基于邊緣計算的智能型全站儀自動監(jiān)測系統(tǒng)研究

基于邊緣計算的智能型全站儀自動監(jiān)測系統(tǒng)研究

Summary：隨著大型基建項目的快速發(fā)展，對工程施工和運行過程中的變形監(jiān)控和安全維修提出了更高的要求。為了克服傳統(tǒng)全站儀的實時監(jiān)控系統(tǒng)實時性差、數(shù)據(jù)丟失、實時檢測等問題，本文以2019年度浙江省重點研發(fā)計劃項目（邊緣計算控制器研發(fā)及應用-工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算控制器關鍵技術研發(fā)及應用）為例，展開論述，實踐證明，采用邊緣運算技術實現(xiàn)的智能全站儀自動監(jiān)控，能夠為用戶提供實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有很好的實用價值。Keys：邊緣計算；智能型全站儀；自動監(jiān)測系統(tǒng)課題項目名稱：邊緣計算控制器研發(fā)及應用-工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算控制器關鍵技術研發(fā)及應用課題項目編號：2020C01075引言隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展和城市建設的迅速發(fā)展，在復雜的工程環(huán)境下，如何快速、實時、高精度地獲取工程結構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)進行采集，并在遠端數(shù)據(jù)處理中心進行數(shù)據(jù)分析和處理。在此體系結構下，全站儀和數(shù)據(jù)處理中心之間僅有點對點的聯(lián)系，運算能力很少，其缺點是：在擴展性上，由于傳輸帶寬的限制，不能實現(xiàn)多個全站儀的協(xié)作；在通訊的穩(wěn)定性上，由于網(wǎng)絡的不穩(wěn)定，容易導致觀測資料的損失；針對多源數(shù)據(jù)，不能兼顧多個傳感器；在實時性上，實時計算和處理是很困難的。一、基于邊緣計算的邊緣端環(huán)境（一）邊緣計算邊緣計算是指將網(wǎng)絡、計算、存儲、應用等核心能力集中于地理位置或數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡邊緣，提供接近智能的邊界服務，以解決敏捷連接，實時業(yè)務，應用智能，安全和數(shù)據(jù)保護等。將邊緣計算技術應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，滿足當前工程建設、運營過程中對工程結構高精度三維變形監(jiān)測的需要[1]。（二）基礎模塊資源第一，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，必須將大量的計算工作和實時監(jiān)控的方法轉移到數(shù)據(jù)采集的邊緣，因此，必須有一套功能強大的監(jiān)控設備。該系統(tǒng)以STM32F40732位高性能單片機為核心，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，能夠對各種ARM的數(shù)據(jù)進行處理，并能對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進行快速處理。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)控結果的無線上傳。（三）各個模塊的接口類型和標準為了便于以后的編譯器實現(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合。第一，數(shù)據(jù)收集。智能全站儀也被稱作測量機器人，它是整個系統(tǒng)中的關鍵部件。最常用的0.5”的高精密測量機器人有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）。當控制裝置以有線或藍牙串行方式向全站儀發(fā)出不同的指示時，全站儀就會進行相應的動作，并對運行結果進行反饋，使控制裝置和全站儀進行實時的控制和數(shù)據(jù)傳輸[2]。第二，數(shù)據(jù)傳送。E103-W06型無線網(wǎng)絡模塊配有外部天線，在進行數(shù)據(jù)傳送時，可以根據(jù)各自的標準設定與控制器MCU進行串口通訊、電源等的連接。二、邊緣計算功能實現(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現(xiàn)的。同時，按照技術規(guī)程的要求，對野外采集到的數(shù)據(jù)進行了實時的邊界評價，并利用邊界運算實現(xiàn)了對邊界的自動分析。與此同時，采集到的天氣感應器也會被實時地處理：邊界系統(tǒng)會對所監(jiān)控的環(huán)境狀況進行評估，并對其進行判斷，并將其反饋給云端。（二）實時多項差分處理第一，傾斜偏差修正。如果測站到某個參考點的斜度是dj，如果在監(jiān)控時段內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上，從所述基準點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是測量地點到參考點間天頂距離，dj是測量地點到參考點之間的距離。第三，橫向差分修正。采用全站儀對多個參考點的觀測數(shù)據(jù)，采用自由設站的平差方法，求出了設站坐標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j相對應，所述測點至所述參考點j的所述方位角為αj，并且所述橫向差分修正項△α=αj-α，α=Hj+W。通過對多個參考點的分析，可以得到多個方位角的差值修正項，并將其進行平均值，得到△α。（三）基準點檢核處理穩(wěn)定的參考點是系統(tǒng)進行自動觀察和數(shù)據(jù)差處理的先決條件。介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算智能全站儀自動監(jiān)控系統(tǒng)，它能夠實時地處理邊緣參照點的觀測數(shù)據(jù)，并對參照點進行實時穩(wěn)定分析[3]。（四）特殊情況的處理策略在實際的工程監(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，測點被遮擋。在某些節(jié)點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。當觀測點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，使測量資料不能準確地傳回，因此可以采用最小視角的方法。三、基于邊緣計算的全站儀監(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充、可擴展的一體化監(jiān)控體系。要建立一個完備的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，就必須進一步思考監(jiān)控數(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)控結果的表達，比如，數(shù)據(jù)統(tǒng)計、形變可視化表達、點位變化的預警等[4]。（一）數(shù)據(jù)傳輸采用LwIP（lightweightIP）協(xié)議堆棧，實現(xiàn)了與ECS系統(tǒng)中各種設備的通訊。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的實現(xiàn)著重于在保留TCP的基本功能的同時，降低內存的占用，僅需要10KB內存，40KBROM即可正常工作。在邊緣端系統(tǒng)中，使用LwIP協(xié)議堆棧，在云服務器應用層中，TCP/IP協(xié)議被用于設計數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，使得邊緣端和云服務器之間能夠進行數(shù)據(jù)分析。（二）云端數(shù)據(jù)表達當邊緣端監(jiān)控的三維結果被傳送至云平臺后，需要對其進行分析和表示，并依據(jù)特定的工程監(jiān)控項目設定的變形限制，作出相應的預警。結合某城市城市道路變形監(jiān)測工程，利用該監(jiān)測結果，生成相應的變形報告，并對其進行了進一步的描述，最終實現(xiàn)了對變形量的實時查詢。結語為了解決傳統(tǒng)全站儀遠程自動監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題，采用邊緣計算技術和邊緣計算技術，實現(xiàn)了智能全站儀的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)由一個邊緣端子系統(tǒng)和一個云管理應用子系統(tǒng)組成，它由核心控制芯片、機械保護以及各種傳感器組成，通過邊緣運算把實體世界和數(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)的實施則是通過邊緣運算來完成多個傳感器的邊緣運算。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)控能力和實時檢測等多項功能，可以改善地鐵、隧道等各種工程的工作效率，降低工程造價，而且具有很好的擴展性，可以實現(xiàn)多個測區(qū)的實時監(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，以達到多個站點協(xié)同同聯(lián)測及調整的目的，最大限度地利用邊緣端節(jié)點的資料，進一步提升結果的準確性。Reference：[1]金樂樂.基于邊緣計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,2021.[2]屈世甲,武福生,賀耀宜.煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控體系中邊緣計算