基于GIS 的車輛管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳賢

摘要：該文介紹了一種基于GIS的車輛管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用地理信息系統(tǒng)的直觀性，結(jié)合GPS系統(tǒng)的定位功能，以及管理信息系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)資料的管理能力，能夠有效地降低車輛的運(yùn)輸成本，提高管理效率，同時(shí)基于GIS平臺(tái)，對(duì)路徑搜索算法進(jìn)行改進(jìn)，綜合考慮了各方面的影響因素，使車輛的行駛路徑規(guī)劃更科學(xué)合理，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：GIS；車輛管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）26-0060-02

車輛管理不同于一般的管理信息系統(tǒng)，它需要對(duì)車輛實(shí)體進(jìn)行管理，所以在大多數(shù)的應(yīng)用中都需要依靠硬件提供支撐。目前出現(xiàn)的射頻卡、道閘、車牌識(shí)別器等廣泛應(yīng)用于區(qū)域車輛管理中；而GPS定位裝置、防偷盜裝置、胎壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備等是安裝于車輛中。不同的設(shè)備完成一定的管理功能，而多套設(shè)備相互關(guān)聯(lián)，并與軟件系統(tǒng)相結(jié)合，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的高效管理。

基于gis的車輛管理系統(tǒng)將地理信息系統(tǒng)gis作為車輛管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，充分利用了該技術(shù)的空間直觀性，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)車輛空間數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理，空間位置的自動(dòng)搜索和智能路徑規(guī)劃等，從而達(dá)到對(duì)車輛的高效管理。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)功能架構(gòu)

基于GIS的高校車輛管理系統(tǒng)的功能架構(gòu)分為五大功能模塊，分別是車輛數(shù)據(jù)管理模塊、駕駛員管理模塊、車輛調(diào)度派遣模塊、車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、系統(tǒng)管理模塊。其中車輛數(shù)據(jù)管理模塊主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)車隊(duì)中所有車輛靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的管理功能；駕駛員管理模塊主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛駕駛?cè)藛T靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的管理功能；車輛調(diào)度派遣模塊主要是實(shí)現(xiàn)車輛的網(wǎng)上申請(qǐng)、審批，出車任務(wù)的自動(dòng)分配，車輛派遣信息的自動(dòng)發(fā)布等功能；車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊主要是在車輛運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行駛路徑等信息的監(jiān)控功能，主要包括地理信息相關(guān)功能、路徑規(guī)劃功能、報(bào)警功能；系統(tǒng)管理模塊主要是為系統(tǒng)管理員實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的配置調(diào)整等應(yīng)用提供支持，主要包括用戶管理功能、權(quán)限配置功能、參數(shù)配置功能、數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能。

1.2系統(tǒng)物理架構(gòu)

系統(tǒng)物理架構(gòu)即系統(tǒng)的部署架構(gòu)，主要是用于描述系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系設(shè)計(jì)方案，以及系統(tǒng)的具體部署位置方案，如圖1：

系統(tǒng)采用的是基于瀏覽器/服務(wù)器的架構(gòu)模式，將系統(tǒng)的主要功能部署于服務(wù)器端，而客戶端則通過(guò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的調(diào)用。系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊部署于應(yīng)用服務(wù)器上，對(duì)外開發(fā)訪問(wèn)地址。Web服務(wù)器上部署的是系統(tǒng)的網(wǎng)站，該網(wǎng)站調(diào)用應(yīng)用服務(wù)器上的系統(tǒng)功能，為客戶提供所需要的服務(wù)。地理信息服務(wù)器上部署地圖服務(wù)模塊，為網(wǎng)站提供地圖數(shù)據(jù)以及與地圖相關(guān)的各類功能服務(wù)。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)由空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)構(gòu)成，空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中存儲(chǔ)著地圖信息數(shù)據(jù)、與地圖相關(guān)的各類目標(biāo)對(duì)象屬性數(shù)據(jù)、地圖與目標(biāo)對(duì)象的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)等，為地理信息服務(wù)器提供數(shù)據(jù)資源。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)存儲(chǔ)和管理與車輛、駕駛?cè)藛T、車輛申請(qǐng)與派遣等事務(wù)相關(guān)的關(guān)系數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都記錄到數(shù)據(jù)表中，以便于統(tǒng)計(jì)、查詢等后繼處理。需要指出的是，車輛管理系統(tǒng)的Web應(yīng)用服務(wù)器與辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)相連接，從而實(shí)現(xiàn)車輛申請(qǐng)信息的獲取和審批，同時(shí)也可以把車輛派遣信息發(fā)布到辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中。此外，系統(tǒng)還與門禁系統(tǒng)相連接，使車輛派遣信息以及車輛的信息可以直接發(fā)送到門禁系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)智能放行。

1.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)車輛管理系統(tǒng)的應(yīng)用需求，對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)所包括的數(shù)據(jù)表主要有：車輛靜態(tài)數(shù)據(jù)表、車輛動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表、駕駛員動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表、車輛派遣數(shù)據(jù)表、車輛行駛路徑數(shù)據(jù)表等，以下將以車輛行駛路徑數(shù)據(jù)表為例加以說(shuō)明。車輛行駛路徑數(shù)據(jù)表用來(lái)記錄車輛實(shí)際的行駛軌跡信息，一方面是與規(guī)劃路徑相對(duì)比，檢查車輛是否出現(xiàn)偏離的情況，另一方面將車輛的空間位置點(diǎn)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便于有必要時(shí)回溯檢查。數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表1所示：

車輛行駛路徑數(shù)據(jù)表中，TaskID字段為與當(dāng)前記錄相關(guān)聯(lián)的車輛派遣任務(wù)標(biāo)識(shí)，為外鍵；CurTime為記錄位置信息時(shí)的時(shí)間點(diǎn)，另兩個(gè)參數(shù)為位置點(diǎn)的經(jīng)度和緯度數(shù)值。

1.4 路徑規(guī)劃算法設(shè)計(jì)

對(duì)于車輛的路徑規(guī)劃功能是系統(tǒng)的主要功能，目的是根據(jù)當(dāng)前的道路交通情況找到一條最佳的行程路徑，指導(dǎo)車輛駕駛?cè)藛T最快地到達(dá)目的地，少走彎路，少堵車，盡可能地提高出車效率。車輛的路徑規(guī)劃算法涉及多個(gè)方面的因素，其基本理論和技術(shù)是Dijstra算法，后來(lái)又出現(xiàn)了更為高效的A*算法。但上述算法都是靜態(tài)的算法，在車輛動(dòng)態(tài)行進(jìn)過(guò)程中的使用并不適合，同時(shí)，算法的本身也由于復(fù)雜度等問(wèn)題較為耗時(shí)。因此，論文對(duì)傳統(tǒng)的車輛路徑規(guī)劃算法進(jìn)行了改進(jìn)，主要是根據(jù)車輛動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃的要求和特點(diǎn)，對(duì)算法自身的運(yùn)算復(fù)雜度，以及對(duì)動(dòng)態(tài)變化情況的處理能力進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種A#算法。

A#路徑搜索算法總體的改進(jìn)思路是：優(yōu)化A*算法運(yùn)算過(guò)程，充分利用上一次的搜索運(yùn)算結(jié)果，提高運(yùn)算效率。傳統(tǒng)的A*最優(yōu)路徑搜索算法針對(duì)于每一個(gè)待處理的節(jié)點(diǎn)，采用啟發(fā)式估價(jià)函數(shù)計(jì)算其費(fèi)用值。如下式所示：

[f（n）=g（n）+h（n）]

上式中，[g（n）]表示從直到一直到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)n所消耗的花費(fèi)，對(duì)于以時(shí)間作為度量標(biāo)準(zhǔn)的車輛動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃，該值為所消耗的時(shí)間，[h（n）]為當(dāng)前n節(jié)點(diǎn)到終點(diǎn)的預(yù)估值，此處為n到終點(diǎn)之間的距離，除以平均時(shí)速。

設(shè)道路拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)集合為[N]，當(dāng)前處理的節(jié)點(diǎn)為[n]，則[succ（n）∈N]表示[n]所有的后繼節(jié)點(diǎn)，[pred（n）∈N]表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)[n]所有的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)。[n′]是[n]的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，則定義從[n′]到[n]所消耗的花費(fèi)為[cost（n′，n）]，對(duì)于車輛路徑規(guī)劃搜索問(wèn)題，一般采用時(shí)間作為花費(fèi)的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其消耗的花費(fèi)計(jì)算公式下所示：

[g*（n）=0，if（n=nstart）minn′∈pred（n）（g*（n′）+cost（n′，n）），others]

上式中，如果n為起始點(diǎn)，則其花費(fèi)為0；否則，n點(diǎn)的花費(fèi)為其前驅(qū)節(jié)點(diǎn)[n′]的花費(fèi)，加上[n′]點(diǎn)到[n]點(diǎn)所消耗的花費(fèi)。

在一次最優(yōu)路徑的搜索過(guò)程中，如果[g]值與[g*]相同，則表明該路段的花費(fèi)并沒(méi)有發(fā)生改變，可以直接使用上一次的搜索結(jié)果；而如果不一致，則表明[n′]點(diǎn)到[n]點(diǎn)所消耗的花費(fèi)發(fā)生了變化，需要重新進(jìn)行處理。

根據(jù)上述的分析，新的A#算法首先利用常規(guī)的A*算法進(jìn)行處理，得到第一次路徑搜索的結(jié)果并保存。在后繼的最優(yōu)路徑調(diào)整過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間間隔獲取路段的實(shí)時(shí)花費(fèi)信息，再與上一次的規(guī)劃結(jié)果相比對(duì)，如果發(fā)生了較大的變化，則需要對(duì)該路段的規(guī)劃方案進(jìn)行更新。

以上是A#算法對(duì)路段花費(fèi)動(dòng)態(tài)變化因素的處理結(jié)果，而在車輛規(guī)劃過(guò)程中還需要考慮的是車輛當(dāng)前位置的變化情況。駕駛?cè)藛T在行駛過(guò)程中有可能因?yàn)楦鞣N原因并非有意識(shí)地偏離規(guī)定的行駛路線，此時(shí)車輛管理系統(tǒng)應(yīng)能夠根據(jù)當(dāng)前車輛位置的信息重新規(guī)劃最優(yōu)路徑方案。

在對(duì)車輛的行駛路徑進(jìn)行最優(yōu)化規(guī)劃處理時(shí)，還要注意到車輛當(dāng)前位置的變化信息，在計(jì)算過(guò)程中不需要考慮車輛已經(jīng)行駛過(guò)程的路徑，也就是說(shuō)新的路徑規(guī)劃是從車輛當(dāng)前的位置開始的。按照以上的算法，當(dāng)隊(duì)列中的某個(gè)路徑節(jié)點(diǎn)已經(jīng)失效（即車輛已經(jīng)行駛過(guò)），則將該點(diǎn)從隊(duì)列中除去，其余的步驟不變。

2 車輛管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于GIS的車輛管理系統(tǒng)包括多個(gè)功能模塊，本文將著重對(duì)其中的行車路徑實(shí)時(shí)規(guī)劃功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。

行車路徑實(shí)時(shí)規(guī)劃功能是車輛管理系統(tǒng)中的主要應(yīng)用功能，可以在車輛行駛過(guò)程中，由系統(tǒng)控制端自動(dòng)根據(jù)車輛當(dāng)前的位置情況，以及實(shí)時(shí)的路況信息，對(duì)車輛的路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)的規(guī)劃，并將規(guī)劃完成后的路徑信息發(fā)送給車輛導(dǎo)航系統(tǒng)。

該功能的實(shí)現(xiàn)主要包括四個(gè)步驟，一是當(dāng)前路況信息的實(shí)時(shí)獲取，二是最優(yōu)路徑規(guī)劃方案的生成，三是控制中心與車載導(dǎo)航系統(tǒng)之間的通信，四是車場(chǎng)值班室對(duì)于指定車輛位置信息的監(jiān)控與報(bào)警。

當(dāng)前路況信息實(shí)時(shí)獲取是車輛路徑規(guī)劃的前提，最優(yōu)路徑規(guī)劃方案是以道路網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值為依據(jù)的，而道路權(quán)值主要是指道路的通行情況以及交通流量問(wèn)題，這些信息都可以從交通管理部門的實(shí)時(shí)交通信息服務(wù)中得到。

系統(tǒng)首先連接道路交通信息服務(wù)，連接成功后開啟定時(shí)器，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間間隔，利用服務(wù)接口發(fā)送交通信息查詢消息，消息主要是指明需要查詢的路段標(biāo)識(shí)，交通信息服務(wù)解析查詢指令，將信息返回給車輛管理系統(tǒng)，系統(tǒng)接收到信息后，用最新的交通流量情況以及通告情況更新道路權(quán)值矩陣。

最優(yōu)路徑規(guī)劃方案的生成利用上面討論的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃A#算法實(shí)現(xiàn)，算法的輸入為當(dāng)前車輛的地理位置信息，以及從當(dāng)前位置到目的地的路網(wǎng)矩陣信息，矩陣中的權(quán)值為最新更新的道路交通通行信息，輸出為車輛的最優(yōu)路徑規(guī)劃，利用Initialize（）函數(shù)用以對(duì)輸入的參數(shù)以及算法中所使用到的臨時(shí)參數(shù)進(jìn)行初始化。然后使用經(jīng)典的A*算法，對(duì)起始狀態(tài)下的靜態(tài)最優(yōu)路徑進(jìn)行規(guī)劃，得到最優(yōu)路徑方案。然后開始定時(shí)器，間隔一定的時(shí)間，利用UpdateVertex（）函數(shù)對(duì)路網(wǎng)信息進(jìn)行更新，按照A#算法的思想，將有改動(dòng)的路徑節(jié)點(diǎn)添加到列表中，并調(diào)用SortVertex（）進(jìn)行排序，最后調(diào)用OptimizationPath（）函數(shù)輸出最終的最優(yōu)路徑結(jié)果。

在完成了最優(yōu)路徑的規(guī)劃后，需要將最優(yōu)路徑方案信息傳輸?shù)杰囕d導(dǎo)航設(shè)備中，利用GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)可以完成這一功能。首先要通過(guò)向GPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)通信的相關(guān)配置信息，并通過(guò)協(xié)商以后，確定系統(tǒng)是否已經(jīng)與GPRS網(wǎng)關(guān)相連接。如果連接成功，則系統(tǒng)將最優(yōu)路徑規(guī)劃方案發(fā)送到GPRS網(wǎng)關(guān)處，并指定接收的車輛導(dǎo)航裝置編號(hào)，由GPRS網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)最優(yōu)路徑信息的發(fā)送。車載導(dǎo)航設(shè)備接收到方案數(shù)據(jù)后進(jìn)行加載，指導(dǎo)駕駛?cè)藛T的行駛。

車場(chǎng)的值班人員可以基于地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)指定車輛的位置信息的監(jiān)控，首先系統(tǒng)采用Connect連接Google Earth服務(wù)器，如果連接不成功則發(fā)出報(bào)警信息。連接成功后通過(guò)GetTargetCar（）函數(shù)獲取需要監(jiān)控的車輛對(duì)象，添加到列表中，開啟定時(shí)器，間隔一定的時(shí)間通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)向車載導(dǎo)航系統(tǒng)的GPS模塊發(fā)送查詢當(dāng)前位置信息的指令，并采用異步的方式獲取反饋信息，分解出當(dāng)前車輛的地理經(jīng)緯度信息，并在Google Earth上顯示。系統(tǒng)在監(jiān)控車輛位置信息變化的同時(shí)，根據(jù)車輛行駛的路徑，以及間隔的時(shí)間，計(jì)算得到車輛的即時(shí)速度，并與該路段的限速信息相比對(duì)，一旦出現(xiàn)超速的情況，系統(tǒng)立即發(fā)出報(bào)警信息。

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是基于GIS平臺(tái)，對(duì)A*路徑搜索算法進(jìn)行改進(jìn)，綜合考慮了各方面的影響因素，使車輛的行駛路徑規(guī)劃更科學(xué)合理。當(dāng)然本系統(tǒng)還有許多需完善的地方，使之能更適合于實(shí)際情況的使用，提高車輛管理水平。

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