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北斗导航下的车辆公共管理系统设计

2019/08/20 阅读:

摘要:文章设计了一套基于北斗卫星遥感及大数据技术的分布式城市出行车辆智能交通公共管理系统,对区域城市出行车辆进行统一的电子标签身份识别及实时在线数据收集分析,实现区域出行车辆差异化精准管理的各项需求。

关键词:北斗导航;车辆管理;大数据分析

目前随着物联网技术的迅猛发展,各类传感技术以及互联技术、新一代信息技术、大数据分析方法等交叉综合应用为智慧城市生活提供了可选择的解决方案。2018年12月27日,在国务院新闻办公室新闻发布会上,中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其宣布:北斗三号基本系统完成建设,于今日开始提供全球服务[1]。据介绍,北斗卫星导航系统水平和高程的定位精度均达到10m,测速精度达到0.2m/s,授时精度达到20ns,系统服务可用性优于95%。在亚太地区,北斗系统的水平和高程定位精度更是可达到5m[2]。因此,针对目前城市道路交通存在局部道路及上下班高峰时段的结构化严重堵塞的突出民生交通问题,设计了一款基于北斗导航、大数据分析的城市出行车辆城市车辆公共管理系统,区域交通主管部门可依据本系统的数据分析决策制定差异化车辆进入特定路段的管制措施政策,可依据系统的车辆历史数据记录为执法提供数据技术支撑;并可针对实时道路路况的车辆精确数据及车辆集聚状态做出智能化数据分析和堵塞趋势告警提示,可提供数据指令自动实施道路红绿灯口智能调整,达到城市道路交通结构化堵塞的有效疏导目的;同时通过本项目对区域车辆的电子身份标识管理及实时运行数据监管,有利于区域城市车辆的安全及社会治安监管,减少车辆盗抢且便于加强社会治安管理工作。

1系统方案

系统通过4G网络将车辆上安装的北斗卫星模块采集到的定位数据、车辆行车环境的数据使用TCP/IP模式传回数据中心,数据中心解析收到的数据包一方面将通信数据包中的定位信息通过地图显示系统显示出来,另一方面,启动车辆数据分析系统分析出车辆差异、路段拥塞情况等。基于北斗导航的城市出行车辆城市车辆公共管理系统系统结构如图1所示。从数据传输方面分三个模块设计:车辆数据采集模块、数据通信模块、综合应用平台模块。总体结构图如图2所示。

2数据采集模块设计

北斗系统信号质量总体上与GPS相当,北斗卫星导航将有利于减缓交通阻塞,提升道路交通管理水平。通过在车载终端上安装卫星导航接收机和数据发射机,车辆的位置信息就能在几秒钟内自动转发到中心站[3]。这些位置信息可用于道路交通管理。本系统采用广州某公司北斗导航模块安装在车辆上,此北斗卫星数据采集模块数据通过4G传入数据中心。此模块已经在运营中投入使用,定位精度约10M。北斗卫星数据采集模块的主要功能就是通过与串口相连接的北斗卫星模块采集当前的北斗卫星信息;定位数据上行转换模块把接收到的北斗卫星定位信息数据包以及相关的车辆状态信息转换成约定好的数据格式以便同网络通信服务器进行数据通信,该模块会将相关状态信息组合转换成一个包含车辆状态信息的定位数据包,然后以设置的间隔时间发送到网络通信服务器中。指令下行数据转换模块将网络通信服务器发来的命令进行识别后交给车载终端,车载终端则根据具体的指令进行相应的操作。

3数据通信模块设计(见图3)

数据通信层作为整个系统中间环节的设计,需要对数据采集模块的数据进行一定格式管理,规定一种方式与数据采集模块进行通信,又预留了对上层应用的接口,同时从机制上保证了对数据采集模块的通信质量与对综合应用层的通信质量。本系统数据通信设计为:上一层数据采集模块(北斗卫星采集终端)采集到的数据通过4G接入到网络通信数据服务器(数据中心),数据中心的数据通过B/S访问模式提供给各级管理部门应用终端用户,或者通过移动网络提供给移动用户。本系统中采集模块的数据上行转换模块的功能是把接收到的信息数据包以及相关的车辆状态信息转换成约定好的数据格式以便同网络通信服务器进行数据通信,该模块会将相关状态信息组合转换成一个数据报文。系统将北斗卫星数据接4G卡通过GSM网络接入数据服务器,中间通信仍通过TCP/IP方式建立socket套接字完成通信。数据通信层还完成以下功能设计:数据传输、原始数据处理、数据传输协、容错处理、数据格式化、数据打包、数据日志等功能。所以,系统设计了两种数据包格式分别用于不同场合。数据格式1(见表1):帧头(1字节)+数据包长度(2字节)+数据包关键字(2字节)+信号采集模块编号(4字节)+数据包具体数据(若干)+CRC校验(2字节)+帧尾(1字节)。数据格式2(见表2):帧头(1字节)+数据包长度(2字节)+数据包关键字(2字节)+数据包具体数据(若干)+CRC校验(2字节)+帧尾(1字节)。

4软件部分设计

4.1综合应用平台设计

(1)综合应用平台在整系统中发挥以下重要作用:①承担城市车辆公共管理系统数据信息的采集、融合、分析及管理工作,为城市车辆系统中的其他交通应用系统提供交通数据及交通信息支持;②为区域道路提供路况交通评价等核心模型、算法以及专家预案库等决策支持;③为城市车辆系统管理提供统一灵活的管理及运行维护工具。(2)综合应用平台的用户所面向的用户。综合应用平台主要面向的系统用户类型包括几类:普通司机、交通信息发布者、交通管理者、交通规划者以及交通决策者、以及系统管理的维护人员。(3)综合应用的系统功能设计如下:①实现数据采集模块所采集交通信息的接入;②实现对采集来的车辆道路等交通信息进行加工及处理,通过加工处理使得综合应用平台内的交通信息能够基本满足应用系统的业务需求;③实现车辆道路交通信息的存储功能,同时保证这些信息的存储性能能够充分满足交通信息处理以及应用的需要;④对存储的交通信息进行大数据分析,以满足路况分析与决策、路径规划、交通预警等功能;⑤实现各类交通信息的发布功能,满足各交通应用系统各发布方式的发布要求。(4)综合应用平台的功能具有的特点及要求。①由于综合应用平台是一个开放的平台系统,其内部的处理功能往往受到外部输入及输出的影响,这就要求在交通管理综合信息平台的建设中能够充分地考虑到系统的可扩展性和兼容性,以此来减少系统后续开发的工作量;②综合应用平台作为系统框架的核心,担负着城市车辆管理系统核心处理的任务,这就要求在城市车辆管理综合信息平台的建设中能够充分地考虑到系统的稳定性和工作性能,以此来保证系统高可用性;③综合应用平台将形成分布式数据处理及存储架构,具备较强的可扩展性,并为交通智能管理提供稳定、高效的数据服务以及提供数据保证和功能上的保障。(5)综合应用平台的功能逻辑设计。根据以上分析,从逻辑设计上综合应用平台分为三部分,分别是:设备接入中心、数据分析中心、综合应用中心,如图4所示。设备接入中心面向系统维护人员,数据分析中心面向交通管理者、交通规划者以及交通决策者,综合应用中心面向普通司机、交通信息发布者、交通管理者。4.2设备接入中心设计(1)应用框架选择。接入各类平台设备,windows用户、LINUX用户、移动平台用户等。目前基于物联网的应用一般具备跨平台特性,设备接入中心为一类中间接口的设计。软件程序框架是JAVA、Hibernate框架。Hibernate框架是一个开放源代码的对象关系映射框架,它对JDBC进行了非常轻量级的对象封装,使得Java程序员可以随心所欲地使用对象编程思维来操纵数据库。Hibernate可以应用在任何使用JDBC的场合,既可以在Java的客户端程序使用,也可以在Servlet/JSP的Web应用中使用,最具革命意义的是,Hibernate可以在应用EJB的J2EE架构中取代CMP,完成数据持久化的重任[4]。这类架构对于中间件的设计是十分便利的。(2)数据库设计。设备接入中心的数据库使用ORACLE数据库,ORACLE数据库系统是美国ORACLE公司(甲骨文)提供的以分布式数据库为核心的一组软件产品,是目前最流行的客户/服务器(CLIENT/SERVER)或B/S体系结构的数据库之一。ORACLE数据库是目前世界上使用最为广泛的数据库管理系统,作为一个通用的数据库系统,它具有完整的数据管理功能;作为一个关系数据库,它是一个完备关系的产品;作为分布式数据库它实现了分布式处理功能。在数据库的设计上,本系统将遵循以下原则:(1)降低关联的复杂性;(2)尽量不使用联合主键;(3)ID的生成机制,不同的数据库所提供的机制并不完全一样;(4)适当的冗余数据,不过分追求高范式。

4.3大数据分析中心

从数据中心来的数据是海量的,从这些海量的数据进行大数据分析得到智能化模型。本模块采用行程时间预测、事件检测等算法得到车辆路径导航等数据,此数据可存于数据库,也可直接在前台显示于用户。该模块也包含车辆身份异常分析、道路交通阻塞情况分析、车辆运行路径分析、道路交通阻塞预警、非法车辆参与营运预警、行车路径规划、交通发展规划等道路交通预测信息与交通辅助决策信息。其中,OLTP(On-LineTransactionProcessing)为联机事务处理过程;OLAP(On-LineAnalyticalProcessing)为联机分析处理;IBS(IntegrityBusinessSolution)为完整的业务解决方案。从数据仓库过来的车辆以及道路数据需要通过软件进行由浅入深的数据挖掘,以形成真正的有效的道路交通信息预测以及交通辅助决策功能,图6显示了数据挖掘到数据分析的过程以及内容。、事件检测等算法得到车辆路径导航等数据,此数据可存于数据库,也可直接在前台显示于用户。该模块也包含车辆身份异常分析、道路交通阻塞情况分析、车辆运行路径分析、道路交通阻塞预警、非法车辆参与营运预警、行车路径规划、交通发展规划等道路交通预测信息与交通辅助决策信息。车辆数据分析方式如图5所示。图5车辆数据分析方式其中,OLTP(On-LineTransactionProcessing)为联机事务处理过程;OLAP(On-LineAnalyticalProcessing)为联机分析处理;IBS(IntegrityBusinessSolution)为完整的业务解决方案。从数据仓库过来的车辆以及道路数据需要通过软件进行由浅入深的数据挖掘,以形成真正的有效的道路交通信息预测以及交通辅助决策功能,图6显示了数据挖掘到数据分析的过程以及内容。图6数据挖掘

4.4综合应用中心

综合应用中心是使用频率最高的软件部分,它面向一般车辆管理人员、普通司机,此部分软件也是整个系统软件的核心部分。综合应用中心软件分服务器端以及客户端两部分。服务端软件主要完成车辆、路况、司机等数据的上传下达、数据库管理,以及公共接口的设计与使用。客户端软件主要是给具体用户通过发送HTTP命令获取来自服务器端的各类车辆、道路信息,达到实时掌握路面车流动态信息和辅助交通管理的目的。综合应用中心面向交通部门车辆管理人员在交通管理中心使用的软件功能如图7所示。

5结语

目前,国内外车辆管理中车辆的定位数据所使用的传感器仍然以GPS定位为主,交通部门对出行车辆的智能交通公共管理系统的应用主要在大城市,还未普及到二、三线小城市。本文主要研究开发一套基于北斗卫星遥感与大数据技术的分布式城市出行车辆智能交通公共管理系统,对于以上国内外同类城市公共交通智能管理系统产品所忽略的技术及市场需求问题进行补充,突出了以下优势:①针对区级及二、三线小城市的智能交通公共管理需求,开发分布式城市出行车辆智能交通公共管理系统,适用于在区级及二、三线小城市试点实施;②针对区域城市出行车辆精准管理细分市场需求,应用我国北斗卫星遥感技术实现车辆的电子身份升级管理和城市车辆数据采集,为以后的城市出行车辆差异化智能管理带来各种的拓展应用功能。

参考文献

[1]北斗正式提供全球服务[J].电世界,2019(3):16.

[2]刘建,李晶.北斗卫星导航系统在交通运输行业的应用及展望[J].卫星应用,2019(3):28.

[3]陈军.北斗卫星导航定位系统应用综述[C]//第九届全国信号和智能信息处理与应用学术会议专刊,2015.

[4]亮亮.Java开源J2EE框架[N].凤凰网,2007-01-1.

作者:杨英 单位:广东交通职业技术学院

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