基于GIS的礦山車輛GPS監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)設計

粟 闖，杜年春，鄧 軍，謝 翔，黃 毅，熊明輝

（中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司，湖南 長沙 410011）

基于GIS的礦山車輛GPS監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)設計

粟 闖，杜年春，鄧 軍，謝 翔，黃 毅，熊明輝

（中國有色金屬長沙勘察設計研究院有限公司，湖南 長沙 410011）

系統(tǒng)采用微軟的.NET FrameWork框架的相關技術，結合SuperMapGIS平臺與空間數(shù)據(jù)庫技術，設計并建立基于GIS、礦山GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務流程。根據(jù)車輛位置進行車輛行駛范圍與行駛道路的分析，豐富了車輛監(jiān)控業(yè)務信息及提高了監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控效果，并介紹了車輛監(jiān)控系統(tǒng)的整體結構和模塊劃分，給出了一個道路匹配算法與大數(shù)據(jù)下系統(tǒng)性能解決方案，該系統(tǒng)在實際工程運用中取得了良好的效果。

車輛監(jiān)控；GIS；GPS；道路匹配

0 引 言

礦山車輛是我國大多數(shù)露天礦山主要運輸方式，運礦車調度與管理，以及如何提高運礦車運輸效率和管理水平是礦山企業(yè)面臨的重大難題。當前礦山車輛調度和管理存在各車輛進出采場和各主要關鍵路口的時間和數(shù)量無法確定、確切位置和數(shù)量信息無法準確獲取、礦區(qū)車輛維護、維修和綜合效益分析缺乏全面數(shù)據(jù)支撐等問題[1-4]。礦山車輛智能化調度的實現(xiàn)，采運協(xié)同優(yōu)化效果的體現(xiàn)，可實現(xiàn)礦區(qū)生產(chǎn)力的優(yōu)化，對于保障運輸安全和采礦生產(chǎn)都起到了重要的作用。

目前礦山車輛定位、礦山整體地形準確數(shù)據(jù)缺失，生產(chǎn)場所分散，探、采等生產(chǎn)信息集成度、可視化程度低，調度信息化水平不高，不利用生產(chǎn)調度和管理[5-7]。要實現(xiàn)礦山車輛智能化調度，基于GIS、GPS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)是一種較為適合的技術。將GIS技術、車載GPS定位技術與其它網(wǎng)絡信息技術融合，解決礦山生產(chǎn)面臨的采場點多面廣、礦區(qū)范圍大、運輸管理難度大、周邊環(huán)境錯綜復雜等問題，結合礦山生產(chǎn)的需求，提出有效的解決方案，為礦區(qū)車輛調度管理提供相應的技術支撐。

1 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)構成分為監(jiān)控中心服務器、無線通信網(wǎng)絡、車載終端3部分。GPS終端包括用以感知位置信息和速度信息的GPS模塊，收發(fā)數(shù)據(jù)的CDMA模塊。車載定位終端在接通電源后，會自動搜尋北斗或者GPS衛(wèi)星信號，并獲取定位信息。CDMA模塊通過無線技術與數(shù)據(jù)交換平臺通訊。數(shù)據(jù)交換平臺對整個聯(lián)網(wǎng)的車載終端進行數(shù)據(jù)收集，地圖顯示和匹配，車輛的監(jiān)控與調度等功能，是整個系統(tǒng)的核心。

系統(tǒng)的工作原理：安裝在車載終端上的GPS模塊，采集車輛的經(jīng)緯度、方向、速度等信息，然后將采集到的信息通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡傳回到監(jiān)控服務器，監(jiān)控服務器進行數(shù)據(jù)分析和處理，對GPS數(shù)據(jù)進行地圖匹配、坐標轉換等綜合處理，將結果顯示在監(jiān)控終端，從而對車輛進行監(jiān)控與調度等操作功能。

系統(tǒng)主要功能模塊包括車輛的全局監(jiān)控、單車監(jiān)控、歷史軌跡查詢與回放、實時信息顯示、車輛超速與逗留報警，車輛GPS上線和掉線記錄查詢。

軟件主要圍繞車輛定位監(jiān)控的設計與實現(xiàn)展開，設計并建立基于GIS、GPS礦山車輛監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務流程，系統(tǒng)使用TCP/IP協(xié)議的SOCKET技術，通過有效的數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)了GPS的實時監(jiān)控，系統(tǒng)采用微軟的.NET FrameWork框架的相關技術，結合組件式GIS開發(fā)平臺和空間數(shù)據(jù)庫技術實現(xiàn)。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

2 關鍵技術與實現(xiàn)

2.1 大數(shù)據(jù)下系統(tǒng)性能解決方案

由于礦山車輛多，GPS數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄條數(shù)多，隨著投入生產(chǎn)運行的設備數(shù)量增加，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量會越來越大，客戶訪問的數(shù)量也會隨著增加，系統(tǒng)需要實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量下的存儲與訪問高效性，主要是提高查詢速度和改善存儲速度[8]。

大數(shù)據(jù)下系統(tǒng)性能解決方案針對礦山設備監(jiān)控系統(tǒng)大批量業(yè)務與大數(shù)據(jù)量處理時存在速度慢、處理能力低等問題，提出優(yōu)化技術。

1）優(yōu)化設計數(shù)據(jù)庫：①車載終端采集的信息量相當龐大，數(shù)據(jù)庫設計時盡量減少冗余；②利用數(shù)據(jù)庫分布處理技術把一個大的數(shù)據(jù)庫按一定的規(guī)則拆分成若干個比較小的數(shù)據(jù)庫，以數(shù)據(jù)相對比較獨立為原則盡量避免各數(shù)據(jù)庫間的交叉訪問；③不同的地圖資源分布于不同的圖層；④定期進行數(shù)據(jù)合并，按數(shù)據(jù)使用頻率進行分類，實現(xiàn)不同頻度數(shù)據(jù)在不同存儲層次之間進行流動。

2）共享內存技術：指在內存中開辟一塊可任何進程所共享的內存區(qū)域，把那些需要經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)參數(shù)表一次讀入到共享內存區(qū)中，以后所有對參數(shù)表的訪問可以通過直接共享內存區(qū)的參數(shù)數(shù)據(jù)來實現(xiàn)，從而避免頻繁對數(shù)據(jù)庫的訪問大大減少對系統(tǒng)I/O的占用。

3）多進程并行處理方案：把一個采集程序分成多個程序，把一個程序分成多個程序并行處理。

2.2 車輛監(jiān)控

程序不斷的接收GPS的定位信息，并進行轉換處理，得到x、y坐標，與當前的位置進行比較，當位置發(fā)生變化，則在電子地圖上更新到相應的位置，從而實現(xiàn)實時定位功能，實時定位原理如圖2所示。

圖2 實時定位原理

通過GPS數(shù)據(jù)分析，可實現(xiàn)車輛軌跡查詢：實時查詢車輛的具體地理位置，結合電子地圖顯示車輛的行駛信息；服務器自動記錄1個月內所有行車路線速度等信息，提供給管理者分析司機的工作路線是否合理，并提供回放功能。

輛超速與逗留報警監(jiān)控：系統(tǒng)設定限定的速度值，車速超設定值后自動被系統(tǒng)記錄，并可通過系統(tǒng)提示調度人員，以確保安全行車；同時，針對車輛怠速長時間空轉的停車時長進行有效統(tǒng)計分析。

通過車輛行駛軌跡查詢、車輛報警記錄查詢可以事后全面了解車輛的工作過程。

2.3 地圖匹配

采用地圖匹配算法平滑GPS定位數(shù)據(jù)，地圖匹配的第一步是要確定誤差區(qū)域，以便從地圖數(shù)據(jù)中提取候選匹配道路的信息。誤差區(qū)域是指包含車輛真實位置的區(qū)域，在誤差區(qū)域內的道路稱之為候選路段，以減少進行識別的道路的數(shù)量，提高識別速度。較為常用的確定誤差區(qū)域方法的是根據(jù)概率準則定義誤差橢圓。設定位系統(tǒng)的方差和協(xié)方差矩陣模型化為：

式中：σ2x和 σ2y是方差，σxy和 σyx是協(xié)方差，σx和σy是GPS定位系統(tǒng)正向與北向測量誤差的標準差。并且這幾個參數(shù)可以直接從接收機輸出的數(shù)據(jù)中直接讀出，從而可以這樣定義定位誤差橢圓：

式中：a是橢圓半長軸，b是橢圓半短軸，δ是單位權值的后驗方差，式（4）中φ為橢圓半長軸的取向和正北方向之間的夾角，GPS的定位點即為橢圓中心，也是當前的車輛定位位置。

系統(tǒng)基于現(xiàn)有地圖匹配算法進行D-S證據(jù)的二次融合，可達性信息證據(jù)的考察將從GPS等定位設備獲取到的車輛定位點分別投影到候選道路上，視做假如車輛行駛在該道路上的位置點，稱此投影點為該候選路段的虛擬匹配點?？蛇_性信息是指匹配過程中車輛從上一匹配點到虛擬匹配點的連通性、行駛距離、行駛時間等信息，結合礦山實際道路網(wǎng)信息進行地圖匹配。針對平行路段、交叉路口和立交橋等分口較多的路段進行仿真分析，考察位置信息和方向信息證據(jù)的可靠性程度，得出可靠性參數(shù)的最優(yōu)取值，提高特殊路段的匹配精度。地圖匹配算法流程如下：

圖3 地圖匹配算法流程

2.4 基于車輛行駛軌跡的趟數(shù)統(tǒng)計

趟數(shù)統(tǒng)計是礦山車輛工作計量的基礎，也是考核司機工資的主要依據(jù)，基于車輛行駛軌跡的趟數(shù)統(tǒng)計實現(xiàn)方法與步驟如下：

運礦車、采場、卸礦點編號與坐標定位，利用運礦車定位坐標與采場、卸礦點的中心坐標計算相對距離；

通過GPS數(shù)據(jù)結合地圖數(shù)據(jù)對運礦車的運礦趟數(shù)進行分析，由于定位數(shù)據(jù)存在誤差，需要確定誤差范圍，設定以車輛位置為中心，以a（GPS定位誤差的3倍）為半徑的一個圓形誤差區(qū)域進行檢測，動態(tài)的確定誤差檢測范圍；

確定檢測范圍之后，開始對車輛的路徑進行分析，把GPS定位數(shù)據(jù)按車輛編號進行分組，然后檢測各車輛的位置與平臺、采場的相交關系，開始的時候，設置狀態(tài)為0，然后檢測車輛是否與平臺相交，直到檢測與平臺相交，設為狀態(tài)1，之后再檢測到與采場相交，則設為狀態(tài)2，在狀態(tài)為2的情況下再與平臺相交，則為1趟，狀態(tài)設為1，重復之前的檢測，以此類推進行車輛的趟數(shù)統(tǒng)計。

系統(tǒng)通過GPS數(shù)據(jù)與地圖進行結合，生成得到各個礦車的行駛軌跡，并通過預設的采場與卸礦點位置，判斷各個礦車每次的行駛軌跡是否規(guī)范要求，對符合規(guī)范要求的行駛軌跡進行計數(shù)加一處理，進而方便快捷的對礦車的運輸工作量進行統(tǒng)計；對于采場與卸礦點區(qū)域，通過對礦車經(jīng)停時間進行記錄，從而判斷礦車是否有效完成對應于采場或者卸礦點的工作，避免出現(xiàn)礦車瀆職卻進行計數(shù)加一的情況發(fā)生；生成行駛軌跡時采用地圖匹配算法，既保證了匹配的可靠性，又降低了運算強度，提高運算效率。

3 結 語

系統(tǒng)利用網(wǎng)絡通信、地信息技術、數(shù)據(jù)庫技術建立了基于GIS、礦山GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務流程，實現(xiàn)對設備的實時信息、歷史數(shù)據(jù)等的采集、分析、處理、展示、管理，結合地圖匹配、車輛趟數(shù)統(tǒng)計算法及大數(shù)據(jù)下系統(tǒng)性能解決方案，實現(xiàn)礦車逗留監(jiān)控、超速監(jiān)控、趟數(shù)計算、軌跡查詢等，豐富了車輛監(jiān)控業(yè)務信息及提高了監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控效果，調度中心直觀地掌握車輛分布狀況據(jù)此調度車輛，從而達到提高生產(chǎn)效率和安全運行的目的。

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［4］ 朱勇.GPS車輛監(jiān)控指揮系統(tǒng)關鍵技術的設計與實現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學，2007.

［5］ 張浩，詹杰，孫琪皓.基于GPRS的車輛實時監(jiān)控管理系統(tǒng)設計［J］.儀器與設備，2016，4（3）：69-77.

［6］ 張書畢，劉作才.基于GIS的GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.測繪通報，2002（6）：31-33.

［7］ 夏紅霞，周宏，楊紅云，等.基于GIS/GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)及關鍵技術［J］.微機發(fā)展，2004，14（8）：100-102.

［8］ 賀麗紅.基于GIS/GPS車輛監(jiān)控子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.北京：北京交通大學，2009：22-30.

【責任編輯：陳 毓】

Development and design of mine vehicle GPS monitoring system based on GIS

SU Chuang,DU Nianchun,DENG Jun,XIE Xiang,HUANG Yi,XIONG Minghui
(China Nonferruos Mental Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Changsha 410011,China)

The system used Microsoft NET FrameWork framework technology.Combining with SuperMap GIS platform and spatial database technology,the article designed and established business processes based on GIS,mining GPS vehicle monitoring system.Through the analysis of vehicle driving range and driving path for vehicle position,the mine enriches the monitoring information and improves the monitoring effect,introduces the whole structure and module partition of vehicle monitoring system,and gives a road matching algorithm and system performance solution under large data,which has achieved good results in practical engineering application.

vehicle monitoring;GIS;GPS;road matching

TD672

B

1671－9816（2017）07－0054－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.015

粟闖，杜年春，鄧軍，等.基于GIS的礦山車輛GPS監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)設計［J］.露天采礦技術，2017，32（7）：54-56.

2017-03-07

粟 闖（1983—），男，漢族，湖南長沙人，碩士，畢業(yè)于中南大學采礦工程專業(yè)，主要從事礦山及工程在線安全監(jiān)測方向研究。