基于北斗導(dǎo)航的城市出行車輛公共管理系統(tǒng)設(shè)計

楊 英

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510080）

目前隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各類傳感技術(shù)以及互聯(lián)技術(shù)、新一代信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析方法等交叉綜合應(yīng)用為智慧城市生活提供了可選擇的解決方案。2018年12月27日，在國務(wù)院新聞辦公室新聞發(fā)布會上，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其宣布：北斗三號基本系統(tǒng)完成建設(shè)，于今日開始提供全球服務(wù)[1]。據(jù)介紹，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)水平和高程的定位精度均達(dá)到10 m，測速精度達(dá)到0.2 m/s，授時精度達(dá)到20 ns，系統(tǒng)服務(wù)可用性優(yōu)于95%。在亞太地區(qū)，北斗系統(tǒng)的水平和高程定位精度更是可達(dá)到5 m[2]。

因此，針對目前城市道路交通存在局部道路及上下班高峰時段的結(jié)構(gòu)化嚴(yán)重堵塞的突出民生交通問題，設(shè)計了一款基于北斗導(dǎo)航、大數(shù)據(jù)分析的城市出行車輛城市車輛公共管理系統(tǒng)，區(qū)域交通主管部門可依據(jù)本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析決策制定差異化車輛進(jìn)入特定路段的管制措施政策，可依據(jù)系統(tǒng)的車輛歷史數(shù)據(jù)記錄為執(zhí)法提供數(shù)據(jù)技術(shù)支撐；并可針對實(shí)時道路路況的車輛精確數(shù)據(jù)及車輛集聚狀態(tài)做出智能化數(shù)據(jù)分析和堵塞趨勢告警提示，可提供數(shù)據(jù)指令自動實(shí)施道路紅綠燈口智能調(diào)整，達(dá)到城市道路交通結(jié)構(gòu)化堵塞的有效疏導(dǎo)目的；同時通過本項(xiàng)目對區(qū)域車輛的電子身份標(biāo)識管理及實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)管，有利于區(qū)域城市車輛的安全及社會治安監(jiān)管，減少車輛盜搶且便于加強(qiáng)社會治安管理工作。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)通過4G網(wǎng)絡(luò)將車輛上安裝的北斗衛(wèi)星模塊采集到的定位數(shù)據(jù)、車輛行車環(huán)境的數(shù)據(jù)使用TCP/IP模式傳回數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心解析收到的數(shù)據(jù)包一方面將通信數(shù)據(jù)包中的定位信息通過地圖顯示系統(tǒng)顯示出來，另一方面，啟動車輛數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分析出車輛差異、路段擁塞情況等?；诒倍穼?dǎo)航的城市出行車輛城市車輛公共管理系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于北斗導(dǎo)航的城市出行車輛城市車輛公共管理系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從數(shù)據(jù)傳輸方面分三個模塊設(shè)計：車輛數(shù)據(jù)采集模塊、 數(shù)據(jù)通信模塊、綜合應(yīng)用平臺模塊。總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

北斗系統(tǒng)信號質(zhì)量總體上與GPS相當(dāng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航將有利于減緩交通阻塞，提升道路交通管理水平。通過在車載終端上安裝衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和數(shù)據(jù)發(fā)射機(jī)，車輛的位置信息就能在幾秒鐘內(nèi)自動轉(zhuǎn)發(fā)到中心站[3]。這些位置信息可用于道路交通管理。本系統(tǒng)采用廣州某公司北斗導(dǎo)航模塊安裝在車輛上，此北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)通過4G傳入數(shù)據(jù)中心。此模塊已經(jīng)在運(yùn)營中投入使用，定位精度約10 M。

北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能就是通過與串口相連接的北斗衛(wèi)星模塊采集當(dāng)前的北斗衛(wèi)星信息；定位數(shù)據(jù)上行轉(zhuǎn)換模塊把接收到的北斗衛(wèi)星定位信息數(shù)據(jù)包以及相關(guān)的車輛狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成約定好的數(shù)據(jù)格式以便同網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，該模塊會將相關(guān)狀態(tài)信息組合轉(zhuǎn)換成一個包含車輛狀態(tài)信息的定位數(shù)據(jù)包，然后以設(shè)置的間隔時間發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器中。指令下行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器發(fā)來的命令進(jìn)行識別后交給車載終端，車載終端則根據(jù)具體的指令進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3 數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計（見圖3）

數(shù)據(jù)通信層作為整個系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)的設(shè)計，需要對數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定格式管理，規(guī)定一種方式與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通信，又預(yù)留了對上層應(yīng)用的接口，同時從機(jī)制上保證了對數(shù)據(jù)采集模塊的通信質(zhì)量與對綜合應(yīng)用層的通信質(zhì)量。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信設(shè)計為：上一層數(shù)據(jù)采集模塊 （北斗衛(wèi)星采集終端） 采集到的數(shù)據(jù)通過4G接入到網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)服務(wù)器 （數(shù)據(jù)中心），數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)通過B/S訪問模式提供給各級管理部門應(yīng)用終端用戶，或者通過移動網(wǎng)絡(luò)提供給移動用戶。本系統(tǒng)中采集模塊的數(shù)據(jù)上行轉(zhuǎn)換模塊的功能是把接收到的信息數(shù)據(jù)包以及相關(guān)的車輛狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成約定好的數(shù)據(jù)格式以便同網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，該模塊會將相關(guān)狀態(tài)信息組合轉(zhuǎn)換成一個數(shù)據(jù)報文。系統(tǒng)將北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)接4G卡通過GSM網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)據(jù)服務(wù)器，中間通信仍通過TCP/IP方式建立socket套接字完成通信。

圖3 數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信層還完成以下功能設(shè)計：數(shù)據(jù)傳輸、原始數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)、容錯處理、數(shù)據(jù)格式化、數(shù)據(jù)打包、數(shù)據(jù)日志等功能。所以，系統(tǒng)設(shè)計了兩種數(shù)據(jù)包格式分別用于不同場合。

數(shù)據(jù)格式1 （見表1）：幀頭 （1字節(jié)） +數(shù)據(jù)包長度 （2字節(jié)） + 數(shù)據(jù)包關(guān)鍵字 （2字節(jié)） + 信號采集模塊編號 （4字節(jié)） + 數(shù)據(jù)包具體數(shù)據(jù) （若干） + CRC校驗(yàn) （2字節(jié)） +幀尾（1字節(jié)） 。

表1 數(shù)據(jù)格式1結(jié)構(gòu) /B

數(shù)據(jù)格式2 （見表2）：幀頭 （1字節(jié)） +數(shù)據(jù)包長度 （2字節(jié)） + 數(shù)據(jù)包關(guān)鍵字 （2字節(jié)） +數(shù)據(jù)包具體數(shù)據(jù) （若干） +CRC校驗(yàn) （2字節(jié)） +幀尾 （1字節(jié)） 。

表2 數(shù)據(jù)格式2結(jié)構(gòu) /B

4 軟件部分設(shè)計

4.1 綜合應(yīng)用平臺設(shè)計

（1） 綜合應(yīng)用平臺在整系統(tǒng)中發(fā)揮以下重要作用：①承擔(dān)城市車輛公共管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的采集、融合、分析及管理工作，為城市車輛系統(tǒng)中的其他交通應(yīng)用系統(tǒng)提供交通數(shù)據(jù)及交通信息支持；②為區(qū)域道路提供路況交通評價等核心模型、算法以及專家預(yù)案庫等決策支持；③為城市車輛系統(tǒng)管理提供統(tǒng)一靈活的管理及運(yùn)行維護(hù)工具。

（2） 綜合應(yīng)用平臺的用戶所面向的用戶。綜合應(yīng)用平臺主要面向的系統(tǒng)用戶類型包括幾類：普通司機(jī)、交通信息發(fā)布者、交通管理者、交通規(guī)劃者以及交通決策者、以及系統(tǒng)管理的維護(hù)人員。

（3） 綜合應(yīng)用的系統(tǒng)功能設(shè)計如下：①實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊所采集交通信息的接入；②實(shí)現(xiàn)對采集來的車輛道路等交通信息進(jìn)行加工及處理，通過加工處理使得綜合應(yīng)用平臺內(nèi)的交通信息能夠基本滿足應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求；③實(shí)現(xiàn)車輛道路交通信息的存儲功能，同時保證這些信息的存儲性能能夠充分滿足交通信息處理以及應(yīng)用的需要；④對存儲的交通信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，以滿足路況分析與決策、路徑規(guī)劃、交通預(yù)警等功能；⑤實(shí)現(xiàn)各類交通信息的發(fā)布功能，滿足各交通應(yīng)用系統(tǒng)各發(fā)布方式的發(fā)布要求。

（4） 綜合應(yīng)用平臺的功能具有的特點(diǎn)及要求。①由于綜合應(yīng)用平臺是一個開放的平臺系統(tǒng)，其內(nèi)部的處理功能往往受到外部輸入及輸出的影響，這就要求在交通管理綜合信息平臺的建設(shè)中能夠充分地考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和兼容性，以此來減少系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)的工作量；②綜合應(yīng)用平臺作為系統(tǒng)框架的核心，擔(dān)負(fù)著城市車輛管理系統(tǒng)核心處理的任務(wù)，這就要求在城市車輛管理綜合信息平臺的建設(shè)中能夠充分地考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作性能，以此來保證系統(tǒng)高可用性；③綜合應(yīng)用平臺將形成分布式數(shù)據(jù)處理及存儲架構(gòu)，具備較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，并為交通智能管理提供穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)服務(wù)以及提供數(shù)據(jù)保證和功能上的保障。

（5） 綜合應(yīng)用平臺的功能邏輯設(shè)計。根據(jù)以上分析，從邏輯設(shè)計上綜合應(yīng)用平臺分為三部分，分別是：設(shè)備接入中心、數(shù)據(jù)分析中心、綜合應(yīng)用中心，如圖4所示。

圖4 綜合應(yīng)用平臺邏輯設(shè)計

設(shè)備接入中心面向系統(tǒng)維護(hù)人員，數(shù)據(jù)分析中心面向交通管理者、交通規(guī)劃者以及交通決策者，綜合應(yīng)用中心面向普通司機(jī)、交通信息發(fā)布者、交通管理者。

4.2 設(shè)備接入中心設(shè)計

（1） 應(yīng)用框架選擇。

接入各類平臺設(shè)備，windows用戶、LINUX用戶、移動平臺用戶等。目前基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用一般具備跨平臺特性，設(shè)備接入中心為一類中間接口的設(shè)計。軟件程序框架是JAVA、Hibernate框架。Hibernate框架是一個開放源代碼的對象關(guān)系映射框架，它對JDBC進(jìn)行了非常輕量級的對象封裝，使得Java程序員可以隨心所欲地使用對象編程思維來操縱數(shù)據(jù)庫。Hibernate可以應(yīng)用在任何使用JDBC的場合，既可以在Java的客戶端程序使用，也可以在Servlet/JSP的Web應(yīng)用中使用，最具革命意義的是，Hibernate可以在應(yīng)用EJB的J2EE架構(gòu)中取代CMP，完成數(shù)據(jù)持久化的重任[4]。這類架構(gòu)對于中間件的設(shè)計是十分便利的。

（2） 數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

設(shè)備接入中心的數(shù)據(jù)庫使用ORACLE數(shù)據(jù)庫，ORACLE數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是美國ORACLE公司 （甲骨文） 提供的以分布式數(shù)據(jù)庫為核心的一組軟件產(chǎn)品，是目前最流行的客戶/服務(wù)器 （CLIENT/SERVER） 或B/S體系結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫之一。ORACLE數(shù)據(jù)庫是目前世界上使用最為廣泛的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，作為一個通用的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它具有完整的數(shù)據(jù)管理功能；作為一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫，它是一個完備關(guān)系的產(chǎn)品；作為分布式數(shù)據(jù)庫它實(shí)現(xiàn)了分布式處理功能。

在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計上，本系統(tǒng)將遵循以下原則：

（1） 降低關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性；

（2） 盡量不使用聯(lián)合主鍵；

（3） ID的生成機(jī)制，不同的數(shù)據(jù)庫所提供的機(jī)制并不完全一樣；

（4） 適當(dāng)?shù)娜哂鄶?shù)據(jù)，不過分追求高范式。

4.3 大數(shù)據(jù)分析中心

從數(shù)據(jù)中心來的數(shù)據(jù)是海量的，從這些海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析得到智能化模型。本模塊采用行程時間預(yù)測、事件檢測等算法得到車輛路徑導(dǎo)航等數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)可存于數(shù)據(jù)庫，也可直接在前臺顯示于用戶。該模塊也包含車輛身份異常分析、道路交通阻塞情況分析、車輛運(yùn)行路徑分析、道路交通阻塞預(yù)警、非法車輛參與營運(yùn)預(yù)警、行車路徑規(guī)劃、交通發(fā)展規(guī)劃等道路交通預(yù)測信息與交通輔助決策信息。

車輛數(shù)據(jù)分析方式如圖5所示。

圖5 車輛數(shù)據(jù)分析方式

其中，OLTP （On-Line Transaction Processing） 為聯(lián)機(jī)事務(wù)處理過程；OLAP （On-Line Analytical Processing） 為聯(lián)機(jī)分析處理；IBS （Integrity Business Solution） 為完整的業(yè)務(wù)解決方案。

從數(shù)據(jù)倉庫過來的車輛以及道路數(shù)據(jù)需要通過軟件進(jìn)行由淺入深的數(shù)據(jù)挖掘，以形成真正的有效的道路交通信息預(yù)測以及交通輔助決策功能，圖6顯示了數(shù)據(jù)挖掘到數(shù)據(jù)分析的過程以及內(nèi)容。

圖6 數(shù)據(jù)挖掘

4.4 綜合應(yīng)用中心

綜合應(yīng)用中心是使用頻率最高的軟件部分，它面向一般車輛管理人員、普通司機(jī)，此部分軟件也是整個系統(tǒng)軟件的核心部分。綜合應(yīng)用中心軟件分服務(wù)器端以及客戶端兩部分。服務(wù)端軟件主要完成車輛、路況、司機(jī)等數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)、數(shù)據(jù)庫管理，以及公共接口的設(shè)計與使用?？蛻舳塑浖饕墙o具體用戶通過發(fā)送HTTP命令獲取來自服務(wù)器端的各類車輛、道路信息，達(dá)到實(shí)時掌握路面車流動態(tài)信息和輔助交通管理的目的。

綜合應(yīng)用中心面向交通部門車輛管理人員在交通管理中心使用的軟件功能如圖7所示。

圖7 綜合應(yīng)用中心之交通管理中心軟件結(jié)構(gòu)

綜合應(yīng)用中心面向普通司機(jī)使用的軟件功能如圖8所示。

圖8 綜合應(yīng)用中心之普通司機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)外車輛管理中車輛的定位數(shù)據(jù)所使用的傳感器仍然以GPS定位為主，交通部門對出行車輛的智能交通公共管理系統(tǒng)的應(yīng)用主要在大城市，還未普及到二、三線小城市。本文主要研究開發(fā)一套基于北斗衛(wèi)星遙感與大數(shù)據(jù)技術(shù)的分布式城市出行車輛智能交通公共管理系統(tǒng)，對于以上國內(nèi)外同類城市公共交通智能管理系統(tǒng)產(chǎn)品所忽略的技術(shù)及市場需求問題進(jìn)行補(bǔ)充，突出了以下優(yōu)勢：①針對區(qū)級及二、三線小城市的智能交通公共管理需求，開發(fā)分布式城市出行車輛智能交通公共管理系統(tǒng)，適用于在區(qū)級及二、三線小城市試點(diǎn)實(shí)施；②針對區(qū)域城市出行車輛精準(zhǔn)管理細(xì)分市場需求，應(yīng)用我國北斗衛(wèi)星遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛的電子身份升級管理和城市車輛數(shù)據(jù)采集，為以后的城市出行車輛差異化智能管理帶來各種的拓展應(yīng)用功能。