一種基于移動目標數據庫技術的物流監控系統

[摘要] 物流管理和監控是企業信息化的重要組成部分。如何利用先進的定位技術、通信技術、地理信息技術、計算機信息處理技術來實現物流管理，具有重大的意義和廣泛的應用前景。本文通過引入移動目標數據庫技術，設計和研究探討一種以GPS為系統定位技術，GSM為系統通信手段，GIS為地圖支撐的基于移動目標數據庫技術，建立在Internet平臺上的先進的物流監控系統。

[關鍵詞] 移動目標數據庫 軌道定位技術 物流監控系統

物流管理是企業管理的一個重要分支，對于企業來說，系統的物流管理尤為重要。物流管理是企業建立成本優勢的有效手段，是贏得市場競爭優勢的重要支撐。因此，現代企業要改變傳統的物流管理觀念，設計或購買適用的物流管理系統，運用先進的物流管理技術，提高物流競爭力。

物流監控是物流信息化建設的重要部分。如何利用現代先進信息技術，合理、安全、高效地進行監控、管理物流運輸，關系到企業整體物流能否有效運行。因此對物流的定位、跟蹤、監控能否有效地實施就顯得更為重要。

物流監控主要包含以下的問題。首先，物流的運動空間范圍跨度大，如何對物流進行定位、通信和顯示;其次，物流被作為一種移動目標，數據庫模型如何表示其特性，如何提供軌道預測計算，提供各種查詢操作，如何進行物流監控;最后，Internet是覆蓋全球的信息平臺，如何利用Internet平臺為系統管理員、操作員提供方便好用和滿足各種監控要求的管理界面。

本文重點討論移動目標數據庫技術，闡述基于此技術和GPS/GSM/GIS技術的監控系統的設計和實現。限于篇幅，對GPS定位系統、GSM移動通信系統、GIS地理信息系統不作詳細介紹。

一、移動目標數據庫技術

移動目標數據庫(moving object database)是專門應用于對移動目標進行管理的數據庫技術。其有別于一般數據庫技術的重要特征之一，就是不僅可以對移動目標，如車輛、移動資源，在數據庫記錄的時刻進行位置查詢，而且可以對不同記錄時刻之間及未來時刻的位置進行查詢。其研究的首要問題是建立移動目標的運動和位置更新模型。

目前有大量依靠其他輔助設備(如GSM網絡)定位的盲終端設備(如移動電話)，以及可以自己定位的智能終端設備(如物流車輛)，需要對它們建立合適的運動及位置更新模型，以便監控和服務移動用戶。

1.簡單定位技術及缺點

定位管理，也稱即時位置信息管理，它的基本功能是建立目標的即時方位信息的模型。實際應用中通常的目標有移動電話、掌上電腦、便攜式計算機等通信設備。這些設備是移動的，方位信息由定位技術更新。現在常用的定位技術有GPS、測量網絡、單元定位技術。

目前在大多數情況下采用一種簡單方案，即：對于每一個移動目標，周期地產生一個方位——時間點(a，t)，表示物體在時間t處于位置a上，a是坐標(x，y)，或是單元編號。方位——時間點存儲在用DBMS管理的數據庫中，使用SQL語言來檢索定位信息。

這種方案有幾個缺點:(1)不能提供插值和未來的位置查詢。(2)會導致嚴重的系統開銷，移動目標清晰精確的位置信息圖需要頻繁的定位更新，這樣需要消耗大量的帶寬和計算機資源。(3)現在的數據庫對于象移動物體方位這樣不停變化的數據的處理效果不好，存在著軟件開發上的困難。

2.軌道定位技術

本系統中采用軌道定位技術。在這種方案中，首先取得移動物體的起止位置信息(例如，目標物體在早上某時從某地出發，目的地是另一地)。然后，借助于電子地圖和目標在每一個路段發回的距離和時間信息，就可以建立軌道。

在定義軌道之前，先要定義電子地圖的格式。電子地圖是一個關系表。表上每一元組代表一個城市街區。元組的主要屬性有：

Polyline(多邊形)，用于表示一個區域，區域多邊形使用坐標序列表示：(x1，y1)，(x2，y2)，......，(xn，yn)。由這些坐標序列依次兩點連線便構成一個區域。

Meters：街區的長度，以“米”為單位。

Drive Time:從街區的一端到另一端的行駛時間。以“分”為單位。

移動目標z的路徑由起點，起點時間，終點給出。另一個可以獲得路線的途徑是已有的GPS。這條路徑用P(z)來表示。由P(z)所代表的整個路徑形成的多邊形被稱為L(z)。

假設行程有一個開始時間，對于L(z)上的每一條路徑，通過使用Drive_Time屬性，可以由目標z在該路徑起點的開始時間計算其到達該段終點的時間。這條確定的軌道L(z)記作c——trajectory。c——trajectory給出了移動目標的路徑和目標在路徑上每一點的時刻，即序列(x1，y1，t1)，(x2，y2，t2)，......，(xn，yn，tn)。這個序列(即c——trajectory)表示目標在起點的坐標是(x1，y1)，時間是t1，接著它在直線段上以勻速運動，在時間t2到達(x2，y2)點。它繼續以勻速運動，在時間t3到達(x3，y3)點，以此類推。因為運動目標并不總是按直線勻速運動，所以c——trajectory是運動目標在時空中的近似的按期望的運動。當直線段足夠多時，這種近似的方案可以達到任意的精度。

c——trajectory存儲在服務器的數據庫和移動目標的計算機上。在ti和ti+1之間的時間t的任意點，服務器可以通過插值方法計算出目標在該時刻的期望位置。由此可以解決點——方位管理中的第一個問題。軌道定位管理允許插值和預測。

最后，在每一條路徑P(z)上，當且僅當移動目標偏離其預定軌道的預期位置的時候，移動目標才向服務器更新其位置。移動目標如何在任意點及時計算其偏移量呢？移動目標每2 秒種收到GPS定位信息，因此它可以在任意點及時測得自己的真實位置。移動目標有和服務器完全一致的軌道，通過預測它可以計算自己在同時刻的預期位置。二者相減可得偏差值。當偏差值超過一個閾值時，移動目標便向服務器發送含有自己真實位置的短消息。服務器收到移動目標發送的定位更新信息后修正自己的軌道數據，存入數據庫中。

移動目標和服務器之間的協作解決了點——方位定位技術的第二個問題，系統開銷大大減少。當移動目標基本上“按計劃”運行時，即當其偏離預期軌道不超過一個閾值或偶而超過時，定位信息的更新量可以達到很小，甚至完全不更新。特殊地，當移動目標“按計劃”運行的時候，也就是說，當它偏離預期軌道不超過期望值的時候，就不需要為更新信息而消耗資源。

3.數據存取操作

對于簡單定位技術的第三個缺點，可以采用這種方法來克服，即引入新的操作符集合以實現對數據庫數據的存取。這些操作符用來檢索數據庫，設置觸發器。它們可以同在商業數據庫系統中廣泛使用的SQL查詢語言相結合，用戶可以同設置傳統數據庫的查詢條件一樣，使用新的操作符完成他想進行的各種查詢和設置觸發器。而且這些操作符也可以進行“與”“或”“非”等布爾運算，并且被客戶端上的用戶以命令的方式或圖形的方式使用，也可以提供給更復雜的時間——空間應用程序開發使用。

這些新的操作符分為三類，對單一軌道的操作符、對固定位置的區域內的多條軌道的關系操作符、對軌道之間的關系操作符。這些點查詢、范圍查詢、連結查詢，在數據庫中是相互獨立的，同時又可以進行松散組合，完成各種各樣的查詢要求。

對移動目標數據庫的管理采用SQL Server數據庫平臺和ArcView GIS的面向對象的編程語言Avenue編寫和實現。

二、物流監控系統設計

“基于移動目標數據庫技術的物流監控系統”融合全球衛星定位系統GPS、地理信息系統GIS、全球移動通信系統GSM、移動目標數據庫技術，可實現全天候衛星定位 、電子地圖顯示和Internet平臺實現物流監控等功能。通過采用移動目標數據庫技術，使系統具有很高的實用性能和擴展能力。系統由定位系統、無線通訊系統、中心監控系統構成。GPS是本系統的定位支撐，提供定位平臺。GSM是本系統的無線通訊系統，提供對定位信息的無線傳送功能。中心監控系統是由構建在GIS平臺和移動目標數據庫技術上的物流監控系統。

其主要過程如下：

需要監控物流車輛時，由系統發出查詢指令，被監控車輛上的車載GPS終端接收GPS衛星發來的定位數據，并根據衛星發來的數據自動計算出車輛所處的地理位置信息。地理信息數據經車載無線調制解調器，封裝成短消息報文，再由車載無線電通訊裝置發射到GSM無線網絡，GSM無線網絡將定位信息的短信報文發送到監控中心的定位信息采集機。定位信息采集機利用無線調制解調器將車載GPS終端發回的地理信息數據還原，通過RS232口被采集到計算機，經過處理后，存入監控中心的數據庫服務器。監控服務器綜合采集到的物流車輛地理信息數據和GIS服務器提供的電子地圖等功能，實現電子地圖匹配，并在地圖上顯示坐標點的正確位置，即車輛的動態位置，運用移動目標數據庫技術，進行定位、跟蹤和監控。

當需要對物流車輛進行調度時，管理服務器根據數據庫中的物流、車輛記錄信息，向調度信息發送機發送調度控制命令。調度信息發送機將調度控制等命令封裝成短消息，經GSM無線網絡，發送到車載終端。車載終端將接收到的調度短消息經過處理，就能得到調度控制命令，實現對物流的遠程調度。

三、系統誤差分析

在實際應用中，車輛監控系統也存在著一些問題，如定位精度和實時性的問題。由于GPS定位信息通過GSM無線通信系統進行遠程傳輸，必然存在著傳輸延時，因此對車輛定位實時性會帶來一定的誤差，從而影響定位精度。從理論上說，當傳輸的最大字節不超過150字符時，發送一條短信平均延時4秒。實際上，加上各種延時，不通話的情況下，平均延時5.5秒。假定車輛平均速度為40Km/h，則5.5秒內車輛已經行駛了60米。對于這類誤差，可以采取軌道推算的算法來減少誤差。

除傳輸帶來的延時誤差，GPS車輛定位的精度還受GPS本身誤差及地圖誤差的影響。對GPS本身的誤差，可以采取差分的方式大部分消除。對于地圖誤差，可以盡量選取多個合適的控制點進行地圖校準以較少誤差。

對于預測定位，誤差同預測的時間長度有關系，時刻離現在越遠，預測定位誤差越大。可以通過增加定位信息采集頻率和改進定位算法來減小預測誤差。

四、小結

本文結合GPS/GSM/GIS、移動目標數據庫技術進行了Internet物流監控系統的研究和開發。該系統可以對大量的如多達幾百輛的車輛物流進行實時監控，高效地對多目標進行跟蹤、顯示。

隨著現代社會對物流監控的要求日益提高，以及隨著計算機技術和通信技術等科學技術的日新月異，移動目標數據庫的功能和物流監控的功能有待于進一步提高。這其中包括：軌道管理的自動計算；定位不確定性管理；用戶界面的完善；車輛越界報警、事故報警、中心和車輛遠程通話等等。這就要在實踐的基礎上進一步開發和完善。

參考文獻:

[1]崔偉宏:《空間數據結構研究》.北京:中國科學技術出版社， 2000

[2]O.Wolfson.《Moving Objects Information Management: The Database Challenge》.http://www.cs.uic.edu/~wolfson/mobile_ps/ngits02.pdf