(上海大學 通信與信息工程學院，上海 200444)

0 引言

由于車輛流動性強，對租賃車輛的管理難度大。傳統(tǒng)的車輛管理方式缺乏對于車輛的實時監(jiān)控，造成信息的透明度低，信息不能及時反饋等問題[1]。同時，由于沒有統(tǒng)一的租賃車輛管理平臺，管理人員不能有效地對車輛進行管理[2]。另一方面，大型的租賃公司通常存在多種車型租賃業(yè)務，不同的車型安裝的定位設備來自不同的廠商，這些設備在數據傳輸協(xié)議和數據存儲格式上存在很大差異，導致現(xiàn)存的資源不能互通互聯(lián)[3-5]?，F(xiàn)有的租賃車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng)只能解決單一定位設備數據管理，不能很好地將來自不同廠商設備獲取的數據融合到一起實現(xiàn)數據共享[6]。

2005年，OGC(Open Geospatial Consortium)提出了一種國際通用的Sensor Web規(guī)范—SWE(Sensor Web Enablement)，在該框架中描述了傳感器的接口、協(xié)議和編碼規(guī)范，可從遠程接入傳感器，打造一個“即插即用”的基于Web的傳感器網絡標準平臺[7]。傳感觀測服務(SOS)是SWE的最重要且最基礎的規(guī)范之一，它作為一種Sensor Web服務，致力于為異構傳感器數據倉庫和使用這些數據的應用程序之間提供互操作性[8]。它提供了一種標準方法，用于訪問來自傳感器信息和傳感器系統(tǒng)的觀測數據解決信息孤島問題，實現(xiàn)數據的共享[9-11]。

本文將對來自不同廠商的定位設備進行建模，遵循SensorML規(guī)范生成標準的XML建模文檔，注冊到SOS中，研究基于Sensor Web的租賃車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過SWE提供的傳感器觀測服務SOS實現(xiàn)移動傳感器及其觀測信息的管理，在此基礎上開發(fā)集成來自不同廠商定位設備數據的

統(tǒng)一租賃車輛監(jiān)控管理平臺，實現(xiàn)車輛定位、歷史軌跡回放、電子圍欄報警等功能。

1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

從租賃車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實際應用需求出發(fā)，將該系統(tǒng)功能需求分為設備管理、車輛定位、電子圍欄越界報警、用戶管理等。圍繞這些功能，將系統(tǒng)劃分成感知層、數據解析層、數據管理層、邏輯層、應用層五部分。如圖1所示。

感知層由安裝在租賃車輛上的定位設備(以下統(tǒng)稱為移動傳感器)組成，主要負責定位信息采集并提供將采集到的信息上傳至遠程設備的接口。數據解析層主要包括移動傳感器信息描述模型和數據解析模塊，主要用于傳感器注冊和觀測數據插入。數據管理層主要分為共享數據中心和業(yè)務數據中心兩個部分，共享數據中心由傳感器觀測服務SOS(Sensor Observation Service)和抄收數據庫組成，主要負責對傳感器以及觀測數據的存儲，這部分數據是可以共享的；業(yè)務數據中心由業(yè)務數據庫組成，主要負責業(yè)務功能實現(xiàn)所需數據和產生數據的存儲。邏輯層主要由SOS核心操作實現(xiàn)模塊和業(yè)務功能實現(xiàn)模塊組成，SOS核心操作實現(xiàn)模塊主要負責生成標準的XML文檔和解析標準的XML文檔提取所需數據以供業(yè)務功能實現(xiàn)模塊使用；業(yè)務功能實現(xiàn)模塊主要負責應用層功能的實現(xiàn)。應用層主要提供了租賃車輛遠程監(jiān)控頁面，通過該頁面用戶可以很方便的使用設備管理、車輛位置查詢、圍欄設置、報警管理、用戶權限管理等功能。

定位設備通過傳輸協(xié)議將觀測數據上傳，服務器端將接收的消息進行解析生成標準的InsertObservation操作文檔插入SOS。SOS為數據的插入和使用提供了方便交互的Rest接口，所有數據的使用者都需要到數據中心中獲取對應的傳感器數據及其觀測數據。系統(tǒng)應用層分為內部數據交互和外部數據交互。內部數據交互是指前端與業(yè)務數據庫進行交互，使用SpringMVC搭建Web應用，用戶從前端頁面調用后端接口獲取或添加數據。外部數據交互即前端與SOS的交互。應用層通過SOS服務暴露的REST接口獲取SOS對應的傳感器數據，然后傳輸到前端界面上做展示。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 數據解析層

數據解析層主要包括移動傳感器信息描述模型和數據解析模塊。在Sensor Web中，集中管理傳感器和其觀測信息的基礎是對傳感器建模，并將傳感器注冊到SOS中[12]。移動傳感器信息描述模型是一個基于SensorML標準的文檔，是將從移動傳感器分析并提取的建模信息根據SensorML標準進行抽象轉化所生成的建模文檔。對傳感器建模之前，首先要對移動傳感器進行分析，提取建模所需基本信息，然后遵循SensorML規(guī)范，將信息整合成標準的XML格式的傳感器建模文檔。對于移動傳感器需要抽象化的信息主要分為兩大類：一類是傳感器基本信息，另一類是傳感器的觀測信息。完成移動傳感器建模后將通過SOS提供的InsertSensor操作注冊到SOS服務中。

定位設備以一定的時間間隔將采集到的觀測數據通過傳輸協(xié)議發(fā)送給服務器，對數據發(fā)送模塊所使用的不同傳輸協(xié)議，解析器都有與之匹配的的解析模塊[13]。通過解析器提取出數據內的關鍵信息，發(fā)送給部署于后臺的文檔生成模塊。文檔生成模塊對數據進行解析并通過SOS獲取已注冊傳感器信息，通過對比已注冊傳感器來判斷請求接入的傳感器是否合法，若合法則生成標準的觀測信息插入文檔，通過SOS提供的InsertObservation操作接入數據庫中，完成移動傳感器的數據接入。數據接入流程如圖2所示。

圖2 觀測數據接入流程圖

2.2 數據管理層

數據管理層主要分為共享數據中心和業(yè)務數據中心兩個部分，所用數據庫為MySQL數據庫。共享數據中心由傳感器觀測服務SOS和其綁定的數據庫組成，由于SOS能夠集中管理來自移動、原位和遙感傳感器的觀測數據，并提供一個接口，使得傳感器和傳感器觀測數據能夠通過一個基于Web的界面被存取，能很好的實現(xiàn)數據共享。將52North公司提供的SOS服務war包部署到Tomcat虛擬服務器下，當Tomcat運行時會自動解析war包并提供SOS服務的功能。移動傳感器觀測數據記錄了移動傳感器觀測值的獲取的時間、傳感器的經緯度等信息，通過SOS提供的InsertObservation操作存儲到部署SOS時綁定的數據庫中。

業(yè)務數據中心部分數據是不共享的，主要為具體功能實現(xiàn)而設計。本文根據系統(tǒng)要求，業(yè)務數據庫設計主要分為設備管理模塊、圍欄設置模塊、報警預警模塊、定位信息模塊、權限設置模塊5個模塊。

設備管理模塊包括汽車信息表、汽車設備綁定表、汽車狀態(tài)改變表。汽車信息表用來存儲汽車基本信息，前端調用后端車輛添加和車輛刪除等接口時會操作該表單。汽車設備綁定表用來存儲汽車與移動傳感器綁定信息，調用后端設備綁定和設備解綁等接口時會操作該表單。汽車狀態(tài)改變表用來存儲汽車狀態(tài)的變更信息，調用后端車輛信息變更接口時會對該表單進行操作。

圍欄設置模塊包括圍欄信息表、車輛圍欄綁定信息表、圍欄狀態(tài)改變表。圍欄信息表用來存儲圍欄設置基本信息，前端調用后端圍欄創(chuàng)建和圍欄修改等接口時會對該表單進行操作。車輛圍欄綁定信息表用來存儲車輛與電子圍欄綁定信息，前端調用后端圍欄綁定和圍欄解綁等接口時會操作該表單。圍欄狀態(tài)改變表用來存儲圍欄狀態(tài)變更信息，前端調用后端圍欄修改和圍欄綁定等時會對該表單進行操作。

報警預警模塊包括報警預警信息表、報警信息下發(fā)表、預警信息下發(fā)表、郵件下發(fā)表。報警預警信息表用來存儲報警預警基本信息，前端調用后端報警信息查詢和預警信息查詢等接口時會對該表單進行操作。報警信息下發(fā)表用來存儲報警處理信息，前端調用后端報警信息查詢和報警信息處理等接口時會操作該表單。預警信息下發(fā)表用來存儲預警處理信息，前端調用后端預警信息查詢和預警信息處理等接口時會操作該表單。郵件下發(fā)表用來存儲報警郵件下發(fā)信息，前端調用后端郵件下發(fā)接口時會操作該表單。

定位信息模塊包括定位信息表，用來存儲車輛定位信息，前端調用后端查詢車輛信息等接口時會操作該表單。權限設置模塊包括用戶注冊表、權限表、用戶權限關聯(lián)表。用戶注冊表用來存儲用戶注冊信息，前端調用后端添加用戶和刪除用戶接口時操作該表單。權限表用來存儲權限設置信息，前端調用后端添加權限和刪除權限接口時操作該表單。用戶權限關聯(lián)表用來存儲用戶與權限相關聯(lián)信息，前端調用后端分配權限接口時操作該表單。

根據不同模塊實現(xiàn)功能，依照設計原則對各個表進行設計，以圍欄設置模塊中圍欄信息表為例，表結構如表1所示。

表1 圍欄信息表

2.3 邏輯層

邏輯層主要由SOS核心操作實現(xiàn)模塊和業(yè)務功能實現(xiàn)模塊組成。當傳感器信息與傳感器觀測數據插入到與SOS綁定的數據庫中之后，即可通過SOS提供的3個核心操作GetObservation、GetCapabilities和DescribeSensor來獲取傳感器元數據和目標傳感器觀測數據[14]。通過SOS核心操作實現(xiàn)模塊屏蔽了SOS相關操作的復雜細節(jié)，用戶無需構建復雜的SOS操作請求的XML文檔就可以獲取傳感器信息和觀測數據。SOS核心操作實現(xiàn)模塊通過Java類實現(xiàn)，構建兩種Java類：一種是Request類，另一種是Response類。通過Request類生成SOS核心操作的標準XML請求文檔，并且發(fā)送給傳感器觀測服務SOS。Response類實現(xiàn)了將SOS核心操作的響應XML文檔進行解析提取所需數據供業(yè)務功能實現(xiàn)模塊使用。圖3為類詳細結構圖。SOS服務向外界提供獲取數據的方法接口是基于“請求-響應”的交互模式，一次請求只能獲得一次響應，響應完成后結束會話。

圖3 Request類和Response類結構圖

業(yè)務功能實現(xiàn)模塊主要負責業(yè)務功能邏輯處理，本文中租賃車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)業(yè)務功能包括：設備管理、車輛位置查詢、圍欄設置、報警預警管理、用戶權限管理等功能。本系統(tǒng)基于前后端分離的思想來構造，服務器后端使用SpringMVC+Hibernate實現(xiàn)。其中SpringMVC處理請求分發(fā)，Hibernate進行與數據庫交互。整個后端系統(tǒng)通過Spring來構造和管理實例達到系統(tǒng)的整合。前端使用HTML+CSS來構造用戶頁面，前端邏輯使用JavaScript來編寫。前后端的交互使用Rest架構風格,前端使用AJAX請求后端數據，后端返回對其請求結果的Json 對象。

用戶在應用層進行操作就會調用后端業(yè)務功能相應的接口，以電子圍欄創(chuàng)建和車輛越界報警功能為例，在電子圍欄設置部分高德地圖API在前端畫圖時提取經緯度信息，這些信息保存成字符串形式，通過ajax保存到后臺數據庫。創(chuàng)建電子圍欄調用電子圍欄創(chuàng)建接口，請求協(xié)議為HTTP協(xié)議，請求類型為post請求，URL全徑為CarPatures/FencingController/addFencing，請求參數包括：fencing_name(圍欄的名稱)、fencing_detail(圍欄的備注)、fencing_data(圍欄的點集合)、user_name(用戶名)，響應參數包括：code(請求狀態(tài)碼，備注：200請求成功,500請求失敗)、message(返回信息，備注：成功：添加成功。失敗：添加失敗+圍欄信息)。操作表單為業(yè)務數據庫圍欄設置模塊的圍欄信息表。在對車輛進行越界報警監(jiān)控前首先要進行設備和圍欄綁定，設備和地圖都放在內存中間用map的形式保存，綁定的租賃車輛的每個定位信息都會和對應的圍欄信息進行判斷。前端和后端使用websocket保持長連接，后端發(fā)現(xiàn)越界直接推送信息到應用層。

2.4 應用層

為了用戶更直觀地觀測到定位數據，引入高德地圖API作為重要的技術支撐，對車輛監(jiān)控最核心的需求都是圍繞它來進行開發(fā)。利用HTML構建頁面框架，CSS設置頁面樣式，通過JavaScript將高德地圖嵌入到網頁中，使用jQuery框架的AJAX方法實現(xiàn)前后端參數傳遞。租賃車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng)應用層主要設計實現(xiàn)了設備管理、車輛位置查詢、圍欄設置、報警預警管理、用戶權限管理等頁面。

3 功能測試

3.1 仿真環(huán)境搭建

根據本模型系統(tǒng)總體架構的設計與實驗實現(xiàn)需要，開發(fā)環(huán)境如下：

1)Java開發(fā)包和運行環(huán)境：JDK1.8.0_102，JRE1.7

2)Java集成開發(fā)環(huán)境：Eclipse Java EE IDE Photon

3)前端開發(fā)環(huán)境：HBuilder9.1.25

4)Web服務器：Apache Tomcat 7.0

5)數據庫：MySQL5.3

6)SOS版本：52n-sos-4.0

7)服務器配置：Windows Server 2008 R2 Enterprise， CPU E5-2403 1.8 G，內存8 G

8)不同廠商的定位設備：GT220，GT710

3.2 仿真結果與分析

3.2.1 數據采集與數據接入

通過在自行車上安裝來自不同廠商的定位設備來模擬測試車輛，首先對定位設備進行建模注冊，在上述測試環(huán)境下，設置GT220定位設備每10 s上傳一次位置信息，設置GT710定位設備每5 s上傳一次位置信息。由于 GPRS 網絡具備長距離傳輸的能力，因此本文選用GPRS進行無線接入。定位設備使用TCP協(xié)議傳輸數據，不同廠商的定位設備上傳數據包格式有所差別，通過定義不同的類型的數據包解析模塊來實現(xiàn)多源定位設備的接入，移動傳感器(定位設備)注冊及其觀測數據插入結果如圖4所示。

圖4 傳感器注冊和數據插入結果

上述數據顯示了移動傳感器在后臺的存儲方式，每個傳感器注冊都有唯一的傳感器標識，也就是SensorID，通過對應屬性參數之間的關聯(lián)，展示不同的傳感器性能。通過將傳感器注冊id與設備一一對應來實現(xiàn)對定位設備及其觀測數據進行統(tǒng)一管理。

3.2.2 業(yè)務功能測試

1)設備管理功能測試：

傳感器注冊后每個傳感器都有唯一的傳感器ID，傳感器ID所對應定位設備也有唯一的設備編號，為了方便用戶管理和查詢設備信息，屏蔽后端設備綁定的一些復雜操作，開發(fā)前端頁面來方便用戶管理，管理員通過設備添加操作實現(xiàn)設備與虛擬傳感器綁定，通過設備刪除操作實現(xiàn)設備與虛擬傳感器的解綁，另外可以通過設備列表查詢獲取后端數據庫中設備與傳感器綁定所有信息，如圖5所示。

圖5 設備管理

管理員在管理頁面進行上述操作，后端數據庫會操作相應的表單進行數據的插入與刪除，說明該設備管理模塊可以成功的實現(xiàn)設備綁定的添加和刪除功能。

2)車輛位置及其行車軌跡查詢功能測試：

根據設置，定位設備會定時上傳經緯度觀測信息插入SOS進行管理，通過SOS服務GetObservation操作獲取這些觀測信息，后臺封裝了DeviceLocationImpl類來實現(xiàn)車輛位置查詢功能，當前端發(fā)起請求，該類將GetObservation操作響應解析后數據進行過濾上傳至前端頁面進行顯示。因為數據采集的經緯度坐標比較密集，為了更直觀的觀測車輛位置信息以一分鐘為間隔進行取點在地圖上顯示，并且以虛線繪制行車路徑，如圖6所示。

圖6 車輛位置信息與行車軌跡

如圖6所示，設備編號為GT220-03，傳感器標識號為SHUTEST03在開始時間2019-03-05-00：00:00到結束時間2019-03-06-00:00:00這一時間段內的車輛位置信息及其行車軌跡。由圖可以看出該系統(tǒng)歷史行車軌跡顯示及其車輛位置查詢功能是可以很好的實現(xiàn)的。

3)電子圍欄越界報警預警功能測試：

后端封裝了FencingImpl類來實現(xiàn)添加圍欄、刪除圍欄和添加車輛與圍欄綁定等功能。創(chuàng)建一個MessageImpl類實現(xiàn)報警預警管理功能，該類中創(chuàng)建isInFencing(是否駛入圍欄)、isOutFencing(是否駛出圍欄)、isCloseFencing(是否靠近圍欄)3個成員變量來存儲車輛位置判斷后狀態(tài)信息，調用該類相應的成員方法對車輛位置進行判斷如果滿足駛入圍欄、駛出圍欄、靠近圍欄條件，將相對應的isInFencing、isOutFencing、isCloseFencing參數賦值為true。然后啟用新的線程對上述3個參數進行實時監(jiān)控，如果該參數值為true則進行報警預警，并將報警預警信息寫入相應數據庫。報警判斷條件設置為：駛入圍欄報警、駛出圍欄報警。預警判斷條件設置為當車輛靠近圍欄50米處進行預警。其中對于報警信息會進行郵件下發(fā)通知管理者，預警信息則不進行郵件下發(fā)。

首先進行電子圍欄創(chuàng)建，點擊圍欄設置跳出電子圍欄創(chuàng)建頁面，設置圍欄名稱，選擇圍欄位置。如圖7(a)所示，選擇上海市寶山區(qū)為圍欄功能測試區(qū)域，點擊提交完成電子圍欄創(chuàng)建。將監(jiān)控車輛與電子圍欄進行綁定，建立長連接，對測試車輛進行持續(xù)3個小時遠程監(jiān)控，車輛運行軌跡如圖7(b)所示。

圖7 電子欄見創(chuàng)建與車輛運行軌跡圖

從圖7(b)中可以看出車輛4次駛入駛出圍欄，在車輛駛入駛出圍欄前都會先靠近圍欄，當車輛靠近圍欄50出會先進行預警，預警信息不會下發(fā)郵件通知，駛入駛出圍欄報警會下發(fā)郵件進行通知管理員。針對上述測試，對應后臺數據庫如圖8所示。

圖8 報警預警信息結果顯示

從圖8可以看出，定位設備GT710編號為GT710-02，對應傳感器id為SHUTEST05，綁定設備每次報警預警信息都會入報警預警信息信息表，用戶通過前端請求以獲取相應數據在管理頁面進行顯示。

針對以上測試可以看出，對于來自不同廠商的定位設備進行建模注冊并通過SOS對定位設備及其觀測數據進行管理是可行的，在此基礎進行租賃車輛遠程監(jiān)控并對其設備添加和刪除、車輛位置查詢、歷史軌跡回放及電子圍欄報警預警等功能進行測試，說明本系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)租賃車輛遠程監(jiān)控。

4 結束語

本文基于Sensor Web設計并實現(xiàn)了租賃車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng)。根據SWE標準對來自不同車輛的定位設備進行抽象建模，將其動態(tài)集成到Sensor Web中，使用傳感器觀測服務SOS對定位設備及其觀測信息進行統(tǒng)一管理，作為構建統(tǒng)一租賃車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎。通過對租賃車輛遠程監(jiān)控系統(tǒng)需求分析，設計遠程監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊，使用Java語言進行后臺邏輯的開發(fā)，實現(xiàn)了設備管理、車輛位置查詢、歷史軌跡回放、電子圍欄越界報警等具體功能。通過開發(fā)前端頁面為用戶提供了更加簡潔方便的遠程監(jiān)控服務。除了實現(xiàn)對來自不同廠商定位設備的統(tǒng)一接入和管理以及對其遠程監(jiān)控外，對定位設備自身進行智能化控制也是至關重要的，未來研究方向主要側重于通過SWE提供的另一標準服務SPS(傳感器規(guī)劃服務)來實現(xiàn)對移動傳感器自身的開啟觀測、結束觀測、休眠、喚醒等一系列遠程控制。