高速公路結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)*

陳俊良，葉 林，葛俊鋒，桂 康

（華中科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

高速公路交通氣象觀測(cè)主要包括能見(jiàn)度觀測(cè)、路面氣象條件觀測(cè)、氣象環(huán)境觀測(cè)、視頻實(shí)景觀測(cè)4個(gè)主要方面。路面氣象條件觀測(cè)內(nèi)容主要包括路溫、路面狀況、冰點(diǎn)溫度以及融雪劑濃度等方面。路面狀況泛指路面處于干燥、（潮）濕、積水、積雪（霜）、結(jié)冰等狀態(tài)，也包括水層、雪層、冰層的厚度情況。

結(jié)冰造成路面抗滑能力顯著降低，增加了汽車制動(dòng)距離，容易使車輛發(fā)生打滑和側(cè)翻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所有的交通安全事故中，路面結(jié)冰時(shí)的事故是干燥路面的10倍[1]。因此，路面結(jié)冰自動(dòng)監(jiān)測(cè)和及時(shí)預(yù)警對(duì)于保障行車安全、減少交通事故具有重要意義。

從20世紀(jì)50年代開(kāi)始，歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始進(jìn)行結(jié)冰傳感器的研究。目前，國(guó)外結(jié)冰探測(cè)的方法以及相應(yīng)的結(jié)冰傳感器已發(fā)展到十幾種，包括壓差式、障礙式、振動(dòng)式、潛熱式等[2-4]。國(guó)內(nèi)方面對(duì)結(jié)冰檢測(cè)技術(shù)的研究起步比較晚，資料顯示只有少數(shù)的高校與研究機(jī)構(gòu)在研究相關(guān)的結(jié)冰檢測(cè)技術(shù)，如華中科技大學(xué)的光纖式結(jié)冰傳感器[5-6]。

為適應(yīng)高速公路氣象觀測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，作者所在的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的高速公路結(jié)冰檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、光纖通信鏈路和軟件組成，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域路面結(jié)冰狀態(tài)的檢測(cè)和預(yù)警。

圖1 高速公路結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

圖1所示為常見(jiàn)的雙向四車道高速公路中單側(cè)車道。圖中虛線箭頭所指示方向即為相應(yīng)車道的行車方向。為了不影響正常的行車，減小行車中產(chǎn)生的灰塵等因素對(duì)傳感器產(chǎn)生的不利影響，同時(shí)又能夠獲得相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)冰信息，傳感器安裝在行車較少的硬路肩與無(wú)行車的路緣帶交界處。

傳感機(jī)箱在獲取攝像機(jī)視頻信號(hào)的同時(shí)，獲取各點(diǎn)傳感器的信號(hào)值，并采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議將經(jīng)過(guò)處理的編碼信號(hào)發(fā)送至高速公路監(jiān)控中心，由專用的上位機(jī)軟件完成解析處理和實(shí)時(shí)顯示。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、傳感器數(shù)據(jù)的采集、組織和處理，以及路面結(jié)冰狀態(tài)的檢測(cè)和預(yù)警，在Windows操作系統(tǒng)下Microsoft Visual Studio 2010編程環(huán)境中設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了高速公路結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件。

1 上位機(jī)軟件的架構(gòu)和功能

上位機(jī)和下位機(jī)通信，進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)、查詢以及視頻監(jiān)控等功能。上位機(jī)軟件初始界面如圖2所示。

圖2 上位機(jī)軟件初始界面

2 上位機(jī)軟件功能的實(shí)現(xiàn)

從架構(gòu)上講，上位機(jī)軟件主要由圖形用戶界面、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)庫(kù)和后臺(tái)軟件4部分組成。

從功能上講，上位機(jī)軟件主要包含5個(gè)功能模塊，分別為參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、視頻監(jiān)控模塊和控制輸出模塊，如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件功能架構(gòu)

2.1 通信處理模塊

通信建立上下位機(jī)之間的連接，連接成功后，上位機(jī)方可進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸和視頻監(jiān)控等操作。高速公路結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)中采用網(wǎng)絡(luò)通信的方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。

套接字（Socket）是為了方便網(wǎng)絡(luò)編程開(kāi)發(fā)的程序接口，Socket是在應(yīng)用層和傳輸層之間的一個(gè)抽象層，將TCP/IP層復(fù)雜的操作抽象為幾個(gè)簡(jiǎn)單的接口供應(yīng)用層調(diào)用以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程在網(wǎng)絡(luò)中通信[7]。

上下位機(jī)的以太網(wǎng)通信是基于異步非阻塞Socket封裝類中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。上位機(jī)以客戶端的身份向服務(wù)端（下位機(jī)）發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，當(dāng)服務(wù)器確認(rèn)數(shù)據(jù)請(qǐng)求后返回?cái)?shù)據(jù)，客戶端讀取下位機(jī)返回的數(shù)據(jù)，具體流程如圖4所示。

圖4 上下位機(jī)Socket通信流程圖

2.2 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)收到數(shù)據(jù)的解析，邏輯判斷，實(shí)時(shí)的數(shù)值顯示和曲線繪制，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

上位機(jī)軟件將收到的數(shù)據(jù)按照指定的規(guī)則解析為傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，即電流、電壓、溫度等，然后通過(guò)傳感器的冰厚模型計(jì)算當(dāng)前傳感器的冰厚。上位機(jī)界面上將顯示實(shí)時(shí)的冰厚值并繪制冰厚曲線，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.2.1 曲線繪制

上位機(jī)軟件中采用TeeChart控件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)冰厚、電壓、溫度曲線的顯示功能。TeeChart Pro是一款圖表圖形組件，支持 Windows和 Linux系統(tǒng)平臺(tái)，使用方便，有利于產(chǎn)品集成。

Teechart控件的操作流程包括：注冊(cè)控件、添加控件、初始化控件和刷新數(shù)據(jù)。初始化控件時(shí)，主要使用AddSeries（）函數(shù)添加曲線系列，設(shè)置坐標(biāo)軸的范圍、曲線的樣式、顏色等。在定時(shí)器中刷新數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際需求選擇刷新數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，本上位機(jī)中采用500 ms。將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CList中，在繪制曲線時(shí)，使用AddXY（）函數(shù)刷新數(shù)據(jù)。

TeeChart控件除了完成基本的圖形曲線繪制外，用戶可根據(jù)需要開(kāi)發(fā)注釋、多Y軸多量程、Y軸量程實(shí)時(shí)自適應(yīng)等功能。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

上位機(jī)軟件將傳感器原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Access數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后期數(shù)據(jù)維護(hù)、查詢和分析以及故障分析等提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。VC++通過(guò)ADO（ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象）的方式來(lái)訪問(wèn) Access數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢等操作。在VC中，使用ADO之前必須在工程stdafx.h里添加對(duì)ADO的支持代碼，使用#import指令引入ADO動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件，編譯器才能正確編譯。

ADO訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，首先要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)（Connection）對(duì)象建立與數(shù)據(jù)源的連接，然后創(chuàng)建記錄集（Recordest）對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。向數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表寫(xiě)入數(shù)據(jù)的代碼如下：

2.2.3 歷史數(shù)據(jù)查詢

歷史數(shù)據(jù)查詢的結(jié)果以曲線和列表兩種形式顯示。曲線顯示通過(guò)TeeChart控件實(shí)現(xiàn)，直觀抽象，如圖 5所示。列表顯示通過(guò)List Control控件實(shí)現(xiàn)，具體詳細(xì)。二者都是通過(guò)ADO方式對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，查詢符合條件的目標(biāo)數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)結(jié)果在界面上呈現(xiàn)。

圖5 歷史數(shù)據(jù)查詢結(jié)果

2.3 視頻監(jiān)控模塊

系統(tǒng)中為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器工作的路面狀態(tài)，在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)安裝?？低暰W(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。上位機(jī)軟件中對(duì)?？低昐DK進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，集成了網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像的實(shí)時(shí)預(yù)覽、錄像存儲(chǔ)、錄像回放和云臺(tái)控制等功能。

利用?？低昐DK實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控模塊的功能調(diào)用順序如圖6所示，視頻預(yù)覽和錄像功能調(diào)用的具體流程如圖7所示。

圖6 視頻監(jiān)控模塊功能

圖7 視頻預(yù)覽和錄像功能調(diào)用流程

在上位機(jī)界面上添加一個(gè)靜態(tài)文本框作為視頻預(yù)覽窗口，此靜態(tài)文本框的句柄作為視頻預(yù)覽接口NET_DVR_RealPlay中預(yù)覽參數(shù)的播放窗口句柄。

在預(yù)覽成功的前提下，調(diào)用錄像存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的存儲(chǔ)。開(kāi)發(fā)過(guò)程中主要涉及錄像存儲(chǔ)路徑、錄像文件的命名格式、錄像文件的時(shí)長(zhǎng)、循環(huán)錄像等，可根據(jù)需求自由選擇。

調(diào)用海康威視SDK中的接口錄制的視頻文件，必須使用?？低暤慕獯a器解碼后才能播放。本文利用系統(tǒng)控件和海康威視播放庫(kù)SDK中的播放函數(shù)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)視頻播放器實(shí)現(xiàn)錄像的回放。

云臺(tái)控制模塊實(shí)現(xiàn)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、調(diào)焦、調(diào)整光圈等基本操作。用戶可以在監(jiān)控中心操作云臺(tái)來(lái)遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)來(lái)觀察傳感器的工作狀態(tài)和路面的結(jié)冰狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文介紹了高速公路結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)。上位機(jī)軟件在高速公路監(jiān)管部門(mén)監(jiān)控中心長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)行，界面友好，操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定；實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)和監(jiān)控圖像的采集、顯示、存儲(chǔ)和查詢功能，能準(zhǔn)確地判斷路面是否結(jié)冰，若結(jié)冰能及時(shí)預(yù)警。本方法對(duì)其他實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件編寫(xiě)具有一定的借鑒意義。

[1]張愛(ài)英，丁德平，李迅，等.相似離度在北京市道面結(jié)冰預(yù)報(bào)中的初步應(yīng)用[J].氣象科技進(jìn)展，2012，2（1）：36-38.

[2]馮金龍.高度公路路面結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2011.

[3]歐彥.路面結(jié)冰監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].公路，2013（4）：191-195.

[4]孟遂珍.國(guó)外高速公路的管理和氣象信息[J].氣象科技，2000（4）：60-62.

[5]鄒建紅，葉林，葛俊鋒，等.一種用于氣象觀測(cè)的的光纖結(jié)冰探測(cè)儀的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（4）：15-18.

[6]禹迅，葉林.機(jī)場(chǎng)地面結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2013，41（6）：993-995.

[7]孫海民.精通Windows Sockets網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)：基于Visual C++實(shí)現(xiàn)[M].北京：人民郵電出版社，2008.