基于北斗衛(wèi)星的BGAN應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

楊瀚馳，高旭東

(1.西南交通大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，成都 610000； 2.太原理工大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，太原 030024)

0 引言

衛(wèi)星技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，該技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)就得到了人們的廣泛歡迎，相應(yīng)的通信技術(shù)、業(yè)務(wù)內(nèi)容和產(chǎn)業(yè)規(guī)模也不斷發(fā)展[1]。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國自行研制的系統(tǒng)，根據(jù)三球交會測量原理設(shè)計，不僅能夠完成全球衛(wèi)星定位工作，同時可以實(shí)現(xiàn)通訊控制工作。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是一套十分成熟的衛(wèi)星系統(tǒng)，它將用戶的所有信息匯總到地面中心站中，利用地面中心站實(shí)現(xiàn)用戶與用戶之間的雙向通訊，它的出現(xiàn)使我國數(shù)字化建設(shè)工作進(jìn)展得更加順利[2]。由于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方面不存在任何困難，所以十分適合監(jiān)控車輛，通信能力也要高于GPS，使用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行車輛監(jiān)控，可以直接從中心站調(diào)取用戶信息，然后把從中心站得到的命令轉(zhuǎn)達(dá)給用戶。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)全面覆蓋我國大陸地區(qū)和海區(qū)，就連部分周邊地區(qū)也覆蓋了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，覆蓋能力高于電信蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是真正意義的無盲區(qū)覆蓋，可以針對各類車輛進(jìn)行大范圍監(jiān)控和調(diào)度[3]。

BGAN指的是Inmarsat寬帶全球區(qū)域網(wǎng)，英文全稱為broadband global area network，該區(qū)域網(wǎng)絡(luò)針對Inmarsat寬帶設(shè)置，起著通信作用，具有接入寬帶網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時視頻通訊等能力，用戶在全球的任何一個地點(diǎn)和任何時間，都可以連接該網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)內(nèi)容包括語音通訊、視頻通訊、傳真、短信連接等等。BGAN最大的優(yōu)勢就是全球覆蓋，用戶無論在何時何地都可以得到最可靠的服務(wù)，除此之外，BGAN的寬帶業(yè)務(wù)能力也很強(qiáng)，滿足當(dāng)代人在數(shù)據(jù)通訊方面的需求[4]。

目前研究的應(yīng)急指揮系統(tǒng)在通信鏈路可靠性、通訊數(shù)據(jù)傳達(dá)準(zhǔn)確性和資源整合速度等方面都有著很大的缺陷[5]。針對上述缺陷，基于北斗七星設(shè)計了一種新的BGAN應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建監(jiān)控中心，根據(jù)監(jiān)控中心開發(fā)移動終端，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，本文的研究可以很好地解決目前車輛監(jiān)控系統(tǒng)存在的一些問題。

1 基于北斗衛(wèi)星的BGAN應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體框架及原理

系統(tǒng)的總體架構(gòu)包括采集模塊、處理模塊、通訊模塊、指揮監(jiān)控模塊4部分組成。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

采集模塊主要負(fù)責(zé)采集車輛信息，處理模塊能夠調(diào)度監(jiān)控的車輛所在的地圖，并對得到的地圖進(jìn)行拖拉、縮放等工作,通訊模塊通過線程讀取北斗衛(wèi)星系統(tǒng)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，監(jiān)控模塊連接局域網(wǎng)計算機(jī)和外網(wǎng)計算機(jī)，所有的監(jiān)控結(jié)果都展示在彩色監(jiān)視器上。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)在C/S體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入了4個層次，分別是：支撐層、基礎(chǔ)層、服務(wù)層和業(yè)務(wù)層，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信報告功能和指揮服務(wù)功能。

1.2 采集模塊

采集模塊主要負(fù)責(zé)采集車輛信息，在采集模塊使用的采集芯片型號為AHD80H-9721。在采集芯片外部加入了DSP、CPLD、A/D采樣保持器，并外設(shè)Flash，利用調(diào)理電路和電源控制模塊的正常運(yùn)行。采集器可以直接采集移動終端中的數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)通過PDA、移動終端等手持設(shè)備連接客戶端，每個移動終端都會連接一臺BGAN設(shè)備，由連接的BGAN設(shè)備接收衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信息，使手持終端設(shè)備可以順利地和服務(wù)器端進(jìn)行通訊。在服務(wù)器端內(nèi)部設(shè)置監(jiān)控中心，以設(shè)置的監(jiān)控中心作為指揮調(diào)度的主題，當(dāng)衛(wèi)星傳輸終端接收到移動終端傳來的信息后，會自動上傳到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果存儲在中央數(shù)據(jù)庫中，顯示在運(yùn)行圖上，根據(jù)數(shù)據(jù)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時下發(fā)對應(yīng)的控制命令，確保可以很好地監(jiān)控每個運(yùn)行的終端[6]。

信號會從設(shè)備的PT/TC流入到模塊內(nèi)部，主要包括電流信號和電壓信號，利用光耦隔離變換和二階濾波處理得到新的數(shù)字信號，由A/D轉(zhuǎn)換電路將濾波的結(jié)果傳給DSP，通過傅里葉變換計算出采集的信號的有效值，將得到的值存儲在外設(shè)FLAH存儲器中。

1.3 處理模塊設(shè)計

在處理模塊中加入了由Intel公司生產(chǎn)的型號為GDS110BB芯片，該芯片屬于通信IC處理芯片，電源電壓在4.5～5.5 V之間，功率為32 W。該處理器內(nèi)部高達(dá)1.7 GHz的雙核Krait使系統(tǒng)具有高速性能，ADRENO GPU適用于高級圖形，MEXAGON DSP適用于各種應(yīng)用程序，且消耗功率很低，處理器內(nèi)部的攝像高達(dá)13.5 MP。處理模塊能夠調(diào)度監(jiān)控的車輛所在的地圖，并對得到的地圖進(jìn)行拖拉、縮放等工作。當(dāng)系統(tǒng)打開相應(yīng)的地圖資料后，對地圖資料的圖層進(jìn)行添加，修改對應(yīng)的屬性以及數(shù)據(jù)，保存修改的地圖，根據(jù)修改地圖分析監(jiān)控的車輛運(yùn)行狀態(tài)和所在環(huán)境。

處理模塊中擁有多個數(shù)據(jù)集，通過查詢模塊查詢數(shù)據(jù)集、矢量數(shù)據(jù)集、選擇集、記錄集、地圖窗口確定處理方式，被查詢的內(nèi)容對應(yīng)關(guān)系和結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 查詢類及其結(jié)構(gòu)

分析圖2可知，向量數(shù)據(jù)集、記錄集和選擇集之間有著密切的關(guān)系，所有的數(shù)據(jù)集都要以集成記錄的方式進(jìn)行匯總，被查詢的信息在高亮狀態(tài)下被選中，清晰地展示在用戶面前[7]。通過處理模塊進(jìn)行路徑分析，根據(jù)分析的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)確定出最短路徑。在進(jìn)行最短路徑分析時，要確定起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的數(shù)據(jù)，分析不同等級道路的最高限速，由于限速不同，所以最短路徑無法代表花費(fèi)時間最少的路徑，因此在確定最短距離路徑時也要標(biāo)注出行駛時間[8]。最短距離路徑和最短時間路徑都以高亮的方式顯示，由用戶自己選擇需要的路徑[9]。

1.4 通訊模塊設(shè)計

通訊模塊是應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)的重要模塊，通訊模塊中選用美國TASE公司研究的EXS2511芯片，該芯片同時設(shè)置了LPT接口、USB接口、音頻接口，同時設(shè)計了PCI擴(kuò)展槽、AGP擴(kuò)展槽和多個芯片組。通訊模塊中內(nèi)部加入定位報告子系統(tǒng)，由定位報告子系統(tǒng)將本地的報告策略文件導(dǎo)入，不同類型的報告策略文件指揮不同的用戶車，在指揮過程中配置對應(yīng)的策略界面。系統(tǒng)的串口會展示通訊線程，利用通訊線程讀取北斗衛(wèi)星系統(tǒng)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并且對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行局域網(wǎng)授時。當(dāng)用戶配置報告策略確定下來后，定位報告子系統(tǒng)會上傳或者下發(fā)信息，在分發(fā)系統(tǒng)的接口中發(fā)送和接收所有的數(shù)據(jù)。

通訊模塊發(fā)送的字節(jié)數(shù)越少，發(fā)送過程越簡單，效率越高，為了減少發(fā)送的字節(jié)數(shù)，應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)的軟件程序可以對指揮中心的各項(xiàng)信息進(jìn)行壓縮，在眾多壓縮算法中，半字節(jié)壓縮算法運(yùn)行過程簡單，處理結(jié)果強(qiáng)，因此成為本文的首選壓縮算法。利用半字節(jié)壓縮算法去除整個字節(jié)中的冗余位，將重復(fù)的部分和相似的部分壓縮出去，從而使字節(jié)數(shù)得以減少。

1.5 指揮監(jiān)控模塊設(shè)計

監(jiān)控模塊同時包括了吸頂式彩色攝像機(jī)、紅外一體化彩色攝像機(jī)，外置解碼器、串口轉(zhuǎn)換器，指揮監(jiān)控模塊連接局域網(wǎng)計算機(jī)和外網(wǎng)計算機(jī)，所有的監(jiān)控結(jié)果都展示在彩色監(jiān)視器上。

監(jiān)控模塊通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，這樣即使帶寬條件有限，也可以精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)定位。由于指揮車中的下發(fā)數(shù)據(jù)含量很大，監(jiān)控起來比較困難，所以所有的指揮車下發(fā)數(shù)據(jù)都要進(jìn)行增量編碼，通過對比存儲值，得到下發(fā)數(shù)據(jù)的差值，除了差值需要進(jìn)行下發(fā)之外，符號也需要進(jìn)行下發(fā)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)航時，要盡可能多地分析各類數(shù)據(jù)的變化信息，如果數(shù)據(jù)量固定不變，這可以減少發(fā)送。

系統(tǒng)的整個運(yùn)行期間，監(jiān)控模塊都會采用定時的方式監(jiān)護(hù)各個設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并將監(jiān)控結(jié)果反饋給監(jiān)控分系統(tǒng)。當(dāng)被監(jiān)控的信息出現(xiàn)異常時，由雙機(jī)熱備管理下發(fā)切換命令，出現(xiàn)異常的進(jìn)程會被列為重點(diǎn)監(jiān)護(hù)對象。一旦進(jìn)程監(jiān)控服務(wù)啟動失敗，系統(tǒng)就會自動出現(xiàn)告警信息，出現(xiàn)的告警信息會傳送給監(jiān)控分系統(tǒng)。進(jìn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)能夠同時接受管控系統(tǒng)和分系統(tǒng)傳來的命令，當(dāng)接收到終止了命令時，所有的進(jìn)程都會在短時間內(nèi)相繼被終止，終止結(jié)果也會反饋給下發(fā)命令的系統(tǒng)。

2 基于北斗衛(wèi)星的BGAN應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用功能設(shè)計

利用C/S體系結(jié)構(gòu)開發(fā)系統(tǒng)軟件，使系統(tǒng)能夠更好地繼承前期系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，從而提高系統(tǒng)的集成能力和兼容性，滿足客戶的需求。設(shè)計的軟件結(jié)構(gòu)在C/S體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入了4個層次，分別是：支撐層、基礎(chǔ)層、服務(wù)層和業(yè)務(wù)層，基于北斗衛(wèi)星的BGAN應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)軟件各層次邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)軟件各層次邏輯結(jié)構(gòu)

2.1 通信報告功能

通信報告功能實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 通信報告功能實(shí)現(xiàn)流程

指揮系統(tǒng)的串口可以確定車輛所在位置信息，這些信息在被確定之后，全部保留下來。當(dāng)指揮車接收到新的上報信息后，對應(yīng)的車輛信息也會被更新，所有的用戶配置接口都可以上報信息，用戶在讀取完指揮車的信息后，可以自行選擇上報內(nèi)容，即確定是部分上報還是全部上報。用戶擁有手動請求的原理，當(dāng)用戶輸入請求后，系統(tǒng)會進(jìn)行上報或者下發(fā)工作。通信報告確定的策略文件必須要由用戶確定后才可以生效，用戶有權(quán)利進(jìn)行手動修改，被修改的結(jié)果會自動儲存。被上報的策略會跟系統(tǒng)儲存在數(shù)據(jù)庫中的策略進(jìn)行對比，分析時間數(shù)據(jù)、高度數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)，在比較參數(shù)結(jié)果后，分析被指揮的車輛是否與報告中的標(biāo)準(zhǔn)相吻合，利用用戶調(diào)整確定不同參數(shù)的門限值，使用兩點(diǎn)之間的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)確定移動距離。

2.2 指揮服務(wù)功能

在基礎(chǔ)軟件層上運(yùn)行服務(wù)層，使上層軟件能夠很好地得到支撐服務(wù)，在處理信息這一問題中，服務(wù)層是一個十分重要的環(huán)節(jié)，服務(wù)層可以提取和抽象應(yīng)用軟件的共性部分，使上層應(yīng)用軟件在設(shè)計中得到簡化，軟件之間的耦合性得以降低，進(jìn)而提高軟件的擴(kuò)展能力，增強(qiáng)軟件處理結(jié)果的可靠性。服務(wù)層同時具備進(jìn)程監(jiān)護(hù)、業(yè)務(wù)調(diào)度、消息服務(wù)三項(xiàng)功能，進(jìn)程監(jiān)護(hù)主要是監(jiān)護(hù)每個服務(wù)器的運(yùn)行狀態(tài)，判斷業(yè)務(wù)的工作進(jìn)程，由此來確保服務(wù)器運(yùn)行過程是安全可靠的。

當(dāng)服務(wù)器開機(jī)時，應(yīng)急軟件監(jiān)控系統(tǒng)就會自動啟動進(jìn)程監(jiān)護(hù)，這一項(xiàng)目也變成了首要啟動項(xiàng)，進(jìn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)程序中擁有進(jìn)程表，其它進(jìn)程的啟動需要根據(jù)進(jìn)程表的順序運(yùn)行，通常會首先進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)度，然后進(jìn)行雙機(jī)熱備管理，接著進(jìn)行消息推送，再接著進(jìn)行時間校驗(yàn)，最后完成信息發(fā)送。進(jìn)程監(jiān)護(hù)的啟動和終止序列如圖5所示。

圖5 進(jìn)程監(jiān)護(hù)的啟動和終止序列

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文基于北斗衛(wèi)星的BGAN應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際效果，同時與傳統(tǒng)應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對比，設(shè)置了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計

設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

設(shè)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時選用傳統(tǒng)的BGAN應(yīng)急指揮系統(tǒng)以及本文研究的基于北斗衛(wèi)星的BGAN應(yīng)急指揮系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急指揮，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

3.3.1 平均響應(yīng)時間測試

由圖7可知，本文系統(tǒng)較傳統(tǒng)系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間縮短了35 ms，響應(yīng)時間由三部分組成，分別為傳輸時間、處理時間和繪制時間，傳輸時間指的是PC機(jī)向下位機(jī)發(fā)送連接請求，再反饋給上位機(jī)反饋給PC機(jī)所用的時間；處理時間是指下位機(jī)伺服系統(tǒng)接收到處理請求到處理完成這一過程花費(fèi)的時間；繪制時間是指PC機(jī)將得到的處理數(shù)據(jù)反饋到PC機(jī)端花費(fèi)的時間，整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，得到表2。

圖7 平均響應(yīng)時間測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 平均響應(yīng)時間實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對照表

系統(tǒng)運(yùn)行內(nèi)容傳統(tǒng)系統(tǒng)平均響應(yīng)時間/ms本文系統(tǒng)平均響應(yīng)時間/ms登錄2521參數(shù)設(shè)置624601發(fā)送信息332308讀取數(shù)據(jù)6560信息設(shè)置412390顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息409371顯示數(shù)據(jù)庫信息2517

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果對照表可知，基于北斗衛(wèi)星的BGAN應(yīng)急監(jiān)控系統(tǒng)花費(fèi)的平均響應(yīng)時間始終低于傳統(tǒng)系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間，這主要是由于基于北斗衛(wèi)星設(shè)置的監(jiān)控系統(tǒng)CPU使用率高，衛(wèi)星MODEM模塊中多個線程都會啟動運(yùn)行。由此可知，基于北斗衛(wèi)星的BGAN應(yīng)急監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)速度快，響應(yīng)時間短，更適合進(jìn)行應(yīng)急指揮工作。

3.3.2 噪聲干擾下指揮信號波形

由圖8可知，在噪聲干擾下，基于北斗衛(wèi)星設(shè)置的指揮信號波形圖波動更小，穩(wěn)定性更高。傳統(tǒng)的應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)在受到噪聲干擾時，動態(tài)響應(yīng)能力和數(shù)據(jù)分發(fā)能力大大減少，各個移動終端難以迅速分析到車輛的運(yùn)行情況。本文研究的應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)通過與北斗衛(wèi)星進(jìn)行配合，能夠有效地過濾掉無用數(shù)據(jù)，即使受到外界的噪聲干擾，也能夠高速有效地進(jìn)行指揮監(jiān)控工作。

圖8 噪聲干擾下指揮信號波形圖

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：本文甚至的應(yīng)急指揮胸膛能夠很好地確保硬件結(jié)構(gòu)能夠順利地處理信息。通過設(shè)置外購軟件操作整個系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，為各項(xiàng)程序的運(yùn)行提供良好的環(huán)境，即使在受到外界信息感干擾，系統(tǒng)也能夠高速穩(wěn)定地運(yùn)行。系統(tǒng)可以順利完成進(jìn)程監(jiān)護(hù)、業(yè)務(wù)調(diào)度、消息服務(wù)和校驗(yàn)等支撐服務(wù)，并且可以在短時間內(nèi)完成響應(yīng)工作。

4 總結(jié)與展望

針對目前車輛信息管理存在的需求，利用北斗衛(wèi)星設(shè)置了BGAN應(yīng)急監(jiān)控系統(tǒng)，軟件選擇C/S作為架構(gòu)，通過ASP.NET服務(wù)器網(wǎng)頁開發(fā)工具完成設(shè)計。設(shè)計的系統(tǒng)能夠利用北斗衛(wèi)星精準(zhǔn)地完成定位工作，并將得到的結(jié)果反饋給監(jiān)控指揮中心，針對監(jiān)控指揮中心提出的命令進(jìn)行信息處理、數(shù)據(jù)管理等工作。該系統(tǒng)不僅具備定位跟蹤、運(yùn)輸指揮功能，同時可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊、信息傳輸和安全監(jiān)控，集成度高，實(shí)時性強(qiáng)，保密性好，且北斗衛(wèi)星系統(tǒng)遍布全國，所以設(shè)計的應(yīng)急指揮監(jiān)控系統(tǒng)適用范圍極廣。

由于研究時間和研究技術(shù)有限，未來還需要進(jìn)一步加強(qiáng)指揮系統(tǒng)安全保密工作的分析，使系統(tǒng)整體運(yùn)行都能處于一個安全的環(huán)境，同時也要盡可能多地豐富系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能，提高系統(tǒng)運(yùn)行的靈活度。