郭棟梁，肖 薇，秦 瑋，趙魯華（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266510）

甩掛運輸?shù)膾燔嚩ㄎ槐O(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

郭棟梁，肖 薇，秦 瑋，趙魯華
（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266510）

我國的甩掛運輸起步較晚，信息化水平不能滿足要求，針對這一現(xiàn)狀設(shè)計一種甩掛運輸定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)在ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，對場站內(nèi)已安裝傳感器節(jié)點的掛車進(jìn)行定位跟蹤和信息采集，并結(jié)合定位算法，得到掛車在場站內(nèi)的位置坐標(biāo)；掛車與牽引車匹配后，掛車上的傳感設(shè)備將掛車信息傳輸?shù)綘恳嚿希脿恳嚿系谋倍穼?dǎo)航設(shè)備為掛車定位，此外又結(jié)合傳感技術(shù)對掛車內(nèi)的貨物進(jìn)行監(jiān)控；最后建立甩掛掛車信息數(shù)據(jù)庫，為甩掛運輸公司等單位提供相對準(zhǔn)確、及時的掛車信息。

掛車定位；ZigBee；傳感節(jié)點；數(shù)據(jù)庫；掛車查詢系統(tǒng)

1 甩掛運輸發(fā)展現(xiàn)狀

甩掛物流作為發(fā)達(dá)國家廣泛采用的一種先進(jìn)的貨運組織形式，可提高道路貨運的集約化水平和運輸效率，但同時甩掛物流更是一種高度組織化的運輸形式，對貨源、線路、時間等均有嚴(yán)格要求，對信息網(wǎng)絡(luò)化的依賴程度很高。以美國世能達(dá)公司為例,其依托健全的信息技術(shù)和管理手段，可獲取掛車的實時位置，對牽引車和掛車進(jìn)行運營調(diào)度,實現(xiàn)車輛安全技術(shù)參數(shù)監(jiān)控和對運行信息及調(diào)度的控制。而現(xiàn)階段我國的大部分甩掛物流企業(yè)只能通過GPS實現(xiàn)對牽引車的位置追蹤，大型甩掛場站內(nèi)的精確定位成為問題，在掛車上安裝GPS等定位設(shè)備也增加了成本，此外目前在甩掛運輸中，針對貨物監(jiān)控的研究也很少。

2 甩掛場站內(nèi)掛車定位系統(tǒng)

場站內(nèi)掛車定位系統(tǒng)由節(jié)點系統(tǒng)和控制臺系統(tǒng)兩部分組成，兩個子系統(tǒng)的組成及其之間的關(guān)系如圖1所示。

當(dāng)車輛進(jìn)入甩掛場站時，掛車上的未知移動待測節(jié)點與信標(biāo)參考節(jié)點產(chǎn)生聯(lián)系，經(jīng)由協(xié)調(diào)器節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂婆_子系統(tǒng)，定位系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 節(jié)點系統(tǒng)和控制臺系統(tǒng)示意圖

圖2 定位系統(tǒng)示意圖

2.1 節(jié)點系統(tǒng)設(shè)計

節(jié)點系統(tǒng)分協(xié)調(diào)器節(jié)點、信標(biāo)參考節(jié)點和未知移動待測節(jié)點，各自功能如下：

（1）協(xié)調(diào)器節(jié)點：接收從信標(biāo)節(jié)點發(fā)送的信標(biāo)節(jié)點坐標(biāo)信息和RSSI數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給控制臺。

（2）信標(biāo)參考節(jié)點：按照特定次數(shù)接收ping數(shù)據(jù)包并將Ping++回應(yīng)發(fā)送給移動未知待測節(jié)點，接收從移動未知待測節(jié)點發(fā)送的ping數(shù)據(jù)包，由此測量并采集與其移動未知待測節(jié)點對應(yīng)的鏈路RSSI值。

（3）未知移動待測節(jié)點：申請加入ZigBee車站無線網(wǎng)絡(luò)；檢測并記錄相鄰最近的三個信標(biāo)參考節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址；向之前檢測得到的相鄰最近三個信標(biāo)參考節(jié)點發(fā)送特定次數(shù)的ping數(shù)據(jù)包，并等待接收對應(yīng)的響應(yīng)Ping++數(shù)據(jù)包。

節(jié)點主要有節(jié)點RSSI采集模塊、定位信息傳輸模塊、網(wǎng)絡(luò)管理模塊三部分組成，具體如下：

（1）節(jié)點RSSI采集模塊：本模塊位于信標(biāo)參考節(jié)點和移動未知節(jié)點上，移動未知節(jié)點即掛車上安裝的節(jié)點，信標(biāo)參考節(jié)點即在場站內(nèi)合適位置選取的固定節(jié)點，用于推算未知節(jié)點的位置。

（2）定位信息傳輸模塊：本模塊位于各個節(jié)點上，主要任務(wù)是通過一定的路由選擇算法進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，為信標(biāo)節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點之間提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，從而為RSSI和信標(biāo)節(jié)點坐標(biāo)的傳遞提供一個穩(wěn)定的線路。

（3）網(wǎng)絡(luò)管理模塊：本模塊位于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點上，主要是協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，信標(biāo)參考節(jié)點負(fù)責(zé)移動未知節(jié)點的加入網(wǎng)絡(luò)請求。

2.2 控制臺子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）信息優(yōu)化模塊：本模塊位于協(xié)調(diào)器節(jié)點與控制臺上，完成的功能主要是從協(xié)調(diào)器將信標(biāo)節(jié)點坐標(biāo)和其對應(yīng)的鏈路RSSI值傳輸至控制臺串口，控制臺從串口讀取RSSI數(shù)據(jù)后進(jìn)行高斯優(yōu)化。

（2）節(jié)點定位模塊：本模塊位于控制臺上，完成的主要功能是采用改進(jìn)的Bounding inbox算法對優(yōu)化后的RSSI值進(jìn)行處理，并結(jié)合信標(biāo)節(jié)點坐標(biāo)對待測節(jié)點進(jìn)行測距和定位。

節(jié)點子系統(tǒng)與控制臺子系統(tǒng)之間通過信息優(yōu)化模塊，由串口將協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到的信標(biāo)參考節(jié)點坐標(biāo)和對應(yīng)的RSSI數(shù)據(jù)消息讀入至控制臺，進(jìn)行未知節(jié)點定位。

2.3 RSSI測距的基本理論

依據(jù)信號傳播路徑損耗[1]和無線信道特性可得距離與信號發(fā)收功率之間的關(guān)系如公式（1）所示，其中Pr為信號發(fā)收功率，R為距離，A可為信號傳輸1m遠(yuǎn)時接收的功率，n為傳播因子[2]。

無線信號在近距離的傳播過程中信號衰減相當(dāng)厲害，遠(yuǎn)距離則信號呈緩慢線性衰減；在干擾較小的情況下，傳播因子n值越小，信號傳播距離越遠(yuǎn)，無線信號的傳播曲線越接近于理論曲線，基于RSSI的測距就會越精確，同時在距離為10-40m范圍內(nèi)，RSSI（接收信號強度指）區(qū)分度更明顯[3]?；谏鲜鲈?，有了簡化的距離d與RSSI的關(guān)系，如公式（2）、（3）所示[4]：

2.4 RSSI測距算法的高斯模型優(yōu)化

RSSI是指示當(dāng)前介質(zhì)中電磁波能量大小的數(shù)值，單位為dBm，RSSI值隨距離增加而減小，信標(biāo)節(jié)點可以通過RSSI值計算出未知節(jié)點與它的距離。

通過研究發(fā)現(xiàn)對于實際測量的RSSI有一個隨機分量x0，即實際測量的數(shù)值在一個相對穩(wěn)定值附近變動，并得出以下簡化高斯模型，如公式（4）所示[4]：

其中，Pr服從高斯分布，即Pr-N[m,σ]，密度函數(shù)如公式（5）、（6）和（7）所示[4]：

其中，Xi為第i個接收信號強度值，n為信號次數(shù)。一個節(jié)點在同一位置可能收到n個RSSI，其中會存在著小概率事件，導(dǎo)致計算距離產(chǎn)生誤差。高斯模型將選取高概率發(fā)生區(qū)的RSSI值，然后再求幾何均值，這種做法能降低一些小概率、大干擾事件對整體測量的影響，也就相對增強了定位信息的準(zhǔn)確性[5]。當(dāng)高斯分布函數(shù)值在0.5-0.6，可以認(rèn)為是正常的RSSI值，由高斯分布函數(shù)可解出對應(yīng)的RSSI值可取范圍。

2.5 三邊測量定位計算方法和Bounding inbox定位算法

（1）三邊測量定位計算方法，由幾何知識可得，在一個二維空間中,當(dāng)知道一個點到3個或3個以上節(jié)點的距離，可以確定該點的坐標(biāo)，假設(shè)未知節(jié)點坐標(biāo)是(x,y)，信標(biāo)節(jié)點坐標(biāo)分別為P1(x1,y1)，P2(x2,y2)…，Pn(xn,yn)，未知節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點的距離分別是r1,r2…，rn，可得計算公式，如公式（8）所示：

由式（8）可以得到大概的未知節(jié)點的坐標(biāo)，為提高定位精度，可采取最小二乘法來計算未知節(jié)點坐標(biāo)。

（2）Bounding inbox定位算法，Bounding inbox定位算法由加州大學(xué)伯克利分校的Semic等人提出。該算法把求解二次方程組的問題簡化為求解一次方程問題，避免了復(fù)雜的最小二乘法，從而減少了計算開銷。

在此算法中，重新調(diào)整了信號覆蓋區(qū)域，變圓形為矩形，在矩形區(qū)域里都默認(rèn)可以接收到節(jié)點信號。對于具體的實際場景，當(dāng)三個信標(biāo)節(jié)點P1,P2,P3布置好之后，進(jìn)行的具體操作如下：信標(biāo)節(jié)點依次接收到未知節(jié)點的RSSI值，并已經(jīng)高斯函數(shù)優(yōu)化處理，通過信道模型得到兩點之間的距離，分別以R1、R2、R3距離半徑設(shè)置信號覆蓋圓形區(qū)域，再將其轉(zhuǎn)換加強型的距離信號覆蓋模型，以內(nèi)切圓作矩形得到信標(biāo)節(jié)點間信號覆蓋交集，最后將矩形交集進(jìn)行質(zhì)心坐標(biāo)計算便得出未知節(jié)點的模糊精度位置完成定位，得到未知節(jié)點P的坐標(biāo)，矩形定位原理如圖3所示。

圖3 矩形定位原理

3 場站外掛車定位系統(tǒng)

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，幾乎所有的載貨汽車上都已經(jīng)安裝了導(dǎo)航設(shè)備，隨著我國北斗導(dǎo)航技術(shù)的不斷完善，每一輛牽引車上都可以配一部北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。將掛車、牽引車信息相連，利用牽引車上的定位系統(tǒng)為掛車定位成為一種理想的選擇。

3.1 牽引車監(jiān)控中心系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

建立一套甩掛運輸企業(yè)車輛監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)原理如下：

GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控中心系統(tǒng)、GPS車載終端、3G無線通信系統(tǒng)以及后臺服務(wù)器4部分組成。監(jiān)控車輛通過車載GPS接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，經(jīng)3G無線通信技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)將車輛定位信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的服務(wù)后臺，服務(wù)器端軟件對定位信息解析后存儲在數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控中心通過Web Service訪問數(shù)據(jù)庫，在GIS平臺上顯示車輛的軌跡，以實現(xiàn)對車輛的監(jiān)控[6]。隨著我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，為提高系統(tǒng)安全性，決定采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，而不是GPS。

車輛監(jiān)控系統(tǒng)是整個車輛調(diào)度系統(tǒng)的中心，是調(diào)度人員的管理平臺，可以在電子地圖上顯示車輛的位置，還可以向車載終端發(fā)送調(diào)度命令，主要包括GIS功能模塊、車輛監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和系統(tǒng)管理模塊4個部分[7]。

3.2 掛車與牽引車的信息匹配

在牽引車監(jiān)控系統(tǒng)的建立中，為了區(qū)分牽引車，記錄牽引車的基本信息，也會在牽引車上安裝電子標(biāo)簽，該電子標(biāo)簽記錄牽引車屬性。在作業(yè)人員完成牽引車裝掛作業(yè)以后，作業(yè)人員用可讀寫閱讀器讀取牽引車和掛車的信息，表示牽引車和掛車連接完畢，此時該掛車的信息便于此牽引車綁定，控制室將車輛監(jiān)控系統(tǒng)中牽引車的位置信息作為該掛車的位置信息，作業(yè)流程圖如圖4所示。

圖4 掛車與牽引車的信息匹配作業(yè)流程

4 掛車其他屬性的獲取

4.1 硬件要求

①掛車上安裝電子標(biāo)簽，能檢測溫度、濕度、傾角、加速度、煙霧等變量的傳感器，傳輸模塊等；②場站進(jìn)出口安裝電子標(biāo)簽讀出裝置；③可讀寫閱讀器；④牽引車上安裝車載儀。

4.2 實現(xiàn)的基本原理

電子標(biāo)簽讀出裝置由天線、饋線、主機等組成，其基本功能是當(dāng)電子標(biāo)簽隨掛車在一定的速度范圍內(nèi)通過其收發(fā)天線時，準(zhǔn)確地讀出電子標(biāo)簽中的信息，并傳送到控制和處理系統(tǒng)。在掛車進(jìn)站時，安裝在場站進(jìn)出口的電子標(biāo)簽讀取裝置讀取掛車信息，將掛車進(jìn)站的信息錄入數(shù)據(jù)庫，掛車入站以后將進(jìn)行一系列作業(yè)，如摘掛、卸貨、裝貨等。作業(yè)人員在作業(yè)以后用可讀寫閱讀器將該掛車最新屬性輸入電子標(biāo)簽，并將最新屬性傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

掛車上的傳感設(shè)備檢測掛車的各種狀態(tài)，將信息通過近距離傳輸模塊傳輸?shù)綘恳囓囕d儀上，車載儀再將信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行?。車載儀信息傳輸流程如圖5所示。

圖5 車載儀信息傳輸流程

5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計及基于C/S架構(gòu)的查詢系統(tǒng)設(shè)計

5.1 首頁設(shè)計

網(wǎng)頁的設(shè)計要本著簡明的原則，要方便調(diào)度員查詢掛車，要方便貨主查詢貨物。在實現(xiàn)基礎(chǔ)功能的基礎(chǔ)上，可以宣傳企業(yè)文化，方便客戶反映問題。使用該系統(tǒng)的用戶需要進(jìn)行注冊，系統(tǒng)要能夠區(qū)分用戶是調(diào)度員還是貨主，“貨物查詢”供貨主使用，“掛車查詢一覽表”供調(diào)度員使用。

5.2“貨物查詢”設(shè)計

貨主在查詢貨物信息的時候，點擊“貨物查詢”，在“貨物查詢”頁面中輸入自己貨物的編號，就可以看到自己的貨物情況，貨物查詢結(jié)果如圖6所示。

圖6 貨物查詢結(jié)果

5.3“掛車查詢一覽表”設(shè)計

調(diào)度員登錄成功后，點擊“掛車查詢一覽表”就可以進(jìn)入界面，看到掛車信息。掛車信息查詢結(jié)果見表1。

表1 掛車信息查詢結(jié)果

6 結(jié)語

該系統(tǒng)設(shè)計利用的技術(shù)都是國內(nèi)發(fā)展十分成熟的技術(shù)，而且開發(fā)建設(shè)成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。如果該系統(tǒng)能夠在大范圍內(nèi)應(yīng)用，將有利于提高我國甩掛運輸?shù)男畔⒒剑瑢崿F(xiàn)對掛車的位置）及狀態(tài)信息進(jìn)行實時的追蹤管理，方便對掛車的集中管理和調(diào)度，使貨物的狀態(tài)能夠得到及時的反饋，對運輸公司、客戶及司機等，都將帶來極大的便利。該系統(tǒng)更有利于企業(yè)節(jié)省成本，滿足國內(nèi)目前甩掛運輸?shù)目梢暬枨?，從而提高道路運輸?shù)姆?wù)質(zhì)量，降低我國的物流成本。

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Design of Trailer Car Positioning and Monitoring System in Drop-and-pull Transportation

GuoDongliang,XiaoWei,QinWei,Zhao Luhua
(School of Communication,Shandong University of Science &Technology,Qingdao 266510,China)

In this paper,we designed a positioning system for the drop-and-pull transportation process,which,relying on the ZigBee WSN environment,positions,tracks and collects the information of the trailer cars installed with sensor nodes that are operating in the yard, then in connection with the positioning algorithm,obtains the coordinates of the trailer cars in the yard.After the matching of the trailer car with the tractor truck,the sensor device on the trailer car will upload the trailer information unto the tractor truck and the Compass navigation device on the latter will help position the trailer car.Moreover,the sensor technology will also monitor the cargoes in the trailer car and at the end establish thedrop-and-pull trailercar information libraryand database.

trailer car positioning; ZigBee; sensor node; database; trailer car searching system

F542.3

A

1005-152X(2017)04-0080-04

2016-12-18

山東科技大學(xué)人才引進(jìn)項目（2015RCJJ033）

郭棟梁，山東科技大學(xué)學(xué)生，研究方向：交通運輸；肖薇，山東科技大學(xué)學(xué)生，研究方向：交通運輸；秦瑋，山東科技大學(xué)學(xué)生，研究方向：交通運輸；趙魯華，山東科技大學(xué)講師，研究方向：交通運輸、物流安全。

doi∶10.3969/j.issn.1005-152X.2017.04.019