（机械设计及理论专业论文）基于gis的机群智能化施工监控系统的研究与实现.pdf

摘要本文取材于国家“8 6 3 ”计划重大专项“机群智能化工程机械”项目。机群的协调工作很大程度上影响到整个工程的进度和质量，而我国在道路建设和管理方法上比较落后，传统施工方式中，施工机械的配置具有一定的随意性，单机之间又几乎相互独立。为了保证施工质量和进度，提高机群的动态管理水平，迫切需要寻找方法以实现机群的优化配置和合理调度，从而提高施工质量，降低施工成本。设计的智能化监控系统较好地解决了传统的单枧作业的许多弊端，具有较先进水平的机群施工管理前景。研究内容具体来说主要有：1 使每台单机都能利用众多的传感器和g p s 定位设备根据需要采集自身的位置信息或状态参数，这种自身智能化的单机工作为机群智能化建立了基础：2 确定系统的通信方案，应用了先进的g s m 全球移动通信技术、数传电台通讯技术以及计算机无线网络通信，实现机群各单机之间以及与监控中心之问的双向通信；3 通过对系统以及相关技术的分析研究，选用合适的g p s 定位设备以及相应的硬件配雹并正确装备，以满足系统要求。在硬件基础上用v b 编制机群智能化施工监控系统程序，结合数据库技术和g i s 技术实现对机群的实对可视化监视和及时调度，并可方便地调出各机械设备的实时参数；本文提出的基于g i s 的机群监控系统及其程序设计已经完成，并在实践中得到了验证。关键词：全球定位系统：全球移动通信系统：无线局域网：监控a b s t r a c tt h i sa r t i c l ei sb a s e do nn a t i o n a lh i 曲t e c h n o l o g yf o u n d a t i o no fc h i n a ，“i n t e l l i g e n tm a c h i n e r yg r o u pf o ra s p h a l tp a v i n gc o n s t r u c t i o n ”a sw ek n o w , t h ec o o p e r a t i o no fa l lk i n d so fm a c h i n e r yi ss oi m p o r t a n tt h a tc a l la f f e c tt h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fp a v i n g b u tt h em a n a g e m e n to fr o a dc o n s t r u c t i o nl a g sb e h i n dr e l a t i v e l yi no r rc o u n 略a n dt h ea r r a n g e m e n to ft h em a c h i n e si sn o tv e r yr e a s o n a b l e t h e r ei sr a r er e l a t i o nb e t w e e nm a c h i n e s s oi tb e c o m e sv e r yu r g e n tt of i n daw a yt op r o m o t et h er o a dq u a l i t ya n do a td o w nt h ec o n s t r u c t i o nc o s ta c c o r d i n g l y t h ep a p e rd e s i g n sam o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hc l a nr e s o l v et h ep r o b l e m sw e l l t h ed e s i g ni n c l u d e st h ef o l l o w i n gs t e p s ：1 e q u i pe a c hm a c h i n ew i t he l e c t r i c a ls e n s o r so rg p se q u i p m e n t st om a k et h e mi n t e l l i g e n t w i t h o u ti n t e l l i g e n tm a c h i n e ，w i t h o u tt h ei n t e l l i g e n tm a c h i n e r yg r o u p ，2 t h es y s t e ma p p l i e ss e v e r a la d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yl i k e ：g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ( g s m ) ，t h ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k( w e a n ) a n dt h ea i g i t a lr a d i os t a t i o nt e c h n o l o g yt oc o m m u n i c a t i o ne a c ho t h e ro rb e t w e e nm a c h i n e r yg r o u pa n dm o n i t o r i n gc e n t e r 3 a c c o r d i n gt h er e q u i r e m e n to ft h ea c t u a lc o n d i t i o n s ，t h es y s t e ma p p l i e st h es u i t a b l eg p se q u i p m e n ta n do t h e rh a r d w a r e t h e nd e s i g nt h em o n i t o r i n gs y s t e mi nv bl a n g u a g ec o m b i n i n gw i t ht h eg i sa n dd a t a b a s et e c h n o l o g y t h es y s t e mc a ng e tt h ep o s i t i o na n do t h e rp a r a m e t e ro ft h em a c h i n e sa ta n ym o m e n t t h e r e f o r ei tc a nm a k ed y n a m i co r g a n i z a t i o na n di n t e l l i g e n tm a n a g e m e n tr e m o t e l y t h i sm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng i sh a sb e e na c c o m p l i s h e d a n dt h es y s t e mh a sb e e nv e r i f i e dd u r i n gt h eu s i n gc o u r s e k e yw o r d ：g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ；g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ；w i r e l e s sl o c a lu r e an e t w o r k ；m o n i t o r i n gi l长沙理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：咎呈日期：o 歹年中月z f 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于i 、保密口，在一一年解密后适用本授权书。2 、不保密函。( 请在以上相应方框内打“”)作者签名：红差吼q ) - 年午月涉日铷繇轴乞仇慨沙，年蝴以日第一章绪论传统的沥青路面机械化簏工是将搅拌设备生产的沥青混合料通过自卸车直接倒入沥青摊铺机的料斗中，然后进行摊铺、压实。沥青混凝土路面施工工艺和机械设备配置完成了之后，各机械的运行几乎是相互独立的，彼此之间仅仅靠沥青混合料联系在一起。几乎完全靠人工和经验来进行判断协调，没有统一的控制和指挥中心，很容易出现问题，并且任一环节出现问题之后，其他环节并不能很快明了从而采取相应的解决措施。这样就容易带来一系列的问题，比如造成一些材料的浪费，甚至可能严重影响到路面施工的进度和质量，给施工单位带来巨大的经济损失。现行的沥青混凝土路面施工中各种设备除沥青混合料搅拌设备的在线检测程度较高外，其余设备的在线检测能力都比较差。搅拌设备多采用厂拌通常在控制室就可以实时地了解到诸如火焰加热温度、沥青加热温度、混合料出仓温度、生产率及主要关键部位的运行情况等各个设备的工作状况，自动化程度还是比较高的。其他设备如自卸卡车其运行状况完全靠驾驶员的经验判断，智能化程度不高。在沥青路面摊铺过程中，不能实时对路面的温度和密实度进行检测，如果在检测中发现路面不合格，通常采取的手段就是铲除路面，进行重新摊铺。这都是因为机群联合作业协调指挥能力差而导致的大量人力和物力的浪费。因此迫切需要一个协调指挥能力高的监控系统来实现机群施工作业的智能化【1 j 。智能化机群监控系统是指在多机种机群( 包括搅拌站、自卸卡车、转运车、摊铺机、压路机等5 个机种) 联合作业的情况下施工机械的调度、报警、监控、管理系统。它采用了世界领先的g p s 全球卫星定位技术、g s m 全球移动通信技术、g i s 地理信息处理技术和计算机网络通信和数据处理技术，在现有的g s m 通信系统的基础上开发的一套远程监控、调度、管理、通信系统。利用该系统，可随时把握各施工机械位置、运转状况，能够确定由于工程推后、不测状况等变化而引起的作业差别的处理方法，远程实现工程机械机群的动态组织和智能化管理。1 1 论文背景本课题依托予由三一重工股份有限公司、长沙理工大学、中南大学和北京机械工业自动化研究所共同承担的国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 重大专项“基于转运车的机群智能化工程机械及信息化制造”( 科技部编号：2 0 0 1 a a 4 2 2 0 1 2 )中的子项一“沥青路面机械化施工工艺”及“枫群监控与智能调度”两个课题。本论文针对项目需求开发研制实用的“基于转运车的智能化施工机群通信与定位系统”，同时兼顾该方面的理论研究。项目的成果可直接应用于国家高等级公路建设中，提出了基于g p s g s m g i s 和无线局域网、无线数传电台等技术为体的智能化机群通信方案，解决了传统的单机作业时的诸多弊端，并具有相当程度的理论和实用价值。其具体表现有：1 群智能调度与优化控制以追求路面的质量和降低成本为目标，将系统工程、运筹学等现代管理思想融入施工机群的管理，通过计算机网络、信号检测、数字通信和信号处理等现代信息技术，研究施工机群对路面施工质量的制约机制实现了对施工机群设备的最优调度与调整。2 机群智能化工程机械的课题工作，构架了基于g p s 的定位系统在工程机械领域的应用，集成了地理信息系统、智能交通系统( i t s ) 的理论和方法，同时也有很多创新：如建立了能满足智能化机群施工需要的把道路施工质量与位罱信息联系在一起的专业地图，其数据有传感器检测的动态数据以及g p s 位置信息，因此有别于一般的电子地图系统。3 基于转运车的沥青路面机械化施工工艺实现的前提是每台机械设备都实现了自身的智能化，即每台机械设各都能利用众多的传感器采集自身的状态参数包括：发动机的转速、功率、油耗、油温、水温，液压油泵的工作压力、温度，传动系统的转速、油温、润滑油量，行走装置的行驶速度以及各个工作装置的工作压力、运动情况以及通过g p s 定位装置得到的自卸车、摊铺机及压路机的位置等等。智能化机群控制系统对道路施工进行了全程的数据检测，另外通过施： 工艺可以得到相关的材料数据，从而为开展施工过程的仿真，以及利用虚拟现实技术研究施工过程提供了基础。1 2 机群智能化监控技术综述机群技术是一种全新的工程机械设计理念和建筑施工理念，可以大大提高作业质量和效率，降低作业成本，是现代工程机械制造和现代化施工技术的发展方向i2 1 。而把工程机械以机械组群的方式提供给用户近来已经成为一种趋势。在施工过程中以最合理的机械组合达到最优施工进度与质量，使施工装备的综合利用成本降到最低，追求最佳经济效益。因此工程机械机群动态组织和集成管理是现代化旌工过程组织的必然要求。计算机网络技术，g p s 定位技术，无线通信技术的发展为工程机械机群自动化管理和智能化奠定了基础1 3j 。在对路面质量要求较高、需要多机种和高性能机械( 车辆1 联合作业施工情况下，针对上文提到的在道路建设中施工机械配置不合理、利用率低、施工成本居高不下的问题，迫切需要实现机群的优化配置和合理调度，降低施工成本。这就需要建立一个与之相适应并且具有扩展功能的施工机械智能化系统。鉴于此我们完成单机智能化后，开发设计了基于g p s g s m w l a n 的智能化机群控制系统，本系统结合了工程机械发展的自身特点，并借攀臼益成熟的g p s 车辆监控系统，能在机群多工程机种共同作业的情况下合理解决上述问题。其技术体系包括机群的优化与调度、机群智能化中单机的共性关键技术、施工机群中的单机关键技术3 个方面 4 - 6 1 。1 2 1 监控系统的功能组成机群智能化监控与调度系统由“调度与控制”、“机群定位”、“通信网络”、“状态监测”、“故障诊断与维护”五个功能模块组成。系统按空间位置布局由六个部分组成：移动多功能指挥车( 管理与监控中心) 、摊铺机群( 转运车、摊铺机、压路机) 、搅拌站、自卸卡车车队、远程维护中心。在整个基于转运车的沥青路面机械化施工系统中，有多种设备，每种机械设备之间的位置是不同的，需要传输的信号也不同，所以监控系统采用单的通讯方案是行不通的。我们综合考虑各种通讯方案的成本、通讯距离、精度等因素，采用了几种通讯方案的组合，包括g p s ( 全球定位系统) 、g s m ( 全球移动通信系统) 、无线局域网以及数传电台。系统各组成部分通信的示意图如图所示：图1 1系统各部分通信示意图其中监控中心实际为下文提到的移动通讯指挥车，指挥车可以在整个施工范围内运动，也可以另外建立控制中心，其位置可以固定在搅拌设备附近。因此整个机群智能化监控系统的功能结构为：( 1 ) 实现了自身的智能化的各机械设备( 即每台机械设备都能采集自身的状态参数，可以采集的状态参数包括：发动机的转速、功率、油耗、油温、水温，液压油泵的工作压力、温度，传动系统的转速、油温、润滑油量，行走装置的行驶速度以及各个工作装置的工作压力、运动情况等) 。( 2 ) 每台自卸车、摊铺机和压路机都安装g p s 定位系统，其中转运车、摊铺机和压路机之间通过无线网桥连成一个无线的局域网，将采集到的数据首先汇集到摊铺机的无线局域网的控制中心上。( 3 ) 无线局域网的数据又通过数传电台与监控中心和移动通讯指挥车进行通讯：自卸车的定位信息则通过g s m 的短消息服务与监控中心实现通讯。( 4 ) 在监控中心对各种数据和信息进行汇总、判断，并将自卸车行走路线等各种信息显示在屏幕上，对整个系统中的各种机械进行统管理、监控及调度协调，根据单机运行状态信息和单机工艺模型，在最优调度软件支持下产生单机调度信息。机群内各单机运行及施工状态均在监控中心屏幕上显示1 7 l 。1 2 2 课题的相关关键技术1 g p s 全球卫星定位技术g p s 是英文n a y ig a t i o ns a t e l l i t et i m in ga n dr a n g i n g g 1 0 b a lp o s i t i0 1 1 in gs y s t e m 的字头缩写n a v s t a r g p s 的简称。它的含义是：利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统1 8 】。它是美国国防部批准的陆海空三军联合研制而成的新的卫星导航系统。该系统以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性( 陆地、海洋、航天、航空) 、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。近年来，全球卫星定位系统获得了迅速发展，g p s 定位技术已经渗透到了经济建设和科学技术的许多领域，在发达国家已被广泛用于军事、经济、科学技术及其其他领域，开始形成一种社会化的服务手段。今后6 p s 将像目前汽车、无线电通信等一样形成产业化。美国已将广域增强系统w a a s ( 即将广域差分系统中的发送修证数据链转为地球同步卫星发送，使地球同步卫星也具有c a 码功能，形成广域g p s 增强系统) 计划发展成国际标准。我国目前也有很多单位生产车载g p s系统。为发展我国的g p s 产业，武汉已经成立中国g p st 程中心。g p s 的应用也正在进入人们的日常生活。此外，消费类g p s 手持机的价格从几百元到几千元不等，它们基本上都有1 2个并行通道和数据功能。大多能够与便携电脑相连，可以上传下载g p s 信息，并且使用精确到街道级的地图软件，可以在p c 的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航。g p s 信号接收机在人们生活中的应用，将会是一个难以用数字预测的广阔天地1 9 i 。2 g s m 移动通信技术全球数字移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，简称g s m ) 是依据欧洲通信标准化委员会制定的技术规范而设计研究的，是作为一种开放式结构和面向未来设计的系统。目前国家投资建设的g s m 公众网络，是目前国内覆盖范围最广、系统可靠性较高、话音清晰度较高的移动蜂窝通信系统。与常规v h f u h f 无线通信网、8 0 0 m 集群无线通信网比较，它不但通信范围大、系统运行可靠，而且经济实用、投资少、易普及，减少各专用通信网基站的重复投资建墁，各地监控中心易于联网，当前中国移动g 铋网是国内第一大移动通信网。依托具有强大的数字移动蜂窝通信技术的g s m 网作为卫星定位通信监控系统的无线传输网络将确保传输通道的可靠性。g s m 以统一的格式向各地用户提供所有电信业务的国内和国际漫游。g s m 7 8 系统除提供话音业务外，还提供数据业务、短消息业务等多项功能。在本系统中，就是采用了短消息功能实现数据控制中心与被监控移动车辆( 自卸车) 之问的数据传输链路。4短消息传送的基本过程比较简单：在g s m 系统中有一个短消息服务中心( s m s c ) ，移动端a 将短消息内容和要发送的目的地移动端b 的号码一同发给s m s c ，然后再由s m s c 转发给移动端b ，同理b 端也可实现对a 端的发送从而实现双向通讯。3 g i s 地理信息处理技术地理信息系统g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i 0 1 2s y s t e m ) 是一门介于信息科学、空间科学和管理科学之间的交叉学科，是计算机科学迅速发展的产物。它将空徊j 数据处理、属性数据处理、空间分析与模型分析同计算机技术紧密结合，通过数据准备、系统建立、空间分析与模型分析，产生对资源环境、区域规划、管理决策、灾害防治等有用的信息。地理信息系统突破了常规关系式数据库管理的概念，集图形管理与数据管理于一身，有很强的空间表现力。因此被广泛应用于土地、管网、农林、水利、电力环境、交通、军事等领域。组件式软件技术已经成为当今软件技术的潮流之一， f a p x 是美国m a p i n f o 公司向用户提供的具有强大地图分析功能的a c t i v e x 控件产品。由于它是一种基于w i n d o w s 操作系统的标准控件，因而能支持绝大多数标准的可视化开发环境如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 、p o w e r b u i l d e r 等。编程人员在开发过程中可以选用自己最熟悉的开发语言，轻松地将地图功能嵌入到应用中，并且可以脱离m a p i n f o 的软件平台运行。m a p x 采用基于m a p i n f op r o f e s s i o n a l 的相同的地图化技术，可以实现m a p i n f op r o f e s s i o n a l 具有的绝大部分地图编辑和空间分析功能。而且，m a p x 提供了各种工具、属性和方法，实现这些功能是非常容易的1 1 0 i 。4 计算机处理技术在本系统中，主要采用了计算机通信、数据库、无线局域网等多项计算机处理技术。系统中主要采用了计算机串口与无线m o d e m 之间的通信，数传电台的通信。电子地图和定位等多个模块运用了数据库技术，如电子地图模块中我们采用m ic r o s o f ta c c e s s 数据库，通过引用v b 的a d o d c 控件对各字符串变量与数据库表进行连接，采用v b 中a d o 的方法将数据写入表中，最后再用a d o 的更新语句对数据表格进行保存操作。采用了8 0 2 1l bw l a n 标准的无线局域网技术，它能提供最高可达1 1 m b p s 的传输速率。能满足包括本系统在内的大多数用户的要求。1 3 本文主要研究工作机群智能化监控系统是一个基于网络分布式的多层递阶系统，而监控中心处于阶梯中的最高层，通过它与现场的无线数传电台和g s m 移动网络的通讯，再经过一系列数据处理判断再发出合理的指令，最终完成对整个系统的监控、调度功能。1 首先提出机群智能化监控的系统结构，说明系统的总体构成和要实现的功能并简述监控功能的实现流程。2 在选择g p s 车载单元中，首先阐述了g p s 的组成和定位原理以及造成定位误差的原因，然后根据本系统的要求选用了一款车载g p s 定位终端并简单介绍它的各模块功能。3 机群的通信技术在本系统中起着十分关键的作用，可以说机群通信贯穿下系统运行的始终，比如采集到数据回传至监控中心以及监控中心发出指令到机械终端等等。首先列举目前车辆监控系统常用的多种通信方案，然后有针对性地阐述系统中采用的g s m 网络、无线局域网技术和数传电台三种无线通信技术，最后给出系统中采用的通信方案总体配置。4 设计监控系统的软件部分，先对其模块化，阐述各模块所用的关键技术。使用时首先对系统进行初始化，再利用串口通信实现各数据与计算机的通信，然后通过数据库技术将各数据储存于多张表中，在需要时可以方便地调用。利用m a p x组件实现g i s 功能，包括电子路线的绘制以及各机械设备的实时状态显示等等。最后通过一系列的程序处理最终给出合理的调度信息同样通过串口和两种无线通信方式发给机械设备终端。6第二章机群智能化监控系统结构在机群智能施工监控系统中，利用g s m 全球移动通信系统和无线数传电台技术把g p s 定位数据和其它参数传送给监控中心，还需要在施工现场机群之间、施工：机群和监控中心之问建立通信链路，能够把现场的各种作业机械( 车辆) 的作业状况、故障信息等采集过来，在分析处理过以后，再由监控中心把作业或调度指令传送给各作业车辆1 1 1 l 。通过对系统的一系列软硬件建设，最终实现对智能化施工机群的监控功能，下面介绍系统的总体结构。2 1 监控系统的硬件配置在这个系统中，要实现对机群各机械设备的调度，首先要得到各机械的位簧及其他参数，然后是信息的传送和处理，这样才能够正确的对其调度。所以整个调度过程应该包括两个环节：第一个环节是机械设备位置参数的获得，这主要是通过g p s 设备获得，而从g p s 设备上获取g p s 信息的途径主要有两种，一种是直接读取g p s 设备的串口，另外一种是通过手机短信的方式来获得。第二个环节就是这些参数的传送，这个环节又分为两个部分；首先要从各机械那里获得参数送监控中心；然后是监控中心能把调度信息正确传送到各个机械上，达到数据的双向传送。在本项目中，考虑到施工现场条件的特殊性，我们采用了g s m 和数传电台通讯，它们的覆盖范围可以达到现场施工的要求。主要的通讯连接是建立在监控中心和智能摊铺机上面的。监控中心是实现所有机械设备的调度与监控的总指挥。在本项目中，它实质上是一辆通讯指挥车。在指挥车上，有一台连有无线m o d e m 的笔记本电脑以及基于v b 的智能化监控与调度软件。它调度的依据是从摊铺机那里获取数据，然后根据一定的程序来实现调度。智能摊铺机主要是把其它各施工机械的参数传个监控中心并把监控中心发出的调度信息正确的传给压路机。智能摊铺机的上位枫主要由一台p c 一1 0 4 组成，它能够处理下位机传来的数据。在设计中采用的g s m 短消息通信方式，依照p d u 协议格式使用a t 指令编程实现，经串口实现通信并由m a p i n f o 公司的组件m a p x 来实现g i s 功能。监控中心计算机通过另一个串口读取数传电台传送来的无线局域网的数据，处理后发出的调度指令同样由数传电台传回局域网中。智能摊铺机与其它机械的通讯主要是通过无限局域网来实现。系统配置图如下：7数传电台数传电台无线网桥无线网桥路机模块图2 1 监控系统的硬件配置总之，系统的硬件由实时状态参数采集、远程通讯、定位与跟踪以及监控中一t l , 计算机平台等组成。我们的任务主要是监控中心的软硬件建设，以实现实时状态参数的采集和远程通讯等任务。监控中心计算机平台采用p e n t i u mi v 或以上档次的计算机，2 5 6 兆以上r a m ，6 0 g 的硬盘，并且能够提供r a i d 以保证数据安全，支持1 0 2 4 7 6 8 以上的高分辨率彩色v g a 显示器，带c a n 接口，无线调制解调器模块以及具有g p r s 功能的g s m 通讯模块1 1 2 。“。2 2 监控系统的软件结构监控系统涉及到实时数据采集、精确定位、通信组网方式等多方面内容。事实上是以g s m 全球无线通信网、数传电台和无线局域网为骨干数据传送网络，以g p s 卫星定位系统和g i s 地理信息系统为远程客户端调度监控平台，最终以计算机网络通信和数据处理技术实现对信息的处理、加工和优化。从而组成具有高新技术的“3 g ”系统，实现对机群各机械的监控。2 2 1 监控系统软件的模块结构为了完成监控和调度优化功能，在程序的开发过程中使用陋向对象的技术。将系统按功能划分为不同的模块。该系统主要包括两个大的部分：1 参数的显示模块各单机系统的数据通过数传电台后能在监控中心正确的显示。( 主要是摊铺机、压路机、转运车) 各单机的数据每隔一定时间间隔会自动存入监控中心的数据库中，数据的正确性可以通过各单机所记录的数据与监控中心保存的数据进行对比，来检验数据的准确性。实现途径：在各单机正常运行后，待网络连通后，便可以接收数据。2g p s 信息与调度模块( 包含g i s 功能实现)1 ) 道路曲线的绘制：主要是绘制施工道路的曲线。实现途径：让指挥车在施工道路上跑遍即可。2 ) 各机械设备在地图上的显示。实现途径：每台施工设备上安装好g p s 设备，并为之备好电源。3 ) 自卸车的调瘦人工干预的调度：主要是事先根据数据库里的可能出现的情况进行调度。实现途径：给自卸车发送信息，看显示屏上是否有信息。自动调度：由系统自动对自卸车进行调度。实现途径：主要是根据转运车后面必须满足至少时刻紧跟两辆自卸车的条件，通过定时对转运车后面自卸车台数的监视来自动调度后面的自卸车。监控软件各模块的具体结构和功能见表2 1 ：表2 1 各模块的功能序号模块名称模块功能实现语言1主控系统主界面及控制台v b2说明公用变量与常量模块v b3通讯通讯接口程序v b4信息发送系统信息发送平台v b5电子地图图形显示电子地图控制v b6调度调度和优化v b7计划计划与设备配置v b8评估质量评估v b9故障诊断故障诊断接口v b主控模块：作为其它窟口的容器。通讯模块：定时从数据缓冲区读取移动端发送回的数据，并把这些数据送到其它模块进行处理，同时也负责发送查询命令。电子地图模块：本系统的g i s 模块，通过调用m a p x 把移动设备的位置显示在地图中，同时也实现了一些辅助功能，如：地图的放大、缩小、距离的测量以及热区的实现等等。用户也可以在地图上标注位置。9模块输入项：g p s 定位数据。模块输出项：位置的图形显示。2 22 软件的开发环境监控系统开发环境为：w i n d o w s2 0 0 0 操作系统，v is u a lb a s i c6 0 ，m a p i n f om a p x4 0 ，m i c r o s o f ta c c e s s 数据库，等等。1 0第三章g p s 车载单元车载单元通过接收g p s 定位信号，对车辆状态进行检测，并将车辆位置信息和状态数据传送到多功能指挥车暨车辆监控中心，同时接收监控管理中心的控制数据和调度信息。本系统为实现实时定位功能，采用当前最先进的g p s 接收机，最快可做到每秒刷新一次定位数据，随时可以根据要求向中心提供定位信息。自卸车是整个机群智能化施工系统中最活跃的设备，它们的位置信息通过车载单元的通讯模块传送至监控中心。而压路机采用另一款接有l c d 显示屏的g p s 设备，可以做到定位的并可显示监控中心传来的指令。3 1g p s 系统的组成和原理3 1 1 定位技术的选择车载单元能否准确、快速的获取车辆当前的位置信息是车载单元功能和性能的一个重要的指标。车载单元的位置获取模块主要涉及到自动定位技术，目前可以应用在车载定位终端的定位技术有很多，例如全球定位系统g p s 技术、全球轨道卫星导航系统g l o n a s s 技术、g s m 手机定位技术和我国的北斗星定位技术等等。各种定位技术定位的精度和应用场合如表3 1 所示。表3 1 无线定位技术的应用情况定位技术的名称定位精度应用场合g p s 技术单机定位精度可达到备场合的车辆、船、飞1 0 2 5 来，三维坐标机等监控定位，应用范围广g s m 手机定位技术定位精度为4 0 0 5 0 0 米长途货运监控g l o n a s s 技术单机定位精度可达到应用比较少1 0 2 5 米，三维坐标g p s 和g l o n a s s 组合单机定位精度可达到各种场合的车辆、船、1 0 一2 0 米，三维坐标飞机等监控定位从上表，可以看出g p s 技术在车辆监控、导航中应用最为广泛。随着美国国防部s a 政策的取消，g p s 的定位精度大大提高并且在民用中得到了很大的推广。在上面提到的无线定位技术中，鉴于g p s 在定位导航方面使用的比较广泛，而且在此项目中也采用g p s ，下面主要对g p s 定位技术的原理做较详细的讨论。3 1 2g p s 定位系统介绍全球定位系统( g v s ) 全称为“授时与测距导航系统全球定位系统”( n a v i g a t i o ns y s t e mt i m i n ga n dr a n g i n g l o b ep o s i t i o n i n gs y s t e m n a v s t a r g p s ) ，它是随着现代科学技术发展而建立起来的新一代精密卫星导航与定位系统。它能够全天不间断地，在全球范围内为空中、陆地、海洋的用户提供高精度的位置速度和时间等信息，并且有良好的抗干扰和保密性能。g p s 由美国国防部设计和收费，美国国防邦与美国交通部达成协议交付民用。g p s 的研制实施计划共分三个阶段：第一阶段：1 9 7 3 1 9 7 8 ，是方案论证阶段；第二阶段：1 9 7 9 1 9 8 5 ，是工程研制和系统实验阶段，发射了一些实验卫星，测试结果令人满意，系统达到了预定的设计目标；第三阶段：1 9 8 6 1 9 9 3 ，是实用组网阶段。到1 9 9 3 年6 月2 6 日，最后一颗卫星进入轨道，耗资3 0 多亿美元的g p s 全球定位系统全面投入使用。g p s 包括三部分：空问部分、卫星用户部分、控制部分。1 、空间部分空间部分由g p s 卫星组成，g p s 星座包括2 4 颗卫星，其中3 颗为备用状态，它们均匀分布在6 个轨道上，即各轨道升交点( 与赤道交点) 之间的角距为6 0 度，轨道之间倾角为5 5 度，每轨道均匀分布4 颗卫星，相邻轨道之间的卫星还要彼此叉开4 0 度，以保证全球均匀覆盖的要求。其星座图如图3 1 所示。图3 1g p s 卫星星痤图g p s 卫星位于距地面约2 0 1 3 8 千米的高空，周期约1 2 小时。每颗卫星绕地球运行两圈时，地球恰好自转一周，这样每颗卫星每个恒星日有1 2 次通过同一地点的上空。g p s 卫星在空间的上述的配置，保障了地球上任何的地点、任何的时间都能至少观测到4 颗g p s 卫星，最多可见到1 1 颗，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此g p s 满足为结算所测站的三维坐标而必须观测4 颗g p s 卫星的要求。因此g p s 是一种全球的、全天候的连续的实时的定位系统。g p s 卫星的基本的功能：接收和储存由地面监拉站发来的导航信息，接收并且执行监控站的控制命令：卫星上设有微处理机，进行部分的必要的数据处理工作；通过星载的高精度的铯钟和铷钟提供精密的时间标准；向用户发送导航和定位信息；在地面监控站的指令下，对卫星的姿态进行调整和启动备用卫星。2 、控制部分控制部分主要是用来测量和计算每颗卫星的星历，编辑成电文发送给卫星，即卫星所提供的广播星历。控制部分包括1 个主控站、3 个注入站和5 个监测站。主控站位于c o l o r a d os p r i n g s 的联合空间执行中心，3 个注入站分别设在太平洋、印度洋和大西洋的三个美国的军事基地内。监测站设在主控站和3 个注入站和夏威夷岛，( 1 ) 监测站监测站是一种无人值守的数据采集中心，其的任务是对每一个卫星进行连续不断的观测，并向主控站提供观测数据。监测站是在主控站的控制下，定时将观测数据送往主控站。5 个监控站所提供的观测数据形成了g p s 卫星实时发布的广播星历。( 2 ) 主控站主控站的任务是提供g p s 的时间基准，监控控制部分和卫星的正常的工作，包括：提供g p s 的时间基准；处理由各个监测站送来的观测数据，编制各卫星的星历，计算各卫星钟的锌差和电离层的校正等参数，并且将这些导航信息送给注入站：调整和控制卫星的运行轨道；启动备用卫星。( 3 ) 注入站注入站的任务是在卫星通过其的上空时候，接收导航信息即主控站送达的各卫星导航电文，并将之注入飞越其上空的每颗卫星注入给卫星，并且负责监测注入信息的正确性。3 、用户部分上述的两个部分是由专门的机构投资建立、维护和运行的，一旦工作，将不断的提供导航信息，该信息可以免费提供给所有的具有g p s 接收机的用户使用。而用户部分指的是g p s 接收机。用户部分的主要的功能任务是接收g p s 卫星的发射信号，以便能获取必要的导航、定位信息和必要的观测量，并且经过数据处理以后完成导航定位的工作。这对实现我们系统的定位足密切相关的，在下节车载单元组成里将详细讨沧用户部分即接收机部分。2 1 3g p s 定位的基本原理g p s 地面观测点定位的方法较多，有伪距定位法、多普勒定位法、载波相位定位法、伪距测量加多普勒定位法、干涉定位法等。常用的是前三种，多普勒定位法和载波相位定位法定位精度比伪距测量定位法高。同时，其成本造价也要高出许多。现在导航型g p s 接收机主要采用伪距测量定位法。伪距定位原理是基于到达时间( t o a ) 的测距原理：从己知位置上的发射机卫星发射信号到达接收机所需时间间隔乘以信号传播速度，可得到发射机到接收机的距离。接收机从多个已知位置的发射机接收多个信号，用于确定接收机的位置。由于卫星和接收时间的时钟偏差、传播对延和其它误差不可能测出实际距离，而是伪距。卫星时钟和接收机时钟的读时偏差是常数，为了确定接收机位置，接收机需知道跟踪卫星的伪距和卫星的位置，视在信号传播时间乘以光速等于伪距。信号传播时间由将接收的卫星码和内部产生的复制码相匹配的测量时间偏差决定。伪距测量是利用相关技术获取的。在相关接收中，卫星上发射的c a 码伪随机信号是由卫星钟控制的，用户接收机的c a 码伪随机信号是由本地时钟控制的。出于经济上的考虑，接收机采用价格便宜的晶体振荡器，这些时钟在接收机和g p s时钟间引入时间偏差( 时钟偏差) 。接收机的时间偏差对每颗卫星都是相同的。在相关接收时，将这两组伪随机信号码位对齐，即完成跟踪和延时锁定，这一时刻相对于初始时刻的时延量，即表征了地面点到卫星间距离的函数，称为伪距观测量f 简称伪距1 。g p s 伪距定位的基本定位原理是：卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息，g p s 接收机通过接收观测范围内的几个卫星( 通常为四颗) 可以得到几个伪距的方程，将这几个方程结合所接收到的卫星星历数据，经过处理以及计算，可以求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。g p s 伪距定位原理图如图2 2 所示：卫星2卫星3图3 2g p s 伪距定位原理图1 4卫星4伪距定位方法中，卫星i ( i ：1 ，2 ，3 ，4 ) 的坐标为( t ，y ；，弓) ，各个卫星的时间为t ，g p s 接收机接收到卫星信号时间为t ，假设地面g p s 的坐标为( x ，y ，z ) 那么在不考虑其他的误差因素情况下，定位求解的数学模型为：。1 。_ _ h - _ _ _ 。1 1 。( x 一- ) 2 + ( y y 1 ) 2 + ( z z 1 ) 2 = c x ( t f 1 )( 3 1 )、后i 再石瓦再丽- c x ( t t 2 )、卮i 汀百瓦汀丽= c x ( t 一)( 3 2 )( 3 _ 3 )厄二了瓦j 了而。c x ( f f 4 )( 3 4 )通过上面的方程组，求解出g p s 接收机坐标( x ，y ，z ) 和g p s 接收机的时间t 。g p s 伪距定位技术在导航和动态定位应用领域中，主要有两种方式：单点定位和差分定位。7所谓的单点定位方式，就是独立确定待定点在地心坐标中的绝对位置。该方法的优点是只需要一台接收机，缺点是定位的误差比较大，精度不高【”l 。而所谓的差分定位技术，就是将一台接收机安置在地面的己知点作为基准点，并且与所有的待测点进行同步观测，基准点根据其的精确的已知的坐标可以求解出定位结果的坐标改正参数，然后通过数据链路把这些坐标改正参数实时的传送给相关的用户。用户利用这些坐标改正参数对自己的定位坐标进行改正，从而得到精度比较高的坐标。3 2 定位误差和s a 政策3 2 16 p $ 定位误差来源通过分析g p s 定位的基本原理，g p s 测量中出现的各种误差按其来源大致可分为三种类型：1 卫星有关的误羞：主要包括卫星星历、卫星钟的误差、地球自转的影响和相对论效应的影响等。尽管卫星上采用的是原子钟( 铯钟和铷钟) ，但是由于这姥钟与g p s 标准时之间会有偏差和漂移，并且随着时间的推移，这些偏差和漂移还会发生变化。而g p s 定位所需要的观测量都是以精密测时为依据，所以极微小的时间误差都可能产生较大的定位误差。卫星星历是由地面监控站跟踪监测g p s 卫星求定的。由于地面监控站测试的误差以及卫星空中受到多种摄动力影响，使得测定的卫星轨道会有误差；另外由地面注入站给卫星的广播星历和由卫星向地面发送的广播星历，都是由地面监测的卫星轨道外推算出来的，使得由广播星历提供的卫星位置与卫星实际位置之脚有差。2 信号传播误差：由于g p s 信号从距地面2 0 1 3 8 k m 的高空经过大气层传播，因此，信号传播误差主要是电波信号的电离层传播延迟、对流层传播延迟和多径效应。3 观测误差和接收设备的误差；通常可采用适当的方法减弱或消除这些误差的影响，如建立误差改正模型对观测值进行改正。3 2 。2s a 政策美国政府在g p s 设计中，计划提供两种服务。一种为标准定位服务一一s p s ，利用粗码( c a 码) 定位，精度约为1 0 0 m ，提供给民用用户使用：另一种为精密定位服务一一p p s ，利用精码( p 码) 定位，精度达到1 0 m ，提供给军方和得到特许的民间用户使用。在g p s 试验卫星应用阶段，实际定位精度远高于此值。利用最简单的c a 码定位精度可达到1 4 m ，利用p 码定位精度可达到3 m 。于是美国政府采取了s a ( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y ) 政策，人为将误差引入卫星时钟的卫星数据中，故意降低g p s 的定位精度，以防止未经许可的用户把g p s 用于军事目的。利用s a 政策，规定水平定位精度为l o o m ，垂直测量精度为1 5 7 m ，美国国防部常年对s a 政策进行检测，并根据形势和要求对部分或全部卫星取消s a政策。由此可见，美国政府实施的s a 政策，导致定位精度严重下降，这就极大限制了中精度实时定位的应用。这样，在实施s a 政策下提供实时定位精度，各国学者和专家纷纷研究克服美国控制措臆的技术，以充分开发、应用g p s 的资源。目前比较成熟的技术主要有：1 建立独立的g p s 卫星测轨网。精确测定g p s 卫星的星历，供非特许用户使用。2 载波相位测量相对定位技术。该技术采用直接测量载波相位，其相对定位精度可达1 0 7 数量级。3 差分定位技术( d g p s ) 。差分定位是在一个已知点上设立基准站，跟踪观测g p s 卫星，测定各卫星伪距观测值的修正值；通过差分数据传输系统，实时发送给流动站；流动站观测g p s 卫星伪距，以差分修正后，进行定位解算。d g p s可消除s a 的影响，还可消除电离层和对流层延迟误差，其实时定位精度可达1 5 m ，其作用距离为3 0 05 0 0 k m 。在本系统中采用的g p s 定位装置支持r t c ms c 一1 0 4 的差分校正数据的输入。3 3 车载单元的组