基于WebGIS北斗車輛監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)設計

◆談帥 羅尊驊

基于WebGIS北斗車輛監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)設計

◆談帥 羅尊驊

（江蘇省測繪研究所 江蘇 210013）

目前智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺對感知數(shù)據(jù)的監(jiān)測、分析與應用能力亟待提升，據(jù)此本文以北斗車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設計與開發(fā)為落腳點，對實時數(shù)據(jù)應用系統(tǒng)中具有代表性的兩個關(guān)鍵技術(shù)問題“實時地理信息數(shù)據(jù)發(fā)布與接入”以及“監(jiān)控規(guī)則與地理圍欄的動態(tài)創(chuàng)建”進行了研究，并借助ArcGIS GeoEvent Server的基礎能力進一步擴展，提出兩個關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。最終，設計并實現(xiàn)了基于WebGIS的北斗車輛監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有車輛實時狀態(tài)統(tǒng)計圖展示功能、實時信息空間可視化功能、車輛管理、車輛監(jiān)控管理等功能。它能夠持續(xù)監(jiān)控并記錄車輛行為，車輛違規(guī)時第一時間以短信、郵件方式通知相關(guān)人員，有效提高了車輛管理能力。本文從技術(shù)研究以及系統(tǒng)設計與實現(xiàn)兩個方面進行了討論，為實時感知數(shù)據(jù)應用的開發(fā)提供了技術(shù)參考。

實時數(shù)據(jù)；大數(shù)據(jù)；車輛監(jiān)控；WebGIS；ArcGIS GeoEvent Server

《智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺建設技術(shù)大綱（2019版）》[1]在時空大數(shù)據(jù)方面將原有四類數(shù)據(jù)面向智能化需求和本地特色進行擴展，形成現(xiàn)有的五類數(shù)據(jù)，即基礎時空數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)實時感知數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)在線抓取數(shù)據(jù)和根據(jù)本地特色擴展數(shù)據(jù)，明確提出了“要利用空、天、地一體化對地觀測傳感網(wǎng)實時獲取的基礎地理信息數(shù)據(jù)和依托專業(yè)傳感器感知的、可共享的行業(yè)專題實時數(shù)據(jù)”的要求。因此，智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺對感知數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析、應用能力亟待提升。

基于實時定位數(shù)據(jù)的車輛監(jiān)控系統(tǒng)是智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺的重要組成部分，具有車輛違章監(jiān)控、輔助作業(yè)車輛調(diào)度等能力，不管是在日常車輛管理或搶險救災場景下都能發(fā)揮巨大作用[2-3]。2020年6月23日，北斗三號組網(wǎng)部署的最后一顆衛(wèi)星的發(fā)射成功標志著北斗全球系統(tǒng)定位系統(tǒng)全球星座部署圓滿完成。北斗系統(tǒng)具有自主性、國產(chǎn)化的特點，能提供高質(zhì)量、高精度的實時空間定位數(shù)據(jù)，是“空、天、地”感知網(wǎng)的重要組成部分，基于北斗數(shù)據(jù)的車輛監(jiān)控系統(tǒng)具有巨大的社會、經(jīng)濟效益[4]。

因此，本文以北斗車輛監(jiān)控系統(tǒng)為落腳點，對實時數(shù)據(jù)應用的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，設計并實現(xiàn)了一個基于WebGIS的實時車輛監(jiān)控系統(tǒng)，旨在為智慧城市時空基礎設施的全面應用積累經(jīng)驗，為全省新型基礎測繪、政府部門相關(guān)時空大數(shù)據(jù)及地理信息應用提供技術(shù)參考。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

本文使用ArcGIS GeoEvent Server（簡稱GE），在其實時數(shù)據(jù)處理能力的基礎上進行擴展與開發(fā)。開發(fā)主要面臨兩個問題：（1）紛繁復雜的數(shù)據(jù)源類型如何接入的問題。（2）系統(tǒng)運行中，監(jiān)控規(guī)則與地理圍欄如何動態(tài)創(chuàng)建的問題。

針對上述問題，本文提出了相關(guān)解決方案，為基于WebGIS的北斗車輛監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)打通關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。

1.1 GeoEvent Server介紹

GeoEvent Server（簡稱：GE）是ESRI地理空間云中的組成部分，提供實時流數(shù)據(jù)的態(tài)勢感知能力，為在地圖上訪問、分析、顯示分析實時數(shù)據(jù)以及物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)提供支持，同時能實時監(jiān)測、及時響應，第一時間發(fā)出警報[5]。

GE的流數(shù)據(jù)處理能力以服務的形式提供，每個服務都包含從數(shù)據(jù)流輸入、過濾、處理到輸出的完整事件流，每個流程分別對應著GE中的輸入連接器（Input Connector）、過濾器（Filter）、處理器（Processor）、輸出連接器（Output Connector）這四個組件。輸入連接器用于接收和解釋來自數(shù)據(jù)源的事件數(shù)據(jù)，它是事件流的起點，每個GE服務都需要包括一個以上的輸入連接器；過濾器用于根據(jù)空間和屬性從數(shù)據(jù)流中移除不滿足條件的數(shù)據(jù)；處理器使用對流數(shù)據(jù)進行特定的操作，包括字段處理、空間計算、投影等GIS處理能力；流程最后通過輸出連接器將完成處理的事件數(shù)據(jù)以預期的格式以及方式實時傳送給使用者，包括地理信息流服務、郵件、短信等方式。

雖然GE提供了實時數(shù)據(jù)處理的基礎能力，但尚不能結(jié)合具體業(yè)務需求落地形成一套完整的技術(shù)方案，其中關(guān)鍵技術(shù)問題包括：“實時地理信息數(shù)據(jù)發(fā)布與接入”和“監(jiān)控規(guī)則與地理圍欄的動態(tài)創(chuàng)建”。

1.2實時地理信息數(shù)據(jù)發(fā)布與接入

實時地理信息數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)體量大、產(chǎn)生時間密集且形式種類繁多，具有海量性、多樣性、高速性、持續(xù)性的特點。實時地理信息數(shù)據(jù)源的接入包括輪詢與訂閱兩種方式，輪詢是按照一定的時間頻率主動的方式向?qū)崟r數(shù)據(jù)的提供方進行請求，數(shù)據(jù)源被動推送數(shù)據(jù)。而訂閱的方式是由數(shù)據(jù)源主動推送數(shù)據(jù)，客戶端不需要進行主動請求。

采用輪詢的方式需要客戶端使用定時器與服務端進行異步通信，對服務端開發(fā)要求較低，但同時帶來了大量的問題：（1）密集的數(shù)據(jù)訪問會對服務器以及數(shù)據(jù)庫造成巨大的壓力以及資源消耗。（2）數(shù)據(jù)獲取時間滯后，時效性不強。（3）由于輪詢時間間隔的原因，不同的用戶可能會看到不同的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)一致性弱?？傮w而言，輪詢的方式資源消耗大、實時性較低、用戶體驗較差不能算是實時地理數(shù)據(jù)發(fā)布的最佳方式。

訂閱模式基于數(shù)據(jù)主動推送與及時分發(fā)技術(shù)，WebSocket屬于重要的技術(shù)實現(xiàn)之一。WebSocket是一種在單個TCP連接上進行雙工通訊的應用層協(xié)議，允許服務端主動發(fā)送信息給客戶端，長連接機制能有效降低資源消耗、保證數(shù)據(jù)高時效性以及客戶端數(shù)據(jù)的一致性。在數(shù)據(jù)量大、并發(fā)性高的情況下，消息中間件技術(shù)可以保障數(shù)據(jù)的完整性、實時性以及大吞吐量。Kafka 是以時間復雜度 O（1）的方式提供消息持久化服務，支持離線數(shù)據(jù)處理和實時數(shù)據(jù)處理，在海量數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域被廣泛使用。

綜上，本研究決定以WebSocket通信方案以及Kafka消息中間件兩種方式作為北斗車輛數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)發(fā)布方案，進行實時數(shù)據(jù)發(fā)布服務的開發(fā)。在GE的實時數(shù)據(jù)接入方面，利用Java對GE進行擴展開發(fā)，實現(xiàn)WebSocket和Kafka兩種輸入連接器。

1.3 監(jiān)控規(guī)則與地理圍欄的動態(tài)創(chuàng)建

監(jiān)控功能中的規(guī)則設置尤為關(guān)鍵。北斗車輛監(jiān)控系統(tǒng)中不但需要用戶可以自定義屬性規(guī)則以及在線創(chuàng)建、編輯地理圍欄，而且要求針對不同的車輛設置不同的規(guī)則，但是原生的GE并不能滿足上述功能的需求。因此本文在GE的基礎上提出并實現(xiàn)了動態(tài)規(guī)則創(chuàng)建以及不同車輛與不同規(guī)則匹配的解決方案。

屬性規(guī)則的創(chuàng)建利用了GE中的過濾器組件（filter），對符合條件的數(shù)據(jù)進行篩選進入下一步的數(shù)據(jù)輸出反饋。每個監(jiān)控創(chuàng)建時由系統(tǒng)默認生成的uuid作為組件的名稱，由系統(tǒng)用戶所填寫的監(jiān)控名稱作為標簽（label），條件（conditions）作為條件參數(shù)。結(jié)合上述三個參數(shù)調(diào)用GE服務更新接口即可動態(tài)創(chuàng)建屬性規(guī)則（如圖1）。

圖1 屬性監(jiān)控動態(tài)創(chuàng)建流程

空間監(jiān)控即地理圍欄，包括4種空間事件：INSIDE、OUTSIDE、ENTER、EXIT，事件觸發(fā)后即可根據(jù)規(guī)則做出反饋（如圖2）。地理圍欄的創(chuàng)建利用的是GE中的處理器（Processor）組件，本文利用地理標記器（GeoTagger）組件自動更新地理圍欄的方式進行處理，通過設置圍欄的自動同步規(guī)則，使圍欄自動與所設置的要素服務（FeatureServer）同步，將圍欄的動態(tài)“增、刪、改、查” 轉(zhuǎn)變?yōu)閷σ胤請D形的編輯，只要借助ArcGIS API for JavaScript在線編輯接口，即可在瀏覽器端對要素服務進行增刪改查的操作，從而實現(xiàn)了空間監(jiān)控的交互式動態(tài)創(chuàng)建。

圖2 地理圍欄監(jiān)控觸發(fā)機制

而車輛與規(guī)則的多對多關(guān)系本文則采用正則法則進行匹配，正則條件為MATCHES.*（ruleid1，ruleid2）.*，屬性監(jiān)控的條件會根據(jù)車輛系統(tǒng)中設置的各項屬性動態(tài)生成，將其動態(tài)拼接在過濾器的條件框中，并默認采用AND方式連接各個條件，該方法決定了在車輛系統(tǒng)創(chuàng)建的單個監(jiān)控規(guī)則中，所有的條件都是“與”的關(guān)系。如果需要條件關(guān)系為“或”需要通過創(chuàng)建多個規(guī)則來實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)總體設計

基于北斗的車輛監(jiān)控系統(tǒng)由信號傳輸模塊、監(jiān)控中心和應用終端構(gòu)成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，功能結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖3 北斗車輛監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

（1）信號傳輸模塊：車輛通過內(nèi)置的北斗衛(wèi)星定位車載終端獲取北斗定位實時數(shù)據(jù)，通過移動通信網(wǎng)絡與監(jiān)控中心進行信號傳輸，為車輛監(jiān)控提供實時數(shù)據(jù)。

（2）監(jiān)控中心：由通信中間件、數(shù)據(jù)庫服務器、GE Server、地圖服務器、Web服務器、短信/郵件服務器組合而成。其中通信中間件包括WebSocket服務端、Kafka服務端，負責轉(zhuǎn)發(fā)北斗車輛實時信息。數(shù)據(jù)庫服務器包括：車輛管理業(yè)務數(shù)據(jù)庫，用于存儲車輛相關(guān)靜態(tài)信息、監(jiān)控規(guī)則；地理信息數(shù)據(jù)庫，用于持久化北斗實時位置數(shù)據(jù)。GE Server負責對實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控規(guī)則進行反饋，反饋結(jié)果通過地圖服務器、短信/郵件服務器分別實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)“上圖”，并且可以通過手機、郵件兩種形式第一時間對管理員進行通知。綜合上述能力，最終，通過Web服務形式綜合為前端單頁應用。

（3）應用終端：用戶可以在瀏覽器端訪問應用，進行車輛監(jiān)控與管理，滿足車輛在線實時監(jiān)控的需求。

圖4 北斗車輛監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

數(shù)據(jù)方面，系統(tǒng)采用真實北斗監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于江蘇北斗衛(wèi)星應用產(chǎn)業(yè)研究院有限公司提供的2016年部分北斗車輛監(jiān)控數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)，其中車輛監(jiān)控數(shù)據(jù)記錄19993003條，約300G，利用該歷史數(shù)據(jù)，采用推送的方式模擬實時北斗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源。

系統(tǒng)實現(xiàn)方面，本文針對GE Server基于Java開發(fā)了WebSocket和Kafka兩種輸入連接器；基于Java進行了通信中間件WebSocket服務器以及Kafka Producer 服務器的開發(fā)；地圖服務器采用了ArcGIS Server；Web服務器的開發(fā)基于SpringBoot；前端Spa應用開發(fā)基于React及Arcgis API for JavaScript。最終，實現(xiàn)了B/S架構(gòu)的北斗車輛監(jiān)控系統(tǒng)的車輛實時狀態(tài)統(tǒng)計圖展示功能、實時信息空間可視化功能、車輛管理、車輛監(jiān)控管理等功能。

3.1 車輛實時狀態(tài)統(tǒng)計圖展示功能

車輛實時展示功能位于系統(tǒng)首頁，如圖5，為用戶提供車輛監(jiān)控狀態(tài)總覽，并分別按車輛當前所在省份統(tǒng)計車輛數(shù)量、按不同速度區(qū)間統(tǒng)計車輛數(shù)量、按車輛類型統(tǒng)計車輛數(shù)量。

圖5 車輛實時狀態(tài)統(tǒng)計頁面

3.2 實時信息空間可視化功能

地圖瀏覽模塊即“地圖展示”除展示車輛實時位置外還包含地圖基本操作、圖層管理、興趣點查詢?nèi)齻€部分，旨在對實時車輛信息進行基于地圖的空間可視化。

用戶可以在地圖界面瀏覽車輛實時分布狀態(tài)以及移動過程，如圖6，系統(tǒng)也支持放大、縮小、底圖切換、空間量測等在線地圖的基礎功能。

圖6 車輛實時位置分布狀態(tài)頁面

同時，用戶可以通過車輛查詢周圍興趣點，或者以某個興趣點為中心查詢周圍5km范圍內(nèi)的車輛，為車輛在線調(diào)度提供支持，如圖7所示。

圖7 車輛位置與興趣點互查頁面

3.3 車輛管理

車輛管理模塊包含車輛注冊、車輛查詢、歷史軌跡查詢?nèi)笾饕δ堋?/p>

系統(tǒng)中接受管理與監(jiān)控的車輛需要先進行注冊，需登記包括車輛單位、車牌等屬性，通過注冊后的車輛根據(jù)權(quán)限即可加入系統(tǒng)的監(jiān)控序列中，只有完成注冊的車輛才會列入系統(tǒng)查詢、監(jiān)控范圍。

車輛查詢是指用戶通過輸入車輛管理單位、車牌等條件等進行條件查詢，查詢結(jié)果在地圖上高亮顯示。并且，用戶還可以查看目標車輛的歷史運行軌跡，并可以將歷史軌跡以URL形式進行分享，如圖8所示。

圖8 車輛歷史運行軌跡與分享頁面

圖9 車輛地理圍欄創(chuàng)建界面

3.4 車輛監(jiān)控管理

該功能模塊主要功能是對車輛的屬性監(jiān)控規(guī)則以及空間監(jiān)控規(guī)則的配置。首先在地圖展示模塊中以勾畫的方式創(chuàng)建地理圍欄（如圖9），并在車輛監(jiān)控管理模塊中填寫屬性規(guī)則并選擇創(chuàng)建好的圍欄（如圖10），最后選擇警報信息接收人，并選擇郵件或短信報警通知方式（如圖11），完成監(jiān)控規(guī)則配置后系統(tǒng)將持續(xù)不斷的監(jiān)控車輛行為。若有監(jiān)控車輛出現(xiàn)符合違反監(jiān)控規(guī)則的情況，系統(tǒng)將立刻以短信或者郵件的方式通知責任人，幫助他第一時間做出響應。

圖10 監(jiān)控規(guī)則創(chuàng)建頁面

圖11 接收人與報警信息推送方式管理界面

4 結(jié)語

本文以提升對實時感知數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析、應用能力的探索為初衷，以開展北斗實時車輛監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)為落腳點，對比較具有代表意義的兩個關(guān)鍵技術(shù)“實時地理信息數(shù)據(jù)發(fā)布與接入”、“監(jiān)控規(guī)則與地理圍欄的動態(tài)創(chuàng)建”進行了研究并提出了解決方案，并在此基礎上實現(xiàn)了一個具有車輛實時狀態(tài)統(tǒng)計圖展示功能、實時信息空間可視化功能、車輛管理、車輛監(jiān)控管理等功能有B/S架構(gòu)的北斗車輛實時監(jiān)測系統(tǒng)。在后續(xù)的研究中，需要從實時大數(shù)據(jù)動態(tài)可視化角度進一步提升系統(tǒng)可視化水平，從系統(tǒng)優(yōu)化角度進一步提高系統(tǒng)性能，繼續(xù)為智慧城市時空基礎設施的全面應用積累經(jīng)驗、提供技術(shù)參考。

[1]國家測繪地理信息局. 智慧城市時空大數(shù)據(jù)與云平臺建設技術(shù)大綱（2019版）[S].

[2]鮑駿. 基于北斗定位的車輛監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D]. 南京理工大學，2014.

[3]盧麗敏. 基于北斗定位技術(shù)的車載監(jiān)控系統(tǒng)設計與研究[D]. 2014.

[4]張向南，趙慶展，何啟峰，等. 基于北斗的物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 物流技術(shù)，2015，34（008）：251-254.

[5]Amiruddin，Maneesa S . Real-time Web GIS to monitor marine water quality using wave glider[J]. Iop Conference， 2016，37：012074.