基于邊緣計(jì)算的智能型全站儀自動監(jiān)測系統(tǒng)研究

基于邊緣計(jì)算的智能型全站儀自動監(jiān)測系統(tǒng)研究

Summary：隨著大型基建項(xiàng)目的快速發(fā)展，對工程施工和運(yùn)行過程中的變形監(jiān)控和安全維修提出了更高的要求。為了克服傳統(tǒng)全站儀的實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時性差、數(shù)據(jù)丟失、實(shí)時檢測等問題，本文以2019年度浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（邊緣計(jì)算控制器研發(fā)及應(yīng)用-工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算控制器關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用）為例，展開論述，實(shí)踐證明，采用邊緣運(yùn)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)的智能全站儀自動監(jiān)控，能夠?yàn)橛脩籼峁?shí)時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有很好的實(shí)用價值。Keys：邊緣計(jì)算；智能型全站儀；自動監(jiān)測系統(tǒng)課題項(xiàng)目名稱：邊緣計(jì)算控制器研發(fā)及應(yīng)用-工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算控制器關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用課題項(xiàng)目編號：2020C01075引言隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和城市建設(shè)的迅速發(fā)展，在復(fù)雜的工程環(huán)境下，如何快速、實(shí)時、高精度地獲取工程結(jié)構(gòu)的三維形變信息已成為一個亟待解決的問題。目前，智能全站儀的自動化監(jiān)控系統(tǒng)大都采用了遙控方式，即在數(shù)據(jù)采集端，全站儀器僅對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并在遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。在此體系結(jié)構(gòu)下，全站儀和數(shù)據(jù)處理中心之間僅有點(diǎn)對點(diǎn)的聯(lián)系，運(yùn)算能力很少，其缺點(diǎn)是：在擴(kuò)展性上，由于傳輸帶寬的限制，不能實(shí)現(xiàn)多個全站儀的協(xié)作；在通訊的穩(wěn)定性上，由于網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致觀測資料的損失；針對多源數(shù)據(jù)，不能兼顧多個傳感器；在實(shí)時性上，實(shí)時計(jì)算和處理是很困難的。一、基于邊緣計(jì)算的邊緣端環(huán)境（一）邊緣計(jì)算邊緣計(jì)算是指將網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲、應(yīng)用等核心能力集中于地理位置或數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)邊緣，提供接近智能的邊界服務(wù)，以解決敏捷連接，實(shí)時業(yè)務(wù)，應(yīng)用智能，安全和數(shù)據(jù)保護(hù)等。將邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到智能全站儀的自動監(jiān)控中，能夠較好地解決傳統(tǒng)全站儀的缺陷，滿足當(dāng)前工程建設(shè)、運(yùn)營過程中對工程結(jié)構(gòu)高精度三維變形監(jiān)測的需要[1]。（二）基礎(chǔ)模塊資源第一，操控組件。為了克服傳統(tǒng)全站儀的自動化監(jiān)控系統(tǒng)在工程變形監(jiān)控方面的不足，必須將大量的計(jì)算工作和實(shí)時監(jiān)控的方法轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)采集的邊緣，因此，必須有一套功能強(qiáng)大的監(jiān)控設(shè)備。該系統(tǒng)以STM32F40732位高性能單片機(jī)為核心，具有168MHz的處理能力，同時具有1MB的FlashMemory,192+4KB的SRAM。STM32F407處理器采用FPU（FPU）技術(shù)，能夠?qū)Ω鞣NARM的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并能對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理。在控制模塊中，采用了一種可配置的嵌套矢量中斷控制器（NVIC)，它能為多個外部設(shè)備提供256個中斷的優(yōu)先級。第二，數(shù)據(jù)傳送。采用STM32F407自帶以太網(wǎng)模組，包含媒體存取控制（MAC）及與外部PHY通訊的接口；該控制器采用了10/100MB的低功率LAN8720A作為以太網(wǎng)PHY層，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有線傳輸。在該系統(tǒng)中，該系統(tǒng)還配備了WiFi無線通訊模塊，能夠通過STA方式完成對監(jiān)控結(jié)果的無線上傳。（三）各個模塊的接口類型和標(biāo)準(zhǔn)為了便于以后的編譯器實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，必須明確各模塊的接口類型和規(guī)范，并在硬件層次上將各模塊與控制單元相結(jié)合。第一，數(shù)據(jù)收集。智能全站儀也被稱作測量機(jī)器人，它是整個系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。最常用的0.5”的高精密測量機(jī)器人有Leica的TS系列、TrimbleS系列和Sokkia的NET系列。每一廠家的儀表都配備了串口、串口、藍(lán)牙串口等串行通訊接口，并配有大量的指令和軟件開發(fā)工具箱（SDK）。當(dāng)控制裝置以有線或藍(lán)牙串行方式向全站儀發(fā)出不同的指示時，全站儀就會進(jìn)行相應(yīng)的動作，并對運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行反饋，使控制裝置和全站儀進(jìn)行實(shí)時的控制和數(shù)據(jù)傳輸[2]。第二，數(shù)據(jù)傳送。E103-W06型無線網(wǎng)絡(luò)模塊配有外部天線，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，可以根據(jù)各自的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定與控制器MCU進(jìn)行串口通訊、電源等的連接。二、邊緣計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)（一）全站儀自動測量全站儀的自動監(jiān)控功能是通過全圓的方位距離測量來實(shí)現(xiàn)的。同時，按照技術(shù)規(guī)程的要求，對野外采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時的邊界評價，并利用邊界運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了對邊界的自動分析。與此同時，采集到的天氣感應(yīng)器也會被實(shí)時地處理：邊界系統(tǒng)會對所監(jiān)控的環(huán)境狀況進(jìn)行評估，并對其進(jìn)行判斷，并將其反饋給云端。（二）實(shí)時多項(xiàng)差分處理第一，傾斜偏差修正。如果測站到某個參考點(diǎn)的斜度是dj，如果在監(jiān)控時段內(nèi)某個時間測得的斜度是d，那么斜度偏差修正系數(shù)△d=d-dj/d。第二，高差值修正。如果在監(jiān)控期間的某個時間點(diǎn)上，從所述基準(zhǔn)點(diǎn)到所述位置的單向高度差是h，那么，所述氣差修正系數(shù)c=（和-hj)/（dj.sinA）。在公式中，A是測量地點(diǎn)到參考點(diǎn)間天頂距離，dj是測量地點(diǎn)到參考點(diǎn)之間的距離。第三，橫向差分修正。采用全站儀對多個參考點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，采用自由設(shè)站的平差方法，求出了設(shè)站坐標(biāo)X、Y、Z和方位角的未知量W。所述橫向觀察值H與所述參考點(diǎn)j相對應(yīng)，所述測點(diǎn)至所述參考點(diǎn)j的所述方位角為αj，并且所述橫向差分修正項(xiàng)△α=αj-α，α=Hj+W。通過對多個參考點(diǎn)的分析，可以得到多個方位角的差值修正項(xiàng)，并將其進(jìn)行平均值，得到△α。（三）基準(zhǔn)點(diǎn)檢核處理穩(wěn)定的參考點(diǎn)是系統(tǒng)進(jìn)行自動觀察和數(shù)據(jù)差處理的先決條件。介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計(jì)算智能全站儀自動監(jiān)控系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r地處理邊緣參照點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，并對參照點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時穩(wěn)定分析[3]。（四）特殊情況的處理策略在實(shí)際的工程監(jiān)控工作中，難免會遇到某些特定的問題，比如某些地方可能會被遮蔽或損壞，因此，在監(jiān)控過程中，必須針對某些特殊情況，采用相應(yīng)的處理策略，以確保在無人值班的條件下，能夠正常工作。第一，測點(diǎn)被遮擋。在某些節(jié)點(diǎn)被遮擋或損壞的情況下，可以采用“臨時中斷”+“臨時中斷”的策略。第二，全站儀視場出現(xiàn)多個目標(biāo)。當(dāng)觀測點(diǎn)的棱鏡分布在狹窄的空間（例如地鐵監(jiān)控）時，由于全站儀的視野區(qū)域存在多個棱鏡，使測量資料不能準(zhǔn)確地傳回，因此可以采用最小視角的方法。三、基于邊緣計(jì)算的全站儀監(jiān)測系統(tǒng)在建立了邊緣端的自動監(jiān)控功能之后，就必須把邊緣端和云平臺連接在一起，也就是通過物聯(lián)網(wǎng)建立云和邊端相互補(bǔ)充、可擴(kuò)展的一體化監(jiān)控體系。要建立一個完備的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，就必須進(jìn)一步思考監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)是怎樣被傳送到云端的物聯(lián)網(wǎng)平臺，以及對自動化監(jiān)控結(jié)果的表達(dá)，比如，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、形變可視化表達(dá)、點(diǎn)位變化的預(yù)警等[4]。（一）數(shù)據(jù)傳輸采用LwIP（lightweightIP）協(xié)議堆棧，實(shí)現(xiàn)了與ECS系統(tǒng)中各種設(shè)備的通訊。LwIP是一種小型的、開放的TCP/IP協(xié)議堆棧，適用于TCP/IP。LwIP是一個不需要操作系統(tǒng)就能工作的輕型TCP/IP。LwIP的實(shí)現(xiàn)著重于在保留TCP的基本功能的同時，降低內(nèi)存的占用，僅需要10KB內(nèi)存，40KBROM即可正常工作。在邊緣端系統(tǒng)中，使用LwIP協(xié)議堆棧，在云服務(wù)器應(yīng)用層中，TCP/IP協(xié)議被用于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，使得邊緣端和云服務(wù)器之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。（二）云端數(shù)據(jù)表達(dá)當(dāng)邊緣端監(jiān)控的三維結(jié)果被傳送至云平臺后，需要對其進(jìn)行分析和表示，并依據(jù)特定的工程監(jiān)控項(xiàng)目設(shè)定的變形限制，作出相應(yīng)的預(yù)警。結(jié)合某城市城市道路變形監(jiān)測工程，利用該監(jiān)測結(jié)果，生成相應(yīng)的變形報(bào)告，并對其進(jìn)行了進(jìn)一步的描述，最終實(shí)現(xiàn)了對變形量的實(shí)時查詢。結(jié)語為了解決傳統(tǒng)全站儀遠(yuǎn)程自動監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，采用邊緣計(jì)算技術(shù)和邊緣計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能全站儀的實(shí)時監(jiān)控。該系統(tǒng)由一個邊緣端子系統(tǒng)和一個云管理應(yīng)用子系統(tǒng)組成，它由核心控制芯片、機(jī)械保護(hù)以及各種傳感器組成，通過邊緣運(yùn)算把實(shí)體世界和數(shù)碼世界連接在一起；云管理系統(tǒng)包括邊緣節(jié)點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析等功能，而整個系統(tǒng)的實(shí)施則是通過邊緣運(yùn)算來完成多個傳感器的邊緣運(yùn)算。該系統(tǒng)具有長時間無人值守、長時間無人值守的自動監(jiān)控能力和實(shí)時檢測等多項(xiàng)功能，可以改善地鐵、隧道等各種工程的工作效率，降低工程造價，而且具有很好的擴(kuò)展性，可以實(shí)現(xiàn)多個測區(qū)的實(shí)時監(jiān)控。目前，該系統(tǒng)尚有不足之處，有待于后續(xù)的深入研究與分析，以達(dá)到多個站點(diǎn)協(xié)同同聯(lián)測及調(diào)整的目的，最大限度地利用邊緣端節(jié)點(diǎn)的資料，進(jìn)一步提升結(jié)果的準(zhǔn)確性。Reference：[1]金樂樂.基于邊緣計(jì)算的智能型全站儀自動監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].四川:西南交通大學(xué),2021.[2]屈世甲,武福生,賀耀宜.煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控體系中邊緣計(jì)算