張海燕　馮赟　王廣帥

摘 要：針對(duì)復(fù)雜地形環(huán)境下，地埋式光纜線路巡護(hù)管理信息化程度低、巡護(hù)記錄不健全、事后檢查取證難等問題，提出了利用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)和WebGIS（網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)）技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了北斗軌跡記錄儀、軌跡采集軟件和WebGIS軌跡呈現(xiàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纜線路巡護(hù)軌跡的實(shí)時(shí)記錄與事后回放，提高了光纜維護(hù)管理的信息化水平。

關(guān)鍵詞：線路巡護(hù) 北斗 WebGIS 軌跡記錄 軌跡呈現(xiàn)

中圖分類號(hào)：S7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（c）-0005-06

光纜作為光纖傳輸系統(tǒng)的物理傳輸媒介，其安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行是傳輸系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提，經(jīng)過農(nóng)田、戈壁、流沙區(qū)、工業(yè)區(qū)等復(fù)雜地形區(qū)域的地埋式光纜，極易發(fā)生人為的非故意中斷。為確保光纜的安全可靠運(yùn)行，及時(shí)排除中斷隱患，解決中斷故障，應(yīng)當(dāng)制定嚴(yán)格的巡線制度。然而，巡視時(shí)人員乘坐光纜巡護(hù)車沿光纜路由全程巡護(hù)，巡護(hù)記錄依賴紙質(zhì)記錄，巡線是否全面，效果無法檢驗(yàn)；巡線計(jì)劃是否落實(shí)，事中無法監(jiān)督、事后很難查證。為提高光纜線路巡護(hù)管理的科學(xué)化、正規(guī)化和信息化水平，該文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于北斗和WebGIS的光纜線路巡護(hù)管理系統(tǒng)，有效解決了復(fù)雜地形環(huán)境下地埋式光纜線路巡護(hù)管理存在的不足。

1 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 北斗導(dǎo)航定位技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)包括北斗一代導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BD1）和北斗二代導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BD2）。北斗二代導(dǎo)航定位系統(tǒng)和普通GNSS（GPS/GLONASS/GALILEO）系統(tǒng)相似，系統(tǒng)由空間導(dǎo)航衛(wèi)星星座、地面測(cè)控站和用戶終端三大部分組成。

其定位原理是：用戶接收機(jī)對(duì)視野內(nèi)觀測(cè)到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行偽距或者載波相位測(cè)量而獲得偽距觀測(cè)量，偽距測(cè)量方式又可以分為C/A碼和P碼兩種測(cè)量方式，在接收衛(wèi)星數(shù)目大于等于4顆時(shí)，用戶可通過后方交會(huì)方式，根據(jù)偽距觀測(cè)量解算出三維位置，并可以進(jìn)一步通過多普勒頻移測(cè)量獲得三維速度，同時(shí)獲得高精度的時(shí)間信息。

1.2 WebGIS技術(shù)

GIS地理信息系統(tǒng)，應(yīng)用較早，不便于更新，不便于跨平臺(tái)，不便于用戶在不安裝指定客戶端的情況下使用。隨著Internet進(jìn)入了爆發(fā)式增長(zhǎng)階段，網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)以及網(wǎng)速都有了大幅度的提升，出現(xiàn)了WebGIS，也就是展現(xiàn)于網(wǎng)絡(luò)上的GIS，于是，基于B/S的GIS系統(tǒng)越來越多的開始提供服務(wù)，并且在RIA（富客戶端）技術(shù)、AJAX（動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁）技術(shù)的涌現(xiàn)和成熟下，WebGIS也基本能展現(xiàn)出與C/S一樣的效果和功能。目前發(fā)展WebGIS技術(shù)的公司可以大致分為兩個(gè)方向：一個(gè)是互聯(lián)網(wǎng)方向，一個(gè)是行業(yè)應(yīng)用方向?；ヂ?lián)網(wǎng)方向比如：百度地圖、高德地圖、谷歌地圖等，該系統(tǒng)計(jì)劃采用的就是谷歌地圖。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想如圖1所示。

在光纜巡護(hù)車上安裝自行研制的基于北斗的光纜巡護(hù)記錄儀（以下簡(jiǎn)稱記錄儀），該記錄儀會(huì)自動(dòng)記錄光纜巡護(hù)車的行駛軌跡，每間隔30m，采集一次地理位置信息，并記錄在光纜巡護(hù)記錄儀的內(nèi)置存儲(chǔ)器中。

當(dāng)巡線車回到車場(chǎng)時(shí)，值班員通過軌跡采集終端采集記錄儀記錄的軌跡信息，該采集終端是通過射頻方式與記錄儀通信，將采集到的軌跡信息存入相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。

用戶打開瀏覽器，訪問基于WebGIS的光纜線路巡護(hù)管理系統(tǒng)，即可以查看指定車輛在指定日期的行駛軌跡，該行駛軌跡詳細(xì)顯示了到達(dá)某個(gè)地點(diǎn)的時(shí)間，以及該地點(diǎn)的坐標(biāo)，此外，還可以動(dòng)態(tài)再現(xiàn)巡護(hù)過程。

3 北斗光纜巡護(hù)記錄儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計(jì)

記錄儀的主要功能就是獲取北斗信號(hào)，定位當(dāng)前光纜巡護(hù)車的地理位置，并保存起來，同時(shí)，還要具有與軌跡采集軟件通信的功能，因此，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

可以分為如下幾個(gè)功能模塊。

（1）MCU：主要作用是控制各個(gè)外圍模塊的正常工作，同時(shí)接收外部模塊傳入的數(shù)據(jù)、指令等信息。需要能夠支持多種接口協(xié)議，以與不同的外圍模塊交互。

（2）BD2定位模塊：主要作用是接收北斗衛(wèi)星的信號(hào)，計(jì)算得到當(dāng)前的地理位置，并通過一定的接口將位置信息傳送到MCU，此處選擇的接口是串口。

（3）SD卡控制器：主要作用是接收MCU的指令，存儲(chǔ)、讀取SD卡中的數(shù)據(jù)。記錄儀會(huì)將巡線過程中的位置信息都存儲(chǔ)在SD卡，當(dāng)接收到軌跡采集軟件的讀取指令后，會(huì)從中讀出指定的數(shù)據(jù)。此處設(shè)計(jì)SD卡控制器通過SPI接口與MCU交互。

（4）RF通信模塊：主要作用是與軌跡采集軟件建立通信鏈路，接收軌跡采集軟件傳過來的指令，然后交給MCU，同時(shí)，將MCU的回復(fù)信息發(fā)送給軌跡采集軟件。此處設(shè)計(jì)RF通信模塊通過串口與MCU交互。

（5）電源模塊：主要作用是將車載的24V或者12V直流電源轉(zhuǎn)換為適合MCU、BD2定位模塊、RF通信模塊、SD卡控制器使用的5V直流電源。

3.2 北斗定位模塊選型與配置

3.2.1 北斗定位模塊選型

BD2定位模塊的作用是接收北斗衛(wèi)星的信號(hào)，并加以計(jì)算，得到時(shí)間信息、定位信息，最后通過一定接口將時(shí)間信息、定位信息輸出，該文BD2定位模塊選擇的是“和芯星通”的UM220-III NL。UM220-III NL是一款BD、GPS雙模的定位導(dǎo)航芯片，能夠同時(shí)支持BD2 B1、GPS L1兩個(gè)頻點(diǎn)。

3.2.2 北斗定位模塊配置

UM220-III NL芯片默認(rèn)是同時(shí)接收、處理BD、GPS兩個(gè)定位系統(tǒng)的信號(hào)，該文主要使用的是BD定位功能，因此需要配置以屏蔽GPS。

為了屏蔽GPS，可以通過UART接口向UM220-III NL發(fā)送如下配置指令：

$cfgsys， h10

其中消息名是cfgsys，作用是設(shè)定或輸出衛(wèi)星系統(tǒng)配置，其后面跟一個(gè)參數(shù)，類型是32bit整數(shù)，此處采用16進(jìn)制的形式表示，其各個(gè)bit的含義如圖3所示，如果要開啟對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)，那么對(duì)應(yīng)的bit設(shè)置為1。所以此處設(shè)置為0x10，就表示只開啟BDS B1頻點(diǎn)。

此時(shí)，UM220-III NL會(huì)通過UART接口以1Hz的頻率，輸出如下格式的一些消息：

$BDGGA，003358.000，4058.939449，N，10012.779013，E，，00，3.781，1024.750，M，0，M，，*6D

$BDGLL，4058.939449，N，10012.779013，E，003358.000，V，N*57

$BDGSA，A，3，，，，，，，，，，，，，0.000，3.781，0.000*2E

$BDGSV，3，1，10，161，27，128，，162，38，209，，163，17，114，，16

4，14，110，*66

$BDRMC，003358.000，V，4058.939449，N，10012.779013，E，0.010，177.924，280715，，E，N*23

可以發(fā)現(xiàn)有五類消息，BDGGA、BDGLL、BDRMC中均包含此文所需要的定位信息，并且這3個(gè)信息中的內(nèi)容多有冗余，采用其中一種即可，可以屏蔽其他幾種，該文屏蔽了除BDRMC之外的其余信息。

BDRMC消息的格式如下：

$BDRMC，time，status，Lat，N，Lon，E，spd，cog，date，mv，mvE，mode*cs

各個(gè)字段的含義如下：

time：UTC時(shí)間，格式為hhmmss.sss，其中hh為小時(shí)，mm為分鐘，ss.sss為秒。

status：位置有效標(biāo)識(shí)，V表示無效，A表示有效。

Lat：緯度，格式為ddmm.mmmmmm，其中dd為度，mm.mmmmmm為分。

N：北緯或南緯指示，N表示北緯，S表示南緯。

Lon：經(jīng)度，格式為dddmm.mmmmmm，其中ddd為度，mm.mmmmmm為分。

E：東經(jīng)或西經(jīng)指示，E表示東經(jīng)，W表示西經(jīng)。

spd：地面速率，單位是節(jié)。

cog：地面航向，單位是度，從北向順時(shí)針計(jì)算。

date：UTC日期，格式為ddmmyy，其中dd為日，mm為月，yy為年。

mv：磁偏角，固定填空。

mvE：磁偏角方向，固定填E。

mode：定位模式，N表示未定位，A表示單點(diǎn)定位，D表示差分定位。

cs：校驗(yàn)和，從'$'到'*'之間的所有字符進(jìn)行異或得到的 16 進(jìn)制數(shù)。

UM220-III NL經(jīng)過上述配置，將按照1Hz的頻率通過UART接口輸出BDRMC消息，MCU將分析該消息，提取其中有效的信息。

3.2.3 北斗模塊電路設(shè)計(jì)

北斗模塊UM220-III NL的集成度很高，外圍電路設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，需要注意的是其采用的是3.3V供電。另外，UM220-III NL提供了兩個(gè)UART口，該系統(tǒng)計(jì)劃都使用，其中一個(gè)連接到ATMega2560，另一個(gè)通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，連接到PC機(jī)，便于后期的調(diào)試。其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.2.4 固件編寫

需要為ATMega2560編寫固件，才能使其按照預(yù)期設(shè)想進(jìn)行工作。ATMega2560中固件的主要工作流程如圖5所示。

按照完成的主要工作，可以分為三步。

第一步：初始化。包括設(shè)置ATMega2560中各個(gè)端口的工作方式、時(shí)鐘設(shè)置、串口速率設(shè)置、中斷設(shè)置、檢查SD卡是否可讀等。

第二步：等待初始定位。因?yàn)閯倓偧与姷牡臅r(shí)候，UM220-III NL是冷啟動(dòng)，需要至少30s才能輸出有效數(shù)據(jù)，所以，需要不斷的檢查UM220-III NL的輸出數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)是有效的，將其中的位置信息，作為初始位置信息保存。

第三步：實(shí)時(shí)記錄位置信息。這實(shí)際是一個(gè)不斷地循環(huán)檢查，獲取UM220-III NL的輸出數(shù)據(jù)，如果無效，那么舍棄，如果有效，那么計(jì)算新的位置與舊的位置之間的距離是否大于30m，如果不大于30m，那么舍棄，如果大于30m，那么使用新的位置信息更新舊的位置信息，并將新的位置信息保存到SD卡，如此不停的循環(huán)。

4 軌跡采集軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 軌跡采集協(xié)議設(shè)計(jì)

4.1.1 軌跡采集軟件與光纜巡護(hù)記錄儀建立連接協(xié)議

軌跡采集軟件通過軌跡采集器，向指定車輛的光纜巡護(hù)記錄儀發(fā)送一個(gè)握手信號(hào)“SYN：E”，記錄儀接收握手信號(hào)后，向軌跡采集軟件發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信號(hào)“OK”。軌跡采集軟件收到確認(rèn)信號(hào)，認(rèn)為連接建立成功。

4.1.2 軌跡采集軟件發(fā)送、讀取軌跡數(shù)據(jù)協(xié)議

軌跡采集軟件與記錄儀建立連接后，軌跡采集軟件向指定車輛的記錄儀發(fā)送獲取特定日期軌跡信息的指令，格式是“XXXXXX：E”，其中6個(gè)X是日期，格式是YYMMDD，前兩位是年，接著兩位是月，最后兩位是日。記錄儀收到指令后，將對(duì)應(yīng)日期的軌跡數(shù)據(jù)發(fā)送到軌跡采集器端，一次發(fā)送一個(gè)軌跡采集點(diǎn)數(shù)據(jù)，格式如下：

xxxxxx；xxxxxx；xxxx.xxxxxx；xxxxx.xxxxxx

數(shù)據(jù)中第一個(gè)分號(hào)前的6位是采集日期，格式是YYMMDD，第二個(gè)分號(hào)前的6位是采集時(shí)間，格式是hhmmss，第三個(gè)分號(hào)前的11位是采集點(diǎn)經(jīng)度，格式是hhmm.mmmmmm，最后12位是采集點(diǎn)緯度，格式是hhhmm.mmmmmm。

4.2 軌跡采集軟件的實(shí)現(xiàn)

軌跡采集軟件的主要功能是讀取指定車輛、指定日期的巡線軌跡數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。軟件主要包括通信建立模塊、軌跡數(shù)據(jù)采集模塊和軌跡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

4.2.1 通信建立模塊

首先，通過讀取電腦注冊(cè)表信息獲取主機(jī)上所有可用串口，然后依次向各個(gè)串口發(fā)送握手信號(hào)“SYN：E”。若某個(gè)串口收到響應(yīng)信息“OK”，則認(rèn)為通信建立成功；若所有串口沒有收到響應(yīng)信息，則認(rèn)為通信建立失敗，數(shù)據(jù)采集結(jié)束并給出提示信息。

4.2.2 軌跡數(shù)據(jù)采集

用戶選定車輛和日期后，點(diǎn)擊“軌跡數(shù)據(jù)采集”按鈕，軌跡采集軟件向記錄儀發(fā)送“XXXXXX：E”指令，然后讀取串口收到的數(shù)據(jù)，并保存到臨時(shí)存儲(chǔ)文件patrolTrack.txt中。如果讀取到“EOF”，則表示數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。

4.2.3 軌跡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

軌跡采集軟件在軌跡采集結(jié)束后，會(huì)接著打開軌跡數(shù)據(jù)臨時(shí)存放文件patrolTrack.txt，讀取每一行數(shù)據(jù)（一行數(shù)據(jù)為一條巡線軌跡數(shù)據(jù)），判斷數(shù)據(jù)是否完整，如果數(shù)據(jù)不完整，那么丟棄該數(shù)據(jù)；如果數(shù)據(jù)完整，那么將該數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

5 軌跡呈現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.1 總體設(shè)計(jì)

軌跡呈現(xiàn)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)指定時(shí)間段內(nèi)指定車輛行駛軌跡的呈現(xiàn)、回放、行駛里程計(jì)算等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，采用B/S模式，分為3層，分別是數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、顯示層。

（1）數(shù)據(jù)層：用來提供軌跡數(shù)據(jù)，采用就是第5節(jié)中軌跡采集軟件儲(chǔ)存在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。

（2）服務(wù)層：是顯示層與數(shù)據(jù)層的中間層，接收顯示層提供的查詢請(qǐng)求，依據(jù)該請(qǐng)求查詢數(shù)據(jù)層，并將結(jié)果返回給顯示層，后者進(jìn)行可視化顯示。采用的是Servlet方式，與顯示層交互采用的是Ajax方式。

（3）顯示層：有3個(gè)主要的功能模塊，即用戶接口、軌跡顯示、軌跡回放。

用戶接口模塊的作用是提供一個(gè)查詢界面，供用戶選擇需要查詢的時(shí)間段及車牌號(hào)，并能將用戶選擇的查詢參數(shù)通過Ajax方式發(fā)往服務(wù)層。

軌跡顯示模塊接收服務(wù)層返回的數(shù)據(jù)，并在地圖上呈現(xiàn)出來。服務(wù)層返回的是采集的車輛行駛軌跡點(diǎn)的信息，有兩種呈現(xiàn)方式：點(diǎn)繪制和路線繪制。點(diǎn)繪制是將所有采集的軌跡點(diǎn)在地圖上用標(biāo)記點(diǎn)圖標(biāo)繪制出來。路線繪制是通過不斷繪制點(diǎn)標(biāo)記和系統(tǒng)自動(dòng)繪制的直線標(biāo)記形成行駛路線。

軌跡回放模塊實(shí)現(xiàn)行駛軌跡的動(dòng)態(tài)再現(xiàn)，方便用戶直觀地了解車輛的運(yùn)行軌跡，此外，當(dāng)用戶查看軌跡回放時(shí)，可點(diǎn)擊圖標(biāo)按鈕實(shí)現(xiàn)軌跡回放的暫停與繼續(xù)。

5.2 軌跡呈現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為了便于理解，下面按照用戶接口、服務(wù)層、軌跡顯示、軌跡回放的順序介紹軌跡呈現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

（1）用戶接口的實(shí)現(xiàn)：用戶接口提供日期、車牌號(hào)供用戶選擇。本系統(tǒng)采用ExtJS實(shí)現(xiàn)用戶接口。

（2）服務(wù)層的實(shí)現(xiàn)：用戶選擇的日期、車牌號(hào)會(huì)提交給服務(wù)層，后者查詢數(shù)據(jù)庫(kù)獲取對(duì)應(yīng)的軌跡信息。服務(wù)層采用Java Servlet實(shí)現(xiàn)。

（3）軌跡顯示的實(shí)現(xiàn)：服務(wù)層返回的軌跡信息會(huì)交給顯示層的軌跡顯示模塊，后者將在Google Map上繪制對(duì)應(yīng)的行駛軌跡，既可以繪制獨(dú)立的軌跡點(diǎn)，也可以將軌跡點(diǎn)連接成線，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊某個(gè)軌跡點(diǎn)時(shí)，會(huì)顯示這個(gè)軌跡點(diǎn)的詳細(xì)信息，包括經(jīng)緯度、到達(dá)時(shí)間、行駛距離等。顯示軌跡點(diǎn)的效果如圖7所示。

（4）軌跡回放的實(shí)現(xiàn)：通過使用定時(shí)器逐段繪制出軌跡點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)軌跡回放。

6 結(jié)語

該文從基地出口光纜線路巡護(hù)管理工作存在的現(xiàn)實(shí)問題入手，提出了一種基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)和WebGIS技術(shù)的光纜線路巡護(hù)管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)相關(guān)的軟硬件系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)用化驗(yàn)證測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巡線車輛軌跡的記錄與回放，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，滿足了使用要求。

該文的研究工作為光纜線路巡護(hù)管理的信息化進(jìn)行了有益探索，為其他軌跡記錄提供思路。但是在使用范圍的廣泛性、小型化和便捷性方面還要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，這是我們后續(xù)研究的內(nèi)容和方向。

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