摘 要： 針對高速公路結(jié)冰檢測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和開發(fā)了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理的上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件集成了多傳感器節(jié)點(diǎn)的邏輯判斷和數(shù)據(jù)融合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的通信、數(shù)據(jù)采集、曲線顯示、數(shù)據(jù)庫存儲等功能。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：該上位機(jī)軟件具有操作簡單、功能完善、穩(wěn)定性高和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對高速公路路面結(jié)冰狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測和預(yù)警。
關(guān)鍵詞： 路面結(jié)冰；結(jié)冰傳感器；上位機(jī)；實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)
0 引言
高速公路交通氣象觀測主要包括能見度觀測、路面氣象條件觀測、氣象環(huán)境觀測、視頻實(shí)景觀測4個(gè)主要方面。路面氣象條件觀測內(nèi)容主要包括路溫、路面狀況、冰點(diǎn)溫度以及融雪劑濃度等方面。路面狀況泛指路面處于干燥、（潮）濕、積水、積雪（霜）、結(jié)冰等狀態(tài)，也包括水層、雪層、冰層的厚度情況。
結(jié)冰造成路面抗滑能力顯著降低，增加了汽車制動(dòng)距離，容易使車輛發(fā)生打滑和側(cè)翻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在所有的交通安全事故中，路面結(jié)冰時(shí)的事故是干燥路面的10倍[1]。因此，路面結(jié)冰自動(dòng)監(jiān)測和及時(shí)預(yù)警對于保障行車安全、減少交通事故具有重要意義。
從20世紀(jì)50年代開始，歐美一些發(fā)達(dá)國家開始進(jìn)行結(jié)冰傳感器的研究。目前，國外結(jié)冰探測的方法以及相應(yīng)的結(jié)冰傳感器已發(fā)展到十幾種，包括壓差式、障礙式、振動(dòng)式、潛熱式等[2-4]。國內(nèi)方面對結(jié)冰檢測技術(shù)的研究起步比較晚，資料顯示只有少數(shù)的高校與研究機(jī)構(gòu)在研究相關(guān)的結(jié)冰檢測技術(shù)，如華中科技大學(xué)的光纖式結(jié)冰傳感器[5-6]。
為適應(yīng)高速公路氣象觀測系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，作者所在的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的高速公路結(jié)冰檢測預(yù)警系統(tǒng)。
結(jié)冰檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、光纖通信鏈路和軟件組成，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域路面結(jié)冰狀態(tài)的檢測和預(yù)警。
圖1所示為常見的雙向四車道高速公路中單側(cè)車道。圖中虛線箭頭所指示方向即為相應(yīng)車道的行車方向。為了不影響正常的行車，減小行車中產(chǎn)生的灰塵等因素對傳感器產(chǎn)生的不利影響，同時(shí)又能夠獲得相對準(zhǔn)確的結(jié)冰信息，傳感器安裝在行車較少的硬路肩與無行車的路緣帶交界處。
傳感機(jī)箱在獲取攝像機(jī)視頻信號的同時(shí)，獲取各點(diǎn)傳感器的信號值，并采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議將經(jīng)過處理的編碼信號發(fā)送至高速公路監(jiān)控中心，由專用的上位機(jī)軟件完成解析處理和實(shí)時(shí)顯示。
為了實(shí)現(xiàn)對傳感器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、傳感器數(shù)據(jù)的采集、組織和處理，以及路面結(jié)冰狀態(tài)的檢測和預(yù)警，在Windows操作系統(tǒng)下Microsoft Visual Studio 2010編程環(huán)境中設(shè)計(jì)和開發(fā)了高速公路結(jié)冰檢測系統(tǒng)的上位機(jī)軟件。
1 上位機(jī)軟件的架構(gòu)和功能
上位機(jī)和下位機(jī)通信，進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲、查詢以及視頻監(jiān)控等功能。上位機(jī)軟件初始界面如圖2所示。
2 上位機(jī)軟件功能的實(shí)現(xiàn)
從架構(gòu)上講，上位機(jī)軟件主要由圖形用戶界面、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)庫和后臺軟件4部分組成。
從功能上講，上位機(jī)軟件主要包含5個(gè)功能模塊，分別為參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、視頻監(jiān)控模塊和控制輸出模塊，如圖3所示。
2.1 通信處理模塊
通信建立上下位機(jī)之間的連接，連接成功后，上位機(jī)方可進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、數(shù)據(jù)傳輸和視頻監(jiān)控等操作。高速公路結(jié)冰檢測系統(tǒng)中采用網(wǎng)絡(luò)通信的方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。
套接字（Socket）是為了方便網(wǎng)絡(luò)編程開發(fā)的程序接口，Socket是在應(yīng)用層和傳輸層之間的一個(gè)抽象層，將TCP/IP層復(fù)雜的操作抽象為幾個(gè)簡單的接口供應(yīng)用層調(diào)用以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程在網(wǎng)絡(luò)中通信[7]。
上下位機(jī)的以太網(wǎng)通信是基于異步非阻塞Socket封裝類中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。上位機(jī)以客戶端的身份向服務(wù)端（下位機(jī)）發(fā)送數(shù)據(jù)請求，當(dāng)服務(wù)器確認(rèn)數(shù)據(jù)請求后返回?cái)?shù)據(jù)，客戶端讀取下位機(jī)返回的數(shù)據(jù)，具體流程如圖4所示。
2.2 數(shù)據(jù)管理模塊
數(shù)據(jù)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)收到數(shù)據(jù)的解析，邏輯判斷，實(shí)時(shí)的數(shù)值顯示和曲線繪制，數(shù)據(jù)庫存儲和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。
上位機(jī)軟件將收到的數(shù)據(jù)按照指定的規(guī)則解析為傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，即電流、電壓、溫度等，然后通過傳感器的冰厚模型計(jì)算當(dāng)前傳感器的冰厚。上位機(jī)界面上將顯示實(shí)時(shí)的冰厚值并繪制冰厚曲線，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中。
2.2.1 曲線繪制
上位機(jī)軟件中采用TeeChart控件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)冰厚、電壓、溫度曲線的顯示功能。TeeChart Pro是一款圖表圖形組件，支持Windows和Linux系統(tǒng)平臺，使用方便，有利于產(chǎn)品集成。
Teechart控件的操作流程包括：注冊控件、添加控件、初始化控件和刷新數(shù)據(jù)。初始化控件時(shí)，主要使用AddSeries（）函數(shù)添加曲線系列，設(shè)置坐標(biāo)軸的范圍、曲線的樣式、顏色等。在定時(shí)器中刷新數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際需求選擇刷新數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，本上位機(jī)中采用500 ms。將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲在CList中，在繪制曲線時(shí)，使用AddXY（）函數(shù)刷新數(shù)據(jù)。
TeeChart控件除了完成基本的圖形曲線繪制外，用戶可根據(jù)需要開發(fā)注釋、多Y軸多量程、Y軸量程實(shí)時(shí)自適應(yīng)等功能。
2.2.2 數(shù)據(jù)存儲
上位機(jī)軟件將傳感器原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)存儲在Access數(shù)據(jù)庫中，為后期數(shù)據(jù)維護(hù)、查詢和分析以及故障分析等提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。VC++通過ADO（ActiveX數(shù)據(jù)對象）的方式來訪問Access數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲和查詢等操作。在VC中，使用ADO之前必須在工程stdafx.h里添加對ADO的支持代碼，使用#import指令引入ADO動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，編譯器才能正確編譯。
ADO訪問數(shù)據(jù)庫，首先要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)據(jù)庫（Connection）對象建立與數(shù)據(jù)源的連接，然后創(chuàng)建記錄集（Recordest）對象，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。向數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表寫入數(shù)據(jù)的代碼如下：
_RecordsetPtr m_pRecordset；//記錄
String strSQL；
m_pRecordset->Open（"SELECT*FROM數(shù)據(jù)"，m_pConnection.GetInterfacePtr（），adOpenDynamic，adLockOptimistic，adCmdText）；
strSQL.Format（_T（"INSERT INTO數(shù)據(jù)（日期，時(shí)間，冰厚，溫度1，溫度2，溫度3））VALUES（′%s′，′%s′，′%.2f′，′%.2f′，′%.2f′，′%.2f′）"），strDay，strTime，IceThick，dTemp1，dTemp2，dTemp3）；//創(chuàng)建數(shù)據(jù)表
m_pConnection->Execute（（_bstr_t）strSQL，&value，adCmdText）；//寫入數(shù)據(jù)庫
m_pRecordset->Close（）；
2.2.3 歷史數(shù)據(jù)查詢
歷史數(shù)據(jù)查詢的結(jié)果以曲線和列表兩種形式顯示。曲線顯示通過TeeChart控件實(shí)現(xiàn)，直觀抽象，如圖5所示。列表顯示通過List Control控件實(shí)現(xiàn)，具體詳細(xì)。二者都是通過ADO方式對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，查詢符合條件的目標(biāo)數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)結(jié)果在界面上呈現(xiàn)。
2.3 視頻監(jiān)控模塊
系統(tǒng)中為了實(shí)時(shí)監(jiān)測傳感器工作的路面狀態(tài)，在應(yīng)用現(xiàn)場安裝海康威視網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。上位機(jī)軟件中對海康威視SDK進(jìn)行二次開發(fā)，集成了網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像的實(shí)時(shí)預(yù)覽、錄像存儲、錄像回放和云臺控制等功能。
利用海康威視SDK實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控模塊的功能調(diào)用順序如圖6所示，視頻預(yù)覽和錄像功能調(diào)用的具體流程如圖7所示。
在上位機(jī)界面上添加一個(gè)靜態(tài)文本框作為視頻預(yù)覽窗口，此靜態(tài)文本框的句柄作為視頻預(yù)覽接口NET_DVR_RealPlay中預(yù)覽參數(shù)的播放窗口句柄。
在預(yù)覽成功的前提下，調(diào)用錄像存儲模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的存儲。開發(fā)過程中主要涉及錄像存儲路徑、錄像文件的命名格式、錄像文件的時(shí)長、循環(huán)錄像等，可根據(jù)需求自由選擇。
調(diào)用海康威視SDK中的接口錄制的視頻文件，必須使用海康威視的解碼器解碼后才能播放。本文利用系統(tǒng)控件和海康威視播放庫SDK中的播放函數(shù)，開發(fā)了一個(gè)視頻播放器實(shí)現(xiàn)錄像的回放。
云臺控制模塊實(shí)現(xiàn)云臺轉(zhuǎn)動(dòng)、調(diào)焦、調(diào)整光圈等基本操作。用戶可以在監(jiān)控中心操作云臺來遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)來觀察傳感器的工作狀態(tài)和路面的結(jié)冰狀態(tài)。
3 結(jié)論
本文介紹了高速公路結(jié)冰檢測系統(tǒng)上位機(jī)軟件的開發(fā)。上位機(jī)軟件在高速公路監(jiān)管部門監(jiān)控中心長時(shí)間不間斷運(yùn)行，界面友好，操作簡便，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定；實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)和監(jiān)控圖像的采集、顯示、存儲和查詢功能，能準(zhǔn)確地判斷路面是否結(jié)冰，若結(jié)冰能及時(shí)預(yù)警。本方法對其他實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件編寫具有一定的借鑒意義。
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