基于北斗衛(wèi)星定位的物流平臺的設計與實現(xiàn)

陳啟鋒莫家勤

（1.廣西壯族自治區(qū)公安廳交警總隊高速公路管理支隊，廣西 南寧 530000；2.桂林大為通信技術有限公司，廣西 桂林 541004）

基于北斗衛(wèi)星定位的物流平臺的設計與實現(xiàn)

陳啟鋒1莫家勤2

（1.廣西壯族自治區(qū)公安廳交警總隊高速公路管理支隊，廣西 南寧 530000；2.桂林大為通信技術有限公司，廣西 桂林 541004）

基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在定位、導航方面的廣泛應用以及國家對北斗應用的大力推廣，面對我國物流行業(yè)存在的回程車輛難以找到貨源，發(fā)貨方難以找到空閑運力，造成的資源浪費情況，以及物流車輛難以定位、難以調控的問題。基于北斗衛(wèi)星定位技術，結合無線通信、WebGIS、WebSocket等技術，建立物流平臺，提供物流車輛精確定位、車輛的統(tǒng)一調控管理、車輛跟蹤、發(fā)貨收貨等功能，充分解決物流車輛管理問題，提高空閑資源利用率，推動北斗導航和物流行業(yè)的融合，提升物流行業(yè)信息化程度。

北斗；物流平臺；定位；信息化

1 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（下稱北斗）是我國自主研發(fā)和運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它具有定位精度高、可全天候使用、通信快捷和運營價格低廉等特點，可廣泛應用于交通、水利、石化和海洋等國民經濟領域。我國的北斗二代已具備區(qū)域服務能力，衛(wèi)星導航與無線通信進入一體化融合發(fā)展，形成集定位、無線通信和互聯(lián)網于一體的應用，將迅速提高人們對導航與位置服務的認知度和依賴程度。2013年我國自行研制的北斗開始為中國和周邊亞太地區(qū)提供定位導航授時服務，在定位、導航、授時、識別、事件檢查方面有了廣泛的應用［1］。

目前，我國交通運輸?shù)臋C動性、可達性和效率還比較低，經濟發(fā)展和社會運轉成本相對較高。我國全國道路運輸貨運車輛運輸效率和規(guī)模化、組織化、集約化程度不高，運輸協(xié)調、調度及綜合控制能力較弱，使得貨運車輛平均實載率較低。存在的普遍問題是：一方面，貨運車輛在長途運輸運抵貨物后，表現(xiàn)為外地的返程車，具有極強的目的性（須返回出發(fā)地）和時效性（不能等太長時間），導致尋找貨源面臨著許多困難，空載率相當高［2-3］。另一方面，擁有大量貨物的貨主因為無法有效找到合適的車輛承運，負擔著較高的運輸費用，使生產成本上升。這就形成了一個怪圈，一方是“貨找車”，想多快好省地把貨運出去，而另一方是“車找貨”，充分利用空閑資源獲取更多效益。物流車輛的管理面臨的問題主要有：難以實時掌握車輛具體位置，回程車難以找到貨物配載，車輛難以調度［4］。

基于此，筆者提出了建設一套基于北斗衛(wèi)星定位的物流平臺的解決方案，用于解決物流車輛管理過程中面臨的問題。此平臺是一個集北斗衛(wèi)星定位技術［5-7］、GSM通信、WEBGIS技術［8］、物聯(lián)網及計算機技術于一體的物流車輛管理平臺，提供物流車輛管理、人員及貨物追蹤管理、北斗定位跟蹤等，能有效解決物流企業(yè)管車難、找車難、配貨難、跟蹤難、信息斷層等問題，提升物流車輛的利用率，提高車輛配載率，對車輛、人員及貨物的有效管理和跟蹤定位。

2 系統(tǒng)概述

基于北斗的物流平臺是軟硬件集成的系統(tǒng)，硬件模塊負責車輛運行狀態(tài)、實時圖片、定位數(shù)據(jù)的獲取，同時需要完成將數(shù)據(jù)上傳到服務中心的任務，硬件模塊的關鍵是基于北斗衛(wèi)星定位的車載終端；軟件模塊是系統(tǒng)的核心，需要實現(xiàn)所有信息的統(tǒng)一管理，同時提供給用戶和管理者使用和管理的接口，滿足用戶參與到物流運輸環(huán)節(jié)的所有需求，軟件模塊一套是基于.NET技術開發(fā)的系統(tǒng)，整體架構如圖1所示，終端通過北斗衛(wèi)星定位，通過 GSM網絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器，通信服務器通過監(jiān)聽特定的端口接收終端上報的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理、存儲，用戶和管理中心通過向應用服務器發(fā)送網絡請求獲取信息，并使用系統(tǒng)的各項功能。

圖1 系統(tǒng)總體架構

車載終端生產廠家較多，選用的時候需要考慮終端的使用性能，經過多次對比選型，本系統(tǒng)選用的是廈門雅迅網絡生產的汽車行駛記錄儀 GK-110R7，該終端具有系統(tǒng)精確定位、音頻采集、視頻接入、各類信息采集、數(shù)據(jù)存儲、安全告警等重要功能，符合本平臺的要求。

物流車輛管理平臺軟件包含用戶平臺、中心平臺和數(shù)據(jù)存儲平臺三個主體部分。通過用戶平臺考驗查看可用的運力或者可供運輸?shù)呢浽矗瑢崿F(xiàn)發(fā)貨或運貨，同時可以管理個人的運單信息，以及實時查看本人貨運的實時運輸情況。中心平臺負責車輛管理調度，以及查看車輛的實時視頻或者圖片信息，并對車輛狀態(tài)進行異常報警監(jiān)管，車輛指派管理，實現(xiàn)據(jù)進行統(tǒng)計分析，提供報表展示。數(shù)據(jù)存儲平臺包括數(shù)據(jù)庫服務器、通訊服務器、應用服務器等，負責獲取車載終端實時上報的視頻、圖片、位置信息，并進行數(shù)據(jù)分析和處理，提交到數(shù)據(jù)庫中存儲，同時需要響應用戶由網頁端發(fā)送過來的請求信息，將信息及時提交到前端進行顯示。

3 物流平臺軟件設計

3.1 系統(tǒng)架構層次設計

基于北斗衛(wèi)星定位的物流管理平臺集成了北斗衛(wèi)星定位技術、無線通信技術、GIS位置信息技術和計算機數(shù)據(jù)處理技術，由于系統(tǒng)平臺的復雜性，經過對各個子系統(tǒng)功能的抽象分解，以及考慮系統(tǒng)中關鍵環(huán)節(jié)對系統(tǒng)性能和容量的影響，從應用和程序實現(xiàn)的角度出發(fā)，最大限度的保證系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)共享和低耦合度。將系統(tǒng)分為不同的層次結構進行開發(fā)實現(xiàn)，即UI層、業(yè)務處理層、訪問接口層、通信接入層、數(shù)據(jù)存取層和轉發(fā)接入層。分層結構如圖2所示，此分層機制在保證系統(tǒng)性能穩(wěn)定，邏輯清晰的同時，也給系統(tǒng)的擴展帶來了極大方便。

圖2 系統(tǒng)架構層次圖

通信接入層，主要負責和物流車載終端之間通信鏈路的管理，位置數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)的接收，命令的下發(fā)。將該層次與業(yè)務處理層明顯地分離開，可以將數(shù)據(jù)獲取和業(yè)務處理分離開。

業(yè)務處理層負責數(shù)據(jù)處理，包括來自于物流車載終端的數(shù)據(jù)處理和UI層提交的業(yè)務數(shù)據(jù)請求處理。并負責把各類業(yè)務數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)存儲層進行數(shù)據(jù)存儲。

數(shù)據(jù)存儲層負責系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取操作，系統(tǒng)用SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫主要由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和百度地圖數(shù)據(jù)庫組成，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括車輛信息表、位置信息表、用戶信息表、終端信息表、告警信息表等。

訪問接口層負責接收客戶端請求，用戶的所有數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)接收操作均通過此層次進行轉發(fā)處理，用戶請求會通過該層次轉發(fā)到業(yè)務處理層進行處理，訪問量過大時，此處會成為系統(tǒng)瓶頸，需要采用負載均衡技術實現(xiàn)請求的分發(fā)，提升系統(tǒng)并發(fā)能力。

轉發(fā)接入層將UI層對終端的命令下發(fā)請求進行轉發(fā)，通過此層次實現(xiàn)UI層和車載終端的數(shù)據(jù)通信。

按照分層的設計，UI層將無需過分關心系統(tǒng)內部的復雜實現(xiàn)，只需要按照規(guī)定好的接口獲取需要展現(xiàn)的數(shù)據(jù)即可，專注于用戶交互和UI體驗方面的問題。

3.2 系統(tǒng)功能設計

本系統(tǒng)的研發(fā)是為了解決“貨找車”和“車找貨”的問題，同時需要實現(xiàn)對車輛運輸路線的實時跟蹤，因此在功能設計的時候需要滿足用戶和企業(yè)兩個方面的需求，既要包含針對用戶使用的平臺功能，也要包含企業(yè)管理的功能，基于此，我們完成了如圖3所示的功能結構。

圖3 系統(tǒng)功能結構圖

用戶平臺提供給用戶查看平臺上的空閑運力和貨物資源，給用戶提供資源信息的獲取，用戶注冊后可以進行信息發(fā)布和個人信息管理，同時可以查看訂單信息以及運輸車輛的實時運行情況。

企業(yè)管理平臺是平臺運營企業(yè)進行貨運管理的接口，可以對車輛、終端、客戶、訂單等信息進行統(tǒng)一管理，有效實現(xiàn)車輛的運行狀態(tài)實時監(jiān)控和調控。

4 關鍵技術分析

物流車輛管理系統(tǒng)需要獲取大量車載終端上報的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)最關鍵問題是如何保證系統(tǒng)的高效性、穩(wěn)定性和實時性，這需要系統(tǒng)能夠快速、精確、全面的獲取車輛狀態(tài)和定位數(shù)據(jù)，同時將處理后的信息實時動態(tài)地傳遞到監(jiān)控中心，因此，數(shù)據(jù)接收處理和實時傳送成為本系統(tǒng)的兩大關鍵技術問題。本文在解決這些關鍵問題時，基于SuperSocket開源框架實現(xiàn)終端接收服務［9］、MSMQ作為消息隊列［10-11］、WebSocket頁面接收服務［12-14］，通過三者的結合，構建車載終端與前端頁面、數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)通道，保證數(shù)據(jù)在車載終端、用戶頁面、數(shù)據(jù)庫之間實時傳遞。

4.1 數(shù)據(jù)接收處理

SuperSocket是一個Socket服務器框架，框架內部實現(xiàn)了對Socket編程操作的封裝，在性能上、可拓展性上都有很出色的表現(xiàn)。該框架底層實現(xiàn)基于SocketAsyncEventArgs和線程池技術。主要為高性能通信服務器應用程序而設計，能夠顯著的改善服務器程序的性能。Supersocket通過以下三個步驟實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和處理：

4.1.1 定義連接類

在SuperSocket中，每個TCP連接都對應著一個Session對象，通過Session對象實現(xiàn)對TCP連接的操作，SuperSocket連接類中實現(xiàn)了連接接入、連接斷開、連接請求處理等方法，通過這些方法可以很方便的對TCP連接進行處理。

4.1.2 定義接收過濾器協(xié)議

接收過濾器作用是根據(jù)設定的格式接收固定形式的數(shù)據(jù)，過濾器的定義可以繼承框架中提供的模板，也可以根據(jù)自己的需求自定義新的數(shù)據(jù)形式。過濾器協(xié)議負責接收符合形式的用戶請求，接收數(shù)據(jù)時，還需要對用戶請求類型進行分析，每種請求都需要進行專門的業(yè)務處理。SuperSocket中，所有的客戶端請求都會被實例化為RequestInfo類，該類包含了key和body屬性的定義，根據(jù)key屬性可以判斷請求的類型，從而進行相應的業(yè)務處理。因此在過濾器中還需要將客戶端請求實例化為RequestInfo類型。由于在北斗終端中，消息格式是由標準規(guī)范嚴格定義的，因此RequestInfo類中的key屬性可以和消息ID對應起來，根據(jù)消息ID判斷請求的類型，從而實現(xiàn)業(yè)務處理的分發(fā)。

4.1.3 定義命令類

命令類其實就是業(yè)務處理類，每一種請求都由一種命令類對應，處理該請求的具體業(yè)務，因此在服務器設計中，需要定義多個命令類。SuperSocket要求每個命令類在定義時都需要繼承 CommandBase類，該基類中實現(xiàn)了抽象方面ExecuteCommand，所有的業(yè)務操作都在該方法中完成。由于車載終端的消息ID都為數(shù)字形式，命令類類名無法直接使用數(shù)字定義，難以實現(xiàn)類名和消息ID的對應，因此需要對命令類的Name屬性進行重寫，將消息ID和命令類類名對應。對應的方法如下代碼段所示：

public override string Name ｛ get ｛ return "00-02"； ｝ ｝

其中return語句之后的字符串為消息的ID。

4.2 MSMQ消息隊列

在進行系統(tǒng)設計時，考慮到系統(tǒng)的業(yè)務處理速度有可能跟不上接收請求的速度，導致系統(tǒng)無法及時處理請求，甚至會丟失部分用戶請求。本文引入消息隊列的處理機制，將獲取的請求全部存放到隊列中，業(yè)務模塊處理時，直接從隊列中獲取請求信息，這樣保證了數(shù)據(jù)的完整性，同時，當數(shù)據(jù)量增大時，可以方便地拓展系統(tǒng)的業(yè)務處理能力，實現(xiàn)異步處理數(shù)據(jù)，提升系統(tǒng)的總體性能。

MSMQ是微軟的消息隊列，能夠實現(xiàn)不同應用間的異步通信，消息的發(fā)送者把自己需要發(fā)送的信息放入一個叫做Message的容器中，并將其保存至系統(tǒng)公用空間的消息隊列中，本地或者是異地的消息接收程序從該隊列中取出消息進行處理。開發(fā)時，先添加windows組件中的消息隊列組件，引入命名空System.Messaging，MSMQ消息隊列支持同步和異步兩種消息類型，同步方法使用的是Peek（）和Receive（），異步使用的是：Beginpeek（）和 Beginreceive（），兩者沒有本質區(qū)別，都是封裝好的方法，只要在程序中直接創(chuàng)建MessageQueue對象，通過對象來調用這個方法就能完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

4.3 WebSocket實時更新

在WebSocket出現(xiàn)之前，網頁數(shù)據(jù)的實時更新實現(xiàn)方式都是通過輪詢來完成，最常見的是采用AJAX技術實現(xiàn)長輪詢，完成頁面的異步刷新，實際上，這種方式不能算是真正的實時。WebSocket能在瀏覽器和服務器之間進行全雙工通訊，其本質是維護一個介于瀏覽器和服務器的TCP連接，保證數(shù)據(jù)在兩者間的快速實時傳遞，以主動的方式進行數(shù)據(jù)更新，保證了信息的實時顯示。

采用WebSocket進行進行數(shù)據(jù)更新，需要完成服務器端和客戶端的設計，服務器端本質上是TCP服務器，但是有別于通用的TCP服務器，此服務器需要處理WebSocket握手信息，負責處理頁面發(fā)送過來的TCP請求并建立起服務器和瀏覽器的數(shù)據(jù)連接通道，才能進行數(shù)據(jù)收發(fā)。本文中，通過在SuperSocket框架中加入WebSocket協(xié)議并完成相應的瀏覽器數(shù)據(jù)請求處理來建立服務器端。客戶端負責發(fā)送瀏覽器與服務器建立連接的請求，以及數(shù)據(jù)收發(fā)工作。客戶端的實現(xiàn)相對簡單，WebSocket提供了一套基于JavaScript 的API，通過調用該API中包含的send、onopen、onmessage和 onclose等方法就可以實現(xiàn)頁面請求發(fā)送和數(shù)據(jù)的收發(fā)。

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試是保證系統(tǒng)穩(wěn)定而可靠運行的必備環(huán)節(jié)，需要對系統(tǒng)的每個功能進行全面的測試，本節(jié)選取了其中的兩個功能進行說明。

5.1 通信服務器測試

通信服務器是保障系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的關鍵環(huán)節(jié)，服務器需要從容應對大量終端接入的情況，不能因為終端的增加而降低處理能力，因此測試時需要對服務器進行壓力測試，通過測試查看通信服務器能終端接收能力和資源占用情況。本測試中使用壓力測試工具TcpServer模擬車載終端，用一臺PC電腦作為通信服務器，通過模擬終端發(fā)起連接，壓力測試工具不斷增加TCP連接數(shù)，同時觀察服務器的運行情況，主要觀察的兩個指標，一個是TCP有效連接數(shù)，另一個是CPU使用率，經過測試，本系統(tǒng)的通信服務器在接收到10000的終端連接時都能一如既往保持著100%的有效連接率，對于單臺PC來說，處理10000個連接已經是很優(yōu)越的性能了，從這可以看出本系統(tǒng)的通信服務器的有效連接率還是很高的。而CPU占用率隨著連接數(shù)的增加會略有增加，接入3000個連接時達到32%，當接入7000個連接時占用率為63%，這是一個必然的結果，因為維持每個連接都是需要占用CPU資源的，而且測試時用的是單臺的計算機，資源占用率會比較大，在實際中，接入大量終端時，需要部署服務器集群進行分流，只要保證硬件資源足夠，就系統(tǒng)就能運行正常并能夠處理不斷增加的終端接入，能有效的保證系統(tǒng)的拓展能力。

5.2 功能測試

第二個測試的功能是車輛定位，這個在查看車輛運行狀態(tài)過程中最為關鍵的兩個功能，通過車輛定位功能可以實時查看車輛運行位置和運行情況，軌跡回放功能可以回看車輛行走過的完整路程。對于車輛定位，在用戶點擊具體車輛時，會自動獲取該車輛的基本信息和定位信息，同時彈出信息窗口，信息窗口如圖4所示：

圖4 車輛定位功能展示

6 結語

本文針對物流運輸行業(yè)中管理者、貨主和車主遇到的難以找到空車、難以實時掌握車輛具體位置，回程車難以找到貨物配載，車輛難以調度等問題，從用戶實際需求出發(fā)，基于斗衛(wèi)星定位技術、GSM通信、WEBGIS技術、物聯(lián)網及計算機技術，研究并實現(xiàn)了一套物流管理平臺，給用戶提供了一個容易找車，容易找貨，容易管理的平臺，充分解決物流管理中用戶碰到的問題，提升效率的同時能充分降低成本。同時拓展了北斗導航技術的應用領域，以技術提升產業(yè)能力，優(yōu)化物流行業(yè)資源配置，推進現(xiàn)代物流信息化的發(fā)展，提升物流行業(yè)整體經濟效益和競爭力。

［1］ 宋詩斌，錢軍琪.基于北斗導航的智能交通系統(tǒng)設計［A］.第三屆中國衛(wèi)星導航學術年會電子文集-S01北斗/GNSS導航應用［C］.中國衛(wèi)星導航學術年會組委會，2012.

［2］ 趙燕.基于云計算的運輸車輛遠程實時監(jiān)測與管理系統(tǒng)設計［D］.太原：太原理工大學，2014.

［3］ 黃旭.基于 BD2/GPS雙模應用的危化品物流車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng)［D］.重慶：重慶大學通信工程學院，2014.

［4］ 滕志軍，張明儒，許建軍，等.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在物流監(jiān)控管理中的應用研究［J］.自動化儀表，2015，36（12）：1-4.

［5］ 張向南，趙慶展，何啟峰，等.基于北斗的物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)［J］.物流技術，2015，34（8）：251-254.

［6］ 胡亞芳，劉榮.基于北斗導航的物流監(jiān)控定位服務平臺預設計［J］.北京測繪，2015，（2）：47-49.

［7］ 朱俊濤，張穎.基于北斗導航的現(xiàn)代物流綜合運輸服務系統(tǒng)［J］.數(shù)字通信世界，2012，（12）：74-76.

［8］ 李鑒海.基于WebGIS架構的北斗/GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［D］.長沙：國防科學技術大學，2010.

［9］ SuperSocket.可拓展的 Socket服務器框架［EB/OL］. http：//www.supersocket.net/About.2013-6-30.

［10］ 郭海偉，張曉燕，李青龍，等.使用.NET服務隊列組件進行通訊［J］.內蒙古石油化工，2005，（7）：18-19.

［11］ 朱大群， 范秋霞. 使用MSMQ實現(xiàn)應用程序間異步通訊［J］.電腦編程技巧與維護，2004，（8）：73-78.

［12］ 黃曉安，何亮，許寧.使用 HTML5 WebSocket 構建實時Web應用［EB/OL］.http：//www.ibm.com/developerworks/ cn/web/1112_huangxa_websocket/.2011-12-15.

［13］ 肖在昌，楊文暉，劉兵.基于WebSocket的實時技術［J］.電腦與電信，2012，1（1）：40-42.

［14］ 鄭玲，鄭曉天.基于 WebSocket的電力系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)更新研究［J］.計算機與現(xiàn)代化，2013，（1）：85-87.

Logistics platform design and implementatation based on Beidou satellite positioning

Based on the situation of heavily promotion of our country and widely used of Beidou satellite navigation system in positioning and navigation. At the same time， in logistics industry， there exists problems like the return trip vehicle difficult to find suppliers， shipper difficult to find spare capacity， logistics vehicles difficult to locate and control， all these will cause the waste of resources and inconvenient to manage vehicles. Based on the technology like Beidou satellite positioning， wireless communication，WebGIS and WebSocket， establishing a logistics management system which can positioning logistics vehicles accurately， control the vehicles unified， track vehicles and also can help delivery the goods. The system will fully solve the problem of logistics vehicles management， raise the utilization ratio of idle resources， promote the inosculation of Beidou navigation and logistics industry， improve the informatization level of logistics industry.

Beidou； logistics platform； positioning； informatization

F253

A

1008-1151（2016）01-0001-04

2015-12-11

陳啟鋒，男，廣西壯族自治區(qū)公安廳交警總隊高速公路管理支隊工程師。