基于GIS的廠區(qū)物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘? 要：廠區(qū)車輛運(yùn)輸是生產(chǎn)活動(dòng)的核心，管理好廠區(qū)物流車輛就是保障了廠區(qū)的生產(chǎn)和安全。文章針對(duì)以往廠區(qū)車輛監(jiān)管的痛點(diǎn)，結(jié)合GIS、GPS和北斗定位技術(shù)，設(shè)計(jì)出基于GIS的廠區(qū)物流車輛監(jiān)控體系架構(gòu)，建立了廠區(qū)物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)，為廠區(qū)交通提供車輛實(shí)時(shí)定位、監(jiān)控預(yù)警和實(shí)時(shí)調(diào)度等功能，滿足業(yè)務(wù)人員對(duì)物流車輛運(yùn)行情況的掌握，從而推進(jìn)廠區(qū)運(yùn)輸車輛的高效使用。

關(guān)鍵詞：GIS;車輛監(jiān)控;廠區(qū)物流運(yùn)輸

中圖分類號(hào)：TP311.52;TP391.44? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）18-0165-04

Abstract：Vehicle transportation in factory zone is the core of production activity. To ensure the logistics vehicles in factory zone is to guarantee the production and safety of factory zone. This paper in view of the pain points of vehicle supervision in factory zone and combined with GIS，GPS and Beidou positioning technology，designs a GIS-based surveillance system architecture for logistics vehicles in factory zone and builds a factory logistics vehicle monitoring system to provide factory transportation with real-time positioning，monitoring and early warning，real-time scheduling and other functions for vehicles，which can satisfy the business personnel to know about the operating situation of logistics vehicles，so as to contribute to the efficient use of transport vehicles in factory zone.

Keywords：GIS;vehicle monitoring;factory zone logistics transportation

0? 引? 言

2017年國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)文《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)物流降本增效促進(jìn)實(shí)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展的意見》中也指出要推廣應(yīng)用高效便捷物流新模式。即依托互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)信息技術(shù)，大力發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)模式下的物流運(yùn)輸新業(yè)態(tài)、新模式。傳統(tǒng)的物流運(yùn)輸模式需要根據(jù)生產(chǎn)情況事先排班和手工調(diào)度人員，不僅物流作業(yè)效率低下，排班和人員自行調(diào)度難免會(huì)出現(xiàn)信息不對(duì)等的情況，從而造成誤工誤產(chǎn)。所以，有效管理物流產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)車輛和貨品之間供需信息的實(shí)時(shí)共享、精準(zhǔn)投運(yùn)，減少空駛運(yùn)輸和物流資源閑置是本項(xiàng)目建立的核心目標(biāo)。

廠區(qū)物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)利用Spring Boot微服務(wù)框架搭建，基于GIS采集了車輛定位信息，實(shí)現(xiàn)了車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控、車輛統(tǒng)計(jì)分析及查詢、車輛軌跡回溯、電子圍欄及超速管理、違規(guī)查詢及信息發(fā)布、車輛異常監(jiān)控和車輛行程分析等功能。通過(guò)系統(tǒng)建設(shè)對(duì)廠區(qū)生產(chǎn)運(yùn)輸作業(yè)車輛位置、運(yùn)輸狀態(tài)信息實(shí)時(shí)掌控;各歸口生產(chǎn)運(yùn)輸車輛管理單位對(duì)所管轄廠內(nèi)生產(chǎn)運(yùn)輸車輛作業(yè)分布、行駛線路與區(qū)域、作業(yè)時(shí)段進(jìn)行全方位監(jiān)管。

1? 廠區(qū)物流車輛監(jiān)管系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文通過(guò)對(duì)某廠區(qū)物流車輛的實(shí)際業(yè)務(wù)需求調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)涉及的內(nèi)外部接口龐雜，傳輸數(shù)據(jù)量大。因此利用Spring Boot輕量級(jí)的微服務(wù)框架搭建整體架構(gòu)，將每個(gè)接口單獨(dú)部署成為服務(wù);數(shù)據(jù)方面采用讀寫分離的方式減輕實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)頻繁入庫(kù)對(duì)系統(tǒng)訪問(wèn)帶來(lái)的不良影響;前端顯示設(shè)備采用1 920×1 080的大屏，把功能鏈接及主要信息推送在大屏上，基于GIS展現(xiàn)車輛定位、電子圍欄空間范圍信息，同時(shí)匯總定位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析車輛行為和行程等。廠區(qū)物流車輛監(jiān)管系統(tǒng)的四層架構(gòu)如圖1所示，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、應(yīng)用支撐層和展現(xiàn)層，其中采集接口安全貫穿四層架構(gòu)，接口采用統(tǒng)一的降維處理，確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（1）數(shù)據(jù)采集層：因廠區(qū)車輛分普通的運(yùn)輸車輛（包含作業(yè)框架車、固廢車、原料車、外部運(yùn)輸車輛和無(wú)人車）和框架，運(yùn)輸車輛會(huì)安裝車載終端上傳GPS/北斗定位數(shù)據(jù);而框架是相對(duì)固定的位置，所以采用RFID技術(shù)，框架上貼有源電子標(biāo)簽記錄框架停放情況，并且可以根據(jù)車輛位置聯(lián)合定位框架。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：根據(jù)車輛監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，為不同類型的數(shù)據(jù)源設(shè)計(jì)了不同的存儲(chǔ)方案。GIS地圖服務(wù)信息存儲(chǔ)在空間數(shù)據(jù)庫(kù)，視頻或卡口圖片信息存儲(chǔ)在多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)計(jì)分析、配置類信息存儲(chǔ)在業(yè)務(wù)應(yīng)用庫(kù)，車載終端的位置信息則存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）應(yīng)用支撐層：集成支持GIS地圖服務(wù)發(fā)布的Geo Server服務(wù)，利用Kafka做高吞吐的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用發(fā)布采用Apache Tomcat 8.5，并封裝了業(yè)務(wù)服務(wù)組件以滿足車輛監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用組件庫(kù)的需求。

（4）展現(xiàn)層：車輛監(jiān)控系統(tǒng)展現(xiàn)了車輛實(shí)時(shí)信息和調(diào)度情況，各車輛管理單位通過(guò)認(rèn)證管理和配置管理對(duì)管轄范圍內(nèi)的車輛單位、車隊(duì)、行進(jìn)路線進(jìn)行規(guī)范和配置，提供車輛出現(xiàn)異常的實(shí)時(shí)預(yù)警，綜合以上數(shù)據(jù)進(jìn)行車輛統(tǒng)計(jì)分析和查詢回溯。

2? 廠區(qū)物流車輛監(jiān)管系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

廠區(qū)物流車輛監(jiān)管系統(tǒng)面向運(yùn)輸部車輛運(yùn)輸作業(yè)相關(guān)各級(jí)管理人員、作業(yè)車輛駕駛?cè)藛T，涉及功能模塊主要包含以下內(nèi)容。

（1）綜合展示：主要包括電子地圖綜合展示頁(yè)面，集成監(jiān)控、預(yù)警、視頻等信息綜合子模塊。

（2）車輛追蹤監(jiān)控：主要包括車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控、框架定位采集、車輛統(tǒng)計(jì)分析、車輛軌跡回溯、電子圍欄、超速管理、違規(guī)查詢等模塊。

（3）系統(tǒng)管理：主要包括用戶管理、地圖管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、信息調(diào)度管理、數(shù)據(jù)通信管理和系統(tǒng)版本管理等模塊。

系統(tǒng)登錄頁(yè)面如圖2所示。

3? 主要功能實(shí)現(xiàn)

3.1? 地圖服務(wù)發(fā)布及使用

目前流行的地圖服務(wù)軟件有Esri產(chǎn)品和SuperMap產(chǎn)品，但是詢價(jià)后發(fā)現(xiàn)采購(gòu)成熟的地圖服務(wù)軟件經(jīng)費(fèi)昂貴，為了滿足本文的車輛定位展示需求，經(jīng)過(guò)技術(shù)比較決定采用開源的GeoServer作為地圖發(fā)布服務(wù)工具，OpenLayers作為地圖交互組件庫(kù)。該廠區(qū)建設(shè)初期留有建設(shè)圖紙和航拍圖，本文利用廠區(qū)已有的CAD圖紙和航拍圖進(jìn)行矢量和柵格地理數(shù)據(jù)發(fā)布，發(fā)布和使用的流程示意圖如圖3所示。

3.1.1? 地理數(shù)據(jù)預(yù)處理

GeoServer支持的發(fā)布格式包括SHP、TIFF等，無(wú)論是CAD的矢量廠區(qū)圖還是JPG的航拍圖都不符合GeoServer的格式要求，所以需要對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即格式轉(zhuǎn)換。本文借助ArcMap軟件工具對(duì)廠區(qū)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

由于CAD和航拍圖都不具備空間地理坐標(biāo)信息，而車輛定位信息采集的是GPS數(shù)據(jù)，所以需要把地理數(shù)據(jù)定義坐標(biāo)系，使其具備空間信息，便于車輛精準(zhǔn)定位，本文采用WGS-84大地坐標(biāo)系。

配準(zhǔn)是把一個(gè)區(qū)域內(nèi)的圖像圖形進(jìn)行地理坐標(biāo)匹配，本文采樣了四個(gè)控制點(diǎn)，把JPG的航拍圖與實(shí)際地理空間位置配準(zhǔn)，矢量數(shù)據(jù)無(wú)需進(jìn)行此項(xiàng)操作。

定義好大地坐標(biāo)和配準(zhǔn)后，把處理后的地理空間數(shù)據(jù)按照所需的數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出，作為地圖發(fā)布的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1.2? 地圖發(fā)布

首先安裝GeoServer，本文使用最新發(fā)布的2.17.2穩(wěn)定版進(jìn)行安裝部署，部署成功后訪問(wèn)登錄GeoServer的網(wǎng)頁(yè)版管理控制臺(tái)，進(jìn)行地圖發(fā)布。發(fā)布時(shí)需要針對(duì)數(shù)據(jù)格式選擇合適的數(shù)據(jù)源，如SHP格式就要選擇Directory of spatial files矢量數(shù)據(jù)源，而TIFF格式就要選擇GeoTIFF柵格數(shù)據(jù)源。發(fā)布好的地圖是WMS網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)。

3.1.3? 地圖調(diào)用

OpenLayers讓動(dòng)態(tài)地圖顯示在網(wǎng)頁(yè)上更加容易，它可以展示標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)格式，在網(wǎng)頁(yè)內(nèi)引入正確的OpenLayers庫(kù)，定義好展現(xiàn)地圖的div容器，按照API編制展示的JS腳本代碼即可。成功訪問(wèn)廠區(qū)柵格地圖服務(wù)后，地圖應(yīng)用效果圖如圖4所示。

3.2? 無(wú)人車車輛坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

廠區(qū)車輛包括作業(yè)框架車、固廢車、原料車、外部運(yùn)輸車輛和無(wú)人車，其中無(wú)人車是室內(nèi)運(yùn)行車輛，其定位采用的東北天導(dǎo)航坐標(biāo)系，所以如何把無(wú)人車定位在大地坐標(biāo)系的地圖上是本系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題。通過(guò)翻閱相關(guān)文檔，得到從東北天坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式[1]：

其核心思想是先把東北天坐標(biāo)系（E，N，U）轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系（X，Y，Z），再由直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系（B，L，H）。本文首先利用式（2）采集到的東北天坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系（X，Y，Z），由于東北天坐標(biāo)系又稱為站心坐標(biāo)系，根據(jù)坐標(biāo)原點(diǎn)的不同，后續(xù)采集到相對(duì)坐標(biāo)會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生偏移量，所以需要將無(wú)人車接收到的第一個(gè)信號(hào)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，包括經(jīng)緯高（B0，L0，H0）和轉(zhuǎn)換后的直角坐標(biāo)原點(diǎn)（X0，Y0，Z0）。

得到直角坐標(biāo)系（X，Y，Z）數(shù)據(jù)后，通常采用迭代法[2]進(jìn)行大地坐標(biāo)求解。方案很多且成熟，這里不再贅述。在本文利用以上轉(zhuǎn)換過(guò)程得到的大地坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)比對(duì)，偏差在0.000 4，基本符合展示需求。

3.3? 實(shí)時(shí)車輛數(shù)據(jù)采集與定位

為保障車輛定位的實(shí)時(shí)性，本文前端采用WebSocket顯示定位車輛，避免長(zhǎng)輪詢帶來(lái)的時(shí)間等待;后端將設(shè)備采集的定位數(shù)據(jù)直接放置在Kafka進(jìn)行排隊(duì)等待，前端領(lǐng)取消耗后才將定位數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)操作，避免對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)頻繁讀寫操作。

目前前端獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)常用的方案為定時(shí)長(zhǎng)輪詢，然而定時(shí)方案有個(gè)弊端，時(shí)間設(shè)定太長(zhǎng)不能直觀反映車輛實(shí)時(shí)位置，時(shí)間設(shè)定太短頻繁訪問(wèn)數(shù)據(jù)層，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)訪問(wèn)壓力。所以，本文整合WebSocket實(shí)現(xiàn)后端主動(dòng)向前端廣播消息。后端負(fù)責(zé)創(chuàng)建連接和發(fā)送消息，前端利用Socket對(duì)象打開通道并接收消息。

同時(shí)為避免實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)頻繁對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫帶來(lái)壓力和瓶頸，本文將采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)預(yù)先放置Kafka流平臺(tái)中，消費(fèi)者與Kafka建立長(zhǎng)連接后定期從中拉取消息進(jìn)行定位展現(xiàn)，每個(gè)被消費(fèi)的數(shù)據(jù)具備有序性。實(shí)時(shí)車輛數(shù)據(jù)采集定位流程圖如圖5所示。

4? 結(jié)? 論

本文基于GIS搭建了廠區(qū)物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)，利用GPS/北斗定位信息通過(guò)GIS全面且直觀地反映了廠區(qū)作業(yè)框架車、固廢車、原料車、外部運(yùn)輸車輛和無(wú)人車等各類運(yùn)輸車輛的定位、行為和行程狀態(tài)等信息，滿足了對(duì)廠區(qū)內(nèi)物流車輛的有效監(jiān)控，提升了各類運(yùn)輸車輛的使用效率和廠區(qū)整體物流運(yùn)轉(zhuǎn)的效率，進(jìn)一步保障廠區(qū)物流安全，具備一定的經(jīng)濟(jì)效益和使用價(jià)值。但后續(xù)還需要在車輛智能調(diào)度方面做更深層次的算法研究和實(shí)現(xiàn)，讓廠區(qū)物流更加自動(dòng)化和智能化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國(guó)務(wù)院辦公廳.國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)物流降本增效 促進(jìn)實(shí)體經(jīng)濟(jì)發(fā)展的意見 [R/OL].（2017-08-17）.http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-08/17/content_5218207.htm.

[2] 孫旭民.矢量閉合差在空間直角坐標(biāo)系和站心坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換 [J].物探裝備，2017，27（1）：48-49+52.

[3] 凌震瑩.大地坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 [J].聲學(xué)與電子工程，2009（4）：31-34.

[4] 徐小君.以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng) [J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（9）：192-193+196.

[5] 方雄利，陳緒兵，余良偉，等.基于RFID的工廠物流車輛調(diào)度系統(tǒng)研究 [J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（8）：108-110.

作者簡(jiǎn)介：袁敏（1986.08—），女，漢族，四川內(nèi)江人，工程師，碩士研究生，研究方向：地圖學(xué)與地理信息系。