施工機械機群通用現(xiàn)場/遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究

王國慶,陳威振,徐培培,劉 旭,翟佳星

(長安大學(xué) 工程機械學(xué)院,陜西 西安 710064)

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施工機械機群通用現(xiàn)場/遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究

王國慶,陳威振,徐培培,劉 旭,翟佳星

(長安大學(xué) 工程機械學(xué)院,陜西 西安 710064)

目前施工企業(yè)的工程機械機群大多來自于不同的廠商,設(shè)備的內(nèi)置專用控制器數(shù)據(jù)接口大部分為私有,從而導(dǎo)致這些設(shè)備無法實現(xiàn)通用遠程/現(xiàn)場監(jiān)控.針對這一問題,提出了基于外置式PAC(Programmable Automation Controller)的通用B/C/S(Browser/Server,Client/Server)綜合模式下的工程機械監(jiān)控系統(tǒng)平臺.PAC實時采集運動構(gòu)件的慣性數(shù)據(jù)和設(shè)備中的數(shù)字/模擬量傳感器信號,并完成數(shù)據(jù)傳輸功能.軟件平臺完成了現(xiàn)場監(jiān)控和遠程監(jiān)控的系統(tǒng)架構(gòu),并實現(xiàn)了影響服務(wù)器端速度和成本的關(guān)鍵技術(shù):斷點續(xù)傳技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮與還原算法.系統(tǒng)在盾構(gòu)機監(jiān)控中進行了應(yīng)用與驗證.

工程機械; 外置式PAC; 斷點續(xù)傳; 遠程監(jiān)控

目前對于有內(nèi)置式專用控制器的工程機械而言,要實現(xiàn)通用的遠程監(jiān)控管理就必須解決控制器數(shù)據(jù)接口不開放的問題.對于施工企業(yè)而言,一般采購多種類、多廠家的設(shè)備,如果均采用不同廠家的專用監(jiān)控系統(tǒng),對于企業(yè)而言成本高昂,尤其是這些生產(chǎn)廠商的專用系統(tǒng)的服務(wù)器均為廠商所有.施工企業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)完全掌握在生產(chǎn)廠商手里,對施工企業(yè)的發(fā)展相當不利.因此實現(xiàn)能夠應(yīng)用于現(xiàn)有多廠家、多機種的通用型工程機械監(jiān)控系統(tǒng)是市場所關(guān)注的,但是這里涉及設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、傳輸問題,生產(chǎn)廠商的控制器數(shù)據(jù)接口一般為私有協(xié)議,不對外公開,因此解決問題必須從硬件和軟件兩個方面入手.

文獻[1]提出的工程機械GPS遠程智能監(jiān)控系統(tǒng),將利用GIS(Geographic Information System),GPS(Global Positioning System),GPRS(General Packet Radio Service)等相關(guān)技術(shù),構(gòu)造一個開放性的平臺系統(tǒng),以便于工程機械設(shè)備的監(jiān)管;文獻[2]采用PLC(Programmable Logic Controller)為控制器,GPRS DTU(General Packet Radio Service Data Transmission Unit)為通信工具,Delphi開發(fā)的軟件為終端操作界面,實現(xiàn)了對現(xiàn)場作業(yè)工程機械關(guān)鍵參數(shù)的采集、分析、遠程傳輸;文獻[3]采用控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)對高空作業(yè)車的監(jiān)控系統(tǒng)進行了研究;文獻[4]提出了基于三層C/S模式的工程機械遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu).前述研究對實現(xiàn)工程機械的現(xiàn)場監(jiān)控和遠程監(jiān)控做了重要的探索,但這些研究仍未解決監(jiān)控系統(tǒng)的通用性問題.

針對上述問題,本文提出了一種基于B/C/S模式的工程機械監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)以PAC控制器[5]為外置式控制器,設(shè)計了專用的數(shù)據(jù)采集模塊和現(xiàn)場監(jiān)控軟件,并結(jié)合慣性測量模塊和工程機械自帶的內(nèi)置傳感器,實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)信息的獲取和監(jiān)控.采用斷點續(xù)傳技術(shù)解決網(wǎng)絡(luò)中斷時的數(shù)據(jù)丟失問題,同時自行設(shè)計了數(shù)據(jù)傳輸和壓縮算法以滿足服務(wù)器端低成本數(shù)據(jù)存儲和使用的要求.

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)控和遠程監(jiān)控兩大部分組成.系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Fig.1 System overall architecture diagram

現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)中首先由PAC控制器、慣性測量模塊及工程機械內(nèi)置傳感器組完成對機器數(shù)據(jù)及各種狀態(tài)值的采集,然后通過現(xiàn)場WIFI利用斷點續(xù)傳技術(shù)把數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場服務(wù)器,服務(wù)器再將數(shù)據(jù)提供給現(xiàn)場監(jiān)控中心的PC機,最后由安裝在PC機上的監(jiān)控軟件實現(xiàn)對工程機械的實時監(jiān)控.遠程監(jiān)控系統(tǒng),主要是將每個現(xiàn)場服務(wù)器中的實時數(shù)據(jù),通過以太網(wǎng)傳到遠程監(jiān)控中心的服務(wù)器上,之后由PC機通過瀏覽器實現(xiàn)對所有工程機械的遠程監(jiān)控.

2 外置式PAC控制器及數(shù)據(jù)采集模塊

外置式PAC控制器是獨立于工程機械本身的控制系統(tǒng),主要用于工程機械運行狀態(tài)信息的采集和處理.慣性測量模塊主要獲取測量點的加速度和速度等相關(guān)數(shù)據(jù).PAC控制器通過其上的數(shù)據(jù)采集模塊獲取傳感器組的數(shù)據(jù).

本研究設(shè)計了以ADAS3022為核心器件的16路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集.使用該芯片作為信號采集芯片的原因是，可以不用考慮信號的放大問題以及中間的其他過程.本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用通道復(fù)用原理,其原理圖如圖2所示.

3 現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S網(wǎng)絡(luò)模式架構(gòu)來實現(xiàn).根據(jù)系統(tǒng)需求分析,該系統(tǒng)由3部分組成:工程機械上的監(jiān)控終端、信息傳輸、現(xiàn)場監(jiān)控中心服務(wù)器和監(jiān)控軟件.

3.1 現(xiàn)場監(jiān)控軟件主界面

當該軟件新建一個項目時，首先要配置該項目的傳感器信息,然后再選擇所用的PAC型號,接下來把傳感器名和所用的PAC通道號對應(yīng)起來,最后選擇怎么展示這些信息.盾構(gòu)機現(xiàn)場監(jiān)控軟件的主界面如圖3所示.

3.2 傳感器定義界面

如圖4所示，用戶在此界面錄入該項目所用到的所有傳感器信息,“傳感器別名”列是針對監(jiān)控對象的物理模型對傳感器所起的名稱,在單個項目中,每個傳感器的別名需是唯一標識的.“傳感器類型”列用于對傳感器信號的輸入類型進行分類,可分為模擬量、數(shù)字量、中間量和編碼器,為其PAC通道號的配置提供基礎(chǔ)信息.

圖2 采集系統(tǒng)通道復(fù)用原理圖Fig.2 Channel multiplexing principle diagram of acquisition system

圖3 盾構(gòu)機現(xiàn)場監(jiān)控軟件主界面Fig.3 Field monitoring software main interface of shield machine

圖4 傳感器定義界面Fig.4 Sensor definition interface

3.3 傳感器通道配置界面

如圖5所示,在此界面建立傳感器別名與PAC通道號的映射關(guān)系,為傳感器數(shù)據(jù)的展示提供配置數(shù)據(jù),在系統(tǒng)的監(jiān)控界面就可以根據(jù)傳感器別名檢索到PAC通道號,然后根據(jù)通道號檢索對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)進行展示.

圖5 傳感器通道號配置界面Fig.5 Sensor channel number configuration interface

3.4 傳感器數(shù)據(jù)展示頁面

完成了傳感器的信號配置后,進入數(shù)據(jù)的展示頁面,如圖6所示.在展示頁面中主要有3類顯示控件:儀表盤、數(shù)字計、示波器.用戶可根據(jù)顯示數(shù)據(jù)的類型的不同進行選擇：儀表盤主要用來顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定性比較好、變化浮動比較小的數(shù)據(jù);數(shù)字顯示儀能夠比較直觀顯示所要查看的數(shù)據(jù);而當需要查看數(shù)據(jù)的浮動變化情況時,就可以選用示波器進行查看.

圖6 數(shù)據(jù)展示頁面Fig.6 Data display interface

4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式來實現(xiàn),用戶通過瀏覽器對現(xiàn)場的工程機械進行監(jiān)控.遠程監(jiān)控系統(tǒng)由遠程監(jiān)控終端、數(shù)據(jù)傳輸和遠程監(jiān)控中心組成.

該系統(tǒng)應(yīng)用了大型數(shù)據(jù)庫,遠程監(jiān)控中心的服務(wù)器可以保存?zhèn)鬏斶^來的數(shù)據(jù),以便后續(xù)可以對歷史數(shù)據(jù)進行查看.

遠程監(jiān)控中心由PC機、服務(wù)器組成,PC機讀取遠程監(jiān)控中心服務(wù)器中的實時數(shù)據(jù)并對此進行監(jiān)控.由于遠程監(jiān)控系統(tǒng)基于是B/S模式的,因此用戶可以通過Internet瀏覽器完成自己的工作,如發(fā)出對施工現(xiàn)場的操作指令[6].盾構(gòu)機遠程監(jiān)控系統(tǒng)客戶端界面如圖7所示.

圖7 盾構(gòu)機遠程監(jiān)控與智能化決策系統(tǒng)Fig.7 Remote monitoring and intelligent decision system of shield machine

5 數(shù)據(jù)的通信過程及斷點續(xù)傳方法

PAC支持以太網(wǎng)接口,通過不同的擴展方式可以支持有線和無線接入現(xiàn)場的局域網(wǎng)中[7].由于現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性,數(shù)據(jù)的傳輸通道可能會發(fā)生中斷,要保證數(shù)據(jù)的完整性,數(shù)據(jù)通信部分設(shè)計時必須考慮使用斷點續(xù)傳技術(shù).

斷點續(xù)傳技術(shù)是在系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)中斷情況下,PAC控制器向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)時使用的單向數(shù)據(jù)傳送方式.

該系統(tǒng)通信部分包含了客戶端和服務(wù)器端,通信的程序也就包含了兩個部分.PAC端是配置成客戶端模式,在PAC端目前采用的是全硬件TCP/IP協(xié)議棧完成的嵌入式以太網(wǎng)控制器,它能使嵌入式系統(tǒng)通過SPI接口連接到網(wǎng)絡(luò).通過IP地址和端口向服務(wù)器端發(fā)送參數(shù)的數(shù)據(jù)包.數(shù)據(jù)包的格式采用自定義的格式,服務(wù)器通過拆包得到相關(guān)數(shù)值.系統(tǒng)服務(wù)端采用微軟.NET Framework下的Socket類實現(xiàn)與遠程計算機的連接,通過數(shù)據(jù)控制協(xié)議(TCP)進行數(shù)據(jù)的交換[8-10].

作為現(xiàn)場服務(wù)端首先必須具備固定的IP地址,且滿足許多個客戶端的接入,并為每個連接的客戶端建立獨立的通信進程和數(shù)據(jù)緩存空間,將每個通信客戶端數(shù)據(jù)進行獨立的保存,還擁有每個客戶端的實時數(shù)據(jù)接口和控制接口.在現(xiàn)場服務(wù)端數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中,如果是之前由于網(wǎng)絡(luò)中斷緩存的數(shù)據(jù)則直接保存到數(shù)據(jù)庫中.當要發(fā)送指令時,先判斷連接是否正常,再發(fā)送指令給客戶端,連接異常時,就會關(guān)閉進程和連接,再重新等待連接,從而實現(xiàn)了斷點續(xù)傳功能.圖8為服務(wù)器端的斷點續(xù)傳流程圖.

6 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時,由于采集的數(shù)據(jù)量較大,而且有大量的無用數(shù)據(jù),直接存儲在數(shù)據(jù)庫中會造成存儲成本的增加.因此對于那些重復(fù)不變的數(shù)據(jù),或者變化范圍很小的數(shù)據(jù),在保存之前進行刪除處理.由于此方法采用的是一種類似有損壓縮的數(shù)據(jù)處理方法,還原后的數(shù)據(jù)的精度是根據(jù)參數(shù)允許的誤差范圍值所決定的,每個參數(shù)值的最大允許誤差需要進行設(shè)置.

6.1 數(shù)據(jù)壓縮

數(shù)據(jù)壓縮處理的具體思路是，在數(shù)據(jù)服務(wù)器安裝相關(guān)服務(wù)程序,程序的主要功能是為每塊模擬板采集的數(shù)據(jù)建立獨立項目,每個項目有獨立的目標數(shù)據(jù)庫和緩存,采集的數(shù)據(jù)保存在緩存中,每個傳感器數(shù)據(jù)設(shè)定唯一的ID.程序在每個整點執(zhí)行一次數(shù)據(jù)處理任務(wù),將緩存空間的數(shù)據(jù)讀取出來,循環(huán)判斷每個傳感器數(shù)據(jù)的變化情況,和預(yù)先設(shè)定的每個傳感器數(shù)據(jù)允許的最大偏差值進行對比,如果數(shù)據(jù)變化在該范圍內(nèi)，就刪除該采集的數(shù)據(jù),如果變化在該范圍外，則保存到數(shù)據(jù)庫中,并且刪除緩存中的該條數(shù)據(jù).

圖8 服務(wù)端斷點續(xù)傳流程圖Fig.8 HTTP server flow chart

6.2 數(shù)據(jù)還原

采用數(shù)據(jù)壓縮的方法,雖然可以減少工業(yè)數(shù)據(jù)的存儲量,但這些數(shù)據(jù)在生成曲線時會出現(xiàn)問題.如圖9所示，a圖中是沒有補充前點數(shù)據(jù)的曲線,b圖是補充前點數(shù)據(jù)的曲線,b圖是正確的.因此補充前點的數(shù)據(jù)后,生成的曲線才跟實際情況相符合.

圖9 數(shù)據(jù)曲線生成圖Fig.9 Data curve generation diagram

具體的代碼如下:

for(int i = 1;i < dt.Rows.Count -1 ;i++)

{

if(DateTime.Parse(dt.Rows[i][0].ToString())-DateTime.Parse(dt.Rows[i-1][0].ToString())> newTimeSpan(0,1,0))

//后一個點的時間比前一個的時間值大于1 min(此處1 min表示采集點時間間隔),則補上前1 min的點

{

DataRow newRow = dt.NewRow();

newRow[0]= DateTime.Parse(dt.Rows[i][0].ToString()).AddMinutes(-1);

newRow[1]= dt.Rows[i - 1][1].ToString();

dt.Rows.InsertAt(newRow,i);

i++;

}

7 結(jié)語

本文針對工程機械監(jiān)控領(lǐng)域所面臨的通用性問題,開發(fā)了基于B/C/S模式的工程機械監(jiān)控系統(tǒng).設(shè)計了數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)和現(xiàn)場監(jiān)控軟件,實現(xiàn)了對機械運行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控;完成了基于以太網(wǎng)的斷點續(xù)傳,減少了數(shù)據(jù)意外丟失;在服務(wù)器端,設(shè)計了數(shù)據(jù)的壓縮與還原算法,緩解了服務(wù)器存儲空間的壓力.實踐證明:本系統(tǒng)可以應(yīng)用到多廠家生產(chǎn)的工程機械集群中,具有一定的通用性,能夠?qū)崟r獲取當前設(shè)備的運行狀況,使得工程機械的工作狀態(tài)得以透明化,方便了各單位對機械故障的排除,以及對歷史數(shù)據(jù)的查閱,提高了工程機械的操作安全性與運行高效性.對于設(shè)備管理者來說,利用該監(jiān)控系統(tǒng)可以很好地對所有設(shè)備實現(xiàn)合理的調(diào)配和協(xié)調(diào)工作.

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Research on general field/remote monitoring system of construction machinery groups

WANG Guoqing,CHEN Weizhen,XU Peipei,Liu Xu,ZHAI Jiaxing

(School of Construction Machinery,Chang’an University,Xi’an 710064,Shaanxi,China)

Currently,construction machinery groups of construction enterprises,mostly from different vendors,data interfaces of build-in dedicated controller of a device mostly private,resulting in these devices can not achieve universal remote/site control.To solve this problem,a construction machinery monitoring system platform based on external PAC of generic B/C/S integrated mode is built.PAC capture real-time inertial data of motion parts and digital/analog sensor signal of devices,and complete the data transfer function.Software platform complete system architecture for site monitoring and remote monitoring,and implementation of key technologies which affect the speed and cost of the server:HTTP,data compression and restore algorithms.System has been used and verified in the shield machine monitoring system.

construction machinery; external PAC controller; HTTP; remote monitoring

陜西省工業(yè)攻關(guān)項目(2016GY-003)

王國慶(1972-)，男，教授.E-mail:WangGQ@chd.com.

TP 319

A

1672-5581(2017)01-0077-06