大壩施工車輛遠(yuǎn)程可視化控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

阮焱林，張世榮，陳 正

（武漢大學(xué) 自動化系，武漢 430072）

近年來，隨著計算機(jī)自動控制技術(shù)、3G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、全球衛(wèi)星定位（GPS）技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化施工控制已成為現(xiàn)在大壩施工管理及施工安全控制技術(shù)的重點發(fā)展方向之一。高效率、高質(zhì)量施工已成為施工管理者長期追求的目標(biāo)。文獻(xiàn)[1-2]提出了“數(shù)字大壩”概念，為提高施工效率和質(zhì)量并優(yōu)化管理水平指明了方向。

本文根據(jù)國內(nèi)某大型水電站重建工程的施工要求，開發(fā)了注漿振搗車的遠(yuǎn)程可視化控制系統(tǒng)。大壩數(shù)字化的基礎(chǔ)是施工機(jī)械的數(shù)字化控制和管理，施工機(jī)械的數(shù)字化作業(yè)信息是數(shù)字化大壩的信息來源。

1 系統(tǒng)概述

本文數(shù)字大壩施工遠(yuǎn)程可視化控制系統(tǒng)主要用于注漿振搗車的施工操作及管理中心的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控。注漿振搗車操作人員現(xiàn)場通過觸摸屏控制注漿、振搗等施工過程，現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)（視頻、控制信號）通過無線通信傳送到管理中心，管理人員可遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場施工狀況。系統(tǒng)還自動對施工過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判定施工質(zhì)量，以及時優(yōu)化施工規(guī)則，達(dá)到提高施工效率和質(zhì)量的目的。系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示，將系統(tǒng)總體設(shè)計分為3層結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)服務(wù)層主要實現(xiàn)坐標(biāo)定位、工況信息、視頻等數(shù)據(jù)的獲取和預(yù)處理。信息管理層完成服務(wù)器/客戶機(jī)平臺內(nèi)部數(shù)據(jù)以及與數(shù)據(jù)服務(wù)層、系統(tǒng)控制層數(shù)據(jù)的交換和存儲，并以友好的界面實時監(jiān)控現(xiàn)場施工情況；該層還要完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，同時為數(shù)字大壩系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口。系統(tǒng)控制層裝于每一臺注漿振搗車，主要實現(xiàn)現(xiàn)場施工過程的自動化控制。各層以3G通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)為媒介構(gòu)成統(tǒng)一整體，形成高效、穩(wěn)定、人性化的可視化控制系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall design architecture of the system

2 數(shù)據(jù)處理與傳輸

2.1 GPS數(shù)據(jù)

為了實現(xiàn)施工車輛高精度定位以滿足施工倉面質(zhì)量監(jiān)控及數(shù)字化管理的需求，本文注漿振搗車遠(yuǎn)程可視化控制系統(tǒng)的定位部分采用GPS-RTK技術(shù)。RTK定位技術(shù)是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站在WGS-84坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級定位精度[3-4]。在RTK工作模式下，基準(zhǔn)站點通過高性能數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起通過PDL數(shù)傳電臺傳送給位于注漿振搗車的移動站。移動站一方面通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，另一方面采集GPS觀測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實時處理，解算出厘米級定位結(jié)果[5-7]。移動站接收機(jī)輸出GPGGA（WGS-84大地坐標(biāo)系經(jīng)緯度坐標(biāo)）數(shù)據(jù)，其實現(xiàn)過程如圖2所示。

基準(zhǔn)站和移動站通過PDL數(shù)傳電臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。GPS接收機(jī)和PDL電臺的參數(shù)通過PC機(jī)客戶端軟件配置。移動站GPS接收機(jī)輸出的差分后的GPGGA 數(shù)據(jù) 格 式 為$GPGGA，hhmmss，llll.lllllll，a，yyyyy.yyyyyyy，b，q，n，x.x，h.h，M，dd，xxxx*CC。 其中，n表示衛(wèi)星數(shù)量，高程單位為m，xxxx為基準(zhǔn)站編號（差分時范圍為 0000～1023），hhmmss表示時間，llll.lllllll表示緯度，a表示緯度方向，yyyyy.yyyyyyy表示經(jīng)度，b表示經(jīng)度方向，h.h表示高程，dd表示差分狀態(tài)。

圖2 RTK實時差分定位基準(zhǔn)站/移動站結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of base station and mobile station for RTK real-time differential positioning

2.2 作業(yè)數(shù)據(jù)

作業(yè)數(shù)據(jù)來源于注漿振搗車上安裝的就地控制系統(tǒng)，PLC為控制和保護(hù)裝置，而觸摸屏用于現(xiàn)場操作。車輛啟動后，首先由操作人員在觸摸屏界面輸入操作工號和登錄密碼，獲取操作權(quán)限后，操作工才能進(jìn)行注漿、振搗、洗管以及機(jī)械臂裝置調(diào)整等操作。每臺注漿振搗車的作業(yè)數(shù)據(jù)共計186個，數(shù)據(jù)格式有布爾型、整型和雙精度3種類型。這些數(shù)據(jù)封裝為Modbus數(shù)據(jù)幀傳送給數(shù)據(jù)傳輸單元DTU，校驗方式為循環(huán)冗余校驗碼CRC校驗。DTU再通過3G無線網(wǎng)絡(luò)將作業(yè)數(shù)據(jù)傳回管理中心，管理中心客戶端最終根據(jù)車牌號以及操作工工號分類別實時監(jiān)控和統(tǒng)計作業(yè)數(shù)據(jù)。作業(yè)數(shù)據(jù)包括注漿棒注漿狀態(tài)、振搗棒振搗狀態(tài)、水箱洗管狀態(tài)、漿液攪拌狀態(tài)以及機(jī)械臂裝置調(diào)整狀態(tài)5種類別。具體而言，作業(yè)數(shù)據(jù)主要包括：注漿、振搗、洗管、攪拌的開啟、暫停和停止3種動作狀態(tài)；裝置調(diào)整的上翻、下翻、左旋、右旋4種動作狀態(tài)；實際注漿量、振搗時長以及洗管時長等信息。注漿量、漿液液位等模擬量數(shù)據(jù)由高靈敏度傳感器所測數(shù)據(jù)經(jīng)處理計算獲得。

2.3 視頻數(shù)據(jù)

視頻部分采用電荷耦合元件CCD模擬攝像頭，以實時流的方式獲取現(xiàn)場施工圖像。其中，視頻編碼分辨率采用幀率為10 f/s的通用影像傳輸CIF格式，以及16～2000 kb/s碼率的動態(tài)碼流碼率控制方式。其優(yōu)點是傳輸流暢、節(jié)省帶寬，保證了視頻圖像遠(yuǎn)程傳輸?shù)那逦群蛯崟r性。為了適應(yīng)注漿振搗車移動作業(yè)的特點，視頻數(shù)據(jù)也采用3G無線通信方式[8]。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸

本文注漿振搗車遠(yuǎn)程可視化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵牟考菙?shù)據(jù)傳輸模塊DTU，其主要功能是把GPS最終平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及車輛作業(yè)數(shù)據(jù)通過3G無線網(wǎng)絡(luò)傳送給數(shù)據(jù)中心服務(wù)端[9-10]，再由OPC服務(wù)器傳送給客戶端。視頻傳輸部分由網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器DVS實現(xiàn)，再由網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器提供開放的SDK接口實現(xiàn)客戶端實時視頻監(jiān)視。傳輸方式和傳輸協(xié)議如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸方式和傳輸協(xié)議Fig.3 Data transmission mode and protocol

圖3中DTU分別通過RS-232和RS-485接口與GPS移動站接收機(jī)以及PLC輸出端口相連。在預(yù)先配置好DTU串口波特率、數(shù)據(jù)中心公網(wǎng)固定IP地址等參數(shù)后，DTU上電將先注冊到移動通信站點的3G網(wǎng)絡(luò)，然后與DTU數(shù)據(jù)中心建立套接字Socket連接，連接建立之后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)報文傳輸。本文采用的通信協(xié)議為用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP協(xié)議[11]。

3 服務(wù)器/客戶機(jī)平臺設(shè)計

本文系統(tǒng)監(jiān)控平臺軟件采用C/S結(jié)構(gòu)，即客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，服務(wù)端實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，客戶端完成數(shù)據(jù)處理[12-15]，其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示，服務(wù)端/客戶端均采用C#.Net平臺開發(fā)。

圖4 服務(wù)器/客戶端結(jié)構(gòu)Fig.4 C/S architecture of the platform

3.1 服務(wù)器平臺設(shè)計

如圖4服務(wù)端所示，服務(wù)端主要由網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)端、Access數(shù)據(jù)庫、DTU數(shù)據(jù)中心服務(wù)端和OPC Server組成。其中網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)端實現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，Access數(shù)據(jù)庫用于注漿振搗車輛信息和相關(guān)通信配置參數(shù)的存儲，DTU數(shù)據(jù)中心服務(wù)端用于接收和轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)場DTU設(shè)備的數(shù)據(jù)。OPC Server實現(xiàn)與客戶端OPC Client之間實時GPS位置信息和作業(yè)數(shù)據(jù)等信息的交互。

要實現(xiàn)注漿振搗車在施工地圖上的定位，需要將圖2中經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成當(dāng)?shù)仄矫孀鴺?biāo)。DTU數(shù)據(jù)中心服務(wù)端在收到GPS數(shù)據(jù)后，立即進(jìn)行坐標(biāo)經(jīng)緯度及高程轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換參數(shù)和步驟如下[16]：

步驟1將 WGS-84大地坐標(biāo) latitude、longitude、altitude轉(zhuǎn)換成弧度 Bw、Lw、Hw；

double Bw=（latitude*2*Math.PI）/360；

double Lw=（longitude*2*Math.PI）/360；

double Hw=altitude。

步驟2將WGS-84大地坐標(biāo)Bw、Lw、Hw轉(zhuǎn)換成WGS-84空間直角坐標(biāo)Xw、Yw、Zw；

double Xw=（N+Hw）*Math.Cos（Bw）*Math.Cos（Lw）；

double Yw=（N+Hw）*Math.Cos（Bw）*Math.Sin（Lw）；

double Zw=（N*（1-e*e）+Hw）*Math.Sin（Bw）；

步驟3將WGS-84空間直角坐標(biāo)Xw、Yw、Zw轉(zhuǎn)換為BJ-54空間直角坐標(biāo)Xb、Yb、Zb；

double Xb=dDx+dK*Xw-Ey*Zw+Ez*Yw+Xw；

double Yb=dDy+dK*Yw+Ex*Zw-Ez*Xw+Yw；

double Zb=dDz+dK*Zw-Ex*Yw+Ey*Xw+Zw；

在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中需要7個參數(shù)，其中，dDx、dDy、dDz為坐標(biāo)軸平移量，Ex、Ey、Ez為坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)角度，dK為轉(zhuǎn)換縮放尺度因子（ppm）。

步驟4將BJ-54空間直角坐標(biāo)Xb、Yb、Zb轉(zhuǎn)換為 BJ-54 大地坐標(biāo) Bb、Lb、Hb；

double Bb=Math.Atan （Zb* （N+Hw）/（Math.Sqrt（Xb*Xb+Yb*Yb）*（N*（1-e*e）+Hw）））；

double Lb=Math.Atan（Yb/Xb）；

double Hb=Math.Sqrt（Xb*Xb+Yb*Yb）/Math.Cos（Bb）-N。

步驟5將BJ-54大地坐標(biāo)Bb、Lb轉(zhuǎn)換為Gauss平面坐標(biāo)X、Y，該坐標(biāo)及Hb通過OPC Server傳送給客戶端，并在客戶端地圖上完成車輛定位。

為了保證平臺坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程的正確性，先利用手持設(shè)備測得當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)轉(zhuǎn)換的7個參數(shù)，再得到同一地理位置5組實驗數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換結(jié)果如表1所示。

表1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of coordinate conversion

3.2 客戶機(jī)平臺設(shè)計

客戶端監(jiān)控軟件為管理人員提供了遠(yuǎn)程實時監(jiān)控現(xiàn)場施工設(shè)備視頻信息、位置信息、工況操作等信息平臺，監(jiān)控軟件還根據(jù)車輛的歷史位置信息及作業(yè)數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)報表，以供管理者分析施工狀況，提高了現(xiàn)場施工效率和質(zhì)量。監(jiān)控軟件的程序主流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)控軟件流程Fig.5 Flow chart of the supervisory and control software

其中，通信參數(shù)初始化包括視頻OCX控件服務(wù)器IP注冊地址、TCP協(xié)議端口號以及OPC Client通信等相關(guān)參數(shù)初始化。注漿振搗車車輛信息包括從服務(wù)端獲取的車牌號、ID號、Modbus站點號及端口號等。OCX控件初始化及視頻監(jiān)視的核心程序如下：

上述視頻監(jiān)視的實現(xiàn)過程：①調(diào)用CX_Initial（）初始化OCX控件接口；②CX_Login（）登錄視頻服務(wù)器；③CX_RealPlay（）播放實時視頻。以上3個函數(shù)返回0時表示成功，具體參數(shù)說明如程序注釋所示。

4 車輛控制系統(tǒng)

注漿振搗車控制系統(tǒng)采用“觸摸屏+PLC”的方式實現(xiàn)，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖6所示。車輛操作員通過觸摸屏即可對車輛控制系統(tǒng)進(jìn)行輸出控制、狀態(tài)監(jiān)視、管理以及對工號、注漿量、振搗時間等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。PLC控制機(jī)箱主要實現(xiàn)車輛作業(yè)過程的順序控制、聯(lián)鎖保護(hù)等核心功能，同時通過DTU將實時作業(yè)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心服務(wù)端，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。PLC控制程序采用梯形圖設(shè)計?，F(xiàn)場液位傳感器主要實現(xiàn)注漿液位、洗箱水位等參數(shù)采集；壓力傳感器用于獲取注漿棒和振搗棒液壓壓力值；霍爾接近開關(guān)用于采集計量泵轉(zhuǎn)速以計算實際注漿量；操作按鈕用于手動控制；限位開關(guān)用于檢測各種執(zhí)行部件到位信號；電磁閥組主要實現(xiàn)執(zhí)行部件動作信號的輸出。系統(tǒng)控制量有注漿啟停、振搗啟停、洗管啟停、攪拌啟停、機(jī)械臂翻轉(zhuǎn)等。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Architecture of the control system

5 現(xiàn)場調(diào)試

在國內(nèi)某大型水電站數(shù)字大壩建設(shè)過程中，對本文設(shè)計的注漿振搗車可視化控制系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)試和試用?，F(xiàn)場試用客戶端部分截圖如圖7和圖8所示。

圖7 監(jiān)控軟件GPS定位Fig.7 GPS positioning of the supervisory and control software

圖8 作業(yè)過程遠(yuǎn)程監(jiān)控Fig.8 Remote monitoring of the operation process

現(xiàn)場試用結(jié)果表明：本系統(tǒng)GPS定位部分能在施工地圖上實時精確定位施工車輛注漿振搗棒的位置信息；視頻監(jiān)控部分能實時并清晰地監(jiān)視現(xiàn)場施工情況；能實時準(zhǔn)確地遠(yuǎn)程監(jiān)控車輛作業(yè)過程，并能對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計和生成報表；觸摸屏友好的操作界面便于操作工進(jìn)行施工操作；系統(tǒng)各部分之間工作協(xié)調(diào)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

6 結(jié)語

本文設(shè)計的大壩施工機(jī)械遠(yuǎn)程可視化控制系統(tǒng)能保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定性及實時性。人性化的設(shè)計較好地滿足了工程管理人員遠(yuǎn)程實時監(jiān)管的要求，提高了現(xiàn)場施工控制效率，保證了施工質(zhì)量，減輕了操作人員的施工強度。同時，車輛的數(shù)字化控制還有助于數(shù)字大壩的整體集成，能促進(jìn)數(shù)字化大壩的建設(shè)進(jìn)程。

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