GPS管理系统在港口机械中的应用

李宗文

（河北港口集团有限公司通信信息工程分公司 河北 秦皇岛 066000）

1 背景

秦皇岛港是世界上最大的煤炭枢纽港，港内用于煤炭堆、取的有轨大型机械体积庞大，作业过程中存在诸多需要解决的问题：1）司机操控过程中盲区大，容易与邻近大机发生碰撞；2）作业目标对正困难，需要地面指导员配合，浪费人力；3）夜间作业难以辨认需要工作的垛位，容易造成作业失误；4）利用编码器计数方式计算大机位置误差大，故障率高。GPS 管理系统有效地解决了以上难点并且为进一步提高作业效率，减少工作失误，预防作业事故起到了良好的效果。

2 GPS 管理系统介绍

GPS 管理系统主要通过在流动机械上安装GPS 定位仪， 通过网络通讯，与机械现有的PLC 进行交互，读取机械状态，实现对流动机械生产运输监控和管理，可以提高流动机械的作业效率，科学统计流动机械的作业量，节约运营成本，提升公司管理水平。

GPS 定位是本套系统的核心， 它依靠于美国发射的24 颗卫星（21 颗工作卫星，3 颗备用卫星），它们位于距地表20200km 的上空,均匀分布在6 个轨道面上（每个轨道面4 颗） ,轨道倾角为55°。 卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星。

GPS 定位的基本原理是根据同时观测到的4 颗已知卫星坐标数据，采用空间距离后方交会的方法来确定需要测量点坐标。 例如某待测点（X,Y,Z）在同一时刻t 接收到4 颗卫星（X1，Y1，Z1）（X2，Y2，Z2）（X3，Y3，Z3）（X4，Y4，Z4）则可通过以下方程式求得待测点坐标。

[（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

其中四颗卫星的坐标可由卫星导航电文求得，C 为电文传播速度即光速。

3 系统组成

GPS 管理系统的总体框包括：

（1）基准站子系统；

（2）车载终端子系统；

（3）通信链路；

（4）调度监控中心。

3.1 基准站子系统

只有GPS 基准站的正常工作才能保证全场每一台机械上安装的GPS 的定位达到要求的精度（否则均降为3-5m 量级），故GPS 基准站的正常工作对至关重要，GPS 基准站分系统配置2 套基准站设备进行双机冗余，并通过网络播发差分改正数据给GPS 移动站。 基准站安装于主机房大楼，GPS 天线安装于其楼顶上。

基准站双机热备的实现需要软件的支持，即需要软件实现基准站的状态检测和双机切换功能。 同时，通信网络系统也可利用GPS 高精度的授时功能，为网络提供准确的时间，使得系统的时间一致。

基准站软件运行于服务器上，实现以下功能：

●接收GPS 接收机的状态信息、时间信息、差分改正信息；

●收机工作状态判别和基准接收机切换；

●时间信息和差分改正信息播发；

●差分基准站状态报告等；

●记录接收机运行日志（服务开启、关闭、切换、异常数据等）；

●播发时可以通过网络或者串口发送。

时间同步软件

运行于服务器（需要的话也可运行于网上的其它计算机）上，实现以下功能：

时间同步软件接收基准站软件播发的时间同步信息并修改基准站服务器（和其它计算机）的时间，使其与GPS 系统的精确时间一致。

3.2 车载终端子系统

本码头流动机械GPS 生产管理系统中， 车载终端是安装在流动机械上用于测量、上报位置的设备。 车载终端主要功能就是为现代化的港口管理提供了一个可靠的，强有力的平台。

车载终端包括GPS 接收机及相应天线、控制单元、显示屏和车载电脑等，车载终端主要是负责接收GPS 信号，并通过无线通信系统或者光纤等网络向中心发送流动机械位置和状态信息。

GPS 定位是定的天线坐标，故天线安装位置至关重要，天线位置要能准确体现大机位置， 由于大机的体积庞大上半部分有25 米长的大臂可以320 度旋转，下端是固定部分，坐于轨道上，天线安装需要在旋转部位的头部和非旋转部位的尾部各安装一个， 由于大机轨道固定，臂长固定，所以通过计算可以准确反映出大机的准确位置及状态。

3.3 通信链路

车载站和基准站的数据输出都支持方便快捷的TCP/IP 通信。

车载移动站、基准站和服务器之间通信没有采用传统的无线传输而是采用了传输速度快，效率高，丢帧少的光缆传输，主要是因为港口对场内煤尘大，大机都为钢结构，并且很高，对无线信号有很大的阻碍，无线传输不适合我港的实际情况。 GPS 生产管理系统控制内的大机PLC、 车载移动站、 基准站和调度监控中心PLC 通过光缆全部联通。

3.4 调度监控中心

调度监控中心设在作业调度室，调度人员可以实时在中心大屏幕上观测堆场内大机位置。

大机行驶在800 米长的直线轨道上， 轨道两侧为堆放煤的堆场，地图绘制前需要用GPS 测出轨道的坐标，先绘制出每条轨道的位置，再根据实际现场将每个堆场按照正确顺序标识在地图上，调度人员可在屏幕上准确观测到大机在轨道上的位置和大机大臂头部所对应的堆场号。

4 主要功能

GPS 管理系统以定位为基础，利用定位功能开发出的主要应用功能有：

4.1 大机防撞功能:流动机械位置状态数据数字化，实时回报取料机或堆料机的行走位置、速度。本机PLC 通过计算GPS 提供的本台大机及相邻、相对大机的位置数据来计算彼此之间的距离，相邻大机及在同一轨道上的两台a 和b，相撞有两种可能：1）a 大臂撞在b 大臂；2）a尾部撞在b 尾部；3）a 大臂头部撞在b 尾部。 每条轨道上最多有两台大机， 大机大臂旋转角度不超过320 度所以b 大臂不会撞在a 大机上。 相对大机及相邻轨道上的两台大机，堆场的宽度约为25 米，相对大机c 和d 大臂分别存在和a、b 碰撞可能，充分考虑到有可能发生碰撞的几种可能性， 利用GPS 生产管理系统提供的坐标量可以在一定范围内进行报警以提醒大机司机，还可以设定PLC 程序，到达一定距离内强制停止大机运行。

4.2 控制洒水功能：为防止煤垛自燃，堆场要定期对煤垛进行喷水降温，为防止喷枪洒水时对大机或者大机上维修人员的误喷射，大机尾部所在坐标30 米范围内喷枪将停止喷水。

4.3 作业监控功能： 中控室调度人员通过大屏幕可以直观的看到大机在轨道上的位置，方便指挥，有作业任务时还能观测到大机头部对应的堆场号，防止司机作业失误。

4.4 大机作业记录：GPS 配套软件有记录作业人员、作业时间、作业量的记录功能。

4.5 对将来实现大机的无人作业，远程操作做基础。

［1］胡五生.GPS 精密高程测量理论与方法相关应用研究[D].河海大学,2011.

［2］杜国庆.基准站分布设计与实验[J].测绘科学,2007.

［3］徐绍全.GPS 测量原理及应用[M].武汉大学出版社,2000.