王晨辰

（1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070）

純電動(dòng)物流車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺研究

王晨辰1,2

（1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070）

為了提高純電動(dòng)物流車運(yùn)行時(shí)的安全性和定位準(zhǔn)確性，開發(fā)了一套純電動(dòng)物流車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。該平臺由車載監(jiān)控模塊和上位機(jī)監(jiān)控軟件構(gòu)成，通過4G網(wǎng)絡(luò)通信。然后提出基于Douglas-Peucker軌跡提取算法的曲線擬合地圖匹配算法對車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)控平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確監(jiān)控、采集和顯示，對車輛的各項(xiàng)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回放、提取和分析，且經(jīng)新的地圖匹配算法匹配之后車輛的定位準(zhǔn)確，基本滿足純電動(dòng)物流車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

純電動(dòng)物流車；遠(yuǎn)程監(jiān)控；北斗；地圖匹配

1 前言

隨著我國網(wǎng)絡(luò)的日益發(fā)達(dá)，物流行業(yè)也在高速增長，整個(gè)社會對物流的需求更大、速度要求更高，對整個(gè)物流行業(yè)提出了更高的要求[1]。然而物流車輛的數(shù)量規(guī)模龐大、分散性大、機(jī)動(dòng)性大，這些特點(diǎn)對物流調(diào)度中心來說一直是一大難題，而且物流車的運(yùn)行強(qiáng)度大時(shí)間長載貨量重，且車輛缺乏保養(yǎng)，尤其是對于純電動(dòng)物流車來說，更是有著不小的危險(xiǎn)性存在。而且現(xiàn)有的車輛定位系統(tǒng)由于設(shè)備和環(huán)境等原因，經(jīng)常有定位不準(zhǔn)的情況出現(xiàn)，對物流中心的快速準(zhǔn)確調(diào)度更是帶來了困難。因此，針對這些問題，本文開發(fā)了一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并提出了基于軌跡提取的曲線擬合地圖匹配算法，提升了物流調(diào)度中心對物流車輛的監(jiān)控力度，使得車輛配置更加優(yōu)化，效率更高。

2 監(jiān)控平臺系統(tǒng)構(gòu)成

該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由車載監(jiān)控模塊、上位機(jī)監(jiān)控軟件、4G網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

監(jiān)控模塊安裝在物流車上，由模塊中的CAN模塊接收車輛的各種運(yùn)行信息，如電池SOC、SOH，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率等信息，而S1216F8定位模塊接收各種衛(wèi)星定位信息，并得到其中的經(jīng)度、緯度、車速、定位精度等信息。這些信息經(jīng)STM32芯片處理打包后通過SIM900A模塊根據(jù)TCP/IP協(xié)議發(fā)送至上位機(jī)監(jiān)控中心上，在發(fā)送的同時(shí)也將數(shù)據(jù)存入SD卡中，在沒有無線信號的時(shí)候暫存數(shù)據(jù)，等有信號的時(shí)候再將之前的數(shù)據(jù)取出發(fā)送至監(jiān)控中心。

上位機(jī)監(jiān)控平臺采用C++和MFC框架編寫，在其中嵌入百度地圖，將從下位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)如電機(jī)電池?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過處理分析之后實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控平臺上，將車輛的定位信息經(jīng)過一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換之后在嵌入的百度地圖上以一個(gè)小紅點(diǎn)的方式顯示出來，并將所有數(shù)據(jù)同時(shí)存入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)MySQL中，之后使用SQL指令可以對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和編輯，例如調(diào)取車輛的歷史信息和查看車輛的歷史軌跡。

圖1 監(jiān)控平臺系統(tǒng)構(gòu)成

3 監(jiān)控平臺功能

根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺設(shè)計(jì)需求，一共為上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)了三個(gè)功能，如圖2所示，分別為：管理功能、數(shù)據(jù)分析功能、監(jiān)控功能。系統(tǒng)針對這三個(gè)功能，設(shè)計(jì)開發(fā)了不同的用戶界面，使用戶能夠方便的使用監(jiān)控平臺,并且隨著平臺功能后續(xù)的不斷擴(kuò)展，可以開發(fā)出更多的功能模塊。

監(jiān)控功能中，運(yùn)行參數(shù)以數(shù)值、圖形和曲線等方式顯示在監(jiān)控平臺上，車輛定位與跟蹤在調(diào)用地圖匹配程序后在電子地圖上顯示出車輛的位置信息，并且如果車輛出現(xiàn)故障，會在監(jiān)控平臺上顯示出對應(yīng)的故障碼，方便及時(shí)的進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)分析功能使管理人員可以提取出車輛的各項(xiàng)歷史數(shù)據(jù)，對車輛過去的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，為車輛各項(xiàng)技術(shù)的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。管理功能使只有具有權(quán)限的管理人員才能夠登錄系統(tǒng)查看車輛的各項(xiàng)信息，使得系統(tǒng)的安全性大大提高。

圖2 監(jiān)控平臺功能

4 車輛定位及跟蹤的地圖匹配算法

4.1 地圖匹配算法概述

在車輛導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，僅靠GPS獲取的定位點(diǎn)遠(yuǎn)不滿足目前精確定位和導(dǎo)航的需求。而在短時(shí)間內(nèi)提高GPS的精度顯然是非常困難的，所以就需要其他的方法來提高GPS的定位精度。地圖匹配是一種基于軟件技術(shù)的定位修正方法。這種方法的基礎(chǔ)思想是將車輛定位軌跡與電子地圖中的道路網(wǎng)信息聯(lián)系起來，并由此確定移動(dòng)目標(biāo)相對于地圖的位置。地圖匹配技術(shù)可以在不提高GPS精度的情況下提高定位和導(dǎo)航的精確度，使車輛的定位和導(dǎo)航更加準(zhǔn)確[3]。

4.2 現(xiàn)有地圖匹配算法分析

4.2.1 幾何匹配方法。幾何匹配算法包括了點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到線和線到線三種算法。點(diǎn)到點(diǎn)的匹配，也就是直接投影法，指的就是把GPS測量點(diǎn)定位到離此點(diǎn)投影距離最近的點(diǎn)上[4]。點(diǎn)到點(diǎn)的算法在道路網(wǎng)非常密集節(jié)點(diǎn)很多的時(shí)候匹配精度較高。而點(diǎn)到線的匹配是將GPS測量點(diǎn)匹配到距離其最近的線上。這種方法和點(diǎn)對點(diǎn)算法相比較效果好一些，但是如果路網(wǎng)非常密集，算法的穩(wěn)定性就會變差。線到線的算法首先是利用點(diǎn)到點(diǎn)選出候選道路的節(jié)點(diǎn)，然后比較車輛的行駛軌跡和節(jié)點(diǎn)周圍的道路，如果平均距離最小，則選取該路段作為車輛當(dāng)前的行駛路段。線到線算法雖然考慮了行車的歷史軌跡，但是沒有考慮到誤差的方法，如果在點(diǎn)到點(diǎn)階段就產(chǎn)生了誤差，則在之后的過程中會將此誤差一直代入計(jì)算，導(dǎo)致最終結(jié)果不準(zhǔn)確[5]。

4.2.2 曲線擬合算法。在電子地圖中并沒有曲線的路段，而是用直線和折線段來表示，所以在匹配的過程中，車輛的行駛軌跡可以用一段直線來代表。該算法在某些路段（如比較大的彎道或交叉路口處）的匹配效果比較好，但是由于這種算法需要一段時(shí)間內(nèi)的多個(gè)GPS測量點(diǎn)，因此實(shí)時(shí)性較差[6]。當(dāng)周邊兩條道路平行的時(shí)候，用這個(gè)算法來匹配，容易產(chǎn)生誤差。采用曲線擬合算法需要同時(shí)采用其他的地圖匹配算法來配合計(jì)算。

4.3 Douglas-Peucker算法

地圖匹配的候選路段選擇其實(shí)就是將車輛的運(yùn)行軌跡和道路的走向相比較。但是由于GPS點(diǎn)的不準(zhǔn)確，對車輛運(yùn)行軌跡的提取會產(chǎn)生很大的影響。因此選擇Douglas-Peucker算法這種常用的曲線數(shù)據(jù)壓縮和曲線多邊形逼近算法進(jìn)行車輛運(yùn)行軌跡的提取[7]。

Douglas-Peucker算法的基本思想是將每條曲線的起點(diǎn)及終點(diǎn)連成一虛線，求出所有點(diǎn)到虛線的距離，并找到最大的距離值dmax，對這兩部分重復(fù)使用該方法。算法原理如圖3所示：

Douglas-Peucker算法的基本思路是：連接曲線的起始點(diǎn)，用一條虛線表示，計(jì)算出線上所有的點(diǎn)與這條虛線的距離，dmax表示最大距離，用得到的dmax的值和限差D作對比：當(dāng)dmax比D小的時(shí)候，忽略掉曲線中間所有其他點(diǎn)；如果dmax的值大于等于D，則留下對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)。以這個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)作為界限，用曲線分割成兩個(gè)部分，重復(fù)用該方法計(jì)算分割后的兩部分曲線，以此類推。

圖3 Douglas-Peucker算法基本思想

4.4 最小二乘法曲線擬合

由Douglas-Peucker算法提取得到的是一個(gè)個(gè)離散的軌跡點(diǎn)，如要將行車軌跡和道路相匹配，就需要將一個(gè)個(gè)離散的軌跡點(diǎn)進(jìn)行擬合獲得曲線，然后再進(jìn)行匹配。最小二乘法曲線擬合是一種既實(shí)用又便捷的曲線擬合方法。最小二乘法的原理為從給定的數(shù)據(jù)(xi,yi)出發(fā)，構(gòu)造一個(gè)近似函數(shù)φ(x)，不要求φ(x)完全通過所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)，只要求所得的近似曲線能反映數(shù)據(jù)的基本趨勢。

首先對于給定的一組數(shù)據(jù)(xi,yi)，i=1,2,...,n，尋求次數(shù)不超過m(m＜n)的多項(xiàng)式：

使該多項(xiàng)式的偏差平方和Q為最小

由于Q可以看作是關(guān)于(j=0,1,2,…,m)的多元函數(shù)，故上述擬合多項(xiàng)式的構(gòu)造問題可歸結(jié)為多元函數(shù)的極值問題。令：

可得：

求解上述關(guān)于系數(shù)aj的線性方程組可得：

矩陣[a0,a1,…,am]即為多項(xiàng)式的系數(shù)矩陣。

4.5 基于Douglas-Peucker的曲線擬合算法

第一步：對GPS定位點(diǎn)進(jìn)行篩選，剔除無效的定位點(diǎn)；

第二步：確定定位點(diǎn)附近的候選路段。以該點(diǎn)為中心，結(jié)合GPS定位精度和道路寬度，選取以40m為半徑的圓以內(nèi)的路段作為候選路段，并根據(jù)路段的端點(diǎn)計(jì)算路段的斜率k0；

第三步：如候選道路集合中只有一條道路，則認(rèn)為該道路即為匹配道路；如有多條，則采用Douglas-Peucker算法先提取行車軌跡點(diǎn)。然后選取當(dāng)前GPS定位點(diǎn)以及之前的5個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行最小二乘法曲線擬合，擬合曲線的斜率k為:

第四步：比較擬合之后曲線的斜率k和候選道路集中每條道路的斜率k0，通過公式便可計(jì)算出車輛運(yùn)行軌跡和候選道路的夾角[8]。角度計(jì)算公式如下：

第五步：曲線擬合的函數(shù)為：

式中，f為各道路的匹配值，d為定位點(diǎn)到路段的投影距離，m,n為權(quán)值，曲線擬合算法通常m和n都選0.5，但在本文中，行車軌跡已由Douglas-Peucker提取，大幅度增加了行車軌跡與實(shí)際道路的匹配性，所以在本文中選用m= 0.8,n=0.2。計(jì)算各道路的匹配值f，f最小的道路則為最終匹配道路，將定位點(diǎn)通過投影法關(guān)聯(lián)至該道路上。

算法的流程圖如圖4所示：

圖4 算法流程圖

5 實(shí)車驗(yàn)證

5.1 監(jiān)控平臺功能驗(yàn)證

以某公司的純電動(dòng)物流車作為實(shí)驗(yàn)車輛，在武漢市區(qū)內(nèi)選取一段較復(fù)雜的道路作為實(shí)驗(yàn)路段。監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面如圖5所示。圖5中顯示了該純電動(dòng)客車的車輛定位信息、故障報(bào)警、電池信息和電機(jī)信息等車輛運(yùn)行參數(shù)。

圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

利用監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)分析功能查看過去20min內(nèi)純電動(dòng)物流車的SOC和電流歷史數(shù)據(jù)SOC曲線如圖6所示：

電池電流曲線如圖7所示：

5.2 地圖匹配驗(yàn)證

基于Douglas-Peucker算法的曲線擬合算法，調(diào)用電子地圖對車輛進(jìn)行定位。圖8為未調(diào)用算法時(shí)直接通過GPS測量獲得的定位點(diǎn)，由圖可見在剔除無效GPS定位點(diǎn)后，剩余有效的GPS定位點(diǎn)有時(shí)在道路上，但是也有部分偏離至道路外。調(diào)用算法之后的定位點(diǎn)如圖所示。調(diào)用算法之后的點(diǎn)基本都在道路上，并且未出現(xiàn)道路匹配錯(cuò)誤點(diǎn)，如圖9所示。兩圖相比較可見基于Douglas-Peucker的曲線擬合算法匹配效果良好。

圖6 SOC歷史數(shù)據(jù)曲線

圖7 電池電流歷史數(shù)據(jù)曲線

圖8 未調(diào)用算法的歷史軌跡

6 結(jié)論

本文結(jié)合純電動(dòng)物流車的特點(diǎn)設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套針對純電動(dòng)物流車的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，實(shí)車試驗(yàn)表明，平臺運(yùn)行情況良好，能夠?qū)囕v進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并且對車輛的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、分析和存取，滿足設(shè)計(jì)需求?；贒ouglas-Peucker的曲線擬合算法對車輛進(jìn)行了準(zhǔn)確的定位，使得車輛定位能夠準(zhǔn)確的顯示在電子地圖上。整套系統(tǒng)為高效優(yōu)化物流車資源配置打下了基礎(chǔ)，可推進(jìn)現(xiàn)代物流行業(yè)的信息化發(fā)展。

圖9 調(diào)用算法的歷史軌跡

[1]張向南,趙慶展,何啟峰.基于北斗的物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)[J].物流技術(shù),2015,34(8):251-268.

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Study on Remote Monitoring Platform of Electrical Logistics Vehicles

Wang Chenchen1,2
(1.HubeiKeyLaboratoryforModernAutomobileSpareParts&Technology,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan 430070; 2.HubeiCollaboration&InnovationCenterforAutomobileSpareParts&Technology,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan 430070,China)

In this paper,in order to improve the safety and positioning accuracy of the electrical logistics vehicles in operation,we developed the electrical logistics vehicle remote monitoring platform.This platform consisted of an on-board monitoring module and the upper computer monitoring software and communicated through the 4G network.Then,we proposed the curve fitting and map matching algorithm based on the Douglas-Peucker track extracting algorithm to position the vehicles in real-time.At the end,through a ground test, we found that the monitoring platform could realize accurate monitoring,collection and display of the vehicle data,and could play back, extract and analyze the various historical data of the vehicles.

electrical logistics vehicle;remote monitoring;Compass;map matching

F253.9;TN914

A

1005-152X(2017)01-0105-05

10.3969/j.issn.1005-152X.2017.01.022

2016-12-02

王晨辰（1992-），男，浙江金華人，碩士研究生，研究方向：汽車電子。