包振山，霍長毅，張文博
?。ū本┕I(yè)大學(xué)，北京 100124）
摘 要： 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,危險(xiǎn)品的使用量和運(yùn)輸量越來越大,由此帶來的危險(xiǎn)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(yuǎn)。針對(duì)危險(xiǎn)品車輛的安全問題,本文利用MongoDB與SQLserver聯(lián)合存儲(chǔ)地圖和一般數(shù)據(jù),并結(jié)合GPS,GIS等技術(shù),設(shè)計(jì)了一種危險(xiǎn)車輛的監(jiān)控系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)監(jiān)控危險(xiǎn)車輛的自身信息和行駛狀態(tài),減少危險(xiǎn)車輛的安全隱患,及時(shí)處理突發(fā)事件。
關(guān)鍵詞： 地理信息系統(tǒng)；全球定位系統(tǒng)；危險(xiǎn)車輛監(jiān)控系統(tǒng)；MongoDB
0 引言
社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,尤其是相對(duì)落后地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高了對(duì)于以化工產(chǎn)品為代表的特殊危險(xiǎn)品的應(yīng)用需求，導(dǎo)致危險(xiǎn)品的運(yùn)輸量迅速上升,運(yùn)輸種類也更加豐富。在運(yùn)輸過程當(dāng)中,危險(xiǎn)品車輛的位置以及環(huán)境一直在變化,很多時(shí)候運(yùn)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(xiǎn)品由于特性帶來巨大安全隱患,一旦發(fā)生事故,車輛自身以及公路周邊的居民和環(huán)境都將受到惡劣的影響。盡管目前國家已經(jīng)有很多相關(guān)法規(guī)和制度來規(guī)范危險(xiǎn)車輛運(yùn)輸?shù)陌踩c作業(yè)管理,同時(shí)采取許多措施來保障運(yùn)輸規(guī)范操作,但危險(xiǎn)品運(yùn)輸仍有許多不安因素:一方面,危險(xiǎn)品屬于高危管控產(chǎn)品,其本身有巨大利潤,不法分子會(huì)鋌而走險(xiǎn),對(duì)危險(xiǎn)品及其運(yùn)輸車輛進(jìn)行惡意劫持綁架,或者違規(guī)操作,瞞報(bào)誤報(bào),傳遞虛假信息；另一方面,駕駛?cè)藛T在駕駛過程中存在超速、超載等違規(guī)操作,車輛在行駛中不按預(yù)定路線前進(jìn)或出現(xiàn)在違規(guī)區(qū)域,無法及時(shí)獲取危險(xiǎn)品信息狀態(tài)等都會(huì)增加危險(xiǎn)的隱患[2]。因此需要良好的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)危險(xiǎn)品運(yùn)輸進(jìn)行管控,對(duì)可能出現(xiàn)的事故進(jìn)行預(yù)警,當(dāng)事故發(fā)生時(shí)可以及時(shí)響應(yīng),從而降低對(duì)企業(yè)單位和人員造成的損失,減少對(duì)周邊地區(qū)環(huán)境造成的破壞。
從1990年Trimble公司研發(fā)了基于GPS的車輛監(jiān)控系統(tǒng)Vtrack開始[3],各界都逐步加強(qiáng)了對(duì)車輛監(jiān)控系統(tǒng)的研究,上世紀(jì)末美國政府開放了GPS數(shù)據(jù)的權(quán)限,在此契機(jī)下,各種車輛、移動(dòng)定位系統(tǒng)蓬勃發(fā)展,也促使了車輛監(jiān)控的進(jìn)一步發(fā)展。國內(nèi)雖然起步較晚,但近些年,隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的更新,車載終端設(shè)備性能的提升,定位技術(shù)的進(jìn)步,結(jié)合GIS技術(shù),車輛監(jiān)控系統(tǒng)也已經(jīng)取得巨大發(fā)展[4]。但是各種車輛監(jiān)控系統(tǒng)的針對(duì)性相對(duì)較強(qiáng),不同行業(yè)車輛監(jiān)控系統(tǒng)的側(cè)重點(diǎn)可能不一樣,例如金融系統(tǒng)的車輛更側(cè)重于防盜,反劫[5];而出租車輛的監(jiān)控系統(tǒng)側(cè)重于調(diào)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(cè)重于路線選擇與定位監(jiān)控等[8]。不同的車輛監(jiān)控的目標(biāo)不同,車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)都不一樣,而危險(xiǎn)車輛的監(jiān)控又有獨(dú)特的需求,因此本文結(jié)合某公司以工業(yè)混裝車為代表的危險(xiǎn)車輛,設(shè)計(jì)本系統(tǒng)。
GIS(地理信息系統(tǒng))是一門結(jié)合了地理學(xué)、地圖學(xué)、計(jì)算機(jī)等眾多學(xué)科的綜合學(xué)科[9],現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。作為一種基于計(jì)算機(jī)的工具,它可以對(duì)空間信息進(jìn)行分析和處理,GIS技術(shù)把地圖操作和地理分析功能與一般的數(shù)據(jù)庫操作集成在一起。GIS軟件在車輛監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用,主要是建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對(duì)車輛的位置狀態(tài)進(jìn)行規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化記錄,并利用GIS的可視化平臺(tái)對(duì)有關(guān)資料進(jìn)行快速、高效的查詢檢索,為建立車輛監(jiān)控和調(diào)度管理提供輔助決策支持[10]。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)地圖作為新一代地圖產(chǎn)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(tǒng)GIS地圖模式構(gòu)建新的地圖框架,大幅提高了網(wǎng)絡(luò)地圖的響應(yīng)速度和訪問效率[11]。百度地圖API是為開發(fā)者免費(fèi)提供的一套基于百度地圖服務(wù)的應(yīng)用接口,在網(wǎng)站中構(gòu)建功能豐富、交互性強(qiáng)的地圖應(yīng)用，支持PC端和移動(dòng)端基于瀏覽器的地圖應(yīng)用開發(fā)，且支持HTML5特性的地圖開發(fā)。利用百度地圖API接口,獲得更加豐富動(dòng)態(tài)的地圖數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)更新,確保了數(shù)據(jù)的時(shí)效性,節(jié)約了開發(fā)成本和時(shí)間[12]。
非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫,最早可追溯至1991年的Berkeley DB第一版,是一個(gè)鍵值(Kye/value Store)存儲(chǔ)的Hash數(shù)據(jù)庫。從2007年左右蓬勃發(fā)展,至今國外已有100多種不同NoSQL數(shù)據(jù)庫。尤其在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中應(yīng)用廣泛,表現(xiàn)優(yōu)異。NoSQL數(shù)據(jù)庫相較于傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫更適合處理高并發(fā)讀寫,海量數(shù)據(jù)處理,高擴(kuò)展性和可用性的應(yīng)用需求[13]。本文采用功能強(qiáng)大,用戶體驗(yàn)良好的MongoDB作為存儲(chǔ)地圖的數(shù)據(jù)庫，利用MongoDB獨(dú)特高效的體系結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)機(jī)制、索引特點(diǎn)等關(guān)鍵技術(shù)將切割后的地圖瓦片進(jìn)行組織存儲(chǔ),訪問效率比傳統(tǒng)方式有顯著提高。
1 系統(tǒng)分析
1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)
主要是為了設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際有效、切實(shí)可行的危險(xiǎn)車輛監(jiān)控系統(tǒng)來保證危險(xiǎn)品在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中的安全問題,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,智能化的運(yùn)送手段,使危險(xiǎn)車輛監(jiān)管更加透明,實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控,并且當(dāng)發(fā)生事故時(shí),可以盡快發(fā)出警報(bào),采取適當(dāng)應(yīng)急措施,減少事故造成的破壞。
1.2 系統(tǒng)的功能需求
危險(xiǎn)車輛作為一種特殊車輛,其監(jiān)控系統(tǒng)功能需求也具有一般車輛監(jiān)控系統(tǒng)的共性,例如:
?。?）車輛位置監(jiān)控。對(duì)監(jiān)控車輛位置空間定位,在地圖上明確顯示以進(jìn)行監(jiān)控,并伴隨車輛的移動(dòng)可以實(shí)時(shí)更新車輛位置信息;在選定時(shí)間范圍內(nèi)可以對(duì)車輛軌跡進(jìn)行回放,查看車輛行駛過程;同時(shí)也可以在不同監(jiān)控車輛間進(jìn)行切換,從而查看需要監(jiān)控的車輛信息。
?。?）車輛信息監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)車輛的基本信息進(jìn)行管理,包括車輛型號(hào),牌照,載重以及所屬車主和司機(jī)的一些基本個(gè)人信息;每次車輛執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)時(shí)的具體情況(如時(shí)間,路線等)可能有變化,應(yīng)當(dāng)分別管理。
（3）用戶管理。對(duì)負(fù)責(zé)監(jiān)管的用戶的個(gè)人信息進(jìn)行管理,并根據(jù)管理員、普通用戶等角色分類提供不同的功能和權(quán)限。
鑒于危險(xiǎn)車輛的危險(xiǎn)性和職能的特殊性,它的監(jiān)控系統(tǒng)也有區(qū)別于一般車輛監(jiān)控系統(tǒng)的功能:
?。?） 車輛內(nèi)部對(duì)于不同的危險(xiǎn)品類型進(jìn)行對(duì)于危險(xiǎn)品的監(jiān)控。
?。?）鑒于危險(xiǎn)品車輛的危險(xiǎn)性和破壞性,應(yīng)當(dāng)有合適的警報(bào)系統(tǒng)。
?。?）對(duì)于危險(xiǎn)車輛發(fā)生緊急事故時(shí),對(duì)危險(xiǎn)車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程控制管理。
1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo),滿足功能需求,在設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)應(yīng)符合以下設(shè)計(jì)原則:
?。?） 先進(jìn)性和實(shí)用性相結(jié)合。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用已有的成熟技術(shù),并且結(jié)合功能需求,從而達(dá)到有效實(shí)用,切實(shí)可行的目標(biāo)。
（2） 通用性和安全性相結(jié)合。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)具備一般車輛的共性,但也考慮危險(xiǎn)車輛的特殊性,對(duì)安全有更高的需求,保證更高的安全性。
?。?） 模塊化設(shè)計(jì)和可擴(kuò)展性相結(jié)合。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),便于對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)完成,各模塊間相互獨(dú)立,互相協(xié)作,并且預(yù)留可擴(kuò)展模塊和接口,方便以后對(duì)各模塊及系統(tǒng)功能維護(hù)和擴(kuò)展。
?。?） 精確性和效率性結(jié)合相結(jié)合。既要提高車輛監(jiān)控的精度,也要考慮數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新等問題,提高效率。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要包括車載終端、監(jiān)控終端和監(jiān)控客戶端。車載終端主要部署在車輛上,監(jiān)控終端主要指服務(wù)器端,監(jiān)控客戶端等,便于不同角色的用戶進(jìn)行訪問?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.1 各部分功能
車載終端部分部署在危險(xiǎn)品車輛上,作為監(jiān)控危險(xiǎn)品車輛的終端載體,它整合了車輛的一些基本功能,負(fù)責(zé)采集危險(xiǎn)品車輛的一切信息,回饋給中心服務(wù)器,并對(duì)中心服務(wù)器的指令進(jìn)行回應(yīng)。車載終端結(jié)構(gòu)如圖2所示,其各部分功能如下。
（1）中央處理模塊:作為車載終端的核心部分,負(fù)責(zé)將終端所有信息按協(xié)議打包交付通信模塊發(fā)送,并將通信模塊收到的中心服務(wù)器信息進(jìn)行響應(yīng),協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作。
?。?）定位模塊:車載GPS設(shè)備,負(fù)責(zé)接收GPS衛(wèi)星信息,并作處理得到位置信息。
（3）車輛監(jiān)測模塊:主要分為兩個(gè)部分:一部分是車輛信息監(jiān)測部分,負(fù)責(zé)監(jiān)測車輛基本信息以及車輛的行駛信息(例如車速,胎壓,質(zhì)心高度,轉(zhuǎn)向燈開啟狀況,剎車系統(tǒng)工作狀態(tài)等);另一部分,主要由傳感器等組成,負(fù)責(zé)監(jiān)測車輛內(nèi)部危險(xiǎn)品狀態(tài),例如車廂內(nèi)溫度,濕度,光照度,氣壓,濃度泄漏等,并根據(jù)不同危險(xiǎn)品種類所需的不同環(huán)境,進(jìn)行特殊監(jiān)測,例如對(duì)車輛行駛碰撞、顛簸狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測。
?。?）視頻采集模塊:包括行車記錄儀和車廂內(nèi)部的視頻監(jiān)控。采集車輛運(yùn)行過程中遇到的視頻信息,記錄畫面;同時(shí)對(duì)車輛內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測,對(duì)人為行動(dòng)或碰撞等異常行為等車內(nèi)一切可視化信息進(jìn)行記錄。
?。?）警報(bào)模塊:當(dāng)監(jiān)測模塊監(jiān)測到車輛自身故障或遭遇特殊惡劣環(huán)境,人為破壞等,會(huì)向中心監(jiān)控服務(wù)器和駕駛員發(fā)送警報(bào)信號(hào),并盡可能鎖定問題原因;同時(shí)在車輛出現(xiàn)事故后,可以向周邊車輛發(fā)出警報(bào)提醒附近過往車輛注意安全,并向就近安全部門發(fā)出求助信息。
?。?）車輛控制模塊:由遠(yuǎn)程控制中心發(fā)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(dòng),斷開油路,車輛鎖定等,同時(shí)也可以設(shè)置計(jì)劃,規(guī)定路線等。
?。?）無線通信模塊:負(fù)責(zé)通過無線網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程中心服務(wù)器溝通,實(shí)時(shí)或按需發(fā)送車輛狀態(tài)以及警報(bào)等信息。保持與中心服務(wù)器的通信連接,一旦通信失聯(lián)超過規(guī)定時(shí)間,會(huì)發(fā)送警報(bào)提醒駕駛員。
2.2 監(jiān)控中心部分
監(jiān)控中心是監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分,管理整個(gè)系統(tǒng)以及為用戶提供各種服務(wù)。監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)如圖3所示,其各部分功能如下。
?。?）中心服務(wù)器:監(jiān)控中心的核心部分,處理監(jiān)控中心的一切工作,并提供客戶端操作。
?。?）通信服務(wù)器:主要負(fù)責(zé)與車載終端進(jìn)行通信,接收其發(fā)送的數(shù)據(jù),并進(jìn)行解析；將中心服務(wù)器處理的指令按協(xié)議打包發(fā)送給車載終端。
（3）數(shù)據(jù)庫:采用SQL Server和MongoDB相結(jié)合存儲(chǔ)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。
（4）地圖服務(wù)器:作為地圖平臺(tái),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(huán)境,車輛路線預(yù)置導(dǎo)航,車輛軌跡回放等。
（5）客戶端:用戶通過客戶端對(duì)車輛監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行操作,包括查詢車輛信息,定位車輛位置,設(shè)置車輛運(yùn)行路線,對(duì)車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,車輛調(diào)度等。
?。?）警報(bào)系統(tǒng):當(dāng)監(jiān)測到車輛信息異常之后,采取緊急預(yù)警方案,并向有關(guān)部門發(fā)送警報(bào)等。
（7）其他應(yīng)用:作為預(yù)留拓展部分。
2.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
數(shù)據(jù)庫組織采用關(guān)系型和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫聯(lián)合。對(duì)于一些靜態(tài)數(shù)據(jù),例如車輛信息,駕駛員信息等基本信息,具備典型的關(guān)系性特征，用SQL Server可以實(shí)現(xiàn)詳盡靈活的存儲(chǔ)。而對(duì)于地圖的數(shù)據(jù),采用NoSQL。地圖數(shù)據(jù)采用瓦片地圖技術(shù),服務(wù)器端瓦片地圖構(gòu)建主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行符號(hào)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(shù)據(jù)庫或文件目錄的方式對(duì)瓦片地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫或存儲(chǔ)管理,并對(duì)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(duì)應(yīng)某個(gè)比例尺的數(shù)據(jù)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(chǔ)海量數(shù)據(jù),自動(dòng)切片,搭建的緩存層可以避免下層數(shù)據(jù)源過載的特性,將地圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MongoDB中,并為每個(gè)圖片建立索引，當(dāng)用戶請(qǐng)求某一范圍地圖時(shí),服務(wù)器只需將相應(yīng)的地圖瓦片數(shù)據(jù)返回給用戶即可。由于圖片無須實(shí)時(shí)生成,大大減輕了服務(wù)器負(fù)擔(dān),并縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。
3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
結(jié)合多種技術(shù),設(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)危險(xiǎn)車輛監(jiān)控系統(tǒng)的原型系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)危險(xiǎn)車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控?；竟δ軐?shí)現(xiàn):獲取GPS信息、對(duì)車輛監(jiān)控的定位、路徑回放。如圖4～圖6所示。
4 結(jié)束語
危險(xiǎn)品由于其特殊的危害性和價(jià)值,在生產(chǎn)運(yùn)輸使用過程中都要求嚴(yán)格的監(jiān)控,本文為了更好地滿足實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中對(duì)危險(xiǎn)品車輛的監(jiān)控需求,借鑒許多已有的監(jiān)控系統(tǒng),結(jié)合一些相對(duì)成熟的技術(shù),設(shè)計(jì)一個(gè)有效可行的車輛監(jiān)控系統(tǒng),不僅能滿足對(duì)于危險(xiǎn)車輛進(jìn)行監(jiān)控,也能幫助用戶管理危險(xiǎn)車輛,危險(xiǎn)物品等。隨著技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步,未來車輛會(huì)更加智能,車輛的監(jiān)控系統(tǒng)也會(huì)更好地服務(wù)社會(huì),減少安全隱患,創(chuàng)造更大價(jià)值。
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