GPS/3G定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及故障檢測技術(shù)研究在船舶上的應(yīng)用

曾連蓀，馬占偉

（上海海事大學(xué) 上海 201306）

我國是一個航運大國，截至2012年底全國擁有水上運輸船舶15.82萬艘，全國內(nèi)河航道通車?yán)锍?2.24萬公里，隨著航運事業(yè)的發(fā)展，船舶朝著大型化、高速化快速發(fā)展。但是民用內(nèi)河船舶在信息化應(yīng)用方面還比較落后，在實際應(yīng)用中存在船舶運力調(diào)用不均衡，海事部門管理不方便等諸多問題，而且隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和市場經(jīng)濟(jì)的需要又帶動了一個新的產(chǎn)業(yè)——物流運輸業(yè)，它對于船舶、車輛運輸和調(diào)度管理、提高經(jīng)濟(jì)效益和提高管理水平也提出了客觀要求。對此，國內(nèi)外許多企業(yè)和公司提出了很多的解決方案，其中之一就是使用基于3G通信的GPS船載定位終端，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和谷歌地圖技術(shù)，以實現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上對船舶進(jìn)行定位跟蹤，為船舶定位的使用單位帶來巨大的便利和經(jīng)濟(jì)上的高效益，同時也極大的方便了海事部門的管理工作。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器和GPS/3G客戶端組成 （見圖1）。GPS/3G客戶端可實現(xiàn)位置信息的采集和傳輸，網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器負(fù)責(zé)接收、解析、展現(xiàn)等數(shù)據(jù)處理和服務(wù)功能。GPS/3G客戶端具備GPS定位和通信功能，由GPS定位模塊和3G模塊組成，前者通過接收GPS衛(wèi)星信號實時采集船舶的位置、速度移動方向等數(shù)據(jù)；后者通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器主要功能包括處理客戶端的連接請求，接收GPS和其他傳感器數(shù)據(jù)，實時掌握船舶運行狀況，并與地理信息系統(tǒng)等應(yīng)用相聯(lián)系，提供跟蹤定位和監(jiān)控調(diào)度等服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1 System components figure

2 系統(tǒng)設(shè)計

研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題：

1)研究了互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議原理，設(shè)計了GPS/3G船載網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，將系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)劃分為三個組成部分：網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器、GPS/3G船載定位終端和數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上方便快捷的對船舶進(jìn)行定位跟蹤。

2)研究了基于TCP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)原理[1]，設(shè)計了基于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器。實現(xiàn)了與GPS/3G車載定位終端的指令設(shè)置和定位數(shù)據(jù)回傳的通信服務(wù)；研究了網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器通信故障的檢測方法和技術(shù)，提出了使用DOS工具命令TELNET方法來檢測服務(wù)是否處于正常偵聽狀態(tài)及定期查詢各個TCP在線連接無數(shù)據(jù)包收發(fā)時間間隔來檢測TCP在線連接狀態(tài)的技術(shù)。

3)研究了GPS定位技術(shù)和移動無線通信技術(shù)[2]，設(shè)計了GPS/3G船載定位終端，實現(xiàn)了GPS定位數(shù)據(jù)的讀取以及通過3G無線網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器發(fā)送GPS定位數(shù)據(jù)包；研究了GPS/3G船載定位終端的通信故障和定位故障，提出了3個檢測方法：第一，向終端設(shè)備發(fā)送短信或?qū)K端設(shè)備進(jìn)行語音撥號檢測3G模塊是否處于帶電工作狀態(tài)；第二，從服務(wù)端查詢3G車載定位終端上傳的數(shù)據(jù)包時間間隔是否大于設(shè)定的來判斷GPS/3G船載定位終端是否網(wǎng)絡(luò)在線；第三，沿著開闊的地段移動GPS/3G船載定位終端，將設(shè)備上傳的坐標(biāo)信息與相應(yīng)位置的坐標(biāo)進(jìn)行比較，以確定GPS模塊的工作是否正常。

4)數(shù)據(jù)庫部分是其他2部分的橋梁[3]。該系統(tǒng)采用SqlServer2012管理儲存數(shù)據(jù)，存儲的數(shù)據(jù)主要包含GPS數(shù)據(jù)、管理參數(shù)和系統(tǒng)日志等內(nèi)容。共設(shè)計了7張表：角色表、配置表、用戶表、功能項表、監(jiān)控記錄表、實時軌跡表和歷史軌跡表。

圖2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System logic constructor

隨著時間的積累，GPS定位數(shù)據(jù)可能達(dá)到幾百萬條的記錄，這樣會影響Web地圖的運行，是數(shù)據(jù)庫設(shè)計時應(yīng)該解決的主要問題。主要思路是：按照使用頻率將數(shù)據(jù)分為活躍數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)。在設(shè)計數(shù)據(jù)庫時將當(dāng)前接收的數(shù)據(jù)儲存于實時軌跡表，當(dāng)數(shù)據(jù)超過一定值后，將定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到歷史軌跡表。而Web地圖監(jiān)控平臺索要調(diào)取的是實時軌跡表內(nèi)的數(shù)據(jù)，從而很好的解決了數(shù)據(jù)過多的現(xiàn)象。

3 網(wǎng)絡(luò)通信與地圖服務(wù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)通信

GPS/3G客戶端將獲取的位置信息通過3G無線網(wǎng)絡(luò)回傳至服務(wù)器（由端口號和IP號識別），由于3G流量資費低，傳輸快更容易擴(kuò)展其他的功能。網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性將影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3G模塊通過3gnet方式接入互聯(lián)網(wǎng)[4]，以TCP協(xié)議方式初始化SOCKET，主動向網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器發(fā)起連接請求。連接建立好后3G模塊就可以GPS/3G船載定位終端通信服務(wù)中接收網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器下發(fā)的“設(shè)置GPS定位數(shù)據(jù)定時回傳的時間間隔”指令，同時以指定的時間間隔向網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)器發(fā)送GPS定位數(shù)據(jù)包。

3.2 Google Map實時位置顯示

Google Map可以通過JavaScript嵌入到網(wǎng)頁的 API，該API提供了大量實用工具用于處理地圖，從而能夠在自己建立的網(wǎng)站上實現(xiàn)較全面的地圖應(yīng)用。

Ajax即異步JavaScript和XML,它使得Web應(yīng)用在交互方面有了質(zhì)的飛躍[5]，提供了一種在頁面無刷新的情況下與數(shù)據(jù)交換的一種解決方案，可以臨時從服務(wù)器端取得信息并可以動態(tài)寫入網(wǎng)頁局部區(qū)域，從而使得原本緩慢地Web應(yīng)用向桌面應(yīng)用一樣快捷。

本系統(tǒng)采用AJAX技術(shù)每隔一定時間在地圖不刷新的情況下讀取數(shù)據(jù)庫已獲得當(dāng)前用戶的實時位置，并通過Google Map API繪制在Google地圖上。

4 系統(tǒng)測試

本測試選在某海邊，實驗周圍較為開闊，測試時將一個GPS/3G終端放在船上從地圖上我們能清楚的對終端位置進(jìn)行監(jiān)控并可查詢其軌跡。

圖3 用戶軌跡圖Fig.3 User locus query

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)整合了GPS、3G和谷歌地圖技術(shù)，可以很好的對目標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)控，對比自建的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)，其可操作性和實時性以及監(jiān)控目標(biāo)數(shù)量都有很大的提高，而且成本優(yōu)勢明顯，覆蓋面廣，維護(hù)成本低。并可拓展到人員位置監(jiān)控、物流車輛監(jiān)控等其他方面[6]。

[1]周忠謨.GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用 [M].北京：測繪出版社，2002.

[2]張華海.GPS定位技術(shù)在地面形變測量中的應(yīng)用[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

[3]王惠南.GPS導(dǎo)航原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[4]胡友健.全球定位系統(tǒng)（GPS）原理與應(yīng)用 [M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2003.

[5]施闖.大規(guī)模高精度GPS網(wǎng)平差與分析理論及其應(yīng)用 [M].北京：測繪出版社，2002.

[6]劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2003.