趙力萱，詹承志，聶佩林，程智鋒

(1.廣東警官學(xué)院治安系交通管理學(xué)教研室，廣東 廣州 510230;2.中山大學(xué)工學(xué)院智能交通研究中心，廣東 廣州 510006;3.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與土木建筑學(xué)院，廣東 佛山 528000)

0 引言

目前交通運(yùn)輸安全形勢(shì)嚴(yán)峻，交通事故特別是重特大交通事故時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。有效的車輛監(jiān)控是有效遏制車輛交通事故的重要手段，可以從源頭上及時(shí)發(fā)現(xiàn)及遏止交通事故的發(fā)生，提升安全生產(chǎn)管理水平。由于為城市服務(wù)的重點(diǎn)車輛(危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸車輛、客運(yùn)班車、旅游包車、重型貨車和汽車列車、公共汽車、出租汽車、校車、教練車、建設(shè)施工單位散裝物料車等)具備數(shù)量龐大、承載主體具備特殊性、社會(huì)關(guān)注度高等特點(diǎn)，加大對(duì)重點(diǎn)車輛的監(jiān)控力度有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，也是車輛監(jiān)控工作的重點(diǎn)。

重點(diǎn)車輛監(jiān)控是對(duì)重點(diǎn)車輛的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和違法行為進(jìn)行監(jiān)控，接收車輛報(bào)警信息，并通知交通管理部門出警或應(yīng)急救援［1］。重點(diǎn)車輛監(jiān)控系統(tǒng)則是為滿足職能部門對(duì)城市交通的管理需求，綜合利用全球衛(wèi)星定位(GPS)、無(wú)線通信、地理信息系統(tǒng)(GIS)等多學(xué)科的前沿技術(shù)提供車輛監(jiān)控管理服務(wù)的綜合平臺(tái)［2］。隨著3G(GIS、GPS、GSM)記錄儀的推廣，國(guó)內(nèi)相關(guān)的車輛監(jiān)控系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來(lái)，一些監(jiān)控系統(tǒng)已不能滿足監(jiān)管需求，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新的技術(shù)手段也被引入到重點(diǎn)車輛的監(jiān)控平臺(tái)構(gòu)建工作中。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［3］可以通過更先進(jìn)的傳感器、無(wú)阻礙的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、海量的數(shù)據(jù)處理能力、智能化的反饋控制為重點(diǎn)車輛監(jiān)管業(yè)務(wù)模式帶來(lái)很大改觀［4］。由于跨省市，乃至全國(guó)范圍內(nèi)的重點(diǎn)車輛監(jiān)管聯(lián)網(wǎng)將是交管工作發(fā)展的必然方向，而車輛監(jiān)控平臺(tái)需要定時(shí)采集大批量的車輛位置狀態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，所采集數(shù)據(jù)量非常龐大，在擁有海量數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，如何解決重點(diǎn)車輛監(jiān)管平臺(tái)數(shù)據(jù)的有效性、正確性和安全性等信息安全問題成為迫切需要研究和解決的問題。

本文在分析重點(diǎn)車輛平臺(tái)的體系特點(diǎn)以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流程的基礎(chǔ)上，針對(duì)重點(diǎn)車輛監(jiān)控平臺(tái)的海量數(shù)據(jù)安全保障問題進(jìn)行研究，通過構(gòu)造數(shù)據(jù)安全保障體系，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控平臺(tái)海量數(shù)據(jù)安全交換與通訊、高效存儲(chǔ)與處理、精確的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)保障。

1 重點(diǎn)車輛監(jiān)控平臺(tái)概述

重點(diǎn)車輛監(jiān)控平臺(tái)是一個(gè)統(tǒng)一的監(jiān)控平臺(tái)，涉及多級(jí)監(jiān)管部門以及被監(jiān)管車輛所屬企業(yè)，平臺(tái)通過GPS等傳感器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)車輛動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地控制。同時(shí)，輔助以GIS平臺(tái)、多種業(yè)務(wù)信息支持，使重點(diǎn)車輛的異常運(yùn)行、違法違規(guī)得到有效地監(jiān)控和跟蹤、分析和預(yù)警。重點(diǎn)車輛監(jiān)控平臺(tái)是一個(gè)分布式協(xié)作的實(shí)時(shí)大系統(tǒng)，包含4個(gè)子系統(tǒng):省監(jiān)控中心子系統(tǒng)、市監(jiān)控中心及企業(yè)監(jiān)控中心子系統(tǒng)、車載單元子系統(tǒng)。具體的平臺(tái)及業(yè)務(wù)流程如圖1所示，說(shuō)明如下:

(1)車載終端收集車輛位置、速度、航向等實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，通過GSM、GPS等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，上傳到企業(yè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù);企業(yè)監(jiān)控中心通過政務(wù)網(wǎng)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳到市級(jí)基準(zhǔn)接收平臺(tái)，市級(jí)基準(zhǔn)平臺(tái)將數(shù)據(jù)共享到省府信息中心的省級(jí)基準(zhǔn)接收平臺(tái)。

(2)市級(jí)監(jiān)控中心位于政務(wù)網(wǎng)內(nèi)，從市級(jí)基準(zhǔn)接收平臺(tái)獲取車輛監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并將車輛監(jiān)控過程中分析結(jié)果共享并上傳到省級(jí)監(jiān)控中心;省級(jí)監(jiān)控中心位于政務(wù)網(wǎng)內(nèi)，從省基準(zhǔn)接收平臺(tái)獲取車輛監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)并將跨區(qū)域的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)共享給市級(jí)監(jiān)控中心。

(3)市級(jí)監(jiān)控中心與省級(jí)監(jiān)控中心通過網(wǎng)閘與公安網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)(危險(xiǎn)品運(yùn)輸計(jì)劃信息管理系統(tǒng)、違法管理系統(tǒng)等)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

重點(diǎn)車輛監(jiān)控平臺(tái)需要通過對(duì)多方、多層子系統(tǒng)信息的集成與交互，為指揮調(diào)度提供全面、準(zhǔn)確、及時(shí)的決策支持，全程的數(shù)據(jù)安全保障與支持變得尤為重要。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可跟蹤性、可連接性、可監(jiān)控性、可并行性、分布式處理等特性可以被運(yùn)用于重點(diǎn)車輛監(jiān)控平臺(tái)，從海量數(shù)據(jù)在各種傳感器(車速、GPS、載重等)的車載監(jiān)控終端被采集到海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分布式并行處理、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸與交換、管理分析等各環(huán)節(jié)提供安全保障技術(shù)。

圖1 省級(jí)重點(diǎn)車輛監(jiān)控平臺(tái)及數(shù)據(jù)流程

2 物聯(lián)網(wǎng)下的數(shù)據(jù)安全保障機(jī)制

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)層的安全和業(yè)務(wù)層的安全是相互獨(dú)立的。而物聯(lián)網(wǎng)的特殊安全問題很大一部分是由于物聯(lián)網(wǎng)是在現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上集成了感知網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用平臺(tái)帶來(lái)的。因此，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的部分機(jī)制仍然可以適用于物聯(lián)網(wǎng)并能夠提供一定的安全性，如認(rèn)證機(jī)制、加密機(jī)制等，但還是需要根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的特征對(duì)安全機(jī)制進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)充?；谖锫?lián)網(wǎng)的車輛監(jiān)管平臺(tái)涉及網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，需要通過制定針對(duì)性的信息安全策略，確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全與業(yè)務(wù)安全?；诩夹g(shù)與制度相結(jié)合的思路，建立起適用于物聯(lián)網(wǎng)的信息安全防控機(jī)制，具體技術(shù)包括監(jiān)控平臺(tái)車輛數(shù)據(jù)交換通訊、分布式處理及真實(shí)性校檢技術(shù)，從而確保重點(diǎn)車輛監(jiān)管平臺(tái)數(shù)據(jù)的有效性、正確性和安全性。

2.1 異型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換與通訊技術(shù)

重點(diǎn)車輛監(jiān)控平臺(tái)涉及從傳感器終端(如GPS)的生產(chǎn)、平臺(tái)建設(shè)到信息服務(wù)等一系列產(chǎn)業(yè)，不同的業(yè)務(wù)需求導(dǎo)致了不同的監(jiān)控平臺(tái)的建立，又涉及不同的運(yùn)營(yíng)企業(yè)、不同的數(shù)據(jù)中心與不同的數(shù)據(jù)傳輸媒介(無(wú)線傳輸、光纖、ADSL)。物聯(lián)網(wǎng)車輛監(jiān)控涉及互聯(lián)網(wǎng)、政務(wù)網(wǎng)、公安網(wǎng)等多個(gè)異型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間有些是邏輯隔離，而有些則是物理隔離。如互聯(lián)網(wǎng)與政務(wù)網(wǎng)之間是邏輯隔離，而公安網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)之間則是物理隔離。如果單純地解除這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)隔離，不利于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全及保密，所以綜合運(yùn)用無(wú)線通訊設(shè)備、VPN、路由器、網(wǎng)閘等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并解決數(shù)據(jù)共享功能的系統(tǒng)架構(gòu)、共享方式、數(shù)據(jù)載體等問題，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全交換是一個(gè)很好的選擇。

在此之前，通過建立重點(diǎn)車輛監(jiān)控平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化體系，可以有效地對(duì)平臺(tái)接口、數(shù)據(jù)交換內(nèi)容、傳輸協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)企業(yè)平臺(tái)與政府監(jiān)管平臺(tái)的數(shù)據(jù)有效對(duì)接。如圖2所示，重點(diǎn)車輛監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)涉及技術(shù)層面和業(yè)務(wù)層面兩部分。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括車載終端(傳感器)標(biāo)準(zhǔn)、平臺(tái)功能標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營(yíng)商編碼標(biāo)準(zhǔn);業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)包括車輛違法判定標(biāo)準(zhǔn)以及相應(yīng)有關(guān)部門執(zhí)法標(biāo)準(zhǔn)、多部門應(yīng)急聯(lián)動(dòng)與協(xié)作標(biāo)準(zhǔn)、信息服務(wù)內(nèi)容規(guī)范等內(nèi)容。

在保持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)隔離并實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換的同時(shí)，實(shí)際應(yīng)用中也需要考慮采用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段，如防火墻、安全漏洞掃描、入侵檢測(cè)、網(wǎng)絡(luò)陷阱、入侵取證和病毒防范等，保證網(wǎng)絡(luò)不被攻擊、不被病毒感染的可能，并加強(qiáng)嚴(yán)密的安全管理制度，對(duì)安全技術(shù)和安全設(shè)施進(jìn)行管理，做到技術(shù)與制度并重，保證合理的系統(tǒng)邊界與應(yīng)用對(duì)象劃分，對(duì)系統(tǒng)邊界外的人，不能讓其有辦法讀取數(shù)據(jù)，對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部用戶，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能被某些有企圖的用戶修改。

圖2 重點(diǎn)車輛監(jiān)控平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化體系

2.2 海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及分布式并行處理技術(shù)

異型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換與通訊技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，使得海量的數(shù)據(jù)傳輸可以安全、高效地接入到各級(jí)監(jiān)控平臺(tái)，使得海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理問題需要面對(duì):僅以省級(jí)重點(diǎn)車輛監(jiān)控平臺(tái)為例，據(jù)估計(jì)，廣東省的重點(diǎn)監(jiān)控平臺(tái)按照數(shù)據(jù)傳輸處理高峰時(shí)預(yù)計(jì)有60萬(wàn)在線車輛的規(guī)模計(jì)算，每輛車10s數(shù)據(jù)傳輸間隔，120字節(jié)大小的定位數(shù)據(jù)包，一天的數(shù)據(jù)量就達(dá)到580G，半年的數(shù)據(jù)量達(dá)到102T。為解決海量數(shù)據(jù)處理問題，本文對(duì)分布式并行計(jì)算模型下的重點(diǎn)車輛信息管理模式進(jìn)行研究，提出基于Hadoop［5］的重點(diǎn)車輛信息管理模型，由數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)、分布式并行計(jì)算及本地化計(jì)算等部分組成。

(1)分布存儲(chǔ)。

如圖3所示，Hadoop中的分布式文件系統(tǒng)(HDFS)是由一個(gè)命名節(jié)點(diǎn)(NameNode)和若干數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)(DataNode)組成的一個(gè)主從結(jié)構(gòu)的體系，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)均是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。與普通文件系統(tǒng)類似，文件的創(chuàng)建、復(fù)制、刪除、目錄創(chuàng)建、內(nèi)容查看等操作均能實(shí)現(xiàn)。為達(dá)到容錯(cuò)容災(zāi)的目的，其底層實(shí)現(xiàn)上把文件切割成眾多數(shù)據(jù)塊(Block)，這些Block分散地存儲(chǔ)與不同數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)數(shù)據(jù)塊還可以復(fù)制數(shù)份存儲(chǔ)于不同數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。

(2)分布式并行與本地計(jì)算。

Hadoop框架中分布式并行計(jì)算主要依靠任務(wù)主控器(JobTracker)和任務(wù)執(zhí)行器(TaskTracker)兩個(gè)對(duì)象實(shí)現(xiàn)。任務(wù)主控器負(fù)責(zé)任務(wù)的分派、調(diào)度及任務(wù)故障恢復(fù)等，任務(wù)執(zhí)行器負(fù)責(zé)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)。而在Hadoop這樣的基于集群的分布式并行系統(tǒng)中，計(jì)算節(jié)點(diǎn)可以方便地?cái)U(kuò)充，由于數(shù)據(jù)需要在不同計(jì)算機(jī)之間流動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)帶寬會(huì)成為瓶頸。為解決帶寬問題，本地計(jì)算被使用來(lái)節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在哪一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，就由這臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行該數(shù)據(jù)的計(jì)算，可以減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，降低對(duì)帶寬的需求，提高效率。

實(shí)現(xiàn)海量平臺(tái)數(shù)據(jù)高效的存取與交換、查詢，是滿足提高支撐水平，滿足不同業(yè)務(wù)部需要的關(guān)鍵。實(shí)際應(yīng)用中可以考慮IP SAN的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)技術(shù)，通過光纖交換機(jī)將大容量磁盤陣列與主機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)多主機(jī)共享存儲(chǔ)。選擇優(yōu)秀的數(shù)據(jù)庫(kù)工具(如Oracle)，通過主機(jī)的負(fù)載均衡集群，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分區(qū)操作，建立緩存機(jī)制和索引，并采用基于消息隊(duì)列中間件來(lái)進(jìn)行任務(wù)分配和進(jìn)程間通信，以實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程的分布式并行處理。

圖3 HDFS體系圖

2.3 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)真實(shí)性檢驗(yàn)技術(shù)

從企業(yè)監(jiān)控平臺(tái)上傳的接入數(shù)據(jù)可能受到人為等各種原因的干擾而存在偏差或錯(cuò)誤，而要保證傳輸過程數(shù)據(jù)的真實(shí)性，需要借助一定的技術(shù)手段來(lái)校驗(yàn)，本文采用車輛軌跡分析技術(shù)用于檢驗(yàn)車輛GPS數(shù)據(jù)的真實(shí)性。車輛軌跡分析的基礎(chǔ)技術(shù)是地圖匹配算法和時(shí)態(tài)GIS技術(shù)，目的是結(jié)合GIS提供的路網(wǎng)信息等基礎(chǔ)地理信息將車輛傳送回來(lái)的地理信息與實(shí)際的路網(wǎng)進(jìn)行位置匹配，建立真實(shí)性準(zhǔn)則，剔除不合理的數(shù)據(jù)，并結(jié)合時(shí)態(tài)GIS建立車輛時(shí)空運(yùn)動(dòng)模型，由歷史真實(shí)數(shù)據(jù)還原車輛真實(shí)軌跡，為分析當(dāng)前軌跡的真實(shí)有效性提供參考。

地圖匹配也稱地圖輔助定位，是指通過使用一定的算法，將GPS獲取的實(shí)際定位數(shù)據(jù)映射到直觀的數(shù)字地圖上，利用地圖中的道路網(wǎng)格達(dá)到限制定位誤差的目的［6］。地圖匹配算法一般至少包括3個(gè)主要步驟:確定誤差范圍、候選匹配路段和修正匹配結(jié)果。最基本的算法是幾何投影匹配法，首先查找距離車輛坐標(biāo)點(diǎn)較近的幾條路段，再計(jì)算車輛到不同路段的物理距離，認(rèn)為距離車輛距離最短的路段為其所在路段。如圖4所示，算法需要綜合考慮車輛行駛過程中的多個(gè)歷史GPS點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)際應(yīng)用中，大量的實(shí)時(shí)車輛GPS定位記錄數(shù)據(jù)將以批插入方式寫入數(shù)據(jù)庫(kù)表。地圖匹配過程將以一定時(shí)間間隔讀取一批GPS記錄數(shù)據(jù)，并按照不同車輛劃分的GPS點(diǎn)序列計(jì)算相應(yīng)的車輛行駛軌跡特征(幾何、拓?fù)?、行為、概率?，最后根據(jù)特征找到匹配路段并修正GPS值。

車輛GPS數(shù)據(jù)是典型的時(shí)空數(shù)據(jù)，車輛軌跡模擬與分析就需要在空間和時(shí)間上進(jìn)行分析。時(shí)態(tài)GIS強(qiáng)調(diào)在時(shí)間維度上對(duì)空間對(duì)象(重點(diǎn)車輛)的管理和分析，實(shí)現(xiàn)時(shí)間維度上對(duì)任意時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間段上的空間數(shù)據(jù)快速定位和訪問模擬和重構(gòu)群體對(duì)象運(yùn)動(dòng)過程。在地圖匹配與修正的基礎(chǔ)上，通過對(duì)車輛的運(yùn)動(dòng)方向和時(shí)空位置的模擬重構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛軌跡的刻畫與分析，并結(jié)合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的真實(shí)性準(zhǔn)則對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行校驗(yàn)，保證重點(diǎn)車輛監(jiān)控平臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性。

圖4 地圖匹配處理流程

3 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的重點(diǎn)車輛監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)流程包括數(shù)據(jù)安全交換與通訊、數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)與處理、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)真實(shí)性保障等。通過系統(tǒng)邊界與應(yīng)用對(duì)象的有效劃分，可以確保數(shù)據(jù)安全性，并結(jié)合異型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換與通訊技術(shù)、海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及分布式并行處理技術(shù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)真實(shí)性檢驗(yàn)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)可以有效地從數(shù)據(jù)流的各環(huán)節(jié)保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、安全性、有效性。除了采用先進(jìn)的安全技術(shù)手段，還需輔以嚴(yán)密的安全管理制度，對(duì)安全技術(shù)和安全設(shè)施進(jìn)行管理，保證平臺(tái)的數(shù)據(jù)安全。下一步還需要對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)的有效實(shí)現(xiàn)、地圖匹配算法優(yōu)化等方面進(jìn)行完善與探討。

［1］胡繼華，程智鋒，詹承志，等.車輛監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中時(shí)空立方體數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2013，38(1):78-81.

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