基于3G傳輸網(wǎng)絡(luò)的道路氣象預(yù)警系統(tǒng)

衛(wèi)紅 王小輝 莫忠 曹一鳴 劉志宇 陳霞

（廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院）

0 引言

隨著我國（高速）公路的持續(xù)快速發(fā)展以及汽車保有量不斷攀升，預(yù)計(jì)到2015年，全國公路總里程將達(dá)到450萬公里，高速公路總里程將達(dá)到10.8萬公里[1]。道路建設(shè)的發(fā)展給人們出行帶來極大便利，但天氣條件的變化，特別是極端惡劣天氣，給車輛的行駛帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)，不僅嚴(yán)重影響交通運(yùn)輸，而且還會(huì)造成生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。據(jù)交通部路網(wǎng)中心監(jiān)測統(tǒng)計(jì)，近5年來，我國公路交通平均每年因惡劣天氣及其次生災(zāi)害導(dǎo)致交通阻斷的比重達(dá)到60%，平均每年因水毀災(zāi)害造成的公路直接損失達(dá)312.6億元[2]。

鑒于雨、雪、霧、積雪、結(jié)冰等氣象條件對(duì)道路運(yùn)行都有直接的影響，2011年交通部發(fā)布的《交通運(yùn)輸“十二五”發(fā)展規(guī)劃》提出“依托氣象監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，逐步形成覆蓋全國重要干線公路和沿海港口的氣象預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)惡劣氣候6小時(shí)內(nèi)預(yù)警”的規(guī)劃。本文以此類道路氣象條件為監(jiān)測目標(biāo)，開發(fā)一套基于3G傳輸網(wǎng)絡(luò)的道路氣象預(yù)警系統(tǒng)，使道路管理部門掌握精確的氣象資料和天氣預(yù)報(bào)，各路段根據(jù)各自的地形及氣候特點(diǎn)，結(jié)合路段交通狀況，制定自己的應(yīng)急預(yù)案，以保證道路的行車安全和順暢。

1 系統(tǒng)總體技術(shù)方案

本系統(tǒng)利用現(xiàn)代信息技術(shù)，以溫度、濕度、降雨量、降雪量、雷電、冰雹等氣象監(jiān)測為核心，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)道路各路段及關(guān)鍵點(diǎn)的各種氣象狀況，并通過3G通信網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)信息及時(shí)傳送到道路管理部門，為氣象監(jiān)測服務(wù)部門和交管部門提供實(shí)時(shí)、科學(xué)的決策依據(jù)。

基于3G傳輸網(wǎng)絡(luò)的道路氣象預(yù)警系統(tǒng)基本功能架構(gòu)如圖1所示，主要包括4個(gè)模塊功能。

1)前端氣象要素采集單元

利用各種氣象要素傳感器，采集系統(tǒng)位置的溫度、濕度、降雨量、降雪量、雷電、冰雹等氣象信息。

2)氣象信息分析與監(jiān)控傳輸終端

氣象信息分析與監(jiān)控傳輸終端為系統(tǒng)處理的核心設(shè)備，用于接收并分析處理前端的氣象要素傳感器信息，在設(shè)備內(nèi)對(duì)氣象條件做出判定，并通過內(nèi)置的3G模塊，將氣象信息傳送至后臺(tái)服務(wù)器。

3)3G傳輸網(wǎng)絡(luò)

由運(yùn)營商提供的3G傳輸網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[3-4]，用于氣象信息的傳輸，同時(shí)移動(dòng)基站為每臺(tái)設(shè)備提供定位服務(wù)（location based service，LBS），方便后臺(tái)管理軟件直觀地管理每臺(tái)終端設(shè)備。

4)預(yù)警監(jiān)測管理平臺(tái)

預(yù)警監(jiān)測管理平臺(tái)服務(wù)器實(shí)時(shí)收集并處理各采集點(diǎn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要設(shè)計(jì)各種業(yè)務(wù)模式，如：① 短信方式通知管理員，某監(jiān)測點(diǎn)需緊急處理；② 業(yè)務(wù)服務(wù)器提供電子地圖，直觀形象地顯示監(jiān)測點(diǎn)信息；③ 生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表、圖表數(shù)據(jù)供長期保存；④ Web網(wǎng)管電腦供在線查看；⑤ 發(fā)布至道路顯示屏，供過往車輛查看；⑥ 對(duì)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行管理和配置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程在線固件升級(jí)。

圖1 系統(tǒng)基本功能架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的3G傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用3G傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將道路沿線各站點(diǎn)采集到的氣象及地理數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸?shù)降缆饭芾碇行?，其核心部分是?shù)據(jù)傳輸與組網(wǎng)，采用目前較成熟CDMA2000的3G傳輸制式。

本系統(tǒng)選用的傳輸模塊為CDMA 1X EV-DO模塊，支持話音、短信及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。3G網(wǎng)絡(luò)的接入?yún)f(xié)議由模塊實(shí)現(xiàn)，終端通過UART接口控制模塊的工作狀態(tài)及收發(fā)數(shù)據(jù)。終端和業(yè)務(wù)服務(wù)器通過UDP通信，終端連接網(wǎng)絡(luò)后主動(dòng)向業(yè)務(wù)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)包進(jìn)行地址注冊(cè)，注冊(cè)終端可以接收業(yè)務(wù)服務(wù)器或上位機(jī)發(fā)出的指令。測量終端在緊急情況下（例如網(wǎng)絡(luò)連接不上）可用短信方式和業(yè)務(wù)服務(wù)器或預(yù)設(shè)的管理手機(jī)通信。

2.1 系統(tǒng)內(nèi)LBS定位技術(shù)的應(yīng)用

本系統(tǒng)應(yīng)用LBS、基站定位等3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建系統(tǒng)平臺(tái)。LBS技術(shù)是依托移動(dòng)運(yùn)營商的 GSM、CDMA無線電通訊網(wǎng)絡(luò)或GPS等定位方式獲取移動(dòng)終端用戶的位置信息，在地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）平臺(tái)的支持下，為用戶提供相應(yīng)定位服務(wù)：利用移動(dòng)電話測量不同基站的下行導(dǎo)頻信號(hào)，得到不同基站下行導(dǎo)頻的到達(dá)時(shí)刻或到達(dá)時(shí)間差，根據(jù)該測量結(jié)果并結(jié)合基站的坐標(biāo)，即可計(jì)算移動(dòng)電話的位置。其與GPS定位的比較如表1所示[5]。

本系統(tǒng)利用運(yùn)營商現(xiàn)有平臺(tái)（包括 LCS中間件以及GIS系統(tǒng)）構(gòu)建3G傳輸網(wǎng)絡(luò)方案，圖2為實(shí)現(xiàn)LBS應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)模型。其中包含定位操作平臺(tái)、LCS中間件、GIS系統(tǒng)、面向最終用戶的SP/CP系統(tǒng)（提供電子地圖數(shù)據(jù)、POI信息的內(nèi)容提供商）、終端。設(shè)計(jì)中 LBS技術(shù)的應(yīng)用涉及到眾多實(shí)體，但本系統(tǒng)身的設(shè)計(jì)及應(yīng)用較為簡潔：系統(tǒng)通過基站定位獲得位置信息后，將自己的坐標(biāo)信息上傳到服務(wù)器端口即可。此方案適應(yīng)于我國LBS方式下GIS系統(tǒng)研發(fā)起步晚的現(xiàn)狀，解決了SP/CP難以自己構(gòu)建獨(dú)立的GIS系統(tǒng)的發(fā)展瓶頸。

表1 LBS與GPS定位的比較

圖2 在3G系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)LBS應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 基于SNMP的網(wǎng)管軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套基于 SNMP協(xié)議的網(wǎng)管軟件系統(tǒng)。軟件具有的功能有：修改設(shè)備配置參數(shù)、監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、控制設(shè)備運(yùn)行/停止動(dòng)作、查詢?cè)O(shè)備記錄等。軟件設(shè)計(jì)思路為：1)軟件頁面用HTML制作，HTML負(fù)責(zé)頁面布局、頁面元素等靜態(tài)內(nèi)容的呈現(xiàn)，供客戶訪問；2)動(dòng)態(tài)內(nèi)容在HTML中插入JavaScript程序，通過jQuery庫提供Ajax模塊自動(dòng)刷新及調(diào)用接口，方便選取頁面元素；3)通用網(wǎng)關(guān)接口采用 C語言開發(fā)，訪問數(shù)據(jù)庫；4)數(shù)據(jù)庫采用mysql，當(dāng)管理大量雪雨量數(shù)據(jù)時(shí)，用文件存儲(chǔ)會(huì)非常不方便，故用數(shù)據(jù)庫代替；5)Web服務(wù)采用CentOS 6.2系統(tǒng)自帶的 Apache Web服務(wù)器；6)地圖服務(wù)采用開源的Baidu地圖。

網(wǎng)管軟件及應(yīng)用服務(wù)器作為系統(tǒng)管理員對(duì)系統(tǒng)管理的常用接口，其設(shè)置是本系統(tǒng)研發(fā)的重要組成部分。系統(tǒng)采用SNMP協(xié)議，其作為專用于IP網(wǎng)絡(luò)中管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（服務(wù)器、路由器、交換機(jī)及HUBS等）的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層協(xié)議，被網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商、軟件開發(fā)者及終端用戶廣泛選用。SNMP使網(wǎng)絡(luò)管理員能夠管理網(wǎng)絡(luò)效能，發(fā)現(xiàn)并解決網(wǎng)絡(luò)問題以及規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)增長。通過SNMP接收隨機(jī)消息及事件報(bào)告，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)獲知網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題[6-7]。

基于 SNMP的網(wǎng)絡(luò)管理框架及通信過程流程如圖3所示。SNMP一般不直接命令操作，而是通過對(duì)MIB中的對(duì)象修改來實(shí)現(xiàn)功能。通信過程為：請(qǐng)求實(shí)體按請(qǐng)求構(gòu)造ASN11對(duì)象→該對(duì)象連同SNMP名、源地址、目的地址發(fā)送給鑒別實(shí)體→加密后返回→請(qǐng)求實(shí)體依此構(gòu)造ASN11報(bào)文→編碼→發(fā)送給傳輸層→接收協(xié)議實(shí)體接收→語法分析→構(gòu)造相應(yīng)的ASN11對(duì)象或核對(duì)SNMP版本（失敗即丟棄）→根據(jù)數(shù)據(jù)中SNMP名選擇相應(yīng)的SN2MP描述表→按規(guī)定的MIB訪問方式處理PDU→對(duì)MIB進(jìn)行相應(yīng)的存取操作。

圖3 基于SNMP的網(wǎng)絡(luò)管理框架及通信過程軟件流程圖

3 結(jié)語

本文介紹了一種基于3G傳輸網(wǎng)絡(luò)的道路氣象預(yù)警系統(tǒng)，可全面而準(zhǔn)確監(jiān)測交通氣象測量參數(shù)，使路面狀況危險(xiǎn)度指標(biāo)化；并配套開發(fā)了易安裝、易維護(hù)、高可靠性、低維護(hù)費(fèi)用的中心站軟件監(jiān)控管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有多種本地和遠(yuǎn)程通信方式、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、監(jiān)控范圍廣、微功耗設(shè)計(jì)、靈活的架構(gòu)可以隨時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)道路沿線氣象狀況及時(shí)地進(jìn)行監(jiān)測、分析和采取有效的應(yīng)急預(yù)案，對(duì)保障道路過往車輛和人身財(cái)產(chǎn)的安全有著積極作用。本系統(tǒng)同時(shí)可結(jié)合其它的擴(kuò)展應(yīng)用，開發(fā)成一種交通氣象監(jiān)測專屬設(shè)備，使道路上的車輛駕駛者可以實(shí)時(shí)接收行駛路段的天氣情況，以避免在惡劣的天氣條件下蒙受重大損失。

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