包振山，霍長毅，張文博
?。ū本┕I大學，北京 100124）
摘 要： 隨著經濟的發展,危險品的使用量和運輸量越來越大,由此帶來的危險品車輛安全事故也越來越多,此類事故造成破壞極大,影響深遠。針對危險品車輛的安全問題,本文利用MongoDB與SQLserver聯合存儲地圖和一般數據,并結合GPS,GIS等技術,設計了一種危險車輛的監控系統,可以實時監控危險車輛的自身信息和行駛狀態,減少危險車輛的安全隱患,及時處理突發事件。
關鍵詞： 地理信息系統；全球定位系統；危險車輛監控系統；MongoDB
0 引言
社會經濟的發展,尤其是相對落后地區的基礎設施建設，提高了對于以化工產品為代表的特殊危險品的應用需求，導致危險品的運輸量迅速上升,運輸種類也更加豐富。在運輸過程當中,危險品車輛的位置以及環境一直在變化,很多時候運輸過程需要幾輛,十幾輛甚至更多的車輛來完成,其路線未必相同,分布也更加廣泛[1]。危險品由于特性帶來巨大安全隱患,一旦發生事故,車輛自身以及公路周邊的居民和環境都將受到惡劣的影響。盡管目前國家已經有很多相關法規和制度來規范危險車輛運輸的安全與作業管理,同時采取許多措施來保障運輸規范操作,但危險品運輸仍有許多不安因素:一方面,危險品屬于高危管控產品,其本身有巨大利潤,不法分子會鋌而走險,對危險品及其運輸車輛進行惡意劫持綁架,或者違規操作,瞞報誤報,傳遞虛假信息；另一方面,駕駛人員在駕駛過程中存在超速、超載等違規操作,車輛在行駛中不按預定路線前進或出現在違規區域,無法及時獲取危險品信息狀態等都會增加危險的隱患[2]。因此需要良好的監控系統對危險品運輸進行管控,對可能出現的事故進行預警,當事故發生時可以及時響應,從而降低對企業單位和人員造成的損失,減少對周邊地區環境造成的破壞。
從1990年Trimble公司研發了基于GPS的車輛監控系統Vtrack開始[3],各界都逐步加強了對車輛監控系統的研究,上世紀末美國政府開放了GPS數據的權限,在此契機下,各種車輛、移動定位系統蓬勃發展,也促使了車輛監控的進一步發展。國內雖然起步較晚,但近些年,隨著無線網絡技術的更新,車載終端設備性能的提升,定位技術的進步,結合GIS技術,車輛監控系統也已經取得巨大發展[4]。但是各種車輛監控系統的針對性相對較強,不同行業車輛監控系統的側重點可能不一樣,例如金融系統的車輛更側重于防盜,反劫[5];而出租車輛的監控系統側重于調度與管理[6];軍用車輛偏重于車輛的保密以及安全性[7];物流車輛側重于路線選擇與定位監控等[8]。不同的車輛監控的目標不同,車輛監控系統的設計和軟件實現都不一樣,而危險車輛的監控又有獨特的需求,因此本文結合某公司以工業混裝車為代表的危險車輛,設計本系統。
GIS(地理信息系統)是一門結合了地理學、地圖學、計算機等眾多學科的綜合學科[9],現已廣泛應用在各個領域。作為一種基于計算機的工具,它可以對空間信息進行分析和處理,GIS技術把地圖操作和地理分析功能與一般的數據庫操作集成在一起。GIS軟件在車輛監控系統中的應用,主要是建立相應的數據庫系統對車輛的位置狀態進行規范化標準化記錄,并利用GIS的可視化平臺對有關資料進行快速、高效的查詢檢索,為建立車輛監控和調度管理提供輔助決策支持[10]。隨著互聯網技術的發展,網絡地圖作為新一代地圖產品脫穎而出,尤其隨著瓦片(Tile)概念的提出,利用金字塔模型緩存地圖瓦片的模式替代傳統GIS地圖模式構建新的地圖框架,大幅提高了網絡地圖的響應速度和訪問效率[11]。百度地圖API是為開發者免費提供的一套基于百度地圖服務的應用接口,在網站中構建功能豐富、交互性強的地圖應用，支持PC端和移動端基于瀏覽器的地圖應用開發，且支持HTML5特性的地圖開發。利用百度地圖API接口,獲得更加豐富動態的地圖數據,實時更新,確保了數據的時效性,節約了開發成本和時間[12]。
非關系型數據庫,最早可追溯至1991年的Berkeley DB第一版,是一個鍵值(Kye/value Store)存儲的Hash數據庫。從2007年左右蓬勃發展,至今國外已有100多種不同NoSQL數據庫。尤其在網絡數據庫中應用廣泛,表現優異。NoSQL數據庫相較于傳統關系型數據庫更適合處理高并發讀寫,海量數據處理,高擴展性和可用性的應用需求[13]。本文采用功能強大,用戶體驗良好的MongoDB作為存儲地圖的數據庫，利用MongoDB獨特高效的體系結構、存儲機制、索引特點等關鍵技術將切割后的地圖瓦片進行組織存儲,訪問效率比傳統方式有顯著提高。
1 系統分析
1.1 系統的設計目標
主要是為了設計一個實際有效、切實可行的危險車輛監控系統來保證危險品在生產和運輸過程中的安全問題,實現數字化,智能化的運送手段,使危險車輛監管更加透明,實現對車輛實時監控,并且當發生事故時,可以盡快發出警報,采取適當應急措施,減少事故造成的破壞。
1.2 系統的功能需求
危險車輛作為一種特殊車輛,其監控系統功能需求也具有一般車輛監控系統的共性,例如:
?。?）車輛位置監控。對監控車輛位置空間定位,在地圖上明確顯示以進行監控,并伴隨車輛的移動可以實時更新車輛位置信息;在選定時間范圍內可以對車輛軌跡進行回放,查看車輛行駛過程;同時也可以在不同監控車輛間進行切換,從而查看需要監控的車輛信息。
?。?）車輛信息監控。實現對每個車輛的基本信息進行管理,包括車輛型號,牌照,載重以及所屬車主和司機的一些基本個人信息;每次車輛執行運輸任務時的具體情況(如時間,路線等)可能有變化,應當分別管理。
?。?）用戶管理。對負責監管的用戶的個人信息進行管理,并根據管理員、普通用戶等角色分類提供不同的功能和權限。
鑒于危險車輛的危險性和職能的特殊性,它的監控系統也有區別于一般車輛監控系統的功能:
?。?） 車輛內部對于不同的危險品類型進行對于危險品的監控。
?。?）鑒于危險品車輛的危險性和破壞性,應當有合適的警報系統。
?。?）對于危險車輛發生緊急事故時,對危險車輛進行遠程控制管理。
1.3 系統設計原則
為了實現設計目標,滿足功能需求,在設計監控系統時應符合以下設計原則:
?。?） 先進性和實用性相結合。系統的設計應充分利用已有的成熟技術,并且結合功能需求,從而達到有效實用,切實可行的目標。
?。?） 通用性和安全性相結合。系統設計應具備一般車輛的共性,但也考慮危險車輛的特殊性,對安全有更高的需求,保證更高的安全性。
?。?） 模塊化設計和可擴展性相結合。系統采用模塊化設計,便于對每個模塊進行設計完成,各模塊間相互獨立,互相協作,并且預留可擴展模塊和接口,方便以后對各模塊及系統功能維護和擴展。
?。?） 精確性和效率性結合相結合。既要提高車輛監控的精度,也要考慮數據實時更新等問題,提高效率。
2 系統設計
系統主要包括車載終端、監控終端和監控客戶端。車載終端主要部署在車輛上,監控終端主要指服務器端,監控客戶端等,便于不同角色的用戶進行訪問?；窘Y構如圖1所示。
2.1 各部分功能
車載終端部分部署在危險品車輛上,作為監控危險品車輛的終端載體,它整合了車輛的一些基本功能,負責采集危險品車輛的一切信息,回饋給中心服務器,并對中心服務器的指令進行回應。車載終端結構如圖2所示,其各部分功能如下。
?。?）中央處理模塊:作為車載終端的核心部分,負責將終端所有信息按協議打包交付通信模塊發送,并將通信模塊收到的中心服務器信息進行響應,協調各個模塊的工作。
?。?）定位模塊:車載GPS設備,負責接收GPS衛星信息,并作處理得到位置信息。
?。?）車輛監測模塊:主要分為兩個部分:一部分是車輛信息監測部分,負責監測車輛基本信息以及車輛的行駛信息(例如車速,胎壓,質心高度,轉向燈開啟狀況,剎車系統工作狀態等);另一部分,主要由傳感器等組成,負責監測車輛內部危險品狀態,例如車廂內溫度,濕度,光照度,氣壓,濃度泄漏等,并根據不同危險品種類所需的不同環境,進行特殊監測,例如對車輛行駛碰撞、顛簸狀態等進行監測。
（4）視頻采集模塊:包括行車記錄儀和車廂內部的視頻監控。采集車輛運行過程中遇到的視頻信息,記錄畫面;同時對車輛內部進行監測,對人為行動或碰撞等異常行為等車內一切可視化信息進行記錄。
?。?）警報模塊:當監測模塊監測到車輛自身故障或遭遇特殊惡劣環境,人為破壞等,會向中心監控服務器和駕駛員發送警報信號,并盡可能鎖定問題原因;同時在車輛出現事故后,可以向周邊車輛發出警報提醒附近過往車輛注意安全,并向就近安全部門發出求助信息。
?。?）車輛控制模塊:由遠程控制中心發送的控制指令可以通過控制模塊來控制車輛,包括緊急制動,斷開油路,車輛鎖定等,同時也可以設置計劃,規定路線等。
?。?）無線通信模塊:負責通過無線網絡與遠程中心服務器溝通,實時或按需發送車輛狀態以及警報等信息。保持與中心服務器的通信連接,一旦通信失聯超過規定時間,會發送警報提醒駕駛員。
2.2 監控中心部分
監控中心是監控系統的核心部分,管理整個系統以及為用戶提供各種服務。監控中心結構如圖3所示,其各部分功能如下。
?。?）中心服務器:監控中心的核心部分,處理監控中心的一切工作,并提供客戶端操作。
?。?）通信服務器:主要負責與車載終端進行通信,接收其發送的數據,并進行解析；將中心服務器處理的指令按協議打包發送給車載終端。
?。?）數據庫:采用SQL Server和MongoDB相結合存儲信息,包括從車載終端傳遞的車輛的各種信息,以及用戶操作信息。
?。?）地圖服務器:作為地圖平臺,將車輛的位置,行駛信息等顯示在地圖上,并提供地圖操作,支持地圖縮放,圖層切換,顯示周邊環境,車輛路線預置導航,車輛軌跡回放等。
（5）客戶端:用戶通過客戶端對車輛監控平臺進行操作,包括查詢車輛信息,定位車輛位置,設置車輛運行路線,對車輛進行遠程控制,車輛調度等。
?。?）警報系統:當監測到車輛信息異常之后,采取緊急預警方案,并向有關部門發送警報等。
?。?）其他應用:作為預留拓展部分。
2.3系統數據存儲
數據庫組織采用關系型和非關系型數據庫聯合。對于一些靜態數據,例如車輛信息,駕駛員信息等基本信息,具備典型的關系性特征，用SQL Server可以實現詳盡靈活的存儲。而對于地圖的數據,采用NoSQL。地圖數據采用瓦片地圖技術,服務器端瓦片地圖構建主要是對數據庫中的空間數據進行符號化顯示和分層瓦片切割,生成不同層次的電子地圖瓦片,建立地圖瓦片金字塔模型，采用數據庫或文件目錄的方式對瓦片地圖數據進行入庫或存儲管理,并對金字塔地圖瓦片建立線性四叉樹瓦片索引。金字塔每層分別對應某個比例尺的數據集,最底層的地圖比例尺最大,最頂層地圖比例尺最小[14]。利用MongoDB可以存儲海量數據,自動切片,搭建的緩存層可以避免下層數據源過載的特性,將地圖數據存儲在MongoDB中,并為每個圖片建立索引，當用戶請求某一范圍地圖時,服務器只需將相應的地圖瓦片數據返回給用戶即可。由于圖片無須實時生成,大大減輕了服務器負擔,并縮短了系統響應時間。
3 系統實現
結合多種技術,設計構建了一個危險車輛監控系統的原型系統,實現了對危險車輛的實時監控。基本功能實現:獲取GPS信息、對車輛監控的定位、路徑回放。如圖4～圖6所示。
4 結束語
危險品由于其特殊的危害性和價值,在生產運輸使用過程中都要求嚴格的監控,本文為了更好地滿足實際生產應用中對危險品車輛的監控需求,借鑒許多已有的監控系統,結合一些相對成熟的技術,設計一個有效可行的車輛監控系統,不僅能滿足對于危險車輛進行監控,也能幫助用戶管理危險車輛,危險物品等。隨著技術的不斷完善和進步,未來車輛會更加智能,車輛的監控系統也會更好地服務社會,減少安全隱患,創造更大價值。
參考文獻
[1] 張令勇,高松,鐘磊,等. 基于3G的危險品車輛在途監控預警系統的設計[J]. 山東理工大學學報(自然科學版),2010，24（1）：70-74.
[2] 靖相順. 危險品運輸車輛監控系統設計[D].濟南：山東大學,2013.
[3] 溫宗周,陳改霞. 基于GPS/GPRS的遠程車輛管理系統的設計[J]. 電子測量技術,2013(8):76-79.
[4] 惠曉威,劉彥每.基于GPS/GPRS的物流車載終端系統設計[J]. 計算機應用與軟件,2015(6):80-82，119.
[5] 周冬. 基于TDVRP和STDVRP模型的金融押運車輛路徑問題研究[D].北京：清華大學,2010.
[6] 連進. 基于GPS的出租車調度與監控系統的設計與實現[D].上海：上海交通大學,2011.
[7] 董哲. 基于北斗導航的軍隊車輛監控系統的設計與實現[D].濟南：山東大學,2014.
[8] 胡琨鵬. 物流車輛監控系統的研究與設計[D].成都：西南交通大學,2010.
[9] 于浚烽,陳蔚芳,馬萬太. 基于GIS/GPS技術的肉品冷鏈物流監控與調度系統[J]. 計算機應用,2014(S1):312-314.
[10]步挺俊,孫恒. 煙草GIS車輛監控系統[J]. 計算機系統應用,2012，21(6):42-45，190.
[11]百度地圖API官網. http://developer.baidu.com/map/.
[12]杜清運,虞昌彬,任福. 利用嵌套金字塔模型進行瓦片地圖數據組織[J]. 武漢大學學報(信息科學版),2011(5):564-567.
[13]金澈清,錢衛寧,周敏奇,等. 數據管理系統評測基準:從傳統數據庫到新興大數據[J]. 計算機學報,2015(1):18-34.
[14]陳超,王亮,閆浩文,等. 一種基于NoSQL的地圖瓦片數據存儲技術[J]. 測繪科學,2013，38(1):142-143，159.