一種基于移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的物流監(jiān)控系統(tǒng)

[摘要] 物流管理和監(jiān)控是企業(yè)信息化的重要組成部分。如何利用先進(jìn)的定位技術(shù)、通信技術(shù)、地理信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)物流管理，具有重大的意義和廣泛的應(yīng)用前景。本文通過(guò)引入移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，設(shè)計(jì)和研究探討一種以GPS為系統(tǒng)定位技術(shù)，GSM為系統(tǒng)通信手段，GIS為地圖支撐的基于移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，建立在Internet平臺(tái)上的先進(jìn)的物流監(jiān)控系統(tǒng)。

[關(guān)鍵詞] 移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù) 軌道定位技術(shù) 物流監(jiān)控系統(tǒng)

物流管理是企業(yè)管理的一個(gè)重要分支，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的物流管理尤為重要。物流管理是企業(yè)建立成本優(yōu)勢(shì)的有效手段，是贏得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要支撐。因此，現(xiàn)代企業(yè)要改變傳統(tǒng)的物流管理觀念，設(shè)計(jì)或購(gòu)買(mǎi)適用的物流管理系統(tǒng)，運(yùn)用先進(jìn)的物流管理技術(shù)，提高物流競(jìng)爭(zhēng)力。

物流監(jiān)控是物流信息化建設(shè)的重要部分。如何利用現(xiàn)代先進(jìn)信息技術(shù)，合理、安全、高效地進(jìn)行監(jiān)控、管理物流運(yùn)輸，關(guān)系到企業(yè)整體物流能否有效運(yùn)行。因此對(duì)物流的定位、跟蹤、監(jiān)控能否有效地實(shí)施就顯得更為重要。

物流監(jiān)控主要包含以下的問(wèn)題。首先，物流的運(yùn)動(dòng)空間范圍跨度大，如何對(duì)物流進(jìn)行定位、通信和顯示;其次，物流被作為一種移動(dòng)目標(biāo)，數(shù)據(jù)庫(kù)模型如何表示其特性，如何提供軌道預(yù)測(cè)計(jì)算，提供各種查詢(xún)操作，如何進(jìn)行物流監(jiān)控;最后，Internet是覆蓋全球的信息平臺(tái)，如何利用Internet平臺(tái)為系統(tǒng)管理員、操作員提供方便好用和滿(mǎn)足各種監(jiān)控要求的管理界面。

本文重點(diǎn)討論移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，闡述基于此技術(shù)和GPS/GSM/GIS技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。限于篇幅，對(duì)GPS定位系統(tǒng)、GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)、GIS地理信息系統(tǒng)不作詳細(xì)介紹。

一、移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)(moving object database)是專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行管理的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。其有別于一般數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的重要特征之一，就是不僅可以對(duì)移動(dòng)目標(biāo)，如車(chē)輛、移動(dòng)資源，在數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的時(shí)刻進(jìn)行位置查詢(xún)，而且可以對(duì)不同記錄時(shí)刻之間及未來(lái)時(shí)刻的位置進(jìn)行查詢(xún)。其研究的首要問(wèn)題是建立移動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)和位置更新模型。

目前有大量依靠其他輔助設(shè)備(如GSM網(wǎng)絡(luò))定位的盲終端設(shè)備(如移動(dòng)電話(huà))，以及可以自己定位的智能終端設(shè)備(如物流車(chē)輛)，需要對(duì)它們建立合適的運(yùn)動(dòng)及位置更新模型，以便監(jiān)控和服務(wù)移動(dòng)用戶(hù)。

1.簡(jiǎn)單定位技術(shù)及缺點(diǎn)

定位管理，也稱(chēng)即時(shí)位置信息管理，它的基本功能是建立目標(biāo)的即時(shí)方位信息的模型。實(shí)際應(yīng)用中通常的目標(biāo)有移動(dòng)電話(huà)、掌上電腦、便攜式計(jì)算機(jī)等通信設(shè)備。這些設(shè)備是移動(dòng)的，方位信息由定位技術(shù)更新。現(xiàn)在常用的定位技術(shù)有GPS、測(cè)量網(wǎng)絡(luò)、單元定位技術(shù)。

目前在大多數(shù)情況下采用一種簡(jiǎn)單方案，即：對(duì)于每一個(gè)移動(dòng)目標(biāo)，周期地產(chǎn)生一個(gè)方位——時(shí)間點(diǎn)(a，t)，表示物體在時(shí)間t處于位置a上，a是坐標(biāo)(x，y)，或是單元編號(hào)。方位——時(shí)間點(diǎn)存儲(chǔ)在用DBMS管理的數(shù)據(jù)庫(kù)中，使用SQL語(yǔ)言來(lái)檢索定位信息。

這種方案有幾個(gè)缺點(diǎn):(1)不能提供插值和未來(lái)的位置查詢(xún)。(2)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，移動(dòng)目標(biāo)清晰精確的位置信息圖需要頻繁的定位更新，這樣需要消耗大量的帶寬和計(jì)算機(jī)資源。(3)現(xiàn)在的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于象移動(dòng)物體方位這樣不停變化的數(shù)據(jù)的處理效果不好，存在著軟件開(kāi)發(fā)上的困難。

2.軌道定位技術(shù)

本系統(tǒng)中采用軌道定位技術(shù)。在這種方案中，首先取得移動(dòng)物體的起止位置信息(例如，目標(biāo)物體在早上某時(shí)從某地出發(fā)，目的地是另一地)。然后，借助于電子地圖和目標(biāo)在每一個(gè)路段發(fā)回的距離和時(shí)間信息，就可以建立軌道。

在定義軌道之前，先要定義電子地圖的格式。電子地圖是一個(gè)關(guān)系表。表上每一元組代表一個(gè)城市街區(qū)。元組的主要屬性有：

Polyline(多邊形)，用于表示一個(gè)區(qū)域，區(qū)域多邊形使用坐標(biāo)序列表示：(x1，y1)，(x2，y2)，......，(xn，yn)。由這些坐標(biāo)序列依次兩點(diǎn)連線(xiàn)便構(gòu)成一個(gè)區(qū)域。

Meters：街區(qū)的長(zhǎng)度，以“米”為單位。

Drive Time:從街區(qū)的一端到另一端的行駛時(shí)間。以“分”為單位。

移動(dòng)目標(biāo)z的路徑由起點(diǎn)，起點(diǎn)時(shí)間，終點(diǎn)給出。另一個(gè)可以獲得路線(xiàn)的途徑是已有的GPS。這條路徑用P(z)來(lái)表示。由P(z)所代表的整個(gè)路徑形成的多邊形被稱(chēng)為L(zhǎng)(z)。

假設(shè)行程有一個(gè)開(kāi)始時(shí)間，對(duì)于L(z)上的每一條路徑，通過(guò)使用Drive_Time屬性，可以由目標(biāo)z在該路徑起點(diǎn)的開(kāi)始時(shí)間計(jì)算其到達(dá)該段終點(diǎn)的時(shí)間。這條確定的軌道L(z)記作c——trajectory。c——trajectory給出了移動(dòng)目標(biāo)的路徑和目標(biāo)在路徑上每一點(diǎn)的時(shí)刻，即序列(x1，y1，t1)，(x2，y2，t2)，......，(xn，yn，tn)。這個(gè)序列(即c——trajectory)表示目標(biāo)在起點(diǎn)的坐標(biāo)是(x1，y1)，時(shí)間是t1，接著它在直線(xiàn)段上以勻速運(yùn)動(dòng)，在時(shí)間t2到達(dá)(x2，y2)點(diǎn)。它繼續(xù)以勻速運(yùn)動(dòng)，在時(shí)間t3到達(dá)(x3，y3)點(diǎn)，以此類(lèi)推。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)目標(biāo)并不總是按直線(xiàn)勻速運(yùn)動(dòng)，所以c——trajectory是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在時(shí)空中的近似的按期望的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)直線(xiàn)段足夠多時(shí)，這種近似的方案可以達(dá)到任意的精度。

c——trajectory存儲(chǔ)在服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)和移動(dòng)目標(biāo)的計(jì)算機(jī)上。在ti和ti+1之間的時(shí)間t的任意點(diǎn)，服務(wù)器可以通過(guò)插值方法計(jì)算出目標(biāo)在該時(shí)刻的期望位置。由此可以解決點(diǎn)——方位管理中的第一個(gè)問(wèn)題。軌道定位管理允許插值和預(yù)測(cè)。

最后，在每一條路徑P(z)上，當(dāng)且僅當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)偏離其預(yù)定軌道的預(yù)期位置的時(shí)候，移動(dòng)目標(biāo)才向服務(wù)器更新其位置。移動(dòng)目標(biāo)如何在任意點(diǎn)及時(shí)計(jì)算其偏移量呢？移動(dòng)目標(biāo)每2 秒種收到GPS定位信息，因此它可以在任意點(diǎn)及時(shí)測(cè)得自己的真實(shí)位置。移動(dòng)目標(biāo)有和服務(wù)器完全一致的軌道，通過(guò)預(yù)測(cè)它可以計(jì)算自己在同時(shí)刻的預(yù)期位置。二者相減可得偏差值。當(dāng)偏差值超過(guò)一個(gè)閾值時(shí)，移動(dòng)目標(biāo)便向服務(wù)器發(fā)送含有自己真實(shí)位置的短消息。服務(wù)器收到移動(dòng)目標(biāo)發(fā)送的定位更新信息后修正自己的軌道數(shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

移動(dòng)目標(biāo)和服務(wù)器之間的協(xié)作解決了點(diǎn)——方位定位技術(shù)的第二個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)大大減少。當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)基本上“按計(jì)劃”運(yùn)行時(shí)，即當(dāng)其偏離預(yù)期軌道不超過(guò)一個(gè)閾值或偶而超過(guò)時(shí)，定位信息的更新量可以達(dá)到很小，甚至完全不更新。特殊地，當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)“按計(jì)劃”運(yùn)行的時(shí)候，也就是說(shuō)，當(dāng)它偏離預(yù)期軌道不超過(guò)期望值的時(shí)候，就不需要為更新信息而消耗資源。

3.數(shù)據(jù)存取操作

對(duì)于簡(jiǎn)單定位技術(shù)的第三個(gè)缺點(diǎn)，可以采用這種方法來(lái)克服，即引入新的操作符集合以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的存取。這些操作符用來(lái)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)置觸發(fā)器。它們可以同在商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中廣泛使用的SQL查詢(xún)語(yǔ)言相結(jié)合，用戶(hù)可以同設(shè)置傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)條件一樣，使用新的操作符完成他想進(jìn)行的各種查詢(xún)和設(shè)置觸發(fā)器。而且這些操作符也可以進(jìn)行“與”“或”“非”等布爾運(yùn)算，并且被客戶(hù)端上的用戶(hù)以命令的方式或圖形的方式使用，也可以提供給更復(fù)雜的時(shí)間——空間應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)使用。

這些新的操作符分為三類(lèi)，對(duì)單一軌道的操作符、對(duì)固定位置的區(qū)域內(nèi)的多條軌道的關(guān)系操作符、對(duì)軌道之間的關(guān)系操作符。這些點(diǎn)查詢(xún)、范圍查詢(xún)、連結(jié)查詢(xún)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中是相互獨(dú)立的，同時(shí)又可以進(jìn)行松散組合，完成各種各樣的查詢(xún)要求。

對(duì)移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)和ArcView GIS的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言Avenue編寫(xiě)和實(shí)現(xiàn)。

二、物流監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“基于移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的物流監(jiān)控系統(tǒng)”融合全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS、地理信息系統(tǒng)GIS、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM、移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)全天候衛(wèi)星定位 、電子地圖顯示和Internet平臺(tái)實(shí)現(xiàn)物流監(jiān)控等功能。通過(guò)采用移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，使系統(tǒng)具有很高的實(shí)用性能和擴(kuò)展能力。系統(tǒng)由定位系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)、中心監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。GPS是本系統(tǒng)的定位支撐，提供定位平臺(tái)。GSM是本系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)，提供對(duì)定位信息的無(wú)線(xiàn)傳送功能。中心監(jiān)控系統(tǒng)是由構(gòu)建在GIS平臺(tái)和移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)上的物流監(jiān)控系統(tǒng)。

其主要過(guò)程如下：

需要監(jiān)控物流車(chē)輛時(shí)，由系統(tǒng)發(fā)出查詢(xún)指令，被監(jiān)控車(chē)輛上的車(chē)載GPS終端接收GPS衛(wèi)星發(fā)來(lái)的定位數(shù)據(jù)，并根據(jù)衛(wèi)星發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出車(chē)輛所處的地理位置信息。地理信息數(shù)據(jù)經(jīng)車(chē)載無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器，封裝成短消息報(bào)文，再由車(chē)載無(wú)線(xiàn)電通訊裝置發(fā)射到GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將定位信息的短信報(bào)文發(fā)送到監(jiān)控中心的定位信息采集機(jī)。定位信息采集機(jī)利用無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器將車(chē)載GPS終端發(fā)回的地理信息數(shù)據(jù)還原，通過(guò)RS232口被采集到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理后，存入監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。監(jiān)控服務(wù)器綜合采集到的物流車(chē)輛地理信息數(shù)據(jù)和GIS服務(wù)器提供的電子地圖等功能，實(shí)現(xiàn)電子地圖匹配，并在地圖上顯示坐標(biāo)點(diǎn)的正確位置，即車(chē)輛的動(dòng)態(tài)位置，運(yùn)用移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，進(jìn)行定位、跟蹤和監(jiān)控。

當(dāng)需要對(duì)物流車(chē)輛進(jìn)行調(diào)度時(shí)，管理服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的物流、車(chē)輛記錄信息，向調(diào)度信息發(fā)送機(jī)發(fā)送調(diào)度控制命令。調(diào)度信息發(fā)送機(jī)將調(diào)度控制等命令封裝成短消息，經(jīng)GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送到車(chē)載終端。車(chē)載終端將接收到的調(diào)度短消息經(jīng)過(guò)處理，就能得到調(diào)度控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)物流的遠(yuǎn)程調(diào)度。

三、系統(tǒng)誤差分析

在實(shí)際應(yīng)用中，車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)也存在著一些問(wèn)題，如定位精度和實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。由于GPS定位信息通過(guò)GSM無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，必然存在著傳輸延時(shí)，因此對(duì)車(chē)輛定位實(shí)時(shí)性會(huì)帶來(lái)一定的誤差，從而影響定位精度。從理論上說(shuō)，當(dāng)傳輸?shù)淖畲笞止?jié)不超過(guò)150字符時(shí)，發(fā)送一條短信平均延時(shí)4秒。實(shí)際上，加上各種延時(shí)，不通話(huà)的情況下，平均延時(shí)5.5秒。假定車(chē)輛平均速度為40Km/h，則5.5秒內(nèi)車(chē)輛已經(jīng)行駛了60米。對(duì)于這類(lèi)誤差，可以采取軌道推算的算法來(lái)減少誤差。

除傳輸帶來(lái)的延時(shí)誤差，GPS車(chē)輛定位的精度還受GPS本身誤差及地圖誤差的影響。對(duì)GPS本身的誤差，可以采取差分的方式大部分消除。對(duì)于地圖誤差，可以盡量選取多個(gè)合適的控制點(diǎn)進(jìn)行地圖校準(zhǔn)以較少誤差。

對(duì)于預(yù)測(cè)定位，誤差同預(yù)測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)度有關(guān)系，時(shí)刻離現(xiàn)在越遠(yuǎn)，預(yù)測(cè)定位誤差越大?？梢酝ㄟ^(guò)增加定位信息采集頻率和改進(jìn)定位算法來(lái)減小預(yù)測(cè)誤差。

四、小結(jié)

本文結(jié)合GPS/GSM/GIS、移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)進(jìn)行了Internet物流監(jiān)控系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)可以對(duì)大量的如多達(dá)幾百輛的車(chē)輛物流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，高效地對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、顯示。

隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)物流監(jiān)控的要求日益提高，以及隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的日新月異，移動(dòng)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)的功能和物流監(jiān)控的功能有待于進(jìn)一步提高。這其中包括：軌道管理的自動(dòng)計(jì)算；定位不確定性管理；用戶(hù)界面的完善；車(chē)輛越界報(bào)警、事故報(bào)警、中心和車(chē)輛遠(yuǎn)程通話(huà)等等。這就要在實(shí)踐的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善。

參考文獻(xiàn):

[1]崔偉宏:《空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究》.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社， 2000

[2]O.Wolfson.《Moving Objects Information Management: The Database Challenge》.http://www.cs.uic.edu/~wolfson/mobile_ps/ngits02.pdf