寬體自卸車遠程監控和智能管理系統的設計和實現

趙健英，屈亞堃

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027）

傳統的寬體自卸車輛管理與維護存在時效性差、管理成本高等諸多問題，寬體自卸車智能管理系統提供了一種高性價比、管理成本低、實效性好的解決方案，可有效降低管理成本，提升管理水平與運營效率，具有重要的經濟價值與現實意義。該系統實現了對寬體自卸車的遠程監控與智能管控，同時還實現了提前預警、運行分析及數據通信等功能。

1 系統功能需求分析

寬體自卸車多用于礦山開采、道路建設等場合，其使用環境具有氣候惡劣、地形復雜、任務重、危險性高等特點[1]。因此，在功能性需求方面，系統要實現車輛啟停狀態、位置與行駛軌跡、維保與預警提醒、影像監控、運行分析與實時調度、數據通信等功能。在不同用戶群體功能需求方面，駕駛員對監控與智能管理系統的應用側重GPS定位、數據通信等；現場管理人員如維修人員、基層管理人員等，更側重啟停狀態、車輛位置與行駛軌跡、影像監控、預警提醒等；管理層更加關注運營分析、預警、維保及能耗等[2]。

綜合分析寬體自卸車使用環境特點、系統功能性需求以及不同用戶群體的功能需求，該監控與智能管理系統需要實現車輛監控、預警管理、報告分析以及系統設置等功能。在非功能性需求方面，該系統需要具備一定的穩定性與可靠性且易用并達到實際的速度與精度要求。

2 系統框架結構

該系統從功能上可以劃分成數據采集和通信、數據中心及用戶服務三大部分。數據采集和通信模塊由車載終端實現，車載終端安裝在車輛的駕駛室內，主要負責采集車輛狀態與行駛軌跡等實時數據，并將采集到的數據使用無線通信模塊傳輸至服務器，與此同時數據中心對這些數據進行分析并給出相應分析報告或預警提醒[3]。其硬件部分主要包含數據采集、數據處理、影像監控、無線通信、數據存儲以及衛星定位模塊等。該數據采集與通信模塊運用了北斗定位、UART端口視頻監控、總線數據通信以及無線通信等多種技術。用戶服務即系統應用，主要為不同用戶群體提供相應的服務。數據中心是遠程監控與智能管理系統的核心，負責收集數據信息并分析與下發指令。數據中心使用TCP/IP來實現數據傳輸，統一管理所有注冊車輛，具備備份、遠程聯網、增容及數據共享等功能。該寬體自卸車智能管理系統主要包括車載終端、數據庫、Web應用與移動App應用等部分，具體的系統框架見圖1。

圖1 系統框架圖

3 系統框架搭建

該系統由硬件系統與軟件服務平臺組合而成，采用分布式架構，以使系統具備更好的并發性與穩定性。其中，應用層使用集群部署，配合高效連接池，同時引入負載均衡以負責處理高并發業務請求，框架選用SPING、IBATIS及STUTS2。手機接入部分分為接入服務器與消息服務器兩大部分，其中消息服務器負責推送消息，應用MINA NIO架構，與移動App保持長連接來實現告警、通知等信息的實時傳輸；接入服務是移動業務接入的門戶，具有實時交互、認證、流控與鑒權等功能。業務接口層借鑒SOA原則，用來滿足應用層與第三方平臺的各種業務需求，發揮數據業務總線的作用。通信使用MINA NIO架構，并通過優化與改進來達到高效并行的通信能力。數據庫運用多線程入庫處理與容錯機制，再配合DBCP高效連接池可實現高效入庫。

4 車輛定位與遠程數據傳輸

4.1 車輛定位GPS

車輛定位GPS主要借助全球定位系統來完成車輛的定位與監控，同時其與遠程監控和智能管理中心相連來實現遠程監控與智能控制車輛。車輛定位GPS主要組成部分是用戶裝置、空間部分以及地面控制，其中，地面控制由檢測站、通信輔助系統、主控站以及地面天線等組成；空間部分由分布在若干軌道平面的衛星組成；用戶裝置由GPS接收機與衛星天線兩部分組成。其向寬體自卸車智能管理系統提供多地區、全天候的車輛位置、速度及行駛軌跡等信息。基本定位原理是對接收的多顆GPS衛星的信號進行計算，然后得到車輛的位置、速度及行駛軌跡等信息，一般來說，最少需要4顆不同的GPS衛星的信號才可以實現準確定位。常見的定位方式有動態、靜態、絕對以及相對定位四種。

4.2 GPRS通信技術應用

GPRS作為一種無線通信技術，支持移動設備在信號覆蓋范圍內使用無線數據網絡來傳輸數據。其相較于傳統通信技術，利用分組交換技術，而非電路交換技術，將數據包直接傳遞至無線網絡，因此，具有高效、成本低、資源利用率高、傳輸快等優點。

4.3 CAN總線技術應用

CAN是多主機局部網的一種，具有通信距離短、傳輸速率快、成本相對低等優點，因此被廣泛應用于多種控制設備、環境控制及工業自動化等方面，適用于設備分布較分散、實時性要求較高的場合；屬于多主結構，適用于節點相對多的場合；基于串行通信總線，任意節點都能接收網絡中廣播的數據信息，適用于數據共享多的場合。

4.4 數據車載終端設計

在設計車載終端時，要綜合考慮精簡性、可靠性、經濟性及可擴展性，終端在實用的同時要盡可能小型化，數據及硬件系統應具備一定的可靠性，要選擇性價比較高的模塊并預留一些擴展接口。該車載終端由電源、無線通信、控制單元、總線傳輸以及GPS等模塊組成。

衛星定位模塊使用北斗與GPS雙模方式來為車輛提供位置、速度及行駛軌跡等信息；通信接口主要包括CAN與LIN總線，開關量與UART端口，RS-232、RS-485及USB接口等；視頻監控模塊具有拍照與錄像功能，可按照系統下發的指令進行拍照操作；數據采集與處理模塊利用CAN總線采集發動機運行狀態信息，利用開關量端口與LIN總線來采集車輛狀態信息，利用RS-485與RS-232接口來傳輸衛星定位信息，利用UART端口來采集影像信息，數據處理模塊對這些信息進行處理并將其直接傳輸至無線通信模塊；無線通信模塊通過盲區補傳來確保數據連續性，2G、3G和4G兼容；數據存儲模塊借助硬盤存儲器或SD卡來存儲采集的實時數據；電源模塊具有斷電保護功能，當設備遇到突然斷電的情況，可以及時通過備用電源來正常關機，從而避免數據丟失；語音模塊的功能有超速行駛與疲勞駕駛語音提醒，通過語音播報實現指令下發，通過語音對講完成通話。

5 遠程移動客戶終端設計

5.1 系統開發遵循原則

寬體自卸車智能管理系統開發需要遵循如下原則：①整體性原則。該系統要從整體出發，一方面要兼顧不同系統之間的協調性與一致性，另一方面要根據緊急與重要程度依次實現系統的各種功能。②安全性原則。在核心部件上需要準備應急方案，當某一設備發生故障時，及時切換備用設備以確保整個系統的穩定可靠運行。③擴展性原則。要充分考慮到未來可能出現的業務需求，同時還要考慮接口的標準化，從而便于未來系統的擴容與升級。④可靠性原則。要做好單點故障預防工作，同時還應具有分析統計與提前預警等功能，以此來保障系統能全天候連續可靠工作。⑤易用性原則。相關工作人工通過簡單培訓就可輕松上手使用系統，可以迅速掌握核心模塊的使用方法，可以通過簡單操作完成軟件的相關配置以及硬件備件備品的更換等。

5.2 遠程移動客戶終端接入功能架構

對于移動客戶端接入，寬體自卸車智能管理系統在原有功能的基礎上進行了改造，相應地添加核心服務層、消息推送服務、App接入服務以及管理平臺等子系統。核心服務層不僅處理終端的核心業務，還能夠被應用層與業務接口層調用。消息推送服務是指系統利用第三方軟件向手機應用實時推送相關消息。App接入服務作為移動客戶端接入平臺入口，主要負責手機終端的協議轉換與適配、接入與鑒權等，同時支持第三方平臺和應用層的業務需求，為Web應用與手機客戶端提供一致的業務支撐。車聯網管理平臺向用戶提供數據模板定制與用戶權限限定等服務，寬體自卸車智能管理系統中的超級管理員可以為駕駛員、基層管理人員、管理員等不同角色用戶賦予不同的權限，與此同時還會約定消息的格式與推送內容。

5.3 遠程移動客戶終端功能結構

Android客戶端功能結構主要包括UI展現層、業務層、通信層以及持久層。UI展現層僅用來完成用戶交互與UI展現。業務層用于監聽事件、響應UI與處理業務邏輯，主要包括AsyncTask、Service、監聽以及其他業務邏輯等。通信層實現其與服務器之間的TCP與HTTP交互，其中報文與HTTP交互使用JSON處理組件就可處理，TCP通過長連接的方式實現與服務端的交互，并通過發送心跳信息的方式維持與服務端的連接，這一層的方法經業務層封裝后可以被UI展現層使用。持久層用于持久化存儲數據，SharedPreference用于存儲全局配置信息，而Sqlite用來存儲業務數據等。

5.4 基礎服務平臺搭建

基礎服務平臺可實現服務接入、終端接入、信息同步等功能。服務接入主要包括服務接入、登錄、通信及鏈路維護等一系列操作，主要流程是，系統在接入時對權限與用戶密鑰進行匹配，匹配成功后給用戶終端下發指令，允許用戶進行相應的操作，同時與用戶終端完成必要的數據交互。終端接入是指車載終端得到授權許可后與核心服務層進行數據交互的過程。信息同步內容包含SIM卡及車輛信息的同步。此外，基礎服務平臺實現的核心業務有協議轉換、消息路由、服務鑒權、終端鑒權與服務監控等。

6 結束語

綜上所述，本文中設計的寬體自卸車智能管理系統實現了數據采集與處理、數據分析與統計、影像監控、車輛定位與預警功能等，該系統的應用不僅可以幫助相關管理人員更好地掌握施工現場的實時情況，還能有效提高寬體自卸車的運行效率與可靠性。未來，通過持續改進與優化該系統，可將更多先進、智能化技術增加到系統中，如專家系統、自主學習等，以更好地為工程建設提供服務。