基于北斗的跨境運(yùn)輸管理與服務(wù)信息系統(tǒng)設(shè)計

康茜 姜萍 陳為沛

【摘要】本文綜合利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GLONASS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)，探索研究建立國際道路運(yùn)輸管理與服務(wù)系統(tǒng)，通過出入境車輛數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)國際道路運(yùn)輸車輛行駛狀態(tài)實時監(jiān)管，統(tǒng)計分析電子化等功能，平臺基于java-web系統(tǒng)，Spirng MVC+My Batis的架構(gòu)，采用雙圍欄進(jìn)出邏輯判斷方式，結(jié)合車輛設(shè)備的定位數(shù)據(jù)判斷車輛出入境狀態(tài)。終端設(shè)計以ATMEL ARM9芯片為核心，內(nèi)置自適應(yīng)算法判斷跨境車輛所處位置自動切換通訊模塊。系統(tǒng)適用于跨境車輛在途監(jiān)控、道路救援等應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】國際道路運(yùn)輸;在途監(jiān)控;出入境數(shù)據(jù)交換;北斗/GLONASS/GPS多模定位

【作者簡介】康茜，碩士研究生，工程師，研究方向，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)總體設(shè)計、北斗高精度技術(shù)研究與應(yīng)用。

中圖分類號：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1673-0348（2020）012-127-03

Abstract：This paper makes comprehensive use of Beidou satellite navigation system， GLONASS system and GPS system， explores and studies the establishment of international road transport management and service system， and realizes the real-time supervision of international road transport vehicles' driving status and electronic statistical analysis through data exchange of entry and exit vehicles. The platform is based on java-web system， Spirng MVC+My Batis architecture， adopts double fence entry and exit logic judgment mode， and combines the positioning data of vehicle equipment to judge the entry and exit status of vehicles. The terminal design takes ATMEL ARM9 chip as the core， and has built-in adaptive algorithm to judge the location of cross-border vehicles and automatically switch communication modules. The system is suitable for in-transit monitoring of cross-border vehicles， road rescue and other applications.

Keywords：International road transport; In-transit monitoring; Entry and exit data exchange; Beidou /GLONASS/GPS multi-mode positioning

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是繼GPS、GLONASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為全球用戶提供定位、導(dǎo)航、授時和短報文通信服務(wù)。本文綜合利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GLONASS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)，探索研究建立基于北斗的國際道路運(yùn)輸管理與服務(wù)系統(tǒng)，為行業(yè)監(jiān)管部門提供車輛、人員出入境實時數(shù)據(jù)，開展跨境運(yùn)輸車輛在途監(jiān)控，道路救援、電子通關(guān)等方面應(yīng)用，可提高我國國際道路運(yùn)輸?shù)墓芾砗图夹g(shù)水平，推動北斗系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容應(yīng)用及互操作，提升北斗系統(tǒng)在交通行業(yè)應(yīng)用市場競爭力，推進(jìn)其在中俄及周邊國家的規(guī)模化應(yīng)用。

1. 需求分析

我國的國際道路運(yùn)輸始于20世紀(jì)90年代初期，受益于對外開放政策和不斷增長的對外貿(mào)易，經(jīng)過20多年來的發(fā)展，國際道路運(yùn)輸?shù)闹匾饔萌找骘@現(xiàn)。國際道路運(yùn)輸已經(jīng)成為我國發(fā)展雙邊、多邊外交關(guān)系的重要內(nèi)容，成為與周邊國家經(jīng)貿(mào)發(fā)展和人員往來的重要通道。目前我國與周邊國家常年開放的公路邊境口岸年通過能力超過5000萬人次和8500萬噸，初步形成了對接中亞、南亞、東北亞等地區(qū)的道路交通口岸體系。但由于國際道路運(yùn)輸行業(yè)尚未建立有效的監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的監(jiān)管手段，無法對境內(nèi)外從事國際道路運(yùn)輸?shù)钠髽I(yè)、車輛、司乘人員進(jìn)行全方位的監(jiān)管及服務(wù)。因此，建立跨境運(yùn)輸管理與服務(wù)信息系統(tǒng)，初期可實現(xiàn)跨境運(yùn)輸車輛在途監(jiān)控，緊急事態(tài)報警等，后期結(jié)合業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，進(jìn)而實現(xiàn)電子通關(guān)，提升貿(mào)易便利化及行業(yè)服務(wù)水平。

2. 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于北斗的跨境運(yùn)輸管理與服務(wù)信息系統(tǒng)由數(shù)據(jù)感知層，網(wǎng)絡(luò)層，基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、業(yè)務(wù)處理層、應(yīng)用平臺層、用戶層組成。其中，數(shù)據(jù)資源層包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，主要有國際道路運(yùn)輸企業(yè)、車輛、人員基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，綜合統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)庫、地圖數(shù)據(jù)庫等;業(yè)務(wù)處理層為系統(tǒng)運(yùn)行提供基礎(chǔ)的軟件支撐環(huán)境，包括通信網(wǎng)關(guān)、信息收發(fā)、數(shù)據(jù)交換、綜合信息管理、數(shù)據(jù)挖掘分析;應(yīng)用系統(tǒng)層是整個工程業(yè)務(wù)功能及應(yīng)用的實現(xiàn)，依靠數(shù)據(jù)資源層和應(yīng)用支撐層所提供的數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐，通過對國際道路運(yùn)輸管理與服務(wù)需求的深入分析，整合、設(shè)計開發(fā)各類應(yīng)用系統(tǒng)，如圖1所示。

3. 跨境綜合信息服務(wù)平臺設(shè)計

3.1 平臺軟件邏輯結(jié)構(gòu)

跨境綜合信息服務(wù)平臺基于BS架構(gòu)，通過構(gòu)建“應(yīng)用層-業(yè)務(wù)處理層-數(shù)據(jù)層”三層架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)各級應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及多方式展示的應(yīng)用。

平臺采用面向服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)（SOA）設(shè)計，SOA將應(yīng)用程序劃分為不同功能單元（稱為服務(wù)），通過服務(wù)之間定義的接口和協(xié)議進(jìn)行聯(lián)系。平臺中包含的功能組織為可互操作的基于標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)插件，這些服務(wù)插件可按照業(yè)務(wù)需求快速組合和重用，各內(nèi)部或外部的接口全采用第三方標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，如HTTP，Webservice等，交互的數(shù)據(jù)格式全采用標(biāo)準(zhǔn)的JSON數(shù)據(jù)格式。系統(tǒng)平臺采用SpirngMVC+MyBatis的架構(gòu)，基于JAVA平臺開發(fā)，模塊化的設(shè)計理念，MVC的多層架構(gòu)，為系統(tǒng)提供了高擴(kuò)展性，且更易維護(hù)。平臺預(yù)留數(shù)據(jù)接口，為后續(xù)拓展應(yīng)用提供支撐

應(yīng)用層。Web客戶端界面基于JAVA_WEB技術(shù)開發(fā)，UI采用liegeUIjs框架，圖表采用JQuery圖表插件，通過地圖API接口將處理后的數(shù)據(jù)在地圖中顯示出來，并采用AJAX（Asynchronous JavaScript and XML）技術(shù)實現(xiàn)異步刷新和局部刷新，在Web頁面生成車輛監(jiān)控視圖，如圖2所示。

業(yè)務(wù)處理層。業(yè)務(wù)處理層是綜合信息服務(wù)平臺的核心，分為業(yè)務(wù)處理模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，負(fù)責(zé)車載終端數(shù)據(jù)的接收、解析、存儲及分發(fā)。整個業(yè)務(wù)處理層部署在Tomcat服務(wù)上，通過Socket監(jiān)聽端口程序時刻監(jiān)聽指定端口動態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)包接入時，調(diào)用協(xié)議解析程序，將數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)解析成位置數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等，最后利用Database Management System（DBMS）將數(shù)據(jù)分類寫入MySQL數(shù)據(jù)庫中，完成跨境輛監(jiān)控數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)庫采用My SQL 5.6分庫模式設(shè)計，分為靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與其他記錄數(shù)據(jù)，靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括車輛、人員基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其他記錄數(shù)據(jù)分為軌跡、報警、報警處理等，采用分區(qū)處理;系統(tǒng)不與數(shù)據(jù)庫直連，所有與數(shù)據(jù)庫相關(guān)的操作都通過HTTP接口訪問接口服務(wù)端，接口服務(wù)端再操作數(shù)據(jù)庫。

3.2 境外數(shù)據(jù)交換平臺

境外數(shù)據(jù)交換平臺完成中方與外方車輛監(jiān)管平臺的出入境車輛位置信息、通信信息等數(shù)據(jù)交換，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲，并對數(shù)據(jù)的質(zhì)量、流量等進(jìn)行統(tǒng)計。由數(shù)據(jù)收發(fā)子系統(tǒng)、協(xié)議轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)加解密子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析子系統(tǒng)組成。

3.2.1 數(shù)據(jù)收發(fā)子系統(tǒng)

接收通信網(wǎng)關(guān)發(fā)來的境外車輛位置信息，由處理模塊對信息加密后轉(zhuǎn)發(fā)給外方車輛監(jiān)管平臺。在接收到外方車輛監(jiān)管平臺發(fā)來的車輛位置信息后交由處理模塊對信息進(jìn)行解密，并把解密后的信息發(fā)給信息收發(fā)模塊。數(shù)據(jù)收發(fā)子系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)抽取和對處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)目標(biāo)系統(tǒng)的接口協(xié)議，重新封包數(shù)據(jù)，并能根據(jù)配置參數(shù)，實時或按照一定時間間隔送給目標(biāo)系統(tǒng)。

3.2.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)

對接收到的外方監(jiān)管平臺的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同國家的監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)包協(xié)議，對數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析。解析后的數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)加解密子系統(tǒng)進(jìn)行解密處理，解密后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部協(xié)議，并發(fā)送給數(shù)據(jù)收發(fā)子系統(tǒng)。對接收到的內(nèi)部協(xié)議數(shù)據(jù)包，根據(jù)外方協(xié)議進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換收的數(shù)據(jù)交由數(shù)據(jù)加解密子系統(tǒng)進(jìn)行加密處理，處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)收發(fā)子系統(tǒng)。

3.2.3 加解密子系統(tǒng)

為了保護(hù)車輛位置信息等敏感數(shù)據(jù)的安全性，需經(jīng)加解密子系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理后再發(fā)送。包含加密模塊、解密模塊、數(shù)據(jù)交換模塊和密鑰維護(hù)模塊。

3.2.4 數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)對外方車輛監(jiān)管平臺發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲。主要包括數(shù)據(jù)庫連接、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)歸檔備份、查詢歸檔數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)恢復(fù)。

3.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析子系統(tǒng)對來自外方和發(fā)送給外方的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)連續(xù)性統(tǒng)計、數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計和數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計分析。

4. 多模衛(wèi)星定位車載終端設(shè)計

4.1 車載終端組成

多模衛(wèi)星定位車載終端主要包括微處理器模塊、GNSS定位模塊（含天線）、數(shù)據(jù)存儲模塊、移動通信模塊、電源模塊、接口模塊等組成。車載終端組成框圖如圖3所示。

4.2 車載終端硬件設(shè)計

微處理器模塊主要包括微處理器芯片及其外圍電路，微處理器芯片與各模塊之間通過串口、網(wǎng)口、USB接口、SPI等接口進(jìn)行連接，對其他模塊進(jìn)行初始化操作，接收其他模塊發(fā)來的定位數(shù)據(jù)、控制命令等各類數(shù)據(jù)，并進(jìn)行判斷，發(fā)給相應(yīng)的模塊進(jìn)行操作和處理。核心處理器選擇ARM9系列處理器，其主頻可達(dá)200M以上，可實現(xiàn)功能的靈活擴(kuò)展。GNSS定位模塊包括GNSS模塊和GNSS天線，用于接收北斗B1頻點(diǎn)和格洛納斯系統(tǒng)L1頻點(diǎn)信號并進(jìn)行信號解析和PVT信息處理，將時間和位置數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器模塊。電源模塊主要包括電源開關(guān)、保護(hù)電路和電源電路。電源電路主要是從車輛取電后，經(jīng)過保護(hù)電路，產(chǎn)生設(shè)備其他模塊所需要的電源，主要包括微處理器模塊所需的3.3V電源，GNSS定位模塊所需的3.3V電源，移動通信模塊所需的4.2V電源等。

5. 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 分布式數(shù)據(jù)負(fù)載均衡技術(shù)

平臺采用分布式服務(wù)框架，內(nèi)有登陸服務(wù)器負(fù)責(zé)各服務(wù)器的均衡分壓管理工作，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器負(fù)責(zé)與車輛設(shè)備相關(guān)的協(xié)議數(shù)據(jù)，流媒體服務(wù)器負(fù)責(zé)車輛設(shè)備的音視頻等數(shù)據(jù)，用戶服務(wù)器負(fù)責(zé)用戶登陸功能等，各服務(wù)器間相互通訊，協(xié)同合作。

5.2 數(shù)據(jù)安全管理關(guān)鍵技術(shù)

方案采用分布式數(shù)據(jù)災(zāi)備服務(wù)技術(shù)，位置信息數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)操作交互頻繁，傳統(tǒng)的集中式面向存儲的災(zāi)備機(jī)制已不能滿足系統(tǒng)的需要。因此，需要利用分布式數(shù)據(jù)災(zāi)備服務(wù)技術(shù)，針對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)災(zāi)備技術(shù)與分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)結(jié)合，將應(yīng)用層面、系統(tǒng)層面的災(zāi)備能力抽象為服務(wù)統(tǒng)一進(jìn)行管理，應(yīng)用以數(shù)據(jù)庫日志為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的服務(wù)目錄技術(shù)備份數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)，可以有效保證數(shù)據(jù)安全。

5.3 車載終端自適應(yīng)切換技術(shù)

終端以移動通信和RDSS通信模塊作為位置上報的通信渠道，為了減少跨國通信漫游的昂貴費(fèi)用，終端采用雙移動通信卡對應(yīng)不同國境，并設(shè)計了智能切換算法。其核心技術(shù)是將電子地圖按國界劃分多個區(qū)域，通過當(dāng)前經(jīng)緯度判斷車輛所在的區(qū)域，由于車載終端的計算能力有限，不能內(nèi)置整個電子地圖，因此可根據(jù)各口岸的具體位置，簡化區(qū)域的判斷，實現(xiàn)跨境判斷。

6. 系統(tǒng)測試情況

設(shè)計建成的基于北斗國際道路運(yùn)輸與管理服務(wù)系統(tǒng)，已部署在中俄邊境口岸進(jìn)行試運(yùn)行測試，平臺實現(xiàn)了跨境運(yùn)輸車輛實時監(jiān)控、歷史軌跡回放、報警、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)交換、應(yīng)急救援等功能。終端的定位功能、通信功能、通信卡自適應(yīng)切換功能以及報警功能等均已得到驗證。該系統(tǒng)滿足設(shè)計要求，實現(xiàn)了車輛在途監(jiān)控、應(yīng)急救援、跨境數(shù)據(jù)交換等基本應(yīng)用。

7. 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過中俄衛(wèi)星導(dǎo)航聯(lián)合應(yīng)用在跨境運(yùn)輸領(lǐng)域的技術(shù)合作，實現(xiàn)北斗與GLONASS的兼容應(yīng)用及互操作，增加北斗國際影響力。通過選擇在中俄邊境口岸開展測試區(qū)建設(shè)，驗證跨境終端設(shè)計技術(shù)、跨境通信切換技術(shù)、平臺數(shù)據(jù)交換等技術(shù)，實現(xiàn)跨境車輛的在途監(jiān)控、應(yīng)急救援、數(shù)據(jù)交換等功能，并逐步向中俄其它口岸進(jìn)行應(yīng)用示范，以及向“一帶一路”沿線國家推廣。

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