基于北斗的物流車輛監控系統

張向南，趙慶展，何啟峰，隋莉莉，汪傳建，尹小君，寧 川

（1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.石河子大學 信息科學與技術學院，新疆 石河子 832000；3.兵團空間信息工程技術研究中心，新疆 石河子 832000）

1 引言

隨著全球定位系統定位精度、定位效率的不斷提高，基于全球定位系統的位置服務迎來新的發展契機，定位導航領域相關產業已經成為全球最具有發展潛力的科技產業之一[1]，全球定位系統帶來的巨大的戰略意義和經濟價值促使世界上部分國家和地區競相發展自己的衛星導航系統。2013年我國自行研制的北斗衛星導航系統（下稱北斗）開始為中國和周邊亞太地區提供定位導航授時服務[2]，目前北斗已經在定位、導航、授時、識別、事件檢查方面有了廣泛應用[3-7]，尤其是在車輛監控方面，改變了傳統的車輛監控服務模式[8-11]。

物流行業在國際商業社會中發揮的作用日益突出，現代物流已被視為企業在降低物資消耗、提高勞動生產率以外創造利潤的第三重要源泉，也是企業降低生產經營成本，提高產品競爭力的重要環節[12]。隨著經濟持續發展，我國物流行業規模高速增長，物流需求總量更大，覆蓋范圍更廣，增加了物資的跨區域調度，對物流管理提出了更高的要求。車輛運輸是物流運輸的重要組成部分，然而物流車輛數量多、機動性大，物流車輛的管理一直是困擾物流行業發展的一大難題[13]，傳統的物流車輛管理由于缺乏對車輛的實時監控，造成運輸過程透明度低、信息反饋不及時、定位不精確；其次由于缺乏統一的物流車輛管理平臺，物流公司管理人員與物流司機溝通困難，更無法滿足車輛、司機實時調度，造成空載率居高不下，增加了公司內耗[14]。隨著我國北斗導航系統不斷成熟完善，通過北斗車載定位終端解決物流車輛監控問題成為了可能，就目前應用情況而言，基于GPS的車輛監控系統已經有了廣泛應用，文獻[15-18]基于GPS系統研發了車輛監控平臺，文獻[19]基于GPS技術設計了物流車輛監控系統，作為GPS在物流車輛監控中的典型應用，推動了定位導航技術與物流產業的融合。而基于北斗導航系統的物流車輛監控系統尚未得到廣泛應用。

本文將北斗車載定位終端作為數據采集的工具，研究基于北斗的物流車輛監控服務方案，通過北斗跟蹤確保物流運輸時效性，對于優化物流行業服務模式、提升物流行業服務質量具有理論意義和經濟價值。實時掌握車輛運行狀態，有效保障車輛運行情況，充分發揮物流車輛性能，合理分配資源，能夠提高物流企業運行效率，為物流公司帶來直接的經濟效益；對物流車輛位置信息的實時監管也能降低物資運輸過程中的風險，增強運輸環節的透明度，保障物資能夠安全高效地到達目的地，間接提升物流公司服務品質。綜上所述，基于北斗的物流車輛監控系統將會進一步優化行業資源配置，推進現代物流信息化的發展，提升物流公司經濟效益和競爭力。

2 系統概述

基于北斗的物流車輛監控系統緊緊圍繞我國物流產業發展急需解決的問題，充分利用當前車輛管理平臺作為參考，通過頂層設計、集成開發，以新疆石河子物流公司為依托，以總公司、子公司兩級管理體系為參考，建成一個面向物流車輛的位置服務和信息管理系統。

2.1 北斗終端概述

基于北斗的物流車輛監控系統中，北斗車載終端選用賽格車圣SEG-9888，終端性能參數如下：

通過表1可以看出，物流車輛可以滿足賽格車圣SEG-9888終端的供電需求，賽格車圣SEG-9888終端也能夠適應新疆較為惡劣的運行環境。

表1 北斗終端環境、電源參數表

通過表2可以看出，該終端定位精度高，捕獲跟蹤快，能夠滿足系統快速定位、精準定位的需求。

表2 北斗終端主機參數表

通過表3可以看出，該終端功能能夠滿足物流車輛監控系統位置監控、屬性監測的需求。

表3 北斗終端功能表

2.2 系統數據處理流程概述

基于北斗的物流車輛監控系統通過北斗車載終端采集物流車輛位置信息，同時利用安裝在車輛指定位置的傳感器采集物流車輛運行狀態信息，北斗車載終端發送模塊將獲取到的車輛位置信息、屬性信息按照數據傳輸標準封裝，再經數據通信鏈路發送至系統服務端數據處理服務器，數據處理服務器接收車輛信息，并將數據信息解析后存入數據庫。用戶登錄系統提出服務請求時，監控系統界面將請求提交到監控應答服務器，服務器針對服務請求調用相應模塊處理，并將處理結果在監控系統界面上以專題地圖或其他相應形式顯示。

3 物流車輛監控平臺設計

物流車輛監控平臺是本系統的核心。因此在對系統分析的基礎上對物流車輛監控平臺作進一步描述。

3.1 監控平臺邏輯結構

系統擬通過構建“應用層-邏輯層-數據層”三層架構實現物流車輛監控管理（如圖1所示）。應用層主要負責北斗數據采集和監控服務顯示。邏輯層負責北斗協議的傳送解析、數據存取更新、數據統計分析、服務生成。數據層主要負責存儲解析后的位置、屬性、用戶信息數據。

圖1 物流車輛監控系統邏輯結構圖

3.1.1 應用層。應用層主要包括北斗車載終端和Web客戶端。北斗車載終端是北斗物流車輛監控系統的基礎，為邏輯層提供基本的物流車輛位置數據和屬性數據，北斗車載終端定義了與服務器建立數據通訊的方式、數據傳輸標準、格式，并采用多種傳輸通道，以滿足不同工作狀況下數據傳輸的需要，實現不同工作狀態下的傳輸模式無縫轉接，系統支持的無線傳輸模式有三種：WIFI、短信、北斗短報文。本系統中主要是利用北斗定位技術獲取物流車輛的位置數據，物流車載終端將采集到的位置數據和屬性數據采用北斗通信協議進行封裝，再經過無線數據傳輸模式上傳至服務器指定端口。

Web客戶端為用戶提供便捷的物流車輛監控服務，主要包括B/S客戶端、監控系統二次開發接口，實現地圖快速瀏覽、車輛位置動態監控、歷史軌跡回放、信息管理等基本功能，也可以通過Web客戶端對北斗車載終端下達控制指令。Web客戶端界面基于JAVA_WEB腳本語言開發，通過百度API把邏輯層處理后的數據在百度地圖中顯示出來，并采用AJAX（Asynchronous JavaScript and XML）技術實現異步刷新和局部刷新，最后在Web頁面生成物流車輛監控服務。

3.1.2 邏輯層。邏輯層是物流監控平臺的核心。負責北斗車載終端上傳的位置數據和屬性數據的接收、解析、存儲、管理，以及用戶信息和物流公司信息管理。邏輯層具有數據接收處理、數據管理、監控應答功能。

北斗車載終端數據的接收處理由數據接收服務器完成，數據接收服務器通過無線網絡、計算機網絡實現與北斗終端、數據庫、監控應答服務器的信息交互。數據服務器通過GPRS、WIFI等通信方式建立與北斗車載終端的TCP/IP鏈接，接收北斗位置數據、車輛屬性數據和報警信息數據。邏輯層采用JAVA語言編寫，在MyEclipse集成開發環境中研發，通過創建Servlet對應用層的請求進行封裝、處理并轉發到內層實現與數據庫的交互，并使用MINA框架處理由北斗車載終端的大規模并發數據，整個邏輯層部署在Tomcat服務器上。數據處理服務器中運行的Socket端口監聽程序時刻監聽指定端口動態，有數據包接入時，調用協議解析程序，將數據包中數據解析成位置數據、屬性數據，最后利用Database Management System（DBMS）將數據分類寫入MySQL數據庫中，完成物流車輛監控數據采集。

用戶請求主要由監控應答服務器完成，監控應答服務器負責與用戶進行信息交互，將用戶服務請求轉譯并提交給數據處理服務器，實現用戶與數據服務器的通信。當用戶登錄系統，提出服務請求時，界面通過Servlet將請求提交到數據處理服務器，對于位置服務請求，調用百度地圖API，將位置數據以及相關屬性數據與百度地圖融合生成專題地圖；對于管理類服務請求，數據處理服務器根據請求的服務種類進行初步處理，選擇是否連接對應服務器或者數據庫來進行深入處理。當處理完成后，前端服務器將服務結果通過http協議返回，經AJAX、JavaScript技術在Web界面上以動畫或者其他相應的顯示，實現物流車輛位置數據及屬性數據的可視化。

3.1.3 數據層。數據層是北斗物流車輛監控系統的數據基礎，物流車輛監控系統采用MySQL數據庫管理系統管理數據，數據庫主要由系統數據庫和百度地圖數據庫組成，系統數據庫包括位置信息表、屬性信息表、用戶信息表、北斗車載終端信息表。數據庫設計時，基本思路是以系統功能模塊為主線，首先分別為各個模塊設計必需的數據表，并考慮功能擴展設計相應的擴展數據表，最后考慮各個表之間的聯系，設置相應的主鍵和索引，加快查詢速度。

3.2 監控平臺結構功能

本系統針對物流公司中需要管理物流車輛的用戶研發，為滿足各級物流車輛管理人員對名下車輛實時監控的需要，研究了物流車輛監控平臺業務化運行模式，制定面向物流行業的業務化運行標準和規范，為達到以上應用需求，平臺結構功能設計如圖2所示。

按照結構功能劃分為兩大功能模塊：注冊/登錄、車輛監控服務。其中注冊/登錄模塊是物流車輛監控平臺業務化運行的基礎，車輛監控服務模塊是整個物流車輛監控系統的核心。

注冊/登錄模塊具體操作過程如下：

用戶打開登錄網址，未注冊用戶需要填寫用戶注冊信息，并獲得一級用戶資格；已注冊用戶，輸入用戶名、密碼點擊登錄，等待返回結果；平臺獲取用戶名和密碼后，在數據庫中查找此用戶名、密碼，如果驗證通過則提示用戶登錄成功，并跳轉到平臺主頁；若未查到此用戶名、密碼，提醒用戶名、密碼錯誤，返回登錄頁面。

車輛監控服務下屬七個功能模塊：位置服務、報警設置、信息管理、智能報表、業務擴展、支付服務、其他服務。

圖2 監控平臺功能圖

位置服務功能：位置查詢是本系統最基本也是最重要的功能，該功能基于北斗實現，北斗車載終端將獲取到的車輛的經度、緯度、速度、油量等信息，傳送至監控系統，并在用戶提出車輛監控請求時動態顯示在監控界面上。歷史軌跡功能：本系統能夠完整保存物流車輛行駛軌跡，到達位置、運行區域，并記錄在數據庫中，供以后分析查詢使用。

報警設置功能：設置物流車輛車速上限和行駛區域。

信息管理功能：監控系統對用戶個人信息、物流車輛屬性信息、司機信息等進行分級、錄入、編輯、查詢。

智能報表功能：記錄物流車輛在行駛過程中，越界的報警時間、地點，超速的報警的時間、速度、地點。

業務擴展功能：系統支持快速添加子單位、車輛、司機。

支付服務功能：系統支持用戶通過網銀轉賬的方式購買服務，訂制個性化服務。

其他服務功能：服務的啟用和停止；全國天氣情況查詢和其他訂制服務。

4 系統核心功能實現

4.1 監控平臺異步刷新

監控主界面地圖的實時刷新問題是本系統中需要解決的核心問題之一。用戶在使用平臺監控車輛時，不需要手動向服務器提交請求，就可以查看物流車輛的實時位置變化，該功能的實現在于應用了AJAX技術，該技術使得主界面地圖的實時更新不是以刷新整體頁面的方式，而是以每次都在原有數據的基礎上以增量的方式刷新局部頁面得到實現。

AJAX是Asynchronous JavaScript And XML（異步的JavaS-cript和XML）的簡稱，它不是一項新的技術，而是很多成熟技術的集合。AJAX相當于在瀏覽器和服務器之間加一個中間層，使用戶操作與服務器響應異步化。瀏覽器無需刷新整個頁面就能更新頁面的指定部分內容，使得Web瀏覽器看起來與即時響應的桌面應用程序一樣[20]。

首先用戶登錄系統，進入位置服務中當前位置模塊，瀏覽器開始加載地圖底圖，完成地圖加載后瀏覽器將實例化一個AJAX對象，每5s向服務器提交請求獲取權限內所有車輛的當前位置，監控應答服務器接收請求，查詢數據庫位置信息表中符合條件的位置信息，并將結果返回給AJAX對象，再由AJAX調用Success語句后的標注函數，將車輛位置信息以點的形式標注在底圖上；如果因瀏覽器類型或版本等問題不支持AJAX功能或AJAX傳輸失敗，則執行error語句后的內容，停止計數器，并創建一個XMLHttpRequest對象，將錯誤信息顯示在頁面上的指定位置告知用戶。

用戶點擊代表車輛的地圖標注物時，觸發一個click事件，創建一個XMLHttpRequest對象，然后設定對象中open()和send()方法的參數，指定回調方法，當XMLHttpRequest對象的ReadyState屬性值為4（描述一種“已加載”狀態，此時，響應已經被完全接收）時，向服務器提交請求獲取被點擊車輛的詳細信息，服務器在收到請求后從數據庫相關表中執行符合條件的查詢，并將結果返回處理函數，調用百度API繪制專題地圖，然后以文本字符串的方式返回服務端的處理結果，并將車輛基本屬性信息顯示在被點擊標注物一側。

4.2 大規模并發數據處理

本系統初步裝配20部北斗車載終端，設備每10秒回傳一次數據，每秒鐘數據量最高可達200條，隨著系統中北斗終端數量不斷增加，同一時刻服務器需要處理的數據量也會相應增長。如何提高數據接收服務器的并發處理能力將是本系統面臨的另一個核心問題。為了解決上述問題本系統采用MINA2框架來處理大規模并發數據。

MINA（Multipurpose Infrastructure for Network Applications，即網絡應用多功能框架）。MINA采用Java NIO技術，提供了一個基于傳輸層時間驅動的異步API，能夠幫助用戶開發出高性能和高可用性的網絡應用程序。MINA框架的核心思想是基于事件機制的異步多路復用，即通過使用少量的多線程來接收Socket，然后由線程池來處理阻塞在隊列中的請求，提升了服務器的并發處理能力[22]。

MINA2框架在系統中應用時首先創建一個IoService接口的類，綁定數據處理服務器20000端口，監聽是否有北斗終端數據傳入請求；其次設置實現IoFilter接口的過濾器，當有北斗終端數據傳入請求時，IO線程會將任務交給IoFilter的線程池，由線程池處理具體事務，線程池對應同一個session而言是順序執行的，不會在消息沒有接受完畢之前關閉，因此數量龐大的北斗終端數據會被按傳入順序依次接收，線程池在處理數據時，IO線程被釋放，被釋放的IO線程用以處理其他并發任務；最后設置IoHandler接口實現的處理類，用以解析接收的北斗終端數據。MINA2框架的運用有效保證了北斗終端大規模并發數據的正常接收處理。

5 系統測試

系統測試是系統開發的最后一個階段，也是保證系統質量至關重要的環節，基于北斗的物流車輛監控平臺在正式運行前，需要對其進行全面的測試，以檢驗軟件運行的可靠性及穩定性。經測試本系統已實現安全穩定運行、車輛實時監控、軌跡回放、物流公司信息和個人信息管理的功能。

5.1 當前位置界面

監控界面上部為導航欄，顯示監控平臺七大功能，中部電子地圖上可提供放大、縮小、慣性平移等基本地圖操作，右側為物流公司名下車輛車牌號碼。

輸入：選擇需要查詢的物流車輛，右鍵選擇當前位置查詢。

處理過程：系統將指定車輛與數據庫中車輛匹配，在物流車輛表中查詢到指定的車輛及其最近一次傳送至服務端的位置信息，提取當前位置經緯度傳送至服務端百度地圖API，并在地圖上顯示出來。

輸出：地圖界面上顯示查詢物流車輛的當前位置，如圖3所示。

5.2 歷史軌跡界面

輸入：選擇需要查詢的物流車輛，右鍵選擇歷史軌跡查詢。

處理過程：當查詢物流車輛歷史軌跡時，系統首先匹配選擇車輛與數據庫中車輛，并截取用戶指定時間段中的位置數據，按照時間順序顯示在地圖上。

輸出：指定時間段內的歷史軌跡，如圖4所示。

6 結語

本研究以北斗為支撐，以百度地圖和Java-Web開發技術為研究基礎，結合當今物流行業自身特點及運作流程，設計并實現了基于北斗的物流車輛監控系統。系統充分利用衛星和地面網絡通訊資源，建立物流信息管理通道，構建多層級管理員、用戶信息處理平臺，統一業務數據，實現車輛信息的實時采集、傳輸處理，該系統也是信息采集傳輸技術、衛星定位技術、地理信息技術的綜合應用。初步試用表明，該系統具有綜合集成度高、監控實時性強、覆蓋范圍廣的特性，應用價值高。以北斗為基礎的物流車輛監控系統，是北斗導航技術在我國物流產業中的一個重大應用，擴展了北斗導航系統的應用領域，也將會進一步優化物流行業資源配置，推進現代物流信息化的發展，提升物流行業整體經濟效益和競爭力。

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