運(yùn)行.

在漢江的江漢二橋安裝此三維一體航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用了近1 a的時(shí)間.在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的界面中就可以清晰地看到航標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)，節(jié)約了大量的航標(biāo)維護(hù)經(jīng)費(fèi).只有當(dāng)航標(biāo)船出現(xiàn)被撞翻、落水或雷電擊壞等極少概率事件發(fā)生時(shí)，才會(huì)需要維護(hù)人員親臨現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)航標(biāo)燈的運(yùn)行.通過(guò)比較得知，傳統(tǒng)的航標(biāo)維護(hù)人員駕船巡航少出行239次，依據(jù)每巡航一次380元成本來(lái)計(jì)算，僅此一項(xiàng)可以節(jié)約9.082萬(wàn)元.由此可見(jiàn)，三維一體航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，除了能有力地保障航道的正常通行外，還能為航標(biāo)維護(hù)節(jié)約大量的成本.

系統(tǒng)研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于利用現(xiàn)有攝像頭成像清晰的特點(diǎn)，將航標(biāo)燈的經(jīng)緯度坐標(biāo)、時(shí)間、漂移距離這些關(guān)鍵參數(shù)，與攝像頭結(jié)合成一整體，通過(guò)航標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)航標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有力的監(jiān)控.

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（編輯：石 瑛）

Realization of a Three-dimensional Space Beacon Monitoring System

FANGKai-hong1， SONGWen-guang2， WUChun-xue3
（1.Electronic Information Department，Luoding Vocational and Technical College，Luoding 527200，China；2.Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources，Yangtze University，Wuhan 430100，China；3.School of Optical-Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

A three-dimensional integrated buoy monitoring system capable of real-time beacon lights monitoring was developed to ensure the safety of inland waterway navigation.Abuoy field unit monitoring the signal was linked with the remote command center via 3G wireless communication network，and combining with a computer software services platform，an organic integrated，real-time monitoring system regarding beacon lights was constituted on the remote control center monitoring platform，to ensure the normal operation stste of the beacon and the smooth passing of the waterway.The important parameters detected by the buoy field unit were transmitted to the monitoring center in real time，showing a clear site condition of the beacon.The system provides a strong guarantee for inland waterway traffic safety and also the cost saving for waterway maintenance.

remote telemetry；beacon；monitoring

TP 3

A

2013-05-02

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)子項(xiàng)目（2011ZX05020-006）；湖北省高等學(xué)校青年教師深入企業(yè)行動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目（Q20141312）

方開(kāi)紅（1978-），男，講師.研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸.E-mail：fangkaihong815＠163.com.

宋文廣（1979-），男，副教授.研究方向：軟件工程、生產(chǎn)測(cè)井.E-mail：whswg1979＠126.com.

1007-6735（2014）04-0391-04

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.017