基于移動互聯的車聯網監控調度系統架構的設計與實現

尤 飛，姚有林，高竹蓮，徐東升，張 峰，張永恒

（1.榆林學院 信息工程學院，陜西 榆林 719000；2.西安文理學院 軟件學院，陜西 西安 710065）

隨著我國經濟快速發展和人們生活水平的提高，車輛數量增加十分迅速，交通擁堵成為一個嚴重的社會問題。車聯網(Internet of vehicles，IoV)是使智能交通系統(intelligent transport system，ITS)的重要組成部分，已成為物聯網(Internet of things，IoT)領域一個重要分支[1]。車聯網以行駛中的車輛為信息感知對象，使人與車、車與車、車與道路基礎設施之間實現高效的信息交換與共享，從而對人、車、路和交通設施進行智能管控，進而改善道路交通狀況、提高出行效率、延伸信息化應用范圍的綜合信息服務與智能決策系統[2]。

目前可以通過GPS、高清攝像頭、RFID及圖像處理等設備，實現對車輛、交通環境、道路等信息的采集，然后按照一定的通信協議和標準，在車—人—路—環境—網絡—基礎設施之間進行無線通信或信息交換[3]。

文中根據目前車輛行業的需求，針對實際業務，提供了一套在智能交通系統、傳感器網絡技術發展基礎上，利用物聯網感知技術和GPS技術，通過對車聯網無線數據通訊的數據感知和采集，實現交通的物聯化和互聯化，構建智能交通處理架構，提高車輛管理調度的現代化水平。

1 車聯網的體系結構分析

1.1 車聯網總體結構

車聯網主要通過利用先進的通訊及傳感器技術，通過對汽車相關信息的收集、處理和共享，實現車與路、車與車、車與人、車與城市網絡的互相連接，達到智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理目的的一個網絡[4]。從功能劃分車聯網的功能結構，車聯網的體系結構可分為感知層、網絡層和應用層，功能結構如圖1所示。

圖1 車聯網總體結構圖Fig.1 Internet of vehicles architecture diagram

1.2 車聯網的關鍵技術

物聯網是一次技術革命，代表未來計算機和通信的走向，其發展依賴于在諸多領域內活躍的技術創新。物聯網是互聯網向物理世界的延伸，它將網絡的終端由IT設備擴展到生活中的任何物品[1-2,5]。車聯網也獲得了越來越多的關注。在車聯網當中，最核心的部分便是車載通信，在車載通信中可能采用的關鍵技術主要包括RFID技術、衛星定位導航技術、無線通信技術、智能技術、云計算技術、指紋識別技術等[1-6]。

1） RFID 技術。 RFID（Radio Frequency Identification）技術是一種利用射頻通信實現的非接觸式自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合或雷達反射的傳輸特性，實現對被識別物體的自動識別。其中，RFID是一種簡單的無線系統，由閱讀器和電子標簽兩個基本器件組成，可用于控制、檢測和跟蹤物體。目前，RFID技術已經應用到生活的很多領域中，如景區管理、停車廠和管道監測等。RFID具有同時識別多個高速運動物體、讀寫距離遠、數據存儲量大、系統體積小、安全性好、安裝簡便、環境要求低等特點，因此可以把RFID應用到車聯網當中，可以輕松實現車聯網中各節點對監測點的感知功能。

2）衛星定位導航技術。車輛的定位是通過衛星定位導航技術實現的，目前世界上共有4套這樣的系統，分別是美國的 GPS、俄羅斯的”格洛納斯”（GLONASS）、我國北斗衛星（CNSS），以及歐洲的”伽利略”（GALILEO）。在這四大系統中，只有GPS具備了全球定位的功能，其他的只能做到區域定位。衛星定位導航系統具有全天候、高精度、自動化、實時性等特點，用戶只需要一個終端，便可以實現定位和導航的目的。因此在車聯網中，衛星定位導航系統可以為用戶提供電子地圖，實現定位和導航，是不可或缺的部分。

3）無線通訊技術。無線通信技術具有速度快、安全高、布線少、成本低、使用方便等特點，因此可以被廣泛應用在車聯網中，例如3G技術、4G技術、Wi-Fi技術和ZigBee技術等，能夠實現和互聯網的互聯。

4）物聯云技術。物聯網依托射頻識別（RFID）技術、傳感技術、全球定位系統（GPS）、地理信息系統（GIS）等，將物品與后臺各類信息系統連接起來進行信息交換和通信，最終構建起一個集識別、定位、跟蹤、監控和管理等功能于一體的跨媒介網絡[7]。在車聯網中，通過汽車采集到的數據十分龐大，可以通過云計算平臺對數據進行處理并提供各種應用APP。

2 車聯網監控調度系統功能結構的設計

2.1 系統需求分析

車聯網監控調度系統是基于GPS/GPRS車輛監控調度，利用無線通信技術和GPS技術，通過車載終端實現對車輛的實時調度監控、安防報警，為司機提供車輛信息服務，提高車輛的有效利用率，提高車輛運行的安全性和處理突發事件的能力，加強對車輛和司機的管理。

車輛定位系統是按照先進、可靠、長遠發展的要求進行設計，充分體現模塊化系統集成的設計思想。既滿足無線和有線調度管理的功能要求，又滿足手動和自動監控的功能要求，同時考慮系統服務平臺的發展空間，以建設一個高度信息化、自動化的調度監控服務網絡系統為最終目標。整個系統由監控中心、移動監控席、被監控目標等部分組成。

“我？我是個無所為的人，崇尚自由，怎么快樂怎么過。要說喜不喜歡這邊的生活，確實這邊太無聊了，有時候無聊得讓人難受，一成不變的生活從我的青春開始，真讓人無法接受。”無意間我說出了我四年來最真實的感受。

監控中心通過系統云平臺集成，系統設計在一個較高的起點上充分保證系統的可伸縮性和可擴展性，具備相當的通訊、計算機和網絡設備的信息容量及處理能力，并有一定的超前性，軟硬件預留接口，便于維護、升級和擴展，以適應將來整個系統信息化發展的要求。

2.2 系統功能結構

車聯網監控調度系統主要實現下功能：

1）監控調度服務。實現車輛提供定位、調度服務，提高管理透明度、調度可操作性，提高管理能力，從而提高處理效率。

2）安防服務。實現車輛的突發事件、故障、遇險提供自動和人工報警，監控中心實現接警、求助應答服務，減少車輛及人身安全威脅和財產損失，同時能夠保存每個乘客圖像照片，有力保障駕駛員的人身安全和事后取證。

3）信息服務。通過信息廣播的形式為司乘人員提供相關的信息和服務。如路況信息、天氣信息、通知文件、指示等相關信息。

4）車輛管理。通過數據庫對車輛的運行軌跡進行詳細的記錄，可對運行軌跡進行回放跟蹤，實現管理部門對車輛的有效管理。

5）智能導航服務。通過網絡模式，實現監控中心支持下的車輛導航服務。

2.3 系統機構組成

車聯網監控調度系統架構由監控中心、移動監控端、通訊鏈路、車載終端等組成。監控中心是系統的中心。監控中心軟件包括通訊系統、監控終端、數據庫系統等。另外，根據客戶的特殊需求，我們可以設置移動監控端，通過筆記本電腦實現無線上網，通過監控軟件對車輛監控。

系統能支持多種通訊方式，本方案建議采用GPRS通訊方式。GPRS是按流量計費，如果對數據的上傳頻率要求較高建議采用此種方式。可以通過GPRS車載終端實現定位監控，可定時、連續、單點獲取車輛定位信息。同時，也可以實現車輛的調度，實現語音信息調度、信息收發和廣播信息接收。也可以實現超速報警、超越行駛線路報警、安全事故報警、求助報警等。緊急情況下可遠程斷油斷電。

3 系統的設計與實現

3.1 系統功能結構

車聯網監控調度系統功能結構由通訊系統、數據庫系統、監控終端、業務管理系統組成，如圖2所示。監控調度主要實現的功能有：

1）中心接收、處理業務來自系統的所有信息，如車輛定位信息、報警信息、求救信息等。

2）GPS監控功能：在中心GPS監控工作站可以對所有的車輛進行監控，顯示車輛行駛的軌跡，對重點車輛實時跟蹤。中心可以按照職能部門匯集的調度命令，向移動終端發布文字調度命令。中心接收移動終端定制的簡單回復的短信息，并按要求進行存檔和轉發。中心接收報警信息后，可以通過監聽方式進行核警，了解實時的情況，對于有正在執行任務或遇到險情的車輛進行重點追蹤監控。中心對數據庫歷史資料進行存儲。對需要存檔的地圖和軌跡進行打印。顯示車輛各種狀態，如：正常/報警狀態，可用不同顏色顯示。

3）突發事故自動報警：當車輛遇到其他人非法侵入，移動智能終端自動向監控中心發出被盜報警短信息。中心可劃定車輛行駛路線或區域，GPS監控工作站自動報警提示。

4）報警提示功能：監控工作站接收到移動智能終端發出的報警信息，自動顯示對話框并發出聲光報警提示。可設置移動智能終端漫游電話的使用范圍，系統操作人員權限管理，對值班人員身份進行區分。

圖2 系統功能結構圖Fig.2 The system function structure diagram

總中心局域網采用100M以太網，并通過DDN專線與短消息服務中心機房連接。總中心的網絡拓撲圖如圖3所示。

圖3 監控調度系統網絡結構圖Fig.3 Monitoring network scheduling system diagram

本文采用ISP服務器托管方案，用戶只需要自己采購一臺標準服務器托管在電信部門機房或租用電信部門專用服務器，可大大節省該項目的總體投入。如果企業有現成骨干網絡或機房，則可利用已有網絡資源對該項目進行整合。

3.2 總體構架

在邏輯上，GPS定位監控系統由3部分組成，即GPS定位系統、地理信息系統（GIS）和通訊鏈路組成，如圖4所示。從硬件組成上講，GPS定位監控系統也由3部分組成，即監控中心、通訊網絡和車載終端。通過向車聯網無線數據通訊發送呼叫指令，命令車聯網無線數據通訊回傳車輛的定位數據，經過GIS處理后顯示在電子地圖上，可以對車輛實現定位；如果終端連續回傳定位數據，就可以對其進行跟蹤。

圖4 系統總體構架圖Fig.4 The overall framework of system

3.3 監控調度系統的實現

監控調度強調監控人員對車輛的監視與控制，是監控調度系統的基本功能，也是最重要的功能。監控人員為了獲取車輛的定位信息，必須設定呼叫策略，讓車聯網無線數據通訊回傳定位數據，達到追蹤車輛目的，同時，這些數據將被作為歷史數據記錄下來，以便日后查詢；通過向車聯網無線數據通訊發送指令，還能達到控制車輛的目的；通過發送短信，能夠達到調度與信息服務的功能。為了方便操作員的監控操作，增加系統的實用性，系統還具有良好的界面功能和電子地圖操作功能。這些功能都有安裝在監控坐席終端上的監控軟件實現，具體操作可以通過菜單命令、工具欄或者快捷鍵完成。系統主界面如圖5所示。

圖5 系統應用主界面Fig.5 The main UI of system application

4 結論

本文在智能交通系統、傳感器網絡技術發展基礎上，利用物聯網感知技術和GPS技術，通過對車聯網無線數據通訊的數據感知和采集，實現交通的物聯化和互聯化，構建智能交通處理平臺，利用無線通信技術和GPS[8-9]技術，通過車聯網無線數據通訊實現對車輛的實時調度監控、安防報警，為司機提供車輛信息服務，提高車輛的有效利用率，提高車輛運行的安全性和處理突發事件的能力，加強對車輛和司機的管理。

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