基于北斗衛星的BGAN應急指揮監控系統設計

楊瀚馳，高旭東

(1.西南交通大學 經濟管理學院，成都 610000； 2.太原理工大學 計算機科學與技術學院，太原 030024)

0 引言

衛星技術出現于20世紀60年代，該技術一經出現就得到了人們的廣泛歡迎，相應的通信技術、業務內容和產業規模也不斷發展[1]。北斗衛星系統是我國自行研制的系統，根據三球交會測量原理設計，不僅能夠完成全球衛星定位工作，同時可以實現通訊控制工作。北斗衛星系統是一套十分成熟的衛星系統，它將用戶的所有信息匯總到地面中心站中，利用地面中心站實現用戶與用戶之間的雙向通訊，它的出現使我國數字化建設工作進展得更加順利[2]。由于北斗衛星系統在數據傳輸方面不存在任何困難，所以十分適合監控車輛，通信能力也要高于GPS，使用北斗衛星系統進行車輛監控，可以直接從中心站調取用戶信息，然后把從中心站得到的命令轉達給用戶。北斗衛星系統已經全面覆蓋我國大陸地區和海區，就連部分周邊地區也覆蓋了北斗衛星系統，覆蓋能力高于電信蜂窩網絡，是真正意義的無盲區覆蓋，可以針對各類車輛進行大范圍監控和調度[3]。

BGAN指的是Inmarsat寬帶全球區域網，英文全稱為broadband global area network，該區域網絡針對Inmarsat寬帶設置，起著通信作用，具有接入寬帶網絡、實時視頻通訊等能力，用戶在全球的任何一個地點和任何時間，都可以連接該網絡，業務內容包括語音通訊、視頻通訊、傳真、短信連接等等。BGAN最大的優勢就是全球覆蓋，用戶無論在何時何地都可以得到最可靠的服務，除此之外，BGAN的寬帶業務能力也很強，滿足當代人在數據通訊方面的需求[4]。

目前研究的應急指揮系統在通信鏈路可靠性、通訊數據傳達準確性和資源整合速度等方面都有著很大的缺陷[5]。針對上述缺陷，基于北斗七星設計了一種新的BGAN應急指揮監控系統，構建監控中心，根據監控中心開發移動終端，通過實驗驗證該監控系統的有效性，本文的研究可以很好地解決目前車輛監控系統存在的一些問題。

1 基于北斗衛星的BGAN應急指揮監控系統硬件設計

1.1 系統總體框架及原理

系統的總體架構包括采集模塊、處理模塊、通訊模塊、指揮監控模塊4部分組成。系統的總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架

采集模塊主要負責采集車輛信息，處理模塊能夠調度監控的車輛所在的地圖，并對得到的地圖進行拖拉、縮放等工作,通訊模塊通過線程讀取北斗衛星系統中的各項數據，監控模塊連接局域網計算機和外網計算機，所有的監控結果都展示在彩色監視器上。系統軟件結構在C/S體系結構的基礎上加入了4個層次，分別是：支撐層、基礎層、服務層和業務層，從而實現系統的通信報告功能和指揮服務功能。

1.2 采集模塊

采集模塊主要負責采集車輛信息，在采集模塊使用的采集芯片型號為AHD80H-9721。在采集芯片外部加入了DSP、CPLD、A/D采樣保持器，并外設Flash，利用調理電路和電源控制模塊的正常運行。采集器可以直接采集移動終端中的數據，將采集到的數據通過PDA、移動終端等手持設備連接客戶端，每個移動終端都會連接一臺BGAN設備，由連接的BGAN設備接收衛星網絡信息，使手持終端設備可以順利地和服務器端進行通訊。在服務器端內部設置監控中心，以設置的監控中心作為指揮調度的主題，當衛星傳輸終端接收到移動終端傳來的信息后，會自動上傳到監控中心，監控中心對接收的數據進行處理，并將處理結果存儲在中央數據庫中，顯示在運行圖上，根據數據的運行狀態實時下發對應的控制命令，確保可以很好地監控每個運行的終端[6]。

信號會從設備的PT/TC流入到模塊內部，主要包括電流信號和電壓信號，利用光耦隔離變換和二階濾波處理得到新的數字信號，由A/D轉換電路將濾波的結果傳給DSP，通過傅里葉變換計算出采集的信號的有效值，將得到的值存儲在外設FLAH存儲器中。

1.3 處理模塊設計

在處理模塊中加入了由Intel公司生產的型號為GDS110BB芯片，該芯片屬于通信IC處理芯片，電源電壓在4.5～5.5 V之間，功率為32 W。該處理器內部高達1.7 GHz的雙核Krait使系統具有高速性能，ADRENO GPU適用于高級圖形，MEXAGON DSP適用于各種應用程序，且消耗功率很低，處理器內部的攝像高達13.5 MP。處理模塊能夠調度監控的車輛所在的地圖，并對得到的地圖進行拖拉、縮放等工作。當系統打開相應的地圖資料后，對地圖資料的圖層進行添加，修改對應的屬性以及數據，保存修改的地圖，根據修改地圖分析監控的車輛運行狀態和所在環境。

處理模塊中擁有多個數據集，通過查詢模塊查詢數據集、矢量數據集、選擇集、記錄集、地圖窗口確定處理方式，被查詢的內容對應關系和結構如圖2所示。

圖2 查詢類及其結構

分析圖2可知，向量數據集、記錄集和選擇集之間有著密切的關系，所有的數據集都要以集成記錄的方式進行匯總，被查詢的信息在高亮狀態下被選中，清晰地展示在用戶面前[7]。通過處理模塊進行路徑分析，根據分析的網絡數據確定出最短路徑。在進行最短路徑分析時，要確定起始點和終止點的數據，分析不同等級道路的最高限速，由于限速不同，所以最短路徑無法代表花費時間最少的路徑，因此在確定最短距離路徑時也要標注出行駛時間[8]。最短距離路徑和最短時間路徑都以高亮的方式顯示，由用戶自己選擇需要的路徑[9]。

1.4 通訊模塊設計

通訊模塊是應急指揮監控系統的重要模塊，通訊模塊中選用美國TASE公司研究的EXS2511芯片，該芯片同時設置了LPT接口、USB接口、音頻接口，同時設計了PCI擴展槽、AGP擴展槽和多個芯片組。通訊模塊中內部加入定位報告子系統，由定位報告子系統將本地的報告策略文件導入，不同類型的報告策略文件指揮不同的用戶車，在指揮過程中配置對應的策略界面。系統的串口會展示通訊線程，利用通訊線程讀取北斗衛星系統中的各項數據，并且對得到的數據進行局域網授時。當用戶配置報告策略確定下來后，定位報告子系統會上傳或者下發信息，在分發系統的接口中發送和接收所有的數據。

通訊模塊發送的字節數越少，發送過程越簡單，效率越高，為了減少發送的字節數，應急指揮監控系統的軟件程序可以對指揮中心的各項信息進行壓縮，在眾多壓縮算法中，半字節壓縮算法運行過程簡單，處理結果強，因此成為本文的首選壓縮算法。利用半字節壓縮算法去除整個字節中的冗余位，將重復的部分和相似的部分壓縮出去，從而使字節數得以減少。

1.5 指揮監控模塊設計

監控模塊同時包括了吸頂式彩色攝像機、紅外一體化彩色攝像機，外置解碼器、串口轉換器，指揮監控模塊連接局域網計算機和外網計算機，所有的監控結果都展示在彩色監視器上。

監控模塊通過無線自組織網絡運行，這樣即使帶寬條件有限，也可以精準地實現定位。由于指揮車中的下發數據含量很大，監控起來比較困難，所以所有的指揮車下發數據都要進行增量編碼，通過對比存儲值，得到下發數據的差值，除了差值需要進行下發之外，符號也需要進行下發，在進行數據導航時，要盡可能多地分析各類數據的變化信息，如果數據量固定不變，這可以減少發送。

系統的整個運行期間，監控模塊都會采用定時的方式監護各個設備的運行狀態，并將監控結果反饋給監控分系統。當被監控的信息出現異常時，由雙機熱備管理下發切換命令，出現異常的進程會被列為重點監護對象。一旦進程監控服務啟動失敗，系統就會自動出現告警信息，出現的告警信息會傳送給監控分系統。進程監護服務能夠同時接受管控系統和分系統傳來的命令，當接收到終止了命令時，所有的進程都會在短時間內相繼被終止，終止結果也會反饋給下發命令的系統。

2 基于北斗衛星的BGAN應急指揮監控系統應用功能設計

利用C/S體系結構開發系統軟件，使系統能夠更好地繼承前期系統的技術優勢，從而提高系統的集成能力和兼容性，滿足客戶的需求。設計的軟件結構在C/S體系結構的基礎上加入了4個層次，分別是：支撐層、基礎層、服務層和業務層，基于北斗衛星的BGAN應急指揮監控系統軟件各層次邏輯結構如圖3所示。

圖3 應急指揮監控系統軟件各層次邏輯結構

2.1 通信報告功能

通信報告功能實現流程如圖4所示。

圖4 通信報告功能實現流程

指揮系統的串口可以確定車輛所在位置信息，這些信息在被確定之后，全部保留下來。當指揮車接收到新的上報信息后，對應的車輛信息也會被更新，所有的用戶配置接口都可以上報信息，用戶在讀取完指揮車的信息后，可以自行選擇上報內容，即確定是部分上報還是全部上報。用戶擁有手動請求的原理，當用戶輸入請求后，系統會進行上報或者下發工作。通信報告確定的策略文件必須要由用戶確定后才可以生效，用戶有權利進行手動修改，被修改的結果會自動儲存。被上報的策略會跟系統儲存在數據庫中的策略進行對比，分析時間數據、高度數據和速度數據，在比較參數結果后，分析被指揮的車輛是否與報告中的標準相吻合，利用用戶調整確定不同參數的門限值，使用兩點之間的經緯度數據確定移動距離。

2.2 指揮服務功能

在基礎軟件層上運行服務層，使上層軟件能夠很好地得到支撐服務，在處理信息這一問題中，服務層是一個十分重要的環節，服務層可以提取和抽象應用軟件的共性部分，使上層應用軟件在設計中得到簡化，軟件之間的耦合性得以降低，進而提高軟件的擴展能力，增強軟件處理結果的可靠性。服務層同時具備進程監護、業務調度、消息服務三項功能，進程監護主要是監護每個服務器的運行狀態，判斷業務的工作進程，由此來確保服務器運行過程是安全可靠的。

當服務器開機時，應急軟件監控系統就會自動啟動進程監護，這一項目也變成了首要啟動項，進程監護服務程序中擁有進程表，其它進程的啟動需要根據進程表的順序運行，通常會首先進行業務調度，然后進行雙機熱備管理，接著進行消息推送，再接著進行時間校驗，最后完成信息發送。進程監護的啟動和終止序列如圖5所示。

圖5 進程監護的啟動和終止序列

3 實驗研究

3.1 實驗目的

為了進一步驗證本文基于北斗衛星的BGAN應急指揮監控系統的實際效果，同時與傳統應急指揮監控系統進行對比，設置了驗證實驗。

3.2 實驗參數與實驗環境設計

設置實驗參數如表1。

表1 實驗參數

設定的實驗環境如圖6所示。

圖6 實驗環境

3.3 實驗結果與分析

根據上述實驗參數和實驗環境進行實驗，同時選用傳統的BGAN應急指揮系統以及本文研究的基于北斗衛星的BGAN應急指揮系統進行應急指揮，進行實驗測試，得到的實驗結果如下：

3.3.1 平均響應時間測試

由圖7可知，本文系統較傳統系統的平均響應時間縮短了35 ms，響應時間由三部分組成，分別為傳輸時間、處理時間和繪制時間，傳輸時間指的是PC機向下位機發送連接請求，再反饋給上位機反饋給PC機所用的時間；處理時間是指下位機伺服系統接收到處理請求到處理完成這一過程花費的時間；繪制時間是指PC機將得到的處理數據反饋到PC機端花費的時間，整理實驗結果數據，得到表2。

圖7 平均響應時間測試實驗結果

表2 平均響應時間實驗結果數據對照表

系統運行內容傳統系統平均響應時間/ms本文系統平均響應時間/ms登錄2521參數設置624601發送信息332308讀取數據6560信息設置412390顯示設備運行狀態信息409371顯示數據庫信息2517

根據上述實驗結果對照表可知，基于北斗衛星的BGAN應急監控系統花費的平均響應時間始終低于傳統系統的平均響應時間，這主要是由于基于北斗衛星設置的監控系統CPU使用率高，衛星MODEM模塊中多個線程都會啟動運行。由此可知，基于北斗衛星的BGAN應急監控系統響應速度快，響應時間短，更適合進行應急指揮工作。

3.3.2 噪聲干擾下指揮信號波形

由圖8可知，在噪聲干擾下，基于北斗衛星設置的指揮信號波形圖波動更小，穩定性更高。傳統的應急指揮監控系統在受到噪聲干擾時，動態響應能力和數據分發能力大大減少，各個移動終端難以迅速分析到車輛的運行情況。本文研究的應急指揮監控系統通過與北斗衛星進行配合，能夠有效地過濾掉無用數據，即使受到外界的噪聲干擾，也能夠高速有效地進行指揮監控工作。

圖8 噪聲干擾下指揮信號波形圖

3.4 實驗結論

根據上述實驗結果，得到如下實驗結論：本文甚至的應急指揮胸膛能夠很好地確保硬件結構能夠順利地處理信息。通過設置外購軟件操作整個系統的運行環境，為各項程序的運行提供良好的環境，即使在受到外界信息感干擾，系統也能夠高速穩定地運行。系統可以順利完成進程監護、業務調度、消息服務和校驗等支撐服務，并且可以在短時間內完成響應工作。

4 總結與展望

針對目前車輛信息管理存在的需求，利用北斗衛星設置了BGAN應急監控系統，軟件選擇C/S作為架構，通過ASP.NET服務器網頁開發工具完成設計。設計的系統能夠利用北斗衛星精準地完成定位工作，并將得到的結果反饋給監控指揮中心，針對監控指揮中心提出的命令進行信息處理、數據管理等工作。該系統不僅具備定位跟蹤、運輸指揮功能，同時可以進行數據通訊、信息傳輸和安全監控，集成度高，實時性強，保密性好，且北斗衛星系統遍布全國，所以設計的應急指揮監控系統適用范圍極廣。

由于研究時間和研究技術有限，未來還需要進一步加強指揮系統安全保密工作的分析，使系統整體運行都能處于一個安全的環境，同時也要盡可能多地豐富系統的業務功能，提高系統運行的靈活度。