王少賓

（河北首都新機(jī)場高速公路開發(fā)有限公司，河北廊坊 065000）

0 引言

近年來高速公路車輛數(shù)量大幅度提升，車輛監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性，可以利用車輛監(jiān)控系統(tǒng)獲取車載終端GPS 信號(hào)，將所接收GPS 信息轉(zhuǎn)換為位置信息，通過GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）技術(shù)在電子地圖中展示車輛位置坐標(biāo)，更新位置信息，明確車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡，便于針對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)制定管理規(guī)劃[1]。

車輛數(shù)量的不斷增多，車輛監(jiān)控管理數(shù)據(jù)增加，車輛運(yùn)營數(shù)據(jù)呈現(xiàn)海量化，傳統(tǒng)的車輛監(jiān)控系統(tǒng)已無法滿足龐大數(shù)據(jù)流處理需求，因此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開了研究，如季高等[2]人研究基于多功能車輛總線的地鐵車輛遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)；張俊峰等[3]人研究基于Web GIS 的神華機(jī)車實(shí)時(shí)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)地鐵車輛以及機(jī)車的遠(yuǎn)程監(jiān)控，但局限性過強(qiáng)，無法處理海量車輛數(shù)據(jù)，存在響應(yīng)時(shí)間長、定位精度低的缺陷。對(duì)基于大數(shù)據(jù)和GIS 的高速公路車輛監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1 基于大數(shù)據(jù)和GIS 的高速公路車輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

通過充分分析車輛監(jiān)控系統(tǒng)需求，結(jié)合車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控深度需求以及業(yè)務(wù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于大數(shù)據(jù)的GIS 車輛監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)（圖1）。系統(tǒng)主要包括物理層、大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理層、服務(wù)層以及客戶層4 個(gè)部分。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)車輛行駛過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制車載終端指令發(fā)布，利用電子地圖的可視化功能監(jiān)控車輛狀態(tài)以及車輛位置；系統(tǒng)可針對(duì)車輛行駛過程中的突發(fā)情況提前預(yù)警，保障車輛安全行駛；利用GIS 技術(shù)提供地圖服務(wù)[4]；可以實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛油耗以及里程問題，便于車輛管理者綜合分析車輛運(yùn)行軌跡；系統(tǒng)采用Hadoop 大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺(tái)處理海量車輛數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 GPS 車載終端

車輛監(jiān)控系統(tǒng)將GPS 車載終端作為系統(tǒng)的車輛定位信息采集裝置，選取中必達(dá)GPS 車載終端作為系統(tǒng)的物理設(shè)備。中必達(dá)GPS 車載終端屬于GPRS 增強(qiáng)型車載終端，相比普通車載終端增加GPRS 數(shù)據(jù)傳輸功能，通過添加64 GB 內(nèi)存卡提升數(shù)據(jù)傳輸速率，綜合來說，其具有強(qiáng)大的GPRS 實(shí)時(shí)在線傳輸性能，有效提升數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量以及數(shù)據(jù)傳輸容量。GPS 車載終端是獲取車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)信息以及GPS 信息的重要硬件設(shè)備，所選取GPS 車載終端主要功能包括：①GPS 信息接收：車載終端可實(shí)時(shí)獲取車輛GPS 信息，利用所獲取GPS 信息實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控；②數(shù)據(jù)I/O：車載終端可實(shí)時(shí)設(shè)置以及檢測車輛繼電器開關(guān)情況，提升車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控性能；③模數(shù)轉(zhuǎn)換：車輛終端可實(shí)時(shí)提取車輛水溫、油量以及電壓數(shù)據(jù)，將所采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，監(jiān)控車輛狀態(tài)信息；④系統(tǒng)控制：車載終端可處理以及搜集車輛所接收命令數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車輛監(jiān)控系統(tǒng)的控制；⑤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與通信：車載終端可以將車輛終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)備份以及存儲(chǔ)，還具備與應(yīng)用服務(wù)器的通信功能。

1.3 大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理

車輛監(jiān)控系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理平臺(tái)占有重要地位，大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理平臺(tái)改變以往數(shù)據(jù)處理先存儲(chǔ)后處理而導(dǎo)致的分析周期過長的缺陷，提升車輛監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理技術(shù)可滿足車輛監(jiān)控系統(tǒng)處理海量數(shù)據(jù)的需求[5]，令系統(tǒng)具有高響應(yīng)、低時(shí)延、高吞吐性能。大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理層數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

圖2 大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理流程

大數(shù)據(jù)處理流程包括數(shù)據(jù)采集接入、實(shí)時(shí)分類計(jì)算以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與應(yīng)用3個(gè)部分，數(shù)據(jù)采集接入過程中利用kafka 分布式消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流采集，利用Storm 實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分類計(jì)算并發(fā)送至數(shù)據(jù)應(yīng)用與存儲(chǔ)層，并將處理完成的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)以及在車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)顯示界面顯示。

為提升系統(tǒng)處理實(shí)時(shí)性以及響應(yīng)速率，將所采集海量原始數(shù)據(jù)利用Storm 實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)依據(jù)固定規(guī)則過濾，Storm 實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾的核心是Topology，Topology 通過讀取數(shù)據(jù)、解析數(shù)據(jù)以及過濾數(shù)據(jù)3 個(gè)部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾。

系統(tǒng)過濾數(shù)據(jù)過程中，需封裝過濾規(guī)則滿足系統(tǒng)擴(kuò)展規(guī)則需求。系統(tǒng)過濾數(shù)據(jù)依據(jù)兩個(gè)規(guī)則。

（1）異常車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)過濾：系統(tǒng)采集車輛數(shù)據(jù)過程中，容易錯(cuò)誤采集車輛異常數(shù)據(jù)以及空數(shù)據(jù)，空數(shù)據(jù)以及車輛異常數(shù)據(jù)上傳容易造成Storm 計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤情況，數(shù)據(jù)丟失容易造成常規(guī)數(shù)據(jù)跳動(dòng)過大情況，同時(shí)容易造成重復(fù)發(fā)送過期數(shù)據(jù)情況。

（2）車輛定位跳躍數(shù)據(jù)：車載數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)波動(dòng)較大區(qū)域容易出現(xiàn)無法及時(shí)回傳情況，導(dǎo)致車輛無法依據(jù)定位點(diǎn)形成軌跡，需設(shè)定固定臨界值。在臨界偏移情況下，車輛軌跡異常數(shù)據(jù)被丟棄，而定位數(shù)據(jù)則被保留。

1.4 GIS 數(shù)據(jù)庫

利用SuperMap 平臺(tái)建立車輛監(jiān)控系統(tǒng)的GIS 數(shù)據(jù)庫組成結(jié)構(gòu)如圖3 所示。構(gòu)建車輛監(jiān)控系統(tǒng)的GIS 數(shù)據(jù)庫主要包括4個(gè)部分：①SuperMap 平臺(tái)：利用SuperMap 平臺(tái)存儲(chǔ)與編輯地圖數(shù)據(jù)；②參照底圖：設(shè)置衛(wèi)星地圖作為GIS 數(shù)據(jù)庫底圖輸入，衛(wèi)星地圖分辨率精度為0.3 m，利用衛(wèi)星地圖繪制車輛監(jiān)控系統(tǒng)的“道路網(wǎng)絡(luò)”；③網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集：由線數(shù)據(jù)集和點(diǎn)數(shù)據(jù)集構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。道路網(wǎng)絡(luò)中交叉口入點(diǎn)、十字路口點(diǎn)、車輛轉(zhuǎn)向點(diǎn)等各類型節(jié)點(diǎn)由點(diǎn)數(shù)據(jù)集提供；道路網(wǎng)絡(luò)中各類型路段由線數(shù)據(jù)集提供，不同節(jié)點(diǎn)間所存在具有相同道路屬性的道路即路段；④先驗(yàn)信息：先驗(yàn)信息主要包括節(jié)點(diǎn)屬性、交通信息以及道路屬性。道路長度、寬度、車道線數(shù)量、道路ID 號(hào)、變道信息等屬于道路屬性；道路起點(diǎn)、路口點(diǎn)、終點(diǎn)、交叉口以及立交橋的入點(diǎn)、出點(diǎn)、拐彎點(diǎn)、停車點(diǎn)等均屬于節(jié)點(diǎn)屬性；交通標(biāo)識(shí)、交通燈位置、交通管制區(qū)域以及限速區(qū)域?qū)儆诮煌ㄐ畔ⅰ?/p>

圖3 GIS 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

1.5 地圖匹配算法

選取最近臨法作為系統(tǒng)的地圖匹配算法，對(duì)車輛中的GPS車載終端與GIS 空間地圖進(jìn)行匹配。將車輛視為散點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用預(yù)先設(shè)定閾值將錯(cuò)誤匹配點(diǎn)過濾，實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)至線的匹配。最近臨法是直觀、基礎(chǔ)的匹配方法，匹配速度較快，可實(shí)現(xiàn)車輛信息與GIS 空間良好匹配，最近臨法匹配過程為：搜索道路，令其中一點(diǎn)與投影間距最短，所獲取距離最短投影點(diǎn)即待獲取的匹配點(diǎn)。為提升地圖匹配算法匹配速度，設(shè)置候選道路為固定區(qū)域范圍內(nèi)路段。將給定的初始狀態(tài)設(shè)置為搜索過程，利用該算法搜索全部可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)空間圖，直至獲取目標(biāo)狀態(tài)。

2 系統(tǒng)測試

選取某車輛作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將中必達(dá)GPS 車載終端安裝于車輛中，從而進(jìn)行車輛監(jiān)控實(shí)驗(yàn)。選取某市某區(qū)域作為測試路線，將系統(tǒng)測試車輛行駛路段劃分為10 個(gè)路段共11 個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛過程中，車輛行駛路段監(jiān)控長度與路段實(shí)際長度差距較小，說明系統(tǒng)可滿足車輛行駛路段實(shí)時(shí)監(jiān)的高精度需求。

系統(tǒng)定位車輛精度不受并發(fā)請求數(shù)量影響，一直保持著較高的車輛定位精度。主要原因是系統(tǒng)將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于車輛監(jiān)控系統(tǒng)中，大數(shù)據(jù)技術(shù)可在數(shù)據(jù)量較大情況下仍具有較高的數(shù)據(jù)處理性能，可同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)眾多車輛同時(shí)監(jiān)控，所以在并發(fā)請求增加情況下仍具有較高的監(jiān)控性能。

系統(tǒng)在加載電子地圖、車輛定位、數(shù)據(jù)查詢等各項(xiàng)操作的響應(yīng)時(shí)間均低于0.5 s，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較短說明系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性，可滿足車輛監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性需求。

3 結(jié)束語

將大數(shù)據(jù)技術(shù)與GIS 技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)高速公路車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，并通過測試證明該系統(tǒng)的綜合性能較優(yōu)。所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可將有效的車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供至車輛管理者，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提升車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控性能，管理者可依據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控結(jié)果規(guī)劃車輛行駛路線，明確車輛運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)，進(jìn)一步提升車輛管理水平。