大壩施工車輛遠程可視化控制系統設計與應用

阮焱林，張世榮，陳 正

（武漢大學 自動化系，武漢 430072）

近年來，隨著計算機自動控制技術、3G網絡通信技術、全球衛星定位（GPS）技術以及網絡視頻監控技術的飛速發展，數字化施工控制已成為現在大壩施工管理及施工安全控制技術的重點發展方向之一。高效率、高質量施工已成為施工管理者長期追求的目標。文獻[1-2]提出了“數字大壩”概念，為提高施工效率和質量并優化管理水平指明了方向。

本文根據國內某大型水電站重建工程的施工要求，開發了注漿振搗車的遠程可視化控制系統。大壩數字化的基礎是施工機械的數字化控制和管理，施工機械的數字化作業信息是數字化大壩的信息來源。

1 系統概述

本文數字大壩施工遠程可視化控制系統主要用于注漿振搗車的施工操作及管理中心的遠程數據監控。注漿振搗車操作人員現場通過觸摸屏控制注漿、振搗等施工過程，現場施工數據（視頻、控制信號）通過無線通信傳送到管理中心，管理人員可遠程監控現場施工狀況。系統還自動對施工過程數據進行分析判定施工質量，以及時優化施工規則，達到提高施工效率和質量的目的。系統總體設計結構如圖1所示，將系統總體設計分為3層結構。數據服務層主要實現坐標定位、工況信息、視頻等數據的獲取和預處理。信息管理層完成服務器/客戶機平臺內部數據以及與數據服務層、系統控制層數據的交換和存儲，并以友好的界面實時監控現場施工情況；該層還要完成數據的統計與分析，同時為數字大壩系統提供數據接口。系統控制層裝于每一臺注漿振搗車，主要實現現場施工過程的自動化控制。各層以3G通信數據網絡為媒介構成統一整體，形成高效、穩定、人性化的可視化控制系統。

圖1 系統總體設計結構Fig.1 Overall design architecture of the system

2 數據處理與傳輸

2.1 GPS數據

為了實現施工車輛高精度定位以滿足施工倉面質量監控及數字化管理的需求，本文注漿振搗車遠程可視化控制系統的定位部分采用GPS-RTK技術。RTK定位技術是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，它能夠實時地提供測站在WGS-84坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級定位精度[3-4]。在RTK工作模式下，基準站點通過高性能數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起通過PDL數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據鏈接收來自基準站的數據，另一方面采集GPS觀測數據，在系統內組成差分觀測值進行實時處理，解算出厘米級定位結果[5-7]。移動站接收機輸出GPGGA（WGS-84大地坐標系經緯度坐標）數據，其實現過程如圖2所示。

基準站和移動站通過PDL數傳電臺實現數據傳輸。GPS接收機和PDL電臺的參數通過PC機客戶端軟件配置。移動站GPS接收機輸出的差分后的GPGGA 數據 格 式 為$GPGGA，hhmmss，llll.lllllll，a，yyyyy.yyyyyyy，b，q，n，x.x，h.h，M，dd，xxxx*CC。 其中，n表示衛星數量，高程單位為m，xxxx為基準站編號（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表示經度，b表示經度方向，h.h表示高程，dd表示差分狀態。

圖2 RTK實時差分定位基準站/移動站結構Fig.2 Structure of base station and mobile station for RTK real-time differential positioning

2.2 作業數據

作業數據來源于注漿振搗車上安裝的就地控制系統，PLC為控制和保護裝置，而觸摸屏用于現場操作。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，獲取操作權限后，操作工才能進行注漿、振搗、洗管以及機械臂裝置調整等操作。每臺注漿振搗車的作業數據共計186個，數據格式有布爾型、整型和雙精度3種類型。這些數據封裝為Modbus數據幀傳送給數據傳輸單元DTU，校驗方式為循環冗余校驗碼CRC校驗。DTU再通過3G無線網絡將作業數據傳回管理中心，管理中心客戶端最終根據車牌號以及操作工工號分類別實時監控和統計作業數據。作業數據包括注漿棒注漿狀態、振搗棒振搗狀態、水箱洗管狀態、漿液攪拌狀態以及機械臂裝置調整狀態5種類別。具體而言，作業數據主要包括：注漿、振搗、洗管、攪拌的開啟、暫停和停止3種動作狀態；裝置調整的上翻、下翻、左旋、右旋4種動作狀態；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據由高靈敏度傳感器所測數據經處理計算獲得。

2.3 視頻數據

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碼率的動態碼流碼率控制方式。其優點是傳輸流暢、節省帶寬，保證了視頻圖像遠程傳輸的清晰度和實時性。為了適應注漿振搗車移動作業的特點，視頻數據也采用3G無線通信方式[8]。

2.4 數據傳輸

本文注漿振搗車遠程可視化控制系統數據傳輸的核心部件是數據傳輸模塊DTU，其主要功能是把GPS最終平面坐標數據以及車輛作業數據通過3G無線網絡傳送給數據中心服務端[9-10]，再由OPC服務器傳送給客戶端。視頻傳輸部分由網絡視頻服務器DVS實現，再由網絡視頻服務器提供開放的SDK接口實現客戶端實時視頻監視。傳輸方式和傳輸協議如圖3所示。

圖3 數據傳輸方式和傳輸協議Fig.3 Data transmission mode and protocol

圖3中DTU分別通過RS-232和RS-485接口與GPS移動站接收機以及PLC輸出端口相連。在預先配置好DTU串口波特率、數據中心公網固定IP地址等參數后，DTU上電將先注冊到移動通信站點的3G網絡，然后與DTU數據中心建立套接字Socket連接，連接建立之后即可進行數據報文傳輸。本文采用的通信協議為用戶數據報協議UDP協議[11]。

3 服務器/客戶機平臺設計

本文系統監控平臺軟件采用C/S結構，即客戶機和服務器結構，服務端實現數據管理及數據轉發，客戶端完成數據處理[12-15]，其組成結構如圖4所示，服務端/客戶端均采用C#.Net平臺開發。

圖4 服務器/客戶端結構Fig.4 C/S architecture of the platform

3.1 服務器平臺設計

如圖4服務端所示，服務端主要由網絡視頻服務端、Access數據庫、DTU數據中心服務端和OPC Server組成。其中網絡視頻服務端實現遠程網絡視頻的接收和轉發，Access數據庫用于注漿振搗車輛信息和相關通信配置參數的存儲，DTU數據中心服務端用于接收和轉發現場DTU設備的數據。OPC Server實現與客戶端OPC Client之間實時GPS位置信息和作業數據等信息的交互。

要實現注漿振搗車在施工地圖上的定位，需要將圖2中經緯度坐標轉換成當地平面坐標。DTU數據中心服務端在收到GPS數據后，立即進行坐標經緯度及高程轉換，其轉換參數和步驟如下[16]：

步驟1將 WGS-84大地坐標 latitude、longitude、altitude轉換成弧度 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Bw、Lw、Hw轉換成WGS-84空間直角坐標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Xw、Yw、Zw轉換為BJ-54空間直角坐標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；

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

步驟4將BJ-54空間直角坐標Xb、Yb、Zb轉換為 BJ-54 大地坐標 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Bb、Lb轉換為Gauss平面坐標X、Y，該坐標及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。

為了保證平臺坐標轉換過程的正確性，先利用手持設備測得當地坐標轉換的7個參數，再得到同一地理位置5組實驗數據，轉換結果如表1所示。

表1 坐標轉換實驗數據Tab.1 Experimental data of coordinate conversion

3.2 客戶機平臺設計

客戶端監控軟件為管理人員提供了遠程實時監控現場施工設備視頻信息、位置信息、工況操作等信息平臺，監控軟件還根據車輛的歷史位置信息及作業數據生成數據報表，以供管理者分析施工狀況，提高了現場施工效率和質量。監控軟件的程序主流程如圖5所示。

圖5 監控軟件流程Fig.5 Flow chart of the supervisory and control software

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

上述視頻監視的實現過程：①調用CX_Initial（）初始化OCX控件接口；②CX_Login（）登錄視頻服務器；③CX_RealPlay（）播放實時視頻。以上3個函數返回0時表示成功，具體參數說明如程序注釋所示。

4 車輛控制系統

注漿振搗車控制系統采用“觸摸屏+PLC”的方式實現，設計結構如圖6所示。車輛操作員通過觸摸屏即可對車輛控制系統進行輸出控制、狀態監視、管理以及對工號、注漿量、振搗時間等參數進行設置。PLC控制機箱主要實現車輛作業過程的順序控制、聯鎖保護等核心功能，同時通過DTU將實時作業數據傳送到數據中心服務端，以實現遠程監控和管理。PLC控制程序采用梯形圖設計。現場液位傳感器主要實現注漿液位、洗箱水位等參數采集；壓力傳感器用于獲取注漿棒和振搗棒液壓壓力值；霍爾接近開關用于采集計量泵轉速以計算實際注漿量；操作按鈕用于手動控制；限位開關用于檢測各種執行部件到位信號；電磁閥組主要實現執行部件動作信號的輸出。系統控制量有注漿啟停、振搗啟停、洗管啟停、攪拌啟停、機械臂翻轉等。

圖6 控制系統結構Fig.6 Architecture of the control system

5 現場調試

在國內某大型水電站數字大壩建設過程中，對本文設計的注漿振搗車可視化控制系統進行了現場調試和試用。現場試用客戶端部分截圖如圖7和圖8所示。

圖7 監控軟件GPS定位Fig.7 GPS positioning of the supervisory and control software

圖8 作業過程遠程監控Fig.8 Remote monitoring of the operation process

現場試用結果表明：本系統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；視頻監控部分能實時并清晰地監視現場施工情況；能實時準確地遠程監控車輛作業過程，并能對歷史數據進行分類統計和生成報表；觸摸屏友好的操作界面便于操作工進行施工操作；系統各部分之間工作協調，系統的穩定性較好。

6 結語

本文設計的大壩施工機械遠程可視化控制系統能保證系統運行穩定性及實時性。人性化的設計較好地滿足了工程管理人員遠程實時監管的要求，提高了現場施工控制效率，保證了施工質量，減輕了操作人員的施工強度。同時，車輛的數字化控制還有助于數字大壩的整體集成，能促進數字化大壩的建設進程。

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