一种针对水电工程施工质量实时监控系统的混合通信系统的制作方法

本实用新型涉及大型水电工程施工质量实时监测领域。尤其涉及一种大型水利水电工程中数字监控系统数目众多、构成复杂的情况下，根据各监控系统不同的数据传输与监控要求建立相应的自主通信混合组网方法。具体涉及针对水电工程施工质量实时监控系统的混合通信系统。

背景技术：

由于水电工程一般建设周期长，工程规模大，施工工序复杂，技术要求高，施工质量直接关系着工程的安危，故对其建设过程中各个施工环节进行严格的质量监控显得尤为重要。随着互联网技术的迅速发展与应用的深入，数字化实时监控技术从萌芽走向成熟，并被广泛应用到水电工程施工监控中，从而实现了大坝施工信息的实时自动化采集与精细化监控。然而由于水电工程施工区地形条件复杂，通信条件较差，随着数字化实时监控系统日益朝着多样化、精细化、大范围方向发展，如何根据不同的施工质量实时监控系统的数据传输特点与要求制定与之相适应的通信组网方法是当下亟待解决的问题。

传统的工区内数据无线传输方式，从技术特点来讲，多选用电信运营商提供的公用无线数传通讯方式，如全球移动通信系统(GSM)和通用分组无线服务技术(GPRS)。然而，采用公用无线数据传输方式功耗高，成本高，于水电工程施工区内存在较多网络盲区，稳定性较差，且对电信运营商网络依赖度高，数据传输的安全性得不到保障，因而无法在水电工程复杂施工工程条件下进行普遍推广。

目前专用无线数传通讯网络得到飞速发展，主要包括无线数传电台、近场通信(NFC)、无线保真(WIFI)、蓝牙(BT)以及紫蜂(Zigbee)等短距离通信技术，以及我国自主研发的北斗卫星定位和通信系统。无线数传通讯网络的日益普及，为不断改进与完善水电工程施工质量实时监控系统自主通信组网方法提供了新的契机。

根据不同的无线网络通信特性，同时从网络结构的经济性、适用性、安全性及自主性考虑，结合不同监控系统数据传输的特异性要求，本实用新型提出适用于水电工程施工质量实时监控系统的可用于多种通信协议的自主混合组网方法，更大程度上适应了水电工程施工质量实时监控系统的生产要求。

技术实现要素：

水电工程的施工工程量巨大，施工环节众多，施工过程极其复杂，为了对工程各施工环节的施工质量进行严格控制，需要通过数字化监控手段对其进行施工质量实时监控，不同坝型的水电工程监控内容有所不同，以常见的土石坝为例，主要包括铺料碾压监控系统、堆石料加水集成控制系统、灌浆实时监控系统、掌上电脑(PDA)实时信息采集系统、上坝运输过程实时监控系统等。由于各个监控系统所要求的通讯频率、数据集成数量、系统运行区域范围等各有差异，为了提高水电工程质量实时监控系统实时通信的经济性、适用性、安全性与自主性，克服现有技术中的不足，特提出针对水电工程施工质量实时监控系统的混合通信系统。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种针对水电工程施工质量实时监控系统的混合通信系统，包括采用电信运营商的公用无线数传通讯方式的公用网络，还搭建有工区自建网络，所述工区自建网络包括坝区无线通讯网络和工区无线通讯网络；

坝区无线通讯网络指仅在水电工程坝体施工区范围内使用的工区内部自建网络，由流动站设备、基准站与定位补偿系统、网络系统、信号转换中继站和数据库服务器组成，所述流动站设备包括安装于施工机械上的卫星定位设备、传感器设备、数据处理设备和运输机械上的集成无线射频(RFID)设备，所述数据处理设备为CPU中央处理器；所述基准站与定位补偿系统通过实时差分技术提高机械定位精度，所述信号转换中继站作为信号连接节点用于信号转换；所述数据库服务器包括系统服务端和数据库，所述系统服务端用于数据的解析、派送，所述数据库用于数据的存储；所述网络系统选用专用无线数传通讯网络以满足现场施工质量实时监控自主通信要求，其中专用无线数传通讯网络由无线数据发送端(DTU)与无线数据接收端构成，包括无线数传电台、无线保真(WIFI)以及紫蜂通信(Zigbee)三种通讯方式中的至少一种；

所述坝区无线通讯网络数据传输流程为：通过流动站设备、基准站与定位补偿系统实时获取施工机械作业位置坐标及状态信息，获取的信息以电磁波形式通过网络系统发送至信号转换中继站，经信号转换将数据传输至后方数据库服务器，通过系统服务端对数据进行解析与派送，并最终写入数据库中；

所述工区无线通讯网络指供水电工程整个工区内使用的工区内部自建网络，工区无线通讯网络的应用范围大于坝区无线通讯网络，包括流动站设备、网络系统、信号处理器和数据库服务器；所述流动站设备包括安装于运输机械上的北斗车载定位模块、车辆装卸料传感器和数据处理设备，其中数据处理设备为定制的CPU中央处理器；所述信号处理器连接数据库服务器，用于处理信号负荷，防止信号相互干扰；所述网络系统包括北斗车载数据发送模块与北斗数据接收端，其中北斗车载数据发送模块与北斗车载定位模块作为统一集成车载终端安装于运输机械，所述北斗数据接收端作为单独模块连接至信号处理器，所述数据库服务器与上述坝区无线通讯网络中的数据库服务器相同；

所述工区无线通讯网络的数据传输流程为：通过流动站设备实时采集车辆位置坐标及车辆空满载状态信息，将上述信息提交至数据处理设备，数据处理设备将上述信息“IP”数据化并压缩成数据包提交至北斗车载数据发送模块，北斗车载数据发送模块根据数据处理设备的指令将数据包调整为北斗通讯信号发送至北斗数据接收端，信号处理器将北斗通讯信号加工处理后发送至数据库服务器中，数据库服务器的系统服务端对所接收数据进行解析和派送，并存储至数据库中，实现基于北斗通信的大数据的实时传输。

进一步的，所述坝区无线通讯网络内的流动站设备内的传感器设备包括振动传感器和加速度传感器。

进一步的，所述卫星定位设备的接收范围包括美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统及中国北斗系统；结合基准站与定位补偿系统的实时差分技术，卫星定位设备使施工机械的水平定位精度为1-2cm，垂直定位精度为2-3cm。

进一步的，所述坝区无线通讯网络中的无线数据发送端(DTU)每秒上传一组数据，工作频率为300～350MHz，传输速率为512～256Kbps，固定传输距离≤50km。

进一步的，所述坝区无线通讯网络中的基准站和无线数据接收端安装于无遮蔽的山顶或屋顶。

进一步的，所述工区无线通讯网络中北斗统一集成车载终端具有GPS/RDSS双模定位功能，定位精度为20m，数据传输间隔1min，单次通信能力最大256bt。

进一步的，隧洞内只采用坝区无线通讯网络。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：

(1)实现了同时支持多种无线通讯网络、工区以太网等通讯方式的水电工程质量实时监控自主通信组网方法，解决了如何根据不同的施工质量实时监控系统的数据传输特点与要求制定与之相适应的通信组网方法的问题。

(2)专用无线数传通讯方式与公用无线数传通讯方式相比，解决了其由于在水电工程施工区稳定性相对不高、自主性较差而不适合于施工区普遍应用的问题，通过选用覆盖范围不同、功能不同的专用无线数传通讯网络，功耗更低，具有高度的灵活性、经济性和稳定性。

(3)专用无线通讯网络通信质量稳定、抗干扰性强、成本低、使用方便、适用地域范围较小且集中，并且不依赖电信运营商网络，可实现实时自主通信。

(4)工区无线通讯网络数据传输可靠、通信成本低、抗干扰性强、适用地域范围较广，且不依赖电信运营商网络，可进行自主通信。

(5)通过实现水电工程质量实时监控自主通信组网，为今后数字化实时监控系统日益朝着多样化、精细化、大范围方向深入发展奠定基础。

附图说明

图1是本实用新型混合通信系统结构框架图。

图2是公用网络数据传输过程流程图。

图3是坝区无线通讯网络数据传输过程流程图。

图4是工区无线通讯网络数据传输过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

水电工程工程量大，施工环节众多，施工过程复杂，为了对工程各施工环节的施工质量进行严格控制，需要通过智能化监控手段对其进行使用质量实时监控。由于各个实时监控系统所要求的通讯频率、数据集成数量、系统运行范围等各有差异，为了提高水电工程质量实时监控系统实时通信的经济性、适用性、安全性和自主性，本实用新型提出了一种支持多种通讯协议包括多种无线网络、工区以太网在内的自主混合通信系统。

如图1所示，该系统包括公用网络和工区自建网络。其中公用网络采用电信运营商的公用无线数传通讯方式；工区内部自建网络分为坝区无线通讯网络和工区无线通讯网络两部分。

(1)公用无线数传通讯方式

公用无线数传通讯方式为电信运营商提供网络，主要包括基于频分多址与时分多址数据连接方式的全球移动通信(GSM)系统和基于码分多址(CDMA)数据连接方式的通用分组无线服务技术(GPRS)两种方式。其网络覆盖范围大，方式灵活，可实时传输，然而该网络在水电工程施工区稳定性不高，较易产生网络盲区，自主性差，适用于数据量较小、工作区域灵活但信号稳定性较好的工作情况。

水电工程质量实时监控系统中PDA实时信息采集系统是指在大坝施工过程中通过监理方或施工方手持PDA进行现场数据的实时采集。由于该系统于整个工区范围均有应用，工作区域灵活但视野都较为开阔，且数据量较小，同时PDA自身通过安装客户识别模块可以接入电信运营商的服务网络，最高可以实现100Mbps的无线数据传输速度，故可采用公用无线数传通讯方式解决PDA实时信息采集系统数据传输问题。

以上公用网络数据传输过程以PDA实时信息采集系统为例，按照附图2方式进行：现场试验管理人员使用PDA及时录入现场检测数据信息，包括现场试验数据、大坝填筑碾压信息、上坝运输车辆信息以及施工现场照片等，该数据通过公用无线数传通讯网络传送至PDA数据库服务器，并通过数据分析计算并写入数据库中，采集到的数据由控制中心分析后得出结论反馈至智能终端用户手中查询、分析与管理，从而实现了现场施工数据的及时更新与施工过程的报错整改。

故公用无线数传通讯方式可解决诸如PDA实时信息采集系统数据传输问题，且具有建设成本低、覆盖范围广以及通信速率高的优点。

(2)坝区无线通讯网络

坝区无线通讯网络指仅在水电工程坝体施工区范围内可使用的工区内部自建网络，由流动站设备、基准站、定位补偿系统、网络系统、信号转换中继站和数据库服务器组成。流动站设备包括安装在各类施工机械上的高精度卫星定位设备、一系列传感器设备、数据处理设备和运输机械上的集成无线射频(RFID)设备等，其中数据处理设备主要为工业集成电脑CPU中央处理器。基准站与定位补偿系统为采用实时差分技术提高机械定位精度。信号转换中继站作为信号连接节点主要用于信号转换。数据库服务器主要包括系统服务端和数据库，其中系统服务端用于数据的解析、派送，而数据库用于数据的存储。网络系统选用专用无线数传通讯网络以满足现场施工质量实时监控自主通信要求，其中专用无线数传通讯网络由无线数据发送端(DTU)与无线数据接收端构成，考虑到蓝牙、近场通信等通信技术数据传输距离较近，难以应用在水电工程施工区内，因此优选的专用无线数传通讯网络包含无线数传电台、无线保真以及紫蜂等短距离通信系统中的至少一种。

高精度卫星定位设备为三星定位设备，其接收范围涵盖美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统以及中国自主研发北斗系统。结合基准站、定位补偿系统的实时差分技术，施工机械定位精度可达水平精度1-2cm，垂直精度2-3cm。DTU数据传输装置每秒上传一组数据，工作频率为300～350MHz，传输速率为512～256Kbps，固定传输距离≤50km。同时，基准站和无线数据接收端应安装于无遮蔽的山顶或屋顶，便于接收信号，减少干扰。

以上坝区无线通讯网络数据传输过程按照附图3方式进行：通过流动站设备、基准站、定位补偿系统、一系列传感器和RFID设备，实时获取施工机械作业位置坐标数据及状态信息等监测数据。若选用无线数传电台进行数据传输，该数据通过一个调制解调器(MODEM)把数据脉冲信号转换成模拟信号，利用超短波电台进行发射，之后信号转换中继站将模拟信号转换回数字脉冲信号并将数据传输至后方数据库服务器，通过服务器上系统服务端对数据进行解析与派送，并最终写入数据库中；若选用WiFi进行数据传输，该数据将传送至邻近的网络节点，并经无线路由器将数据发送至信号转换中继站并传送至上位机数据库服务器，进一步经数据库服务器上系统服务端对数据进行解析与派送写入数据库；若选用Zigbee进行数据传输，该数据将通过网络节点将采集数据以多跳变的方式发送到Zigbee汇节点，汇节点将数据发送到网关，网关进行Zigbee数据包解析，从数据包提取有效信息数据，进行协议转换和数据包分装打包成TCP/IP数据包，经过以太网传输将数据传送至信息转换中继站，进一步完成整个网络的数据传输。之后通过客户端对数据进行提取分析，供相关人员对现场施工质量进行查询、分析和管理，并进行反馈控制以指导现场施工，进一步加强了对水电工程各施工过程的整体把握。

进一步的，由于工区无线通讯网络无法对隧洞内运输机械进行定位，因此在隧洞内需采用坝区无线通讯网络。其数据传输过程按照以下步骤进行：运输机械进入隧洞时，由安装在隧洞道路岔口处的无线电台装置进行定位，并通过隧洞内Zigbee技术或相邻的无线数传电台将数据传输至洞口设备，再进一步通过坝区无线通讯网络将数据传送至数据库服务器。

因此，实时监控系统中诸如铺土机械、碾压机械、掺拌机械、灌浆机械、隧洞内运输机械等设备监测装置的通讯问题，由于对通讯频率及稳定性的要求较高，故采用专用无线数传通讯网络的组网方案。优点在于通信质量稳定、抗干扰性强、成本低、使用方便、适用地域范围较小且集中，并且不依赖电信运营商网络，可实现实时自主通信。

(3)工区无线通讯网络

工区无线通讯网络指在水电工程整个工区内均可使用的工区内部自建网络，其应用范围大于坝区无线通讯网络，主要包括流动站设备、网络系统、信号处理器、数据库服务器。流动站设备包括安装于运输机械上的北斗车载定位模块、车辆装卸料传感器和数据处理设备，其中数据处理设备主要为定制的CPU中央处理器。信号处理器直接连接数据库服务器，用于处理过多的信号负荷，防止信号相互干扰。网络系统主要采用北斗通讯网络进行通信，包括北斗车载数据发送模块与北斗数据接收端，其中北斗车载数据发送模块与北斗车载定位模块作为统一集成车载终端安装于运输机械驾驶舱顶部，而北斗数据接收端作为单独模块连接到信号处理器。数据库服务器与坝区无线通讯网络相同。

具体的，本实施例中北斗统一集成车载终端具有GPS/RDSS双模定位功能，定位精度20m，数据传输间隔1min，单次通信能力最大256bt。

如图4所示，工区无线通讯网络数据传输过程以隧洞外运输监控系统为例，按照以下步骤进行：通过流动站设备实时采集车辆位置坐标及车辆空满载状态信息，然后将上述信息提交至数据处理设备，数据处理设备将上述信息“IP”数据化并压缩成数据包提交给北斗车载数据发送模块，之后北斗车载数据发送模块根据数据处理设备的指令将数据包调整为北斗通讯信号发送至北斗数据接收端，信号处理器将北斗通讯信号加工处理后发送至数据库服务器中，系统服务端对所接收数据进行解析和派送，并存储至数据库中，从而实现基于北斗通信的大数据的实时传输。

上坝运输实时监控系统的目的是实现由料源点到卸料点，对上坝运输车辆运输过程的实时监控。由于该实时监控系统通讯频率要求较低，数据量少，故对于隧洞外运输车辆位置信息系统采用工区无线通讯网络进行组网。其特征在于数据传输可靠、通信成本低、抗干扰性强、适用地域范围较广，且不依赖电信运营商网络，可进行自主通信。

随着今后智能化实时监控系统日益朝着多样化、精细化、大范围方向深入发展奠定基础，本实用新型提出的适用于水电工程质量实时监控的可用于多种通信协议的混合自主组网方法，更大程度上提高了水电工程质量实时监控的经济性、适用性、安全性及自主性。

本实用新型并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本实用新型的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本实用新型的保护范围之内。