李宗文

（河北港口集團有限公司通信信息工程分公司 河北 秦皇島 066000）

1 背景

秦皇島港是世界上最大的煤炭樞紐港，港內(nèi)用于煤炭堆、取的有軌大型機械體積龐大，作業(yè)過程中存在諸多需要解決的問題：1）司機操控過程中盲區(qū)大，容易與鄰近大機發(fā)生碰撞；2）作業(yè)目標對正困難，需要地面指導員配合，浪費人力；3）夜間作業(yè)難以辨認需要工作的垛位，容易造成作業(yè)失誤；4）利用編碼器計數(shù)方式計算大機位置誤差大，故障率高。GPS 管理系統(tǒng)有效地解決了以上難點并且為進一步提高作業(yè)效率，減少工作失誤，預防作業(yè)事故起到了良好的效果。

2 GPS 管理系統(tǒng)介紹

GPS 管理系統(tǒng)主要通過在流動機械上安裝GPS 定位儀， 通過網(wǎng)絡(luò)通訊，與機械現(xiàn)有的PLC 進行交互，讀取機械狀態(tài)，實現(xiàn)對流動機械生產(chǎn)運輸監(jiān)控和管理，可以提高流動機械的作業(yè)效率，科學統(tǒng)計流動機械的作業(yè)量，節(jié)約運營成本，提升公司管理水平。

GPS 定位是本套系統(tǒng)的核心， 它依靠于美國發(fā)射的24 顆衛(wèi)星（21 顆工作衛(wèi)星，3 顆備用衛(wèi)星），它們位于距地表20200km 的上空,均勻分布在6 個軌道面上（每個軌道面4 顆） ,軌道傾角為55°。 衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星。

GPS 定位的基本原理是根據(jù)同時觀測到的4 顆已知衛(wèi)星坐標數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法來確定需要測量點坐標。 例如某待測點（X,Y,Z）在同一時刻t 接收到4 顆衛(wèi)星（X1，Y1，Z1）（X2，Y2，Z2）（X3，Y3，Z3）（X4，Y4，Z4）則可通過以下方程式求得待測點坐標。

[（X1-X）2+（Y1-Y）2+（Z1-Z）2]1/2+C（Vt1-Vt0）=d1

[（X2-X）2+（Y2-Y）2+（Z2-Z）2]1/2+C（Vt2-Vt0）=d2

[（X3-X）2+（Y3-Y）2+（Z3-Z）2]1/2+C（Vt3-Vt0）=d3

[（X4-X）2+（Y4-Y）2+（Z4-Z）2]1/2+C（Vt4-Vt0）=d4

其中四顆衛(wèi)星的坐標可由衛(wèi)星導航電文求得，C 為電文傳播速度即光速。

3 系統(tǒng)組成

GPS 管理系統(tǒng)的總體框包括：

（1）基準站子系統(tǒng)；

（2）車載終端子系統(tǒng)；

（3）通信鏈路；

（4）調(diào)度監(jiān)控中心。

3.1 基準站子系統(tǒng)

只有GPS 基準站的正常工作才能保證全場每一臺機械上安裝的GPS 的定位達到要求的精度（否則均降為3-5m 量級），故GPS 基準站的正常工作對至關(guān)重要，GPS 基準站分系統(tǒng)配置2 套基準站設(shè)備進行雙機冗余，并通過網(wǎng)絡(luò)播發(fā)差分改正數(shù)據(jù)給GPS 移動站。 基準站安裝于主機房大樓，GPS 天線安裝于其樓頂上。

基準站雙機熱備的實現(xiàn)需要軟件的支持，即需要軟件實現(xiàn)基準站的狀態(tài)檢測和雙機切換功能。 同時，通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也可利用GPS 高精度的授時功能，為網(wǎng)絡(luò)提供準確的時間，使得系統(tǒng)的時間一致。

基準站軟件運行于服務(wù)器上，實現(xiàn)以下功能：

●接收GPS 接收機的狀態(tài)信息、時間信息、差分改正信息；

●收機工作狀態(tài)判別和基準接收機切換；

●時間信息和差分改正信息播發(fā)；

●差分基準站狀態(tài)報告等；

●記錄接收機運行日志（服務(wù)開啟、關(guān)閉、切換、異常數(shù)據(jù)等）；

●播發(fā)時可以通過網(wǎng)絡(luò)或者串口發(fā)送。

時間同步軟件

運行于服務(wù)器（需要的話也可運行于網(wǎng)上的其它計算機）上，實現(xiàn)以下功能：

時間同步軟件接收基準站軟件播發(fā)的時間同步信息并修改基準站服務(wù)器（和其它計算機）的時間，使其與GPS 系統(tǒng)的精確時間一致。

3.2 車載終端子系統(tǒng)

本碼頭流動機械GPS 生產(chǎn)管理系統(tǒng)中， 車載終端是安裝在流動機械上用于測量、上報位置的設(shè)備。 車載終端主要功能就是為現(xiàn)代化的港口管理提供了一個可靠的，強有力的平臺。

車載終端包括GPS 接收機及相應(yīng)天線、控制單元、顯示屏和車載電腦等，車載終端主要是負責接收GPS 信號，并通過無線通信系統(tǒng)或者光纖等網(wǎng)絡(luò)向中心發(fā)送流動機械位置和狀態(tài)信息。

GPS 定位是定的天線坐標，故天線安裝位置至關(guān)重要，天線位置要能準確體現(xiàn)大機位置， 由于大機的體積龐大上半部分有25 米長的大臂可以320 度旋轉(zhuǎn)，下端是固定部分，坐于軌道上，天線安裝需要在旋轉(zhuǎn)部位的頭部和非旋轉(zhuǎn)部位的尾部各安裝一個， 由于大機軌道固定，臂長固定，所以通過計算可以準確反映出大機的準確位置及狀態(tài)。

3.3 通信鏈路

車載站和基準站的數(shù)據(jù)輸出都支持方便快捷的TCP/IP 通信。

車載移動站、基準站和服務(wù)器之間通信沒有采用傳統(tǒng)的無線傳輸而是采用了傳輸速度快，效率高，丟幀少的光纜傳輸，主要是因為港口對場內(nèi)煤塵大，大機都為鋼結(jié)構(gòu)，并且很高，對無線信號有很大的阻礙，無線傳輸不適合我港的實際情況。 GPS 生產(chǎn)管理系統(tǒng)控制內(nèi)的大機PLC、 車載移動站、 基準站和調(diào)度監(jiān)控中心PLC 通過光纜全部聯(lián)通。

3.4 調(diào)度監(jiān)控中心

調(diào)度監(jiān)控中心設(shè)在作業(yè)調(diào)度室，調(diào)度人員可以實時在中心大屏幕上觀測堆場內(nèi)大機位置。

大機行駛在800 米長的直線軌道上， 軌道兩側(cè)為堆放煤的堆場，地圖繪制前需要用GPS 測出軌道的坐標，先繪制出每條軌道的位置，再根據(jù)實際現(xiàn)場將每個堆場按照正確順序標識在地圖上，調(diào)度人員可在屏幕上準確觀測到大機在軌道上的位置和大機大臂頭部所對應(yīng)的堆場號。

4 主要功能

GPS 管理系統(tǒng)以定位為基礎(chǔ)，利用定位功能開發(fā)出的主要應(yīng)用功能有：

4.1 大機防撞功能:流動機械位置狀態(tài)數(shù)據(jù)數(shù)字化，實時回報取料機或堆料機的行走位置、速度。本機PLC 通過計算GPS 提供的本臺大機及相鄰、相對大機的位置數(shù)據(jù)來計算彼此之間的距離，相鄰大機及在同一軌道上的兩臺a 和b，相撞有兩種可能：1）a 大臂撞在b 大臂；2）a尾部撞在b 尾部；3）a 大臂頭部撞在b 尾部。 每條軌道上最多有兩臺大機， 大機大臂旋轉(zhuǎn)角度不超過320 度所以b 大臂不會撞在a 大機上。 相對大機及相鄰軌道上的兩臺大機，堆場的寬度約為25 米，相對大機c 和d 大臂分別存在和a、b 碰撞可能，充分考慮到有可能發(fā)生碰撞的幾種可能性， 利用GPS 生產(chǎn)管理系統(tǒng)提供的坐標量可以在一定范圍內(nèi)進行報警以提醒大機司機，還可以設(shè)定PLC 程序，到達一定距離內(nèi)強制停止大機運行。

4.2 控制灑水功能：為防止煤垛自燃，堆場要定期對煤垛進行噴水降溫，為防止噴槍灑水時對大機或者大機上維修人員的誤噴射，大機尾部所在坐標30 米范圍內(nèi)噴槍將停止噴水。

4.3 作業(yè)監(jiān)控功能： 中控室調(diào)度人員通過大屏幕可以直觀的看到大機在軌道上的位置，方便指揮，有作業(yè)任務(wù)時還能觀測到大機頭部對應(yīng)的堆場號，防止司機作業(yè)失誤。

4.4 大機作業(yè)記錄：GPS 配套軟件有記錄作業(yè)人員、作業(yè)時間、作業(yè)量的記錄功能。

4.5 對將來實現(xiàn)大機的無人作業(yè)，遠程操作做基礎(chǔ)。

［1］胡五生.GPS 精密高程測量理論與方法相關(guān)應(yīng)用研究[D].河海大學,2011.

［2］杜國慶.基準站分布設(shè)計與實驗[J].測繪科學,2007.

［3］徐紹全.GPS 測量原理及應(yīng)用[M].武漢大學出版社,2000.