包振山，霍長毅，張文博

　　（北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

　　摘  要： 隨著經(jīng)濟的發(fā)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(lián)合存儲地圖和一般數(shù)據(jù),并結(jié)合GPS,GIS等技術(shù),設(shè)計了一種危險車輛的監(jiān)控系統(tǒng),可以實時監(jiān)控危險車輛的自身信息和行駛狀態(tài),減少危險車輛的安全隱患,及時處理突發(fā)事件。

　　關(guān)鍵詞： 地理信息系統(tǒng)；全球定位系統(tǒng)；危險車輛監(jiān)控系統(tǒng)；MongoDB

0 引言

　　社會經(jīng)濟的發(fā)展,尤其是相對落后地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提高了對于以化工產(chǎn)品為代表的特殊危險品的應(yīng)用需求，導(dǎo)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(dāng)中,危險品車輛的位置以及環(huán)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(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)范危險車輛運輸?shù)陌踩c作業(yè)管理,同時采取許多措施來保障運輸規(guī)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(chǎn)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(guī)操作,瞞報誤報,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)定路線前進或出現(xiàn)在違規(guī)區(qū)域,無法及時獲取危險品信息狀態(tài)等都會增加危險的隱患[2]。因此需要良好的監(jiān)控系統(tǒng)對危險品運輸進行管控,對可能出現(xiàn)的事故進行預(yù)警,當(dāng)事故發(fā)生時可以及時響應(yīng),從而降低對企業(yè)單位和人員造成的損失,減少對周邊地區(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],各界都逐步加強了對車輛監(jiān)控系統(tǒng)的研究,上世紀末美國政府開放了GPS數(shù)據(jù)的權(quán)限,在此契機下,各種車輛、移動定位系統(tǒng)蓬勃發(fā)展,也促使了車輛監(jiān)控的進一步發(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)的針對性相對較強,不同行業(yè)車輛監(jiān)控系統(tǒng)的側(cè)重點可能不一樣,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)計和軟件實現(xiàn)都不一樣,而危險車輛的監(jiān)控又有獨特的需求,因此本文結(jié)合某公司以工業(yè)混裝車為代表的危險車輛,設(shè)計本系統(tǒng)。

　　GIS(地理信息系統(tǒng))是一門結(jié)合了地理學(xué)、地圖學(xué)、計算機等眾多學(xué)科的綜合學(xué)科[9],現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)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(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)對車輛的位置狀態(tài)進行規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化記錄,并利用GIS的可視化平臺對有關(guān)資料進行快速、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、交互性強的地圖應(yīng)用，支持PC端和移動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,獲得更加豐富動態(tài)的地圖數(shù)據(jù),實時更新,確保了數(shù)據(jù)的時效性,節(jié)約了開發(fā)成本和時間[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,是一個鍵值(Kye/value Store)存儲的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,高擴展性和可用性的應(yīng)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(shù)據(jù)庫，利用MongoDB獨特高效的體系結(jié)構(gòu)、存儲機制、索引特點等關(guān)鍵技術(shù)將切割后的地圖瓦片進行組織存儲,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)計目標(biāo)

　　主要是為了設(shè)計一個實際有效、切實可行的危險車輛監(jiān)控系統(tǒng)來保證危險品在生產(chǎn)和運輸過程中的安全問題,實現(xiàn)數(shù)字化,智能化的運送手段,使危險車輛監(jiān)管更加透明,實現(xiàn)對車輛實時監(jiān)控,并且當(dāng)發(fā)生事故時,可以盡快發(fā)出警報,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。對監(jiān)控車輛位置空間定位,在地圖上明確顯示以進行監(jiān)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(nèi)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(jiān)控車輛間進行切換,從而查看需要監(jiān)控的車輛信息。

　?。?）車輛信息監(jiān)控。實現(xiàn)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(zhí)行運輸任務(wù)時的具體情況(如時間,路線等)可能有變化,應(yīng)當(dāng)分別管理。

　　（3）用戶管理。對負責(zé)監(jiān)管的用戶的個人信息進行管理,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。

　　鑒于危險車輛的危險性和職能的特殊性,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:

　　（1） 車輛內(nèi)部對于不同的危險品類型進行對于危險品的監(jiān)控。

　　（2）鑒于危險品車輛的危險性和破壞性,應(yīng)當(dāng)有合適的警報系統(tǒng)。

　?。?）對于危險車輛發(fā)生緊急事故時,對危險車輛進行遠程控制管理。

　　1.3 系統(tǒng)設(shè)計原則

　　為了實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo),滿足功能需求,在設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)時應(yīng)符合以下設(shè)計原則:

　?。?） 先進性和實用性相結(jié)合。系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)充分利用已有的成熟技術(shù),并且結(jié)合功能需求,從而達到有效實用,切實可行的目標(biāo)。

　?。?） 通用性和安全性相結(jié)合。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)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(shè)計和可擴展性相結(jié)合。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,便于對每個模塊進行設(shè)計完成,各模塊間相互獨立,互相協(xié)作,并且預(yù)留可擴展模塊和接口,方便以后對各模塊及系統(tǒng)功能維護和擴展。

　?。?） 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)實時更新等問題,提高效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計

　　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行訪問。基本結(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品車輛上,作為監(jiān)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(zé)采集危險品車輛的一切信息,回饋給中心服務(wù)器,并對中心服務(wù)器的指令進行回應(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)器信息進行響應(yīng),協(xié)調(diào)各個模塊的工作。

　?。?）定位模塊:車載GPS設(shè)備,負責(zé)接收GPS衛(wèi)星信息,并作處理得到位置信息。

　?。?）車輛監(jiān)測模塊:主要分為兩個部分:一部分是車輛信息監(jiān)測部分,負責(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,負責(zé)監(jiān)測車輛內(nèi)部危險品狀態(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)不同危險品種類所需的不同環(huán)境,進行特殊監(jiān)測,例如對車輛行駛碰撞、顛簸狀態(tài)等進行監(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。采集車輛運行過程中遇到的視頻信息,記錄畫面;同時對車輛內(nèi)部進行監(jiān)測,對人為行動或碰撞等異常行為等車內(nèi)一切可視化信息進行記錄。

　?。?）警報模塊: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,會向中心監(jiān)控服務(wù)器和駕駛員發(fā)送警報信號,并盡可能鎖定問題原因;同時在車輛出現(xiàn)事故后,可以向周邊車輛發(fā)出警報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,斷開油路,車輛鎖定等,同時也可以設(shè)置計劃,規(guī)定路線等。

　　（7）無線通信模塊:負責(zé)通過無線網(wǎng)絡(luò)與遠程中心服務(wù)器溝通,實時或按需發(fā)送車輛狀態(tài)以及警報等信息。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)定時間,會發(fā)送警報提醒駕駛員。

　　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:主要負責(zé)與車載終端進行通信,接收其發(fā)送的數(shù)據(jù),并進行解析；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。

　?。?）數(shù)據(jù)庫:采用SQL Server和MongoDB相結(jié)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(wù)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(huán)境,車輛路線預(yù)置導(dǎo)航,車輛軌跡回放等。

　?。?）客戶端:用戶通過客戶端對車輛監(jiān)控平臺進行操作,包括查詢車輛信息,定位車輛位置,設(shè)置車輛運行路線,對車輛進行遠程控制,車輛調(diào)度等。

　?。?）警報系統(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

　　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可以實現(xiàn)詳盡靈活的存儲。而對于地圖的數(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)建主要是對數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫或文件目錄的方式對瓦片地圖數(shù)據(jù)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(yīng)某個比例尺的數(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可以存儲海量數(shù)據(jù),自動切片,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)存儲在MongoDB中,并為每個圖片建立索引，當(dāng)用戶請求某一范圍地圖時,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。由于圖片無須實時生成,大大減輕了服務(wù)器負擔(dān),并縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時間。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　結(jié)合多種技術(shù),設(shè)計構(gòu)建了一個危險車輛監(jiān)控系統(tǒng)的原型系統(tǒng),實現(xiàn)了對危險車輛的實時監(jiān)控?；竟δ軐崿F(xiàn):獲取GPS信息、對車輛監(jiān)控的定位、路徑回放。如圖4～圖6所示。

4 結(jié)束語

　　危險品由于其特殊的危害性和價值,在生產(chǎn)運輸使用過程中都要求嚴格的監(jiān)控,本文為了更好地滿足實際生產(chǎn)應(yīng)用中對危險品車輛的監(jiān)控需求,借鑒許多已有的監(jiān)控系統(tǒng),結(jié)合一些相對成熟的技術(shù),設(shè)計一個有效可行的車輛監(jiān)控系統(tǒng),不僅能滿足對于危險車輛進行監(jiān)控,也能幫助用戶管理危險車輛,危險物品等。隨著技術(shù)的不斷完善和進步,未來車輛會更加智能,車輛的監(jiān)控系統(tǒng)也會更好地服務(wù)社會,減少安全隱患,創(chuàng)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(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010，24（1）：70-74.

　　[2] 靖相順. 危險品運輸車輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].濟南：山東大學(xué),2013.

　　[3] 溫宗周,陳改霞. 基于GPS/GPRS的遠程車輛管理系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電子測量技術(shù),2013(8):76-79.

　　[4] 惠曉威,劉彥每.基于GPS/GPRS的物流車載終端系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機應(yīng)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(xué),2010.

　　[6] 連進. 基于GPS的出租車調(diào)度與監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué),2011.

　　[7] 董哲. 基于北斗導(dǎo)航的軍隊車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].濟南：山東大學(xué),2014.

　　[8] 胡琨鵬. 物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].成都：西南交通大學(xué),2010.

　　[9] 于浚烽,陳蔚芳,馬萬太. 基于GIS/GPS技術(shù)的肉品冷鏈物流監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)[J]. 計算機應(yīng)用,2014(S1):312-314.

　　[10]步挺俊,孫恒. 煙草GIS車輛監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2012，21(6):42-45，190.

　　[11]百度地圖API官網(wǎng). 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(shù)據(jù)組織[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2011(5):564-567.

　　[13]金澈清,錢衛(wèi)寧,周敏奇,等. 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)評測基準(zhǔn):從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫到新興大數(shù)據(jù)[J]. 計算機學(xué)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(shù)據(jù)存儲技術(shù)[J]. 測繪科學(xué),2013，38(1):142-143，159.