基于微服務架構的校車安全管理系統設計與應用

周 丹 雷曉玲 章民融

1(上海市教育委員會信息中心 上海 200003)2(上海辛諾信息技術有限公司 上海 200235)3(上海市計算技術研究所 上海 200040)

0 引 言

近年來，校車安全相關事件不斷出現在公眾視野，2012年3月28日國務院第197次常務會議通過并予公布《校車安全管理條例》。根據條例的要求，學校要制定完善校車管理的制度、措施，建立校車安全事件處置預案，明確相關崗位教職工預防和處理校車安全事件的職責;要加強校車管理方方面面的建設；各校要及時發現、調查處置校車管理存在的隱患，避免和防止上下學和外出活動的校車事故。

上海市目前仍然缺少對于校車相關信息進行管理的信息化工具。希望通過項目的實施，以信息化為基礎，實現對分散在全市的近1 500輛校車的嚴格管理、動態管理和長效管理，可以減少和避免意外事故的發生。通過校車安全管理系統建設，能使學校的校車管理數據實現集中的采集、共享和管理。

1 系統需求分析

使用安全可靠的信息采集方式來監控、追蹤、識別車輛并記錄乘車學生信息，獲取車輛行車路線的追蹤和車內影像信息，實現安全信息預警和報警，深化校車運行安全考核，建立黑白名單等措施。對校車的保養狀況、合同等進行管理。在市級的GIS平臺上開發校車定位與跟蹤功能。具體功能如下：

司機和車輛信息管理：隨車老師可以記錄出車的車輛牌照、司機姓名、性別、駕駛證號、車輛的維護記錄、租賃的運輸公司、合同、服務水準等信息。司機和車輛信息可以通過二維碼進行維護，隨車老師打開APP掃描二維碼即可快速獲取司機和車輛信息，隨車老師進行確認。

行車信息管理：系統設置發車、學生上車、學生下車、達到、緊急事故等按鍵，隨車老師可以一鍵點擊記錄行車過程中的動態信息。其中學生上下車時，可以由隨車老師維護上下車的學生信息，也可以通過掃描學生的二維碼獲取信息。按鈕點擊之后，系統后臺會自動獲取當前的時間和GPS信息，并保存到系統中。

乘客核對與通知：由于系統中維護了學生的上下車信息，隨車老師也可以隨時核對應該坐車的名單。如果有學生遲到，隨車老師也可以通過APP中維護的家長聯系信息直接聯系家長。

行車路線管理：系統中維護校車行進的標準行程，在實際行駛時，通過GPS功能系統會隨時記錄車輛當前所在的方位，在地圖上標識出動態的行進路線。并可以實時查看預設路線和實際路線的偏離狀況。

車內視頻監控：校車內的視頻監控系統可以實時記錄下校車內的影像資料，如果發生校車安全事件，可以對影像資料進行備份和存儲。

事故上報和處理：校車相關事故上報，包括學生的傷害情況進行上報。支持圖片、視頻、語音等，事故上報后按既定流程流轉到各個環節批示處置。并對事故發生類型、處置過程、處置結果、損失、學生傷害情況等進行總結。對有典型意義的事故編輯成案例，對圖片、視頻、語音文檔等進行歸檔管理。

隨車老師APP：開發安卓和IOS版本的手機APP，功能包含發車登記、上下車登記、聯系人查詢、事故上報和處置、視頻會議、查詢和匯總等。

2 微服務架構介紹

微服務架構是近年來流行的一種架構，核心思想是將一個大型的、復雜的應用，按照業務需求的獨立性和重復使用的頻率分解為多個小的應用，每一個小應用都只關注與完成自身的功能要求，都可以獨立地部署，應用和應用之間是松耦合的，小應用可以通過RPC或者API等方式進行通信或者被調用。而且分解出的每一個微服務，都可以單獨交給不同的開發團隊來開發，開發團隊可以自己選擇開發技術，只需要保證每一個微服務都提供API服務，實現服務之間的通信。在本次項目當中，為了避免混亂和降低后續維護成本，只采用Java技術。

采用微服務架構，從業務功能上來講，將復雜的大型應用分解為多個微服務，保持了功能的完整性，又解決了原系統的復雜性；從技術開發角度，可以分解給到多個團隊并行開發，每個團隊可以選擇自己熟悉的開發技術，而且由于小模塊化了，后續有新的技術時，可以按照模塊逐個替換和升級；從部署的角度，每個微服務都是獨立部署。這樣就不再需要協調服務部署的時候對于其他服務的影響。

3 系統總體架構設計

整個系統總體設計思路是采用微服務架構，在我們這個項目中，會涉及到五大應用，這五大應用初看似乎完全不同，但細細分析，其中有很多組件是可以復用的，甚至可以在未來的應用中重用。

微服務架構分為兩層，底下一層是根據五大應用綜合分析、抽象出來的各種不同的服務。每一種服務都完成了對某一種特定資源的操作，對于這些服務，我們又稱之為元服務，即提供服務的最小單位。比如基礎信息管理服務完成了跟基礎信息有關的服務，包括校車的基本信息、設備的基本信息等。它所提供的服務有基本信息錄入、基本信息查詢、基本信息修改、基本信息刪除等。同理，視頻監控服務操作的資源是監控攝像頭和監控錄像；乘車信息服務操作的資源是乘客，包括學生和隨車教師。這些元服務足夠精細，因此重用性得到保證。安全管理微服務總線是所有元服務接入的統一平臺，同時微服務總線也需要將接入的元服務進行進一步的裝配，實現某一特定的業務功能。這種裝配工作是通過圖形化開發工具進行。經過裝配的服務，還可以再次組合，從而逐層構造出復雜的業務服務接口供上層使用。

復合應用層是針對某一特定應用實施的，包含了特定的前端頁面，以及這些頁面對后端服務的調用。由于復雜的業務邏輯都已經由服務層實現，因此復合應用層就無需考慮這些業務。其在實施時的關注重點是用戶體驗。

在復合應用層開發好的前臺頁面將按照市教委統一門戶的要求，嵌入到門戶平臺中。其系統架構圖如圖1所示。

圖1 系統架構圖

4 功能模塊設計

校車安全管理系統具備對學校的校車基礎信息、運行信息、乘客信息、相關事件信息集中收集、管理、整合功能，從而幫助建立信息完整、內容豐富的校車管理資料。校車安全管理系統應以統一標準、統一流程、統一管理為原則，建立統一的信息標準化處理方式、建立統一的信息發布流程、建立統一的信息流轉機制，以滿足上下級之間、同級之間信息流轉的需求。其功能結構圖如圖2所示。

圖2 詳細功能結構圖

針對其中的部分核心模塊說明如下：

司機信息管理：含司機清單、司機資質、司機資歷、司機體檢記錄，司機所屬租賃公司、司機所屬的學校等信息的采集。

車輛信息管理：含車輛清單，車輛保險信息、車輛保養記錄、車輛大修記錄、車輛二維碼、車輛性質(租賃、學校自購等)。

租賃公司管理：租賃公司清單、租賃公司資質、租賃合同文本，往期合同執行情況與評價。

乘客基礎數據：對每個隨車老師、乘車學生記錄二維碼、IC卡等方式的身份識別數據，數據來源部分通過接口獲取，部分人工維護。

日常路線管理：校車的上放學標準行駛路線、主要停靠站點記錄，車載LED顯示器上也會顯示器相應的地點，車載拾音器會及時播報到達的站點及下一站點名稱。

學生信息：車輛乘坐的學生、隨車老師及各站點上下車信息記錄，并通過無線傳輸技術傳到系統平臺，讓家長和管理員及時知道學生是否安全上下車。

圖9表明：產品為純七鉬酸銨，無雜質物相。圖10表明：七鉬酸銨中值粒徑為12.36μm，粒徑分布較均勻，分布范圍較窄。

計劃路徑與GIS地圖：根據學校提供的計劃路線主要停靠點信息，將校車行駛的標準路徑GPS信息在四維地圖上標識出來，并開發維護界面給學校進行地圖路線拖拽調整。

偏離路線報警功能：管理者可以對車輛的運輸行駛路徑設定規定的行駛路徑范圍,一旦超出設定的路徑,則系統會自動提示報警。電子圍欄分為駛入設定區域報警和駛出設定區域報警，偏離營運線路報警設定的限值為半徑0.1 km。車輛違章越界行駛記錄都會在系統中自動記錄。

事故上報：當發生安全事故時，使用安全管理平臺，校車事故上報，上報現場學生的傷害情況。支持上傳圖片、視頻、語音等。

5 系統實現

5.1 校車GIS信息采集

目前學校的校車都已經安裝GPS信息收集儀器，該系統采用ARM926 400M處理器AT91SAM9X35+H.264媒體處理器GM8180的雙核結構，內嵌自主裁剪的LINUX操作系統。

目前GPS可以精確定位，但也存在定位盲區。可視衛星數量少于4顆或進入大樓時， GPS不再有定位功能。特別是車載環境下， 多徑效應較嚴重， 即使不進入隧道， 遮擋物及車速都是造成定位失效的原因。

為此，引入了慣性導航技術(Dead Reckoning)，該技術采用加速度慣性陀螺及增強卡爾曼濾波算法EKF(ExtendedKalmanFilter)，盲區問題已經得到很好的解決，即使在大樓或隧道深處等區域，GPS依然能準確定位。

加速度慣性陀螺或車輪轉速脈沖傳感器采集實時及歷史加速度信息，慣性導航基于一個簡單的準則，即加速度在時間上的積分確定位移，縱橫位移確定方向。對GPS定位信息并不是簡單的修正，而是采用擴展卡爾曼濾波方法EKF對環境和速度位置等動態變化引起的各種誤差進行實時修正。

通過對EKF建立動態觀測方程對誤差進行實時修正的聯合卡爾曼濾波；EKF觀測方程可簡單表達為：Z=H·X+V。其中，X為狀態變量、H為觀測函數、V為觀測噪聲，Z為定位輸出，只要設計合適的狀態更新策略，可以實現精確估計。動態的含義是，在GPS信號質量好和差時，或根本就沒有信號時，濾波系數會根據狀態方程動態調整。該方法常應用在艦船和飛機導航、目標跟蹤等領域。EKF具有其遞推算法簡單、數據存儲量小和實時性好等特點。

同時，校車隨車老師會隨身攜帶裝有校車管理APP的手機，由于校車與手機的GIS信息一致，通過采集手機GIS定位信息，也可以定位到校車當前的位置。系統同時收集這2類數據，以校車GPS信息為主，當校車GPS信息無法獲取時，同樣也會參考APP收集的GPS信息。

車載GPS信息收集儀器一般每10 s上傳一次位置給所屬單位的后臺服務器。校車GIS信息采集子模塊分別連接各校車所屬單位的后臺服務器，獲取GPS信息。接口以Web Service為主，若對方無法提供Web Service接口的，則定制對接方式。本子模塊最終提供給上層服務的接口統一為Web Service類型。

校車管理APP同樣也是10 s上傳一次數據，該數據將直接傳輸到本子模塊所在服務器。上傳接口將使用Web Service接口實現。

數據獲取后，統一保存在本服務所屬數據庫中。在線數據庫保存90天內的GPS數據，超過90天的數據將移至歷史數據庫中。

5.2 校車視頻監控數據采集

校車視頻監控數據通過車輛上安裝的無線車載終端經過4G網絡可以上傳到視頻文件系統服務器上，學校安全管理中心系統通過接口可從視頻監控系統獲取監控錄像。針對可能存在部分的校車無法通過4G網絡進行實時視頻傳輸的情況，我們會首先完成與視頻監控系統的接口開發工作，后續校車設備升級后可以將實時數據傳輸到視頻服務器上，我們即可以通過該接口獲取實時的視頻數據。

5.3 PC端應用技術實現

PC端應用將采用HTML5+Javascript開發，整體頁面設計將采用響應式設計，采用Bootstrap兼容框架，通過頁面柵格兼容各種分辨率的桌面和移動設備的顯示器。

5.4 移動端應用技術實現

移動端應用采用Ionic開發框架，并且采用同樣的發布方式同時生成下載移動應用的二維碼。用戶使用移動設備掃碼二維碼后，將安裝或更新設備上已經安裝的應用。

為了支持離線瀏覽和使用，本系統將采用移動端SQL Lite作為本地數據的臨時存儲。在網絡連通時，移動應用將下載必要數據到本地設備，以便網絡不通時使用。用戶提交數據時將檢測網絡是否暢通，如果網絡不通則將數據保存到本地臨時存儲，網絡連通時再上傳服務期。本地臨時存儲的敏感數據將進行3DES加密,保證敏感數據的安全性。

根據系統需要，移動應用將需要獲取移動設備的部分權限，包括攝像頭權限、GPS權限等。用戶在使用移動設備記錄學生上下車信息以及其他相關信息時，移動應用將自動獲取當前GIS位置信息，并同時記錄到服務器數據庫中。

6 結 語

基于微服務架構的校車安全管理系統在上海市學校安全管理中心建成運行以來，在上海市第四聾啞學校等單位進行了廣泛應用。在實踐中，校車行駛經過長江西路隧道、龍耀路隧道等長度在4～5 km左右的黃浦江江底隧道時，也能夠根據GPS定位修正算法計算出位置，并且在能夠獲取GPS信號后，幾乎無縫進行信號的切換，提高了校車數據采集和處理的效率。

管理部門或責任方通過訪問基于微服務架構的校車安全管理系統，查看車輛的實時位置、車內的實時監控以及學生的上下車信息，可以對校車的運行安全情況予以判斷，及時對校車運行管理工作進行指導。系統為校車運行管理人員提供了一種方便有效掌握校車實時狀況的途徑，對校車的安全管理提供了有效保障。

隨車老師可以通過基于微服務架構的校車安全管理系統，可以實時上傳各個站點的上下車學生信息，與校車乘坐計劃進行比對，及時發現異常狀況并于家長進行聯系確認。

同時，為教育主管部門、學校總務、隨車老師提供了一種方便的途徑，查看校車的實時位置、車內的實時監控和每一站乘坐的學生信息，改變了以往在事件發生后進行追責的工作方式，使得校車安全管理工作更加及時、有針對性。而且采用了微服務架構，待以后新功能不斷增加時，可以實現近乎線性的擴展，大大提升了系統的健壯性。