基于MQTT協議技術的城市車輛應急指揮系統設計

霍卓群，陳 林

隨著經濟發展和城市規模的不斷擴張，便捷的交通運輸顯得尤為重要，城市應急指揮系統在其中發揮著重要作用.在節假日等時段內，大量的人口遷移、返鄉潮等情況會造成交通運輸高峰周期，城市中的汽車站、火車站、飛機場等區域會出現大量的出租車需求［1］；此時，城市的管理者需要使用應急指揮調度系統，以此增加以上區域內空載出租車的保有量，確保交通運輸順暢.

1 已有方法存在的不足

現行的方法是通過出租車安裝的車載衛星定位系統，向某一公司或某一區域的車輛發送調度信息.但上述技術方案在實際使用時，有以下問題需要解決.

（1）因調度區域內的車輛具有不特定性，導致調度管理員無法確定選定區域范圍大小.在特定時間內調度員選取特定區域內車輛具有不明確性，如在實際操作過程中，存在選中對象區域的空載車輛保有量不足的情況.若調度管理員選擇區域的范圍過小，調度的車輛不能滿足運力要求，達不到預期的調度效果；若調度管理員選擇區域過大，調度的車輛過多，造成資源浪費.

（2）因無法精準檢測車輛移動的實時信息（車輛移動趨勢圖和目標區域實時車輛數），存在調度成功率低下的問題.如果調度對象區域擁有一定數量的空載車輛，現行方法無法獲知此次調度情況，包括有多少空載車輛可以到達目標區域，以及能夠解決多少運力等.

2 系統設計

2.1 所要解決的問題

本文要解決的技術問題包括：①能夠對特定區域內車輛實時監控，實時掌握車輛在該區域的分布、運行狀態及運行方向等信息，并在地圖上實時展示（精度精確到秒級）；②采用物聯網領域的輕量級MQTT協議設計汽車和平臺間通信協議，提供對特定區域內的空載車輛下發高效、可靠的調度消息，有效保障調度成功率并達到預定要求［2］.

2.2 技術實現

本文設計一種監測及引導車輛移動系統，采用自定義協議實現管理平臺對被管車輛高效、準確的調度功能，通過對特定區域車輛實時監控，實時掌握車輛在該區域的分布、運行狀態及運行方向等信息，并在地圖上實時展示（精度精確到秒級）.旨在應急指揮應用中，通過系統能實現實時檢測和精確引導車輛移動，并實時將結果反饋至管理平臺，以滿足應急調度的需求［3］.

系統由車載監控終端、處理單元、調度單元和展示單元四部分組成，其中處理單元包括終端協議解析網關和位置計算兩部分，調度單元包括調度計算和緩存處理兩部分，如圖1所示.

圖1 監測及引導車輛移動系統原理圖

①車載監控終端.負責獲得車輛的實時精確位置信息和車輛的實時狀態信息，包括空載和重載狀態；負責接收系統的調度信息，通過語音模塊以中文普通話進行播報；負責調度信息的預處理，并將調度信息分派到處理單元.

②處理單元.處理單元包括MQTT協議處理單元和位置計算子單元兩部分.協議處理單元負責對車載監控終端上傳數據報文的解析處理，處理后輸出信息包括：車牌號、位置經緯度、運行狀態；位置計算子單元負責將終端協議解析子單元的輸出信息與系統設定的對象區域及目標區域位置信息進行實時比對處理，處理內容包括：對象區域的車輛位移變化、對象區域車輛已到達目標區域的數量、正在前往車輛數量，以及這部分車輛在地圖上的分布等信息［4］.

MQTT是一種基于發布/訂閱模式的輕量級消息傳輸協議，主要為大量計算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠網絡的遠程傳感器和控制設備通訊而設計.同CoAP、HTTP等其他協議相比，具有諸多優勢.

每條消息的標題可以短至2個字節；能夠從斷開等故障中自動恢復，而且沒有進一步的代碼需求；專門針對低功耗目標而設計.

MQTT協議定義了三種角色，分別為消息發布者、消息代理器、消息訂閱者，其協議模型架構如圖2所示.

圖2MQTT協議

車輛作業狀態數據以主題報文形式傳遞，如：終端與平臺交互的消息體數據格式，事件項組成數據格式，事件報告消息體數據格式等，具體內容見表1～表3.

表1 終端與平臺交互的消息體數據格式

表2 事件項組成數據格式

表3 事件報告消息體數據格式

③調度單元.調度單元主要是接收處理單元的車輛實時位置信息，通過調度算法輸出調度指令，并由緩存處理單元將調度指令傳給顯示單元，實現車輛的實時調度.調度單元包括調度處理和緩存處理兩部分，調度計算以車輛實時位置數據為輸出，通過實時調度算法，實時精準的調度車輛.緩存處理將調度處理的指令緩存起來，按配置的方式輸出給顯示單元.調度單元通過增加緩存單元解決調度結果與顯示速度不一致的問題.

④展示單元.展示單元負責根據調度指令在地圖上實時展示車輛的調度情況，包括選定區域內空載車輛的分布狀態，調度指令發出后有多少車輛接收并響應，且隨時間的增加展示調度的情況.

監測及引導車輛移動的方法及其系統硬件架構包括：接收和分發服務器、處理服務器集群、緩存服務器和輸出服務器四部分.接收和分發服務器上部署接收和分發單元，處理服務器集群中的每一臺處理服務器上部署一份終端協議解析子單元和位置計算子單元，調度單元和緩存單元部署在高度服務器上，輸出服務器上部署展示單元［3］.

下面結合圖3系統時序圖說明系統監測及引導車輛移動的具體流程.

圖3 監測及引導車輛移動系統時序圖

步驟1：用戶打開系統后，在系統上選擇一個調度范圍，服務端通過緩存中的車輛最新位置比對，查詢該范圍內的車載終端，車載終端利用定位模塊（支持GPS、北斗和LBS定位）獲得車輛精確位置信息后，通過移動無線傳輸網絡（4G），將帶有車輛當前經緯度的報文數據發送至接收和分發單元服務器［5］.

步驟2：服務端通過特定的調度終端協議解析單元接收到終端上傳的位置信息報文后，通過標準的數據協議解析代碼表，進行協議解析，并將解析后的數據發送至位置計算單元.

步驟3：用戶在系統上設定好目標區域后，位置計算單元通過終端協議解析單元轉發來的車輛位置經緯度，與用戶設定的對象區域及目標區域的區域經緯度進行比對，將處理結果轉發調度單元.

步驟4：調度單元通過位置計算單元提供的車輛經緯度鍵值，查找對應的車輛數據.并將車輛數據返回給位置計算單元，供位置計算單元進行上下文比對關聯計算.

步驟5：位置計算單元對調度單元傳遞來的車輛調度預處理信息進行處理，將車輛狀態信息（分布、車輛的位置、行駛方向等）傳給調度單元.

步驟6：調度單元接收車輛狀態信息，調用調度算法實時計算，給出調度指令.

步驟7：調度單元將調度指令傳給緩存單元，緩存單元按系統配置的優化級緩存并調度.

步驟8：展示模塊接收緩存單元轉發的調度指令，在地圖上實時更新.同時調度指令也可輸出給其他系統.

至此，監測及引導車輛移動流程結束.

3 本技術手段創新點

（1）通過車載終端與后端調度平臺間自定義的協議，可實現特定區域內車輛數據的精確性和車載運行軌跡檢查的靈敏性.

（2）檢測多區域的多車輛的位置改變，實時掌握特定區域的車輛分布及車輛的精確位置，為實現跨區域調度的精度和效率作準備.

（3）更精準的調度方案.利用多種定位能力（支持GPS、北斗和LBS及其融合定位），實時獲取車輛位置，實現終端與平臺的實時消息交互，了解車輛的承載狀態，采用精準消息推送方案實現對特定區域的車輛下發實時調度消息，進而實現空載車的高效調度.

（4）實時展示效果好.能夠在地圖上實時動態展示調度命令下發后對象區域的空載車輛運行動態和調度的效果.

4 結束語

本文提供一種精確、高效的監測及引導車輛移動的應急指揮系統，提高監測及引導車輛移動的實時性，同時可實現對多目標區域及多目標車輛的檢測.相比傳統的監控調度方式，具有成本低、適用廣、實時性強等優點.