基于北斗定位的危化品貨車運(yùn)輸安全監(jiān)測平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

譚智亮 滿君豐 肖宏日 李易 劉海波 歐陽紫曦

【摘 要】為解決危化品貨車運(yùn)輸過程中的安全監(jiān)管問題，提高危化品運(yùn)輸應(yīng)急處理能力，文章開展危化品貨車監(jiān)控預(yù)警機(jī)制研究。依托北斗定位技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建危化品運(yùn)輸安全監(jiān)測平臺，對運(yùn)輸途中駕駛員行為、運(yùn)輸路徑進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警。通過對危化品車的信息化監(jiān)管，可以實(shí)現(xiàn)一定程度上的風(fēng)險管控和隱患預(yù)警。設(shè)計實(shí)現(xiàn)危化品貨車運(yùn)輸安全監(jiān)測平臺，可為類似的危化品貨運(yùn)監(jiān)測管理平臺建設(shè)提供有益的借鑒，提高危化品運(yùn)輸過程的安全管理水平，促進(jìn)我國危化品運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】北斗定位;監(jiān)管系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng);駕駛行為分析;危化品運(yùn)輸;Redis

【中圖分類號】TP277;TQ086.52【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1674-0688（2022）02-0078-03

1 危化品運(yùn)輸現(xiàn)狀及相關(guān)問題

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程加速，全球?qū)ξ；返男枨罅恐鸩教嵘Ｅc之相對的是危化品在生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲、使用等環(huán)節(jié)發(fā)生的安全事故也逐漸增多，尤其是運(yùn)輸環(huán)節(jié)發(fā)生的安全事故占所有安全事故的30%～40%[1-2]。據(jù)中國化學(xué)品安全協(xié)會統(tǒng)計，2019年上半年，我國發(fā)生危化品事故共819起，重特大事故3起，死亡人數(shù)高達(dá)409人，其中運(yùn)輸環(huán)節(jié)的事故占比為19.4%，危化品貨車一旦發(fā)生事故，造成的人員傷亡和財產(chǎn)慘損失是不可估量的。

危化品貨車一旦發(fā)生事故，通常事故現(xiàn)場會被嚴(yán)重破壞，因此很難從事故現(xiàn)場分析事故發(fā)生的原因。因此，對危化品運(yùn)輸安全的監(jiān)控顯得尤為重要，近年來，我國嚴(yán)格要求相關(guān)部門必須時刻關(guān)注危化品運(yùn)輸安全的問題，相關(guān)的法律法規(guī)也相繼出臺，這為危化品運(yùn)輸安全的監(jiān)控提供了政策基礎(chǔ)。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)、北斗衛(wèi)星、通信等技術(shù)的發(fā)展，也為危化品運(yùn)輸安全的監(jiān)控提供了有力的技術(shù)支持。因此，開發(fā)一套危化品貨車運(yùn)輸安全監(jiān)測平臺，對提高危化品貨車的運(yùn)行安全性具有重大意義。但是，國內(nèi)外關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)思維的危化品監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)還處于起步階段[3]。例如，劉強(qiáng)等[4]提出了危化品運(yùn)輸安全統(tǒng)一監(jiān)控平臺的設(shè)想，并給出了平臺的總體實(shí)現(xiàn)配置框架。慧萌等[5]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)一套車輛軌跡顯示系統(tǒng)。同時，有一部分高等科研院校開展了危化品貨車安全監(jiān)測的探索，南京大學(xué)的蔣軍成對危化品公路運(yùn)輸泄漏事故應(yīng)急決策圖示化展現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行研究，以期有效地控制事故造成的損失[6]。國外的研究者將車輛的安全監(jiān)測和車號識別結(jié)合起來，使之對貨車的運(yùn)行安全管理更加準(zhǔn)確[7]。危化品企業(yè)可通過監(jiān)管系統(tǒng)向有關(guān)部門申請路線和匯報企業(yè)情況，同時政府相關(guān)部門還可以通過該系統(tǒng)實(shí)時查看危化品企業(yè)的生產(chǎn)、運(yùn)輸狀況，能夠?qū)崟r監(jiān)控危化品貨車運(yùn)輸安全[8]。與之功能類似的監(jiān)管系統(tǒng)在一些歐洲國家也有相關(guān)的應(yīng)用，最大限度地減少了危化品車輛運(yùn)輸事故的發(fā)生及生命財產(chǎn)的損失[9]。

針對以上亟須解決的問題，本研究設(shè)計一款基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對貨運(yùn)、司機(jī)、危化品三點(diǎn)的全面監(jiān)測，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時推送、監(jiān)測預(yù)警等功能，這也是危化品貨車監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展中一個新的需求。本次研究的系統(tǒng)從多角度對危化品運(yùn)輸過程的貨車司機(jī)安全進(jìn)行監(jiān)測，可為類似的危化品貨運(yùn)監(jiān)測管理平臺的建設(shè)提供有益的借鑒，提高危化品運(yùn)輸過程的安全管理水平。

2 主要研究內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)研究包括運(yùn)輸監(jiān)測平臺和駕駛員行為警告兩套服務(wù)系統(tǒng)，旨在解決危化品運(yùn)輸過程中的三大問題：貨運(yùn)路徑監(jiān)管難、司機(jī)異常駕駛行為提醒難、事故發(fā)生監(jiān)測難。圖1所示為運(yùn)輸監(jiān)測平臺和駕駛員行為預(yù)警系統(tǒng)。運(yùn)輸檢測平臺主要提供運(yùn)輸路徑、運(yùn)輸流程等運(yùn)輸信息的數(shù)據(jù)展示，面向企業(yè)端。駕駛員行為預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)主要提供駕駛員行為的監(jiān)測，確保駕駛員駕駛安全，也方便企業(yè)監(jiān)管公司的駕駛員，面向駕駛員和企業(yè)端。

系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)以TMS監(jiān)測平臺為主系統(tǒng)，以IM實(shí)時推送系統(tǒng)、DP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、IOA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為子系統(tǒng)的模塊化系統(tǒng)。模塊關(guān)系如圖2所示，TMS監(jiān)測平臺負(fù)責(zé)提供基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的訪問接口，TM實(shí)時推送系統(tǒng)用于實(shí)時推送貨車監(jiān)測數(shù)據(jù)，DP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于處理物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)分組存儲至不同DB，用于后續(xù)業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)。IOA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)格式化處理。物聯(lián)硬件設(shè)備安裝于貨車上，可定時采集數(shù)據(jù)并上傳服務(wù)端。

2.2 系統(tǒng)物聯(lián)基礎(chǔ)

系統(tǒng)物聯(lián)硬件構(gòu)成如圖3所示，系統(tǒng)硬件設(shè)備以ov7725攝像頭模塊、D560G北斗Mini InDTU模塊作為信息采集和發(fā)送模塊，以STM32模塊為信息處理中心，以液晶屏、InDTU模塊、NB-IOT模塊為信息輸出模塊。其中，STM32模塊為信息終端，定位模塊和攝像頭模塊通過串口向STM32模塊傳輸信息，由終端STM32負(fù)責(zé)信息的整合處理，最終通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至指定終端。同時，作為終端的STM32模塊也可支持高度的自定義，能作為車載的監(jiān)控終端使用。本研究主要關(guān)注北斗定位模塊。

北斗定位模塊數(shù)據(jù)主要服務(wù)于軟件系統(tǒng)。通過搜索北斗衛(wèi)星定位，將定位數(shù)據(jù)回傳STM32-4G傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)以MQTT協(xié)議形式打包發(fā)送到云端服務(wù)器，云端服務(wù)器接收后將其解析為適用于百度地圖定位的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，整合相關(guān)數(shù)據(jù)信息以JSON的信息發(fā)送至云端RabbitMQ隊(duì)列，當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)異常時會修改標(biāo)示字段，表示貨車情況異常，通過這樣的處理即可將貨車的位置、速度等相關(guān)數(shù)據(jù)上傳云端，便于監(jiān)測平臺獲取。

其中，北斗定位經(jīng)緯度數(shù)據(jù)由于與軟件系統(tǒng)使用的標(biāo)準(zhǔn)不同，所以需要在傳輸數(shù)據(jù)時進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式：

公式（1）中，y為轉(zhuǎn)換后的經(jīng)/緯度，x為初始經(jīng)/緯度。通過轉(zhuǎn)換，能夠得到符合系統(tǒng)要求的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，同時該經(jīng)緯度數(shù)據(jù)不會明文存儲，滿足企業(yè)的信息安全要求。

3 具體實(shí)現(xiàn)思路

3.1 駕駛員行為告警系統(tǒng)

在駕駛員行為警告提醒系統(tǒng)初步研究階段，研究人員通過Ov7725攝像頭獲取圖片信息，以4G模塊為通信基礎(chǔ);依靠百度開放AI的駕駛員行為監(jiān)測API實(shí)現(xiàn)對駕駛員的行為分析，當(dāng)行為概率大于70%時進(jìn)行平臺預(yù)警，實(shí)現(xiàn)方式如圖4所示。

在駕駛員行為警告系統(tǒng)深入研究階段，研究人員使用邊緣計算技術(shù)，在物聯(lián)端直接處理駕駛員視頻數(shù)據(jù)，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力，降低行為警告系統(tǒng)的處理時延。使用C++集成openCV開源圖像識別框架實(shí)現(xiàn)駕駛員疲勞監(jiān)測并集成進(jìn)入STM32嵌入式模塊。

對于疲勞駕駛的判斷，通過計算駕駛員眼睛的特征點(diǎn)的變化情況，閉眼時間次數(shù)達(dá)到閾值即判斷該駕駛員為疲勞駕駛，計算公式如下：

公式（2）中，E為判斷眼睛是否睜開的比值，LR為眼睛左上角頂點(diǎn)到右下角頂點(diǎn)的距離，RL為眼睛右上角頂點(diǎn)到左下角頂點(diǎn)的距離，W為左右眼角的距離，當(dāng)E小于0.3時判斷為閉眼。通過動態(tài)調(diào)整E的比值提升監(jiān)控系統(tǒng)的靈敏度，在一定場景下實(shí)現(xiàn)對駕駛員疲勞駕駛的檢測，進(jìn)而減少事故發(fā)生的概率，保障駕駛員的生命安全。

3.2 運(yùn)輸檢測平臺

監(jiān)測平臺包含多套子系統(tǒng)：TMS業(yè)務(wù)系統(tǒng)、IM實(shí)時推送系統(tǒng)、DP數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。

TMS業(yè)務(wù)系統(tǒng)主要是對用戶的非實(shí)時性請求做出相應(yīng)處理的系統(tǒng)，還包括對基本業(yè)務(wù)的查詢與修改;采用MVC設(shè)計架構(gòu)，針對用戶請求及數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，業(yè)務(wù)系統(tǒng)流程如圖5所示。

IM實(shí)時推送系統(tǒng)通過WebSocket長連接和Redis的發(fā)布/訂閱實(shí)現(xiàn)（如圖6所示），將數(shù)據(jù)系統(tǒng)發(fā)布的最新的貨車監(jiān)測數(shù)據(jù)注冊到對應(yīng)Key中，建立連接時，IM系統(tǒng)會將最新的數(shù)據(jù)以JSON的形式推送至前端。

DP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)聽RabbitMQ隊(duì)列中的指定隊(duì)列，OA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理完采集數(shù)據(jù)后，會將數(shù)據(jù)以JSON的形式傳輸?shù)組Q隊(duì)列中供DP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)消費(fèi)。此處，IOA系統(tǒng)充當(dāng)了數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者，DP數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)則為數(shù)據(jù)的消費(fèi)者。

數(shù)據(jù)由物聯(lián)硬件部分采集接入，并在邊緣端對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，定時向邊緣服務(wù)器MQ消息隊(duì)列匯報數(shù)據(jù)，中心服務(wù)器通過拉取邊緣服務(wù)器的隊(duì)列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)處理分發(fā)到不同的存儲DB，將實(shí)時定位數(shù)據(jù)分發(fā)至非關(guān)系性數(shù)據(jù)庫Redis，并按照兩倍的匯報時間存儲定位數(shù)據(jù)至關(guān)系性數(shù)據(jù)庫MySQL。

RabbitMQ隊(duì)列采用的是Work模式，一位生產(chǎn)者可以對應(yīng)多個消費(fèi)者，確保在貨車數(shù)量多的情況下依舊能夠及時、快速地將數(shù)據(jù)處理完成。

關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)為物聯(lián)設(shè)備（北斗定位模塊、STM32模塊等）數(shù)據(jù)的傳輸?shù)膯栴}。數(shù)據(jù)通過MQTT隊(duì)列傳輸?shù)交A(chǔ)后端進(jìn)行格式化，再傳入RabbitMQ隊(duì)列由業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行處理和存儲。

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及分析

軟件系統(tǒng)由三大模塊構(gòu)成：TMS、DP、IM。其中，TMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能，對外提供接口，包括貨車數(shù)據(jù)監(jiān)測、貨運(yùn)信息查詢、貨車數(shù)據(jù)錄入、貨運(yùn)信息錄入等;DP主要用于數(shù)據(jù)處理;IM主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)實(shí)時的推送服務(wù)[10]。

貨車監(jiān)測實(shí)時監(jiān)測平臺，由IM系統(tǒng)提供實(shí)時推送服務(wù)，TMS系統(tǒng)提供離線數(shù)據(jù)服務(wù)，負(fù)責(zé)貨車數(shù)據(jù)及安全實(shí)時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)貨車異常（硬件設(shè)備數(shù)據(jù)不能正常接收）或者駕駛員異常時，向控制中心發(fā)出警報，監(jiān)測頁面將該貨車條目標(biāo)紅告警，確保司機(jī)駕駛安全，貨物運(yùn)輸安全，方便貨運(yùn)公司實(shí)時了解公司貨運(yùn)情況。

貨運(yùn)信息模塊由TMS業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供接口負(fù)責(zé)貨運(yùn)信息的回溯功能，對每一次完成的運(yùn)輸都會記錄和匯總，并且可橫向擴(kuò)充監(jiān)測維度，可實(shí)現(xiàn)對路徑、速度、載重量等維度數(shù)據(jù)的監(jiān)測，可用于交管部門對危化品運(yùn)輸公司的監(jiān)管及貨運(yùn)公司對駕駛員、貨運(yùn)情況的匯總考察，提高企業(yè)的安全管理水平。

針對駕駛員行為監(jiān)測如上文提到的具體實(shí)現(xiàn)方式，系統(tǒng)使用百度AI開放功能完成識別，但受限于傳輸流量與百度識別的次數(shù)，未來將推進(jìn)研究通過邊緣計算的技術(shù)在監(jiān)測硬件層實(shí)現(xiàn)駕駛員行為的監(jiān)測，達(dá)到更精確、更迅速地監(jiān)測目標(biāo)。

5 結(jié)語

信息技術(shù)的高速發(fā)展，以及《中國制造2015》的推廣，其核心的實(shí)現(xiàn)都指向物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)和數(shù)據(jù)分析處理。通過主流的數(shù)據(jù)分析方式，針對危化品貨物運(yùn)輸?shù)牧鞒踢M(jìn)行監(jiān)測，通過MQTT、RabbitMQ兩個隊(duì)列方案的選型，針對硬件上報的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，大大提高了貨車運(yùn)輸異常狀態(tài)監(jiān)測的成功率，使危化品貨車運(yùn)輸?shù)膶?shí)時狀態(tài)能夠得到有效的監(jiān)測，系統(tǒng)也更加智能化和現(xiàn)代化。

參 考 文 獻(xiàn)

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