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

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)計院有限責任公司,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的海上打樁遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

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)計院有限責任公司,廣東 廣州 510230;2.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029)

討論海上打樁遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)的意義，闡述GPS-RTK智能打樁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理，提出海上打樁遠程監(jiān)控系統(tǒng)方案，利用數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)和數(shù)據(jù)庫存貯技術(shù)等計算機科學(xué)技術(shù)開發(fā)出一套智能化的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)遠程查看項目當前工作狀態(tài)和工作質(zhì)量、生成工程報表、遠程控制等功能，已應(yīng)用于江蘇某海上打樁項目中,保障了項目順利進行,為類似工程提供借鑒。

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

近年來，我國海洋事業(yè)大力發(fā)展，打樁定位在一些水運碼頭、港口、跨海橋梁工程的建設(shè)過程中是必不可少的一個重要環(huán)節(jié)[1-2]。當前海上打樁測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，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，往往需要專家親臨現(xiàn)場找出系統(tǒng)故障原因，不僅浪費人力物力，還影響施工進度。同時上級領(lǐng)導(dǎo)需直接了解項目進展情況時，往往親自前往施工現(xiàn)場，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]。我國許多機構(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，國內(nèi)電信運營商已成功實現(xiàn)我國移動數(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。

本文設(shè)計的遠程監(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、資費低和3G網(wǎng)絡(luò)速率快、資費高的特點，將遠程監(jiān)控系統(tǒng)分為基于GPRS單片機的遠程監(jiān)視系統(tǒng)和基于3G網(wǎng)路的遠程控制系統(tǒng)兩部分。其中，基于GPRS單片機的遠程監(jiān)視系統(tǒng)提供日常數(shù)據(jù)采集，發(fā)送入庫、數(shù)據(jù)處理分析以及用戶訪問等功能，作為主體部分進行設(shè)計開發(fā)；基于3G網(wǎng)路的遠程控制系統(tǒng)是將打樁船現(xiàn)場控制中心接入3G網(wǎng)絡(luò)后用遠程控制軟件實現(xiàn)遠程協(xié)助服務(wù)功能，遠程控制軟件與常規(guī)遠程控制軟件無異。本文將詳細介紹基于GPRS單片機的遠程監(jiān)視系統(tǒng)的原理和設(shè)計開發(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)實現(xiàn)的智能打樁系統(tǒng)，主要設(shè)備有在陸地的GPS基準站接收機和電臺發(fā)射器；船上的3臺GPS流動站接收機、橫向傾斜儀、縱向傾斜儀和兩個測距儀。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

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

整個海上打樁基本流程為移船、定位、開始打樁和結(jié)束打樁4個步驟。在打樁過程，由于重錘一直猛烈地錘擊樁體，因此使用GPS定位時，無法使用GPS定位儀對樁身直接進行定位。定位系統(tǒng)采用分級控制形式。首先將安裝在船體上的GPS設(shè)備對船體進行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距儀對樁身位置進行測定，并用傾斜儀測量船體姿態(tài)；最后利用這些測量數(shù)據(jù)通過串口線發(fā)送至控制室的電腦主機進行計算，從而間接得到樁體的測量坐標，使系統(tǒng)的測量精度達到厘米級。

2 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計

基于GPRS單片機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)從功能上可以分為3個組成部分，即現(xiàn)場監(jiān)控部分、服務(wù)器部分和客戶端遠程訪問部分。遠程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸整體流程如圖2所示，現(xiàn)場監(jiān)控部分負責將GPS、測距儀、傾斜儀等傳感器數(shù)據(jù)進行采集和解算，并將解算結(jié)果和工程屬性信息等通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至內(nèi)陸服務(wù)器；服務(wù)器部分負責接收數(shù)據(jù)的讀取、分割、存貯并供用戶訪問提??；客戶端遠程訪問部分負責獲取用戶操作從而訪問數(shù)據(jù)庫并提取對應(yīng)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行報表生成、繪圖以及模擬動畫形式呈現(xiàn)于用戶面前。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸流程

2.1 服務(wù)器開發(fā)

服務(wù)器接收和存貯來自各艘打樁船發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息，并為客戶端程序提供訪問數(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，詳細內(nèi)容見表1。其次選擇運行環(huán)境和數(shù)據(jù)庫平臺，服務(wù)器運行環(huán)境選用微軟Windows 7 Sever版本；數(shù)據(jù)庫平臺選用SQLSEVER2005，它相比ORACALE、ACCESS、Foxpro等國內(nèi)外常用數(shù)據(jù)庫具有的優(yōu)點是：良好的數(shù)據(jù)庫設(shè)計、杰出的管理和網(wǎng)絡(luò)運行功能。最后在SQLSEVER2005數(shù)據(jù)庫平臺中創(chuàng)建項目名稱，針對數(shù)據(jù)內(nèi)容創(chuàng)建數(shù)據(jù)表和選擇關(guān)鍵字。

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

創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫名為PilingData數(shù)據(jù)庫，在PilingData庫中建立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、船固坐標表PilingShipCoor、臨時數(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)信息和樁體定位過程和數(shù)據(jù)。以樁位數(shù)據(jù)存貯表PicketData(見表2)為例，該表存貯了所有樁位的設(shè)計坐標、打樁方式、實測坐標和完成信息等，樁體號碼是該表的索引關(guān)鍵字。這些數(shù)據(jù)將用于繪制樁位詳細分布圖、已完成樁位的坐標偏差計算、工作質(zhì)量和進度的統(tǒng)計制表等其他工作。

表2 樁位數(shù)據(jù)存貯表PicketData

2.2 現(xiàn)場監(jiān)控軟件開發(fā)

現(xiàn)場監(jiān)控軟件在SeaGPS軟件(詳見文獻[1])基礎(chǔ)上重新設(shè)計和開發(fā)，程序設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場監(jiān)控軟件流程

當項目開始時，用戶需新建工程項目，并輸入工程參數(shù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時還需進行數(shù)據(jù)庫初始化操作，數(shù)據(jù)庫初始化操作的目的是將打樁項目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(設(shè)計樁位數(shù)據(jù)、項目屬性數(shù)據(jù)等)發(fā)送至服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫完成首次初始化后，現(xiàn)場監(jiān)控軟件此功能按鈕變?yōu)榛疑苑勒`操作，再開啟遠程監(jiān)控，這樣就完成了打樁前的所有準備工作。

接下來，用戶在現(xiàn)場監(jiān)控軟件中選擇需要施打樁的樁號進行樁體定位，并將定位結(jié)果與樁位設(shè)計數(shù)據(jù)進行比較，當差值滿足限差規(guī)定時，電腦語音提示可以開始打樁。當完成當前樁時，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 遠程可視化軟件設(shè)計

軟件主要包含實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢、動畫模擬打樁、數(shù)據(jù)報表生成等功能，此外還具有放大、縮小、平移、坐標旋轉(zhuǎn)、總體視圖等其他人性化的功能。軟件設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 遠程監(jiān)控設(shè)計流程

其中，在實時監(jiān)控功能界面中可以查看任意選擇的打樁船實時工作畫面，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行的項目基本信息，還可以觀察已打樁的分布位置(紅色表示已打樁，綠色表示當前施打樁，黑色表示未打樁)，并查看當前打樁船在樁位設(shè)計圖中的準確位置；在船體樁位視圖區(qū)域中，用戶可以查看當前樁的平面偏差；在施打樁立面圖中，用戶可以查看當前樁的高程偏差。

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畫，并可以通過該區(qū)域的相應(yīng)控件進行畫面播放的快慢、圖形大小等基本設(shè)置。

圖6 歷史記錄查詢界面

同時，該軟件還可對已打樁的數(shù)量和質(zhì)量進行統(tǒng)計和制圖，并結(jié)合工程屬性和其他內(nèi)容生成Word報表，滿足用戶對項目的紙質(zhì)簽名和歸檔等需求。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)和應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于GPRS單片機的遠程監(jiān)視系統(tǒng)的各個組成軟件都是在Windows7編譯環(huán)境，選用VC.net中的C#語言進行開發(fā)實現(xiàn)。

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，本項目選用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：

1)C/S結(jié)構(gòu)相應(yīng)速度快；

2)在操作簡便性和快捷性方面，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)簡單，開發(fā)周期短，對服務(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)多次試驗測試證明，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。由于此項目對數(shù)據(jù)安全和完整性要求較高。因此，本項目選用TCP協(xié)議作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

一套基于GPRS單片機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要的硬件設(shè)備和軟件見表3。當系統(tǒng)需要增加新的打樁船時，只需給這艘打樁船添加一套GPRS單片機，并在現(xiàn)場電腦主機中安裝現(xiàn)場監(jiān)控軟件。

表3 硬件和軟件統(tǒng)計

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

本文研發(fā)的海上打樁遠程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成功在某海上打樁項目中得到應(yīng)用。經(jīng)過努力和協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)各部分都安裝調(diào)試成功。在系統(tǒng)長時間試運行過程中，現(xiàn)場監(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自現(xiàn)場監(jiān)控端的數(shù)據(jù)過程中未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，驗證了該系統(tǒng)的可靠性；遠程可視化軟件與服務(wù)器快速建立連接，實現(xiàn)遠程可視化操作，在多個用戶同時訪問時未出現(xiàn)系統(tǒng)故障，實現(xiàn)了多用戶同時操作且互不干擾；在實時性方面，遠程可視化軟件實時監(jiān)控界面與現(xiàn)場監(jiān)控界面基本一致，延遲較小。

目前，監(jiān)控系統(tǒng)運行情況良好，用戶體驗效果較好，得到各使用者的廣泛好評，圖5所示為海上打樁遠程監(jiān)控實時界面，用戶只需要選擇訪問的打樁船名稱，就能實時查看當前打樁船的工作狀態(tài)和項目基本信息，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，用戶可以在這個界面中查看已打樁的完成時間、打樁時長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畫模擬過程，動畫模擬打樁非常形象地還原了打樁的具體過程，方便用戶詳細了解具體施工細節(jié)。

4 結(jié)束語

本文綜合應(yīng)用了無線通訊技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫及可視化軟件設(shè)計等多種技術(shù)對海上打樁遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行研究和開發(fā)，具體歸納如下：

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

2)對數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容和處理過程的相關(guān)問題進行深入分析，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)的海上打樁遠程監(jiān)控系統(tǒng)已成功用于某打樁工程項目中，目前該系統(tǒng)運行情況良好，用戶體驗較好。公司領(lǐng)導(dǎo)及專家能隨時掌握所有打樁船的工作情況，并對突發(fā)事件準確進行及時處理，節(jié)省了大量的人力、物力，為保障工程項目的順利進行做出重要貢獻。

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

[2]周小平，姚連壁，劉春.打樁定位的理論、方法與實現(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)合聲波測深儀在水下地形測量中的應(yīng)用[J].測繪工程，2014，23(3)：63-65.

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

[7]尚捷，姜文剛.基于3G的內(nèi)河水流遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程，2011，39(6)：169-172.

[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].長春師范學(xué)院學(xué)報：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：實現(xiàn))[M]．陸雪瑩,蔣慧，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[責任編輯：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