基于3G传输网络的道路气象预警系统

2014-09-29卫红王小辉莫忠曹一鸣刘志宇陈霞

自动化与信息工程 2014年3期

卫红王小辉莫忠曹一鸣刘志宇陈霞

（广州市光机电技术研究院）

0 引言

随着我国（高速）公路的持续快速发展以及汽车保有量不断攀升，预计到2015年，全国公路总里程将达到450万公里，高速公路总里程将达到10.8万公里[1]。道路建设的发展给人们出行带来极大便利，但天气条件的变化，特别是极端恶劣天气，给车辆的行驶带来巨大风险，不仅严重影响交通运输，而且还会造成生命财产的严重损失。据交通部路网中心监测统计，近5年来，我国公路交通平均每年因恶劣天气及其次生灾害导致交通阻断的比重达到60%，平均每年因水毁灾害造成的公路直接损失达312.6亿元[2]。

鉴于雨、雪、雾、积雪、结冰等气象条件对道路运行都有直接的影响，2011年交通部发布的《交通运输“十二五”发展规划》提出“依托气象监测网络，逐步形成覆盖全国重要干线公路和沿海港口的气象预警系统，实现恶劣气候6小时内预警”的规划。本文以此类道路气象条件为监测目标，开发一套基于3G传输网络的道路气象预警系统，使道路管理部门掌握精确的气象资料和天气预报，各路段根据各自的地形及气候特点，结合路段交通状况，制定自己的应急预案，以保证道路的行车安全和顺畅。

1 系统总体技术方案

本系统利用现代信息技术，以温度、湿度、降雨量、降雪量、雷电、冰雹等气象监测为核心，可及时发现道路各路段及关键点的各种气象状况，并通过3G通信网络，将数据信息及时传送到道路管理部门，为气象监测服务部门和交管部门提供实时、科学的决策依据。

基于3G传输网络的道路气象预警系统基本功能架构如图1所示，主要包括4个模块功能。

1)前端气象要素采集单元

利用各种气象要素传感器，采集系统位置的温度、湿度、降雨量、降雪量、雷电、冰雹等气象信息。

2)气象信息分析与监控传输终端

气象信息分析与监控传输终端为系统处理的核心设备，用于接收并分析处理前端的气象要素传感器信息，在设备内对气象条件做出判定，并通过内置的3G模块，将气象信息传送至后台服务器。

3)3G传输网络

由运营商提供的3G传输网络服务[3-4]，用于气象信息的传输，同时移动基站为每台设备提供定位服务（location based service，LBS），方便后台管理软件直观地管理每台终端设备。

4)预警监测管理平台

预警监测管理平台服务器实时收集并处理各采集点数据，并根据需要设计各种业务模式，如：① 短信方式通知管理员，某监测点需紧急处理；② 业务服务器提供电子地图，直观形象地显示监测点信息；③ 生成统计报表、图表数据供长期保存；④ Web网管电脑供在线查看；⑤ 发布至道路显示屏，供过往车辆查看；⑥ 对监控设备进行管理和配置，实现设备的远程在线固件升级。

图1 系统基本功能架构图

2 系统的3G传输网络设计

本系统利用3G传输网络系统将道路沿线各站点采集到的气象及地理数据及时准确地传输到道路管理中心，其核心部分是数据传输与组网，采用目前较成熟CDMA2000的3G传输制式。

本系统选用的传输模块为CDMA 1X EV-DO模块，支持话音、短信及网络业务。3G网络的接入协议由模块实现，终端通过UART接口控制模块的工作状态及收发数据。终端和业务服务器通过UDP通信，终端连接网络后主动向业务服务器发送数据包进行地址注册，注册终端可以接收业务服务器或上位机发出的指令。测量终端在紧急情况下（例如网络连接不上）可用短信方式和业务服务器或预设的管理手机通信。

2.1 系统内LBS定位技术的应用

本系统应用LBS、基站定位等3G网络技术搭建系统平台。LBS技术是依托移动运营商的 GSM、CDMA无线电通讯网络或GPS等定位方式获取移动终端用户的位置信息，在地理信息系统（geographic information system，GIS）平台的支持下，为用户提供相应定位服务：利用移动电话测量不同基站的下行导频信号，得到不同基站下行导频的到达时刻或到达时间差，根据该测量结果并结合基站的坐标，即可计算移动电话的位置。其与GPS定位的比较如表1所示[5]。

本系统利用运营商现有平台（包括 LCS中间件以及GIS系统）构建3G传输网络方案，图2为实现LBS应用的网络模型。其中包含定位操作平台、LCS中间件、GIS系统、面向最终用户的SP/CP系统（提供电子地图数据、POI信息的内容提供商）、终端。设计中 LBS技术的应用涉及到众多实体，但本系统身的设计及应用较为简洁：系统通过基站定位获得位置信息后，将自己的坐标信息上传到服务器端口即可。此方案适应于我国LBS方式下GIS系统研发起步晚的现状，解决了SP/CP难以自己构建独立的GIS系统的发展瓶颈。

表1 LBS与GPS定位的比较

图2 在3G系统中实现LBS应用的网络架构

2.2 基于SNMP的网管软件设计

本系统设计一套基于 SNMP协议的网管软件系统。软件具有的功能有：修改设备配置参数、监控设备运行状态、控制设备运行/停止动作、查询设备记录等。软件设计思路为：1)软件页面用HTML制作，HTML负责页面布局、页面元素等静态内容的呈现，供客户访问；2)动态内容在HTML中插入JavaScript程序，通过jQuery库提供Ajax模块自动刷新及调用接口，方便选取页面元素；3)通用网关接口采用 C语言开发，访问数据库；4)数据库采用mysql，当管理大量雪雨量数据时，用文件存储会非常不方便，故用数据库代替；5)Web服务采用CentOS 6.2系统自带的 Apache Web服务器；6)地图服务采用开源的Baidu地图。

网管软件及应用服务器作为系统管理员对系统管理的常用接口，其设置是本系统研发的重要组成部分。系统采用SNMP协议，其作为专用于IP网络中管理网络节点（服务器、路由器、交换机及HUBS等）的标准应用层协议，被网络设备厂商、软件开发者及终端用户广泛选用。SNMP使网络管理员能够管理网络效能，发现并解决网络问题以及规划网络增长。通过SNMP接收随机消息及事件报告，网络管理系统获知网络出现问题[6-7]。

基于 SNMP的网络管理框架及通信过程流程如图3所示。SNMP一般不直接命令操作，而是通过对MIB中的对象修改来实现功能。通信过程为：请求实体按请求构造ASN11对象→该对象连同SNMP名、源地址、目的地址发送给鉴别实体→加密后返回→请求实体依此构造ASN11报文→编码→发送给传输层→接收协议实体接收→语法分析→构造相应的ASN11对象或核对SNMP版本（失败即丢弃）→根据数据中SNMP名选择相应的SN2MP描述表→按规定的MIB访问方式处理PDU→对MIB进行相应的存取操作。