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摘要：文章設計了一套基于北斗衛(wèi)星遙感及大數(shù)據技術的分布式城市出行車輛智能交通公共管理系統(tǒng)，對區(qū)域城市出行車輛進行統(tǒng)一的電子標簽身份識別及實時在線數(shù)據收集分析，實現(xiàn)區(qū)域出行車輛差異化精準管理的各項需求。

關鍵詞：北斗導航；車輛管理；大數(shù)據分析

目前隨著物聯(lián)網技術的迅猛發(fā)展，各類傳感技術以及互聯(lián)技術、新一代信息技術、大數(shù)據分析方法等交叉綜合應用為智慧城市生活提供了可選擇的解決方案。2018年12月27日，在國務院新聞辦公室新聞會上，中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其宣布：北斗三號基本系統(tǒng)完成建設，于今日開始提供全球服務[1]。據介紹，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)水平和高程的定位精度均達到10m，測速精度達到0.2m/s，授時精度達到20ns，系統(tǒng)服務可用性優(yōu)于95%。在亞太地區(qū)，北斗系統(tǒng)的水平和高程定位精度更是可達到5m[2]。因此，針對目前城市道路交通存在局部道路及上下班高峰時段的結構化嚴重堵塞的突出民生交通問題，設計了一款基于北斗導航、大數(shù)據分析的城市出行車輛城市車輛公共管理系統(tǒng)，區(qū)域交通主管部門可依據本系統(tǒng)的數(shù)據分析決策制定差異化車輛進入特定路段的管制措施政策，可依據系統(tǒng)的車輛歷史數(shù)據記錄為執(zhí)法提供數(shù)據技術支撐；并可針對實時道路路況的車輛精確數(shù)據及車輛集聚狀態(tài)做出智能化數(shù)據分析和堵塞趨勢告警提示，可提供數(shù)據指令自動實施道路紅綠燈口智能調整，達到城市道路交通結構化堵塞的有效疏導目的；同時通過本項目對區(qū)域車輛的電子身份標識管理及實時運行數(shù)據監(jiān)管，有利于區(qū)域城市車輛的安全及社會治安監(jiān)管，減少車輛盜搶且便于加強社會治安管理工作。

1系統(tǒng)方案

系統(tǒng)通過4G網絡將車輛上安裝的北斗衛(wèi)星模塊采集到的定位數(shù)據、車輛行車環(huán)境的數(shù)據使用TCP/IP模式傳回數(shù)據中心，數(shù)據中心解析收到的數(shù)據包一方面將通信數(shù)據包中的定位信息通過地圖顯示系統(tǒng)顯示出來，另一方面，啟動車輛數(shù)據分析系統(tǒng)分析出車輛差異、路段擁塞情況等。基于北斗導航的城市出行車輛城市車輛公共管理系統(tǒng)系統(tǒng)結構如圖1所示。從數(shù)據傳輸方面分三個模塊設計：車輛數(shù)據采集模塊、數(shù)據通信模塊、綜合應用平臺模塊。總體結構圖如圖2所示。

2數(shù)據采集模塊設計

北斗系統(tǒng)信號質量總體上與GPS相當，北斗衛(wèi)星導航將有利于減緩交通阻塞，提升道路交通管理水平。通過在車載終端上安裝衛(wèi)星導航接收機和數(shù)據發(fā)射機，車輛的位置信息就能在幾秒鐘內自動轉發(fā)到中心站[3]。這些位置信息可用于道路交通管理。本系統(tǒng)采用廣州某公司北斗導航模塊安裝在車輛上，此北斗衛(wèi)星數(shù)據采集模塊數(shù)據通過4G傳入數(shù)據中心。此模塊已經在運營中投入使用，定位精度約10M。北斗衛(wèi)星數(shù)據采集模塊的主要功能就是通過與串口相連接的北斗衛(wèi)星模塊采集當前的北斗衛(wèi)星信息；定位數(shù)據上行轉換模塊把接收到的北斗衛(wèi)星定位信息數(shù)據包以及相關的車輛狀態(tài)信息轉換成約定好的數(shù)據格式以便同網絡通信服務器進行數(shù)據通信，該模塊會將相關狀態(tài)信息組合轉換成一個包含車輛狀態(tài)信息的定位數(shù)據包，然后以設置的間隔時間發(fā)送到網絡通信服務器中。指令下行數(shù)據轉換模塊將網絡通信服務器發(fā)來的命令進行識別后交給車載終端，車載終端則根據具體的指令進行相應的操作。

3數(shù)據通信模塊設計（見圖3）

數(shù)據通信層作為整個系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)的設計，需要對數(shù)據采集模塊的數(shù)據進行一定格式管理，規(guī)定一種方式與數(shù)據采集模塊進行通信，又預留了對上層應用的接口，同時從機制上保證了對數(shù)據采集模塊的通信質量與對綜合應用層的通信質量。本系統(tǒng)數(shù)據通信設計為：上一層數(shù)據采集模塊（北斗衛(wèi)星采集終端）采集到的數(shù)據通過4G接入到網絡通信數(shù)據服務器（數(shù)據中心），數(shù)據中心的數(shù)據通過B/S訪問模式提供給各級管理部門應用終端用戶，或者通過移動網絡提供給移動用戶。本系統(tǒng)中采集模塊的數(shù)據上行轉換模塊的功能是把接收到的信息數(shù)據包以及相關的車輛狀態(tài)信息轉換成約定好的數(shù)據格式以便同網絡通信服務器進行數(shù)據通信，該模塊會將相關狀態(tài)信息組合轉換成一個數(shù)據報文。系統(tǒng)將北斗衛(wèi)星數(shù)據接4G卡通過GSM網絡接入數(shù)據服務器，中間通信仍通過TCP/IP方式建立socket套接字完成通信。數(shù)據通信層還完成以下功能設計：數(shù)據傳輸、原始數(shù)據處理、數(shù)據傳輸協(xié)、容錯處理、數(shù)據格式化、數(shù)據打包、數(shù)據日志等功能。所以，系統(tǒng)設計了兩種數(shù)據包格式分別用于不同場合。數(shù)據格式1（見表1）：幀頭（1字節(jié)）+數(shù)據包長度（2字節(jié)）+數(shù)據包關鍵字（2字節(jié)）+信號采集模塊編號（4字節(jié)）+數(shù)據包具體數(shù)據（若干）+CRC校驗（2字節(jié)）+幀尾（1字節(jié)）。數(shù)據格式2（見表2）：幀頭（1字節(jié)）+數(shù)據包長度（2字節(jié)）+數(shù)據包關鍵字（2字節(jié)）+數(shù)據包具體數(shù)據（若干）+CRC校驗（2字節(jié)）+幀尾（1字節(jié)）。

4軟件部分設計

4.1綜合應用平臺設計

（1）綜合應用平臺在整系統(tǒng)中發(fā)揮以下重要作用：①承擔城市車輛公共管理系統(tǒng)數(shù)據信息的采集、融合、分析及管理工作，為城市車輛系統(tǒng)中的其他交通應用系統(tǒng)提供交通數(shù)據及交通信息支持；②為區(qū)域道路提供路況交通評價等核心模型、算法以及專家預案庫等決策支持；③為城市車輛系統(tǒng)管理提供統(tǒng)一靈活的管理及運行維護工具。（2）綜合應用平臺的用戶所面向的用戶。綜合應用平臺主要面向的系統(tǒng)用戶類型包括幾類：普通司機、交通信息者、交通管理者、交通規(guī)劃者以及交通決策者、以及系統(tǒng)管理的維護人員。（3）綜合應用的系統(tǒng)功能設計如下：①實現(xiàn)數(shù)據采集模塊所采集交通信息的接入；②實現(xiàn)對采集來的車輛道路等交通信息進行加工及處理，通過加工處理使得綜合應用平臺內的交通信息能夠基本滿足應用系統(tǒng)的業(yè)務需求；③實現(xiàn)車輛道路交通信息的存儲功能，同時保證這些信息的存儲性能能夠充分滿足交通信息處理以及應用的需要；④對存儲的交通信息進行大數(shù)據分析，以滿足路況分析與決策、路徑規(guī)劃、交通預警等功能；⑤實現(xiàn)各類交通信息的功能，滿足各交通應用系統(tǒng)各方式的要求。（4）綜合應用平臺的功能具有的特點及要求。①由于綜合應用平臺是一個開放的平臺系統(tǒng)，其內部的處理功能往往受到外部輸入及輸出的影響，這就要求在交通管理綜合信息平臺的建設中能夠充分地考慮到系統(tǒng)的可擴展性和兼容性，以此來減少系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)的工作量；②綜合應用平臺作為系統(tǒng)框架的核心，擔負著城市車輛管理系統(tǒng)核心處理的任務，這就要求在城市車輛管理綜合信息平臺的建設中能夠充分地考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作性能，以此來保證系統(tǒng)高可用性；③綜合應用平臺將形成分布式數(shù)據處理及存儲架構，具備較強的可擴展性，并為交通智能管理提供穩(wěn)定、高效的數(shù)據服務以及提供數(shù)據保證和功能上的保障。（5）綜合應用平臺的功能邏輯設計。根據以上分析，從邏輯設計上綜合應用平臺分為三部分，分別是：設備接入中心、數(shù)據分析中心、綜合應用中心，如圖4所示。設備接入中心面向系統(tǒng)維護人員，數(shù)據分析中心面向交通管理者、交通規(guī)劃者以及交通決策者，綜合應用中心面向普通司機、交通信息者、交通管理者。4.2設備接入中心設計（1）應用框架選擇。接入各類平臺設備，windows用戶、LINUX用戶、移動平臺用戶等。目前基于物聯(lián)網的應用一般具備跨平臺特性，設備接入中心為一類中間接口的設計。軟件程序框架是JAVA、Hibernate框架。Hibernate框架是一個開放源代碼的對象關系映射框架，它對JDBC進行了非常輕量級的對象封裝，使得Java程序員可以隨心所欲地使用對象編程思維來操縱數(shù)據庫。Hibernate可以應用在任何使用JDBC的場合，既可以在Java的客戶端程序使用，也可以在Servlet/JSP的Web應用中使用，最具革命意義的是，Hibernate可以在應用EJB的J2EE架構中取代CMP，完成數(shù)據持久化的重任[4]。這類架構對于中間件的設計是十分便利的。（2）數(shù)據庫設計。設備接入中心的數(shù)據庫使用ORACLE數(shù)據庫，ORACLE數(shù)據庫系統(tǒng)是美國ORACLE公司（甲骨文）提供的以分布式數(shù)據庫為核心的一組軟件產品，是目前最流行的客戶/服務器（CLIENT/SERVER）或B/S體系結構的數(shù)據庫之一。ORACLE數(shù)據庫是目前世界上使用最為廣泛的數(shù)據庫管理系統(tǒng)，作為一個通用的數(shù)據庫系統(tǒng)，它具有完整的數(shù)據管理功能；作為一個關系數(shù)據庫，它是一個完備關系的產品；作為分布式數(shù)據庫它實現(xiàn)了分布式處理功能。在數(shù)據庫的設計上，本系統(tǒng)將遵循以下原則：（1）降低關聯(lián)的復雜性；（2）盡量不使用聯(lián)合主鍵；（3）ID的生成機制，不同的數(shù)據庫所提供的機制并不完全一樣；（4）適當?shù)娜哂鄶?shù)據，不過分追求高范式。

4.3大數(shù)據分析中心

從數(shù)據中心來的數(shù)據是海量的，從這些海量的數(shù)據進行大數(shù)據分析得到智能化模型。本模塊采用行程時間預測、事件檢測等算法得到車輛路徑導航等數(shù)據，此數(shù)據可存于數(shù)據庫，也可直接在前臺顯示于用戶。該模塊也包含車輛身份異常分析、道路交通阻塞情況分析、車輛運行路徑分析、道路交通阻塞預警、非法車輛參與營運預警、行車路徑規(guī)劃、交通發(fā)展規(guī)劃等道路交通預測信息與交通輔助決策信息。其中，OLTP（On-LineTransactionProcessing）為聯(lián)機事務處理過程；OLAP（On-LineAnalyticalProcessing）為聯(lián)機分析處理；IBS（IntegrityBusinessSolution）為完整的業(yè)務解決方案。從數(shù)據倉庫過來的車輛以及道路數(shù)據需要通過軟件進行由淺入深的數(shù)據挖掘，以形成真正的有效的道路交通信息預測以及交通輔助決策功能，圖6顯示了數(shù)據挖掘到數(shù)據分析的過程以及內容。、事件檢測等算法得到車輛路徑導航等數(shù)據，此數(shù)據可存于數(shù)據庫，也可直接在前臺顯示于用戶。該模塊也包含車輛身份異常分析、道路交通阻塞情況分析、車輛運行路徑分析、道路交通阻塞預警、非法車輛參與營運預警、行車路徑規(guī)劃、交通發(fā)展規(guī)劃等道路交通預測信息與交通輔助決策信息。車輛數(shù)據分析方式如圖5所示。圖5車輛數(shù)據分析方式其中，OLTP（On-LineTransactionProcessing）為聯(lián)機事務處理過程；OLAP（On-LineAnalyticalProcessing）為聯(lián)機分析處理；IBS（IntegrityBusinessSolution）為完整的業(yè)務解決方案。從數(shù)據倉庫過來的車輛以及道路數(shù)據需要通過軟件進行由淺入深的數(shù)據挖掘，以形成真正的有效的道路交通信息預測以及交通輔助決策功能，圖6顯示了數(shù)據挖掘到數(shù)據分析的過程以及內容。圖6數(shù)據挖掘

4.4綜合應用中心

綜合應用中心是使用頻率最高的軟件部分，它面向一般車輛管理人員、普通司機，此部分軟件也是整個系統(tǒng)軟件的核心部分。綜合應用中心軟件分服務器端以及客戶端兩部分。服務端軟件主要完成車輛、路況、司機等數(shù)據的上傳下達、數(shù)據庫管理，以及公共接口的設計與使用。客戶端軟件主要是給具體用戶通過發(fā)送HTTP命令獲取來自服務器端的各類車輛、道路信息，達到實時掌握路面車流動態(tài)信息和輔助交通管理的目的。綜合應用中心面向交通部門車輛管理人員在交通管理中心使用的軟件功能如圖7所示。

5結語

目前，國內外車輛管理中車輛的定位數(shù)據所使用的傳感器仍然以GPS定位為主，交通部門對出行車輛的智能交通公共管理系統(tǒng)的應用主要在大城市，還未普及到二、三線小城市。本文主要研究開發(fā)一套基于北斗衛(wèi)星遙感與大數(shù)據技術的分布式城市出行車輛智能交通公共管理系統(tǒng)，對于以上國內外同類城市公共交通智能管理系統(tǒng)產品所忽略的技術及市場需求問題進行補充，突出了以下優(yōu)勢：①針對區(qū)級及二、三線小城市的智能交通公共管理需求，開發(fā)分布式城市出行車輛智能交通公共管理系統(tǒng)，適用于在區(qū)級及二、三線小城市試點實施；②針對區(qū)域城市出行車輛精準管理細分市場需求，應用我國北斗衛(wèi)星遙感技術實現(xiàn)車輛的電子身份升級管理和城市車輛數(shù)據采集，為以后的城市出行車輛差異化智能管理帶來各種的拓展應用功能。

參考文獻

[1]北斗正式提供全球服務[J].電世界，2019（3）：16.

[2]劉建，李晶.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在交通運輸行業(yè)的應用及展望[J].衛(wèi)星應用，2019（3）：28.

[3]陳軍.北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)應用綜述[C]//第九屆全國信號和智能信息處理與應用學術會議專刊，2015.

[4]亮亮.Java開源J2EE框架[N].鳳凰網，2007-01-1.

作者：楊英 單位：廣東交通職業(yè)技術學院