基于北斗的物流车辆监控系统

张向南，赵庆展，何启峰，隋莉莉，汪传建，尹小君，宁 川

（1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.石河子大学 信息科学与技术学院，新疆 石河子 832000；3.兵团空间信息工程技术研究中心，新疆 石河子 832000）

1 引言

随着全球定位系统定位精度、定位效率的不断提高，基于全球定位系统的位置服务迎来新的发展契机，定位导航领域相关产业已经成为全球最具有发展潜力的科技产业之一[1]，全球定位系统带来的巨大的战略意义和经济价值促使世界上部分国家和地区竞相发展自己的卫星导航系统。2013年我国自行研制的北斗卫星导航系统（下称北斗）开始为中国和周边亚太地区提供定位导航授时服务[2]，目前北斗已经在定位、导航、授时、识别、事件检查方面有了广泛应用[3-7]，尤其是在车辆监控方面，改变了传统的车辆监控服务模式[8-11]。

物流行业在国际商业社会中发挥的作用日益突出，现代物流已被视为企业在降低物资消耗、提高劳动生产率以外创造利润的第三重要源泉，也是企业降低生产经营成本，提高产品竞争力的重要环节[12]。随着经济持续发展，我国物流行业规模高速增长，物流需求总量更大，覆盖范围更广，增加了物资的跨区域调度，对物流管理提出了更高的要求。车辆运输是物流运输的重要组成部分，然而物流车辆数量多、机动性大，物流车辆的管理一直是困扰物流行业发展的一大难题[13]，传统的物流车辆管理由于缺乏对车辆的实时监控，造成运输过程透明度低、信息反馈不及时、定位不精确；其次由于缺乏统一的物流车辆管理平台，物流公司管理人员与物流司机沟通困难，更无法满足车辆、司机实时调度，造成空载率居高不下，增加了公司内耗[14]。随着我国北斗导航系统不断成熟完善，通过北斗车载定位终端解决物流车辆监控问题成为了可能，就目前应用情况而言，基于GPS的车辆监控系统已经有了广泛应用，文献[15-18]基于GPS系统研发了车辆监控平台，文献[19]基于GPS技术设计了物流车辆监控系统，作为GPS在物流车辆监控中的典型应用，推动了定位导航技术与物流产业的融合。而基于北斗导航系统的物流车辆监控系统尚未得到广泛应用。

本文将北斗车载定位终端作为数据采集的工具，研究基于北斗的物流车辆监控服务方案，通过北斗跟踪确保物流运输时效性，对于优化物流行业服务模式、提升物流行业服务质量具有理论意义和经济价值。实时掌握车辆运行状态，有效保障车辆运行情况，充分发挥物流车辆性能，合理分配资源，能够提高物流企业运行效率，为物流公司带来直接的经济效益；对物流车辆位置信息的实时监管也能降低物资运输过程中的风险，增强运输环节的透明度，保障物资能够安全高效地到达目的地，间接提升物流公司服务品质。综上所述，基于北斗的物流车辆监控系统将会进一步优化行业资源配置，推进现代物流信息化的发展，提升物流公司经济效益和竞争力。

2 系统概述

基于北斗的物流车辆监控系统紧紧围绕我国物流产业发展急需解决的问题，充分利用当前车辆管理平台作为参考，通过顶层设计、集成开发，以新疆石河子物流公司为依托，以总公司、子公司两级管理体系为参考，建成一个面向物流车辆的位置服务和信息管理系统。

2.1 北斗终端概述

基于北斗的物流车辆监控系统中，北斗车载终端选用赛格车圣SEG-9888，终端性能参数如下：

通过表1可以看出，物流车辆可以满足赛格车圣SEG-9888终端的供电需求，赛格车圣SEG-9888终端也能够适应新疆较为恶劣的运行环境。

表1 北斗终端环境、电源参数表

通过表2可以看出，该终端定位精度高，捕获跟踪快，能够满足系统快速定位、精准定位的需求。

表2 北斗终端主机参数表

通过表3可以看出，该终端功能能够满足物流车辆监控系统位置监控、属性监测的需求。

表3 北斗终端功能表

2.2 系统数据处理流程概述

基于北斗的物流车辆监控系统通过北斗车载终端采集物流车辆位置信息，同时利用安装在车辆指定位置的传感器采集物流车辆运行状态信息，北斗车载终端发送模块将获取到的车辆位置信息、属性信息按照数据传输标准封装，再经数据通信链路发送至系统服务端数据处理服务器，数据处理服务器接收车辆信息，并将数据信息解析后存入数据库。用户登录系统提出服务请求时，监控系统界面将请求提交到监控应答服务器，服务器针对服务请求调用相应模块处理，并将处理结果在监控系统界面上以专题地图或其他相应形式显示。

3 物流车辆监控平台设计

物流车辆监控平台是本系统的核心。因此在对系统分析的基础上对物流车辆监控平台作进一步描述。

3.1 监控平台逻辑结构

系统拟通过构建“应用层-逻辑层-数据层”三层架构实现物流车辆监控管理（如图1所示）。应用层主要负责北斗数据采集和监控服务显示。逻辑层负责北斗协议的传送解析、数据存取更新、数据统计分析、服务生成。数据层主要负责存储解析后的位置、属性、用户信息数据。

图1 物流车辆监控系统逻辑结构图

3.1.1 应用层。应用层主要包括北斗车载终端和Web客户端。北斗车载终端是北斗物流车辆监控系统的基础，为逻辑层提供基本的物流车辆位置数据和属性数据，北斗车载终端定义了与服务器建立数据通讯的方式、数据传输标准、格式，并采用多种传输通道，以满足不同工作状况下数据传输的需要，实现不同工作状态下的传输模式无缝转接，系统支持的无线传输模式有三种：WIFI、短信、北斗短报文。本系统中主要是利用北斗定位技术获取物流车辆的位置数据，物流车载终端将采集到的位置数据和属性数据采用北斗通信协议进行封装，再经过无线数据传输模式上传至服务器指定端口。

Web客户端为用户提供便捷的物流车辆监控服务，主要包括B/S客户端、监控系统二次开发接口，实现地图快速浏览、车辆位置动态监控、历史轨迹回放、信息管理等基本功能，也可以通过Web客户端对北斗车载终端下达控制指令。Web客户端界面基于JAVA_WEB脚本语言开发，通过百度API把逻辑层处理后的数据在百度地图中显示出来，并采用AJAX（Asynchronous JavaScript and XML）技术实现异步刷新和局部刷新，最后在Web页面生成物流车辆监控服务。

3.1.2 逻辑层。逻辑层是物流监控平台的核心。负责北斗车载终端上传的位置数据和属性数据的接收、解析、存储、管理，以及用户信息和物流公司信息管理。逻辑层具有数据接收处理、数据管理、监控应答功能。

北斗车载终端数据的接收处理由数据接收服务器完成，数据接收服务器通过无线网络、计算机网络实现与北斗终端、数据库、监控应答服务器的信息交互。数据服务器通过GPRS、WIFI等通信方式建立与北斗车载终端的TCP/IP链接，接收北斗位置数据、车辆属性数据和报警信息数据。逻辑层采用JAVA语言编写，在MyEclipse集成开发环境中研发，通过创建Servlet对应用层的请求进行封装、处理并转发到内层实现与数据库的交互，并使用MINA框架处理由北斗车载终端的大规模并发数据，整个逻辑层部署在Tomcat服务器上。数据处理服务器中运行的Socket端口监听程序时刻监听指定端口动态，有数据包接入时，调用协议解析程序，将数据包中数据解析成位置数据、属性数据，最后利用Database Management System（DBMS）将数据分类写入MySQL数据库中，完成物流车辆监控数据采集。

用户请求主要由监控应答服务器完成，监控应答服务器负责与用户进行信息交互，将用户服务请求转译并提交给数据处理服务器，实现用户与数据服务器的通信。当用户登录系统，提出服务请求时，界面通过Servlet将请求提交到数据处理服务器，对于位置服务请求，调用百度地图API，将位置数据以及相关属性数据与百度地图融合生成专题地图；对于管理类服务请求，数据处理服务器根据请求的服务种类进行初步处理，选择是否连接对应服务器或者数据库来进行深入处理。当处理完成后，前端服务器将服务结果通过http协议返回，经AJAX、JavaScript技术在Web界面上以动画或者其他相应的显示，实现物流车辆位置数据及属性数据的可视化。

3.1.3 数据层。数据层是北斗物流车辆监控系统的数据基础，物流车辆监控系统采用MySQL数据库管理系统管理数据，数据库主要由系统数据库和百度地图数据库组成，系统数据库包括位置信息表、属性信息表、用户信息表、北斗车载终端信息表。数据库设计时，基本思路是以系统功能模块为主线，首先分别为各个模块设计必需的数据表，并考虑功能扩展设计相应的扩展数据表，最后考虑各个表之间的联系，设置相应的主键和索引，加快查询速度。

3.2 监控平台结构功能

本系统针对物流公司中需要管理物流车辆的用户研发，为满足各级物流车辆管理人员对名下车辆实时监控的需要，研究了物流车辆监控平台业务化运行模式，制定面向物流行业的业务化运行标准和规范，为达到以上应用需求，平台结构功能设计如图2所示。

按照结构功能划分为两大功能模块：注册/登录、车辆监控服务。其中注册/登录模块是物流车辆监控平台业务化运行的基础，车辆监控服务模块是整个物流车辆监控系统的核心。

注册/登录模块具体操作过程如下：

用户打开登录网址，未注册用户需要填写用户注册信息，并获得一级用户资格；已注册用户，输入用户名、密码点击登录，等待返回结果；平台获取用户名和密码后，在数据库中查找此用户名、密码，如果验证通过则提示用户登录成功，并跳转到平台主页；若未查到此用户名、密码，提醒用户名、密码错误，返回登录页面。

车辆监控服务下属七个功能模块：位置服务、报警设置、信息管理、智能报表、业务扩展、支付服务、其他服务。

图2 监控平台功能图

位置服务功能：位置查询是本系统最基本也是最重要的功能，该功能基于北斗实现，北斗车载终端将获取到的车辆的经度、纬度、速度、油量等信息，传送至监控系统，并在用户提出车辆监控请求时动态显示在监控界面上。历史轨迹功能：本系统能够完整保存物流车辆行驶轨迹，到达位置、运行区域，并记录在数据库中，供以后分析查询使用。

报警设置功能：设置物流车辆车速上限和行驶区域。

信息管理功能：监控系统对用户个人信息、物流车辆属性信息、司机信息等进行分级、录入、编辑、查询。

智能报表功能：记录物流车辆在行驶过程中，越界的报警时间、地点，超速的报警的时间、速度、地点。

业务扩展功能：系统支持快速添加子单位、车辆、司机。

支付服务功能：系统支持用户通过网银转账的方式购买服务，订制个性化服务。

其他服务功能：服务的启用和停止；全国天气情况查询和其他订制服务。

4 系统核心功能实现

4.1 监控平台异步刷新

监控主界面地图的实时刷新问题是本系统中需要解决的核心问题之一。用户在使用平台监控车辆时，不需要手动向服务器提交请求，就可以查看物流车辆的实时位置变化，该功能的实现在于应用了AJAX技术，该技术使得主界面地图的实时更新不是以刷新整体页面的方式，而是以每次都在原有数据的基础上以增量的方式刷新局部页面得到实现。

AJAX是Asynchronous JavaScript And XML（异步的JavaS-cript和XML）的简称，它不是一项新的技术，而是很多成熟技术的集合。AJAX相当于在浏览器和服务器之间加一个中间层，使用户操作与服务器响应异步化。浏览器无需刷新整个页面就能更新页面的指定部分内容，使得Web浏览器看起来与即时响应的桌面应用程序一样[20]。

首先用户登录系统，进入位置服务中当前位置模块，浏览器开始加载地图底图，完成地图加载后浏览器将实例化一个AJAX对象，每5s向服务器提交请求获取权限内所有车辆的当前位置，监控应答服务器接收请求，查询数据库位置信息表中符合条件的位置信息，并将结果返回给AJAX对象，再由AJAX调用Success语句后的标注函数，将车辆位置信息以点的形式标注在底图上；如果因浏览器类型或版本等问题不支持AJAX功能或AJAX传输失败，则执行error语句后的内容，停止计数器，并创建一个XMLHttpRequest对象，将错误信息显示在页面上的指定位置告知用户。

用户点击代表车辆的地图标注物时，触发一个click事件，创建一个XMLHttpRequest对象，然后设定对象中open()和send()方法的参数，指定回调方法，当XMLHttpRequest对象的ReadyState属性值为4（描述一种“已加载”状态，此时，响应已经被完全接收）时，向服务器提交请求获取被点击车辆的详细信息，服务器在收到请求后从数据库相关表中执行符合条件的查询，并将结果返回处理函数，调用百度API绘制专题地图，然后以文本字符串的方式返回服务端的处理结果，并将车辆基本属性信息显示在被点击标注物一侧。

4.2 大规模并发数据处理

本系统初步装配20部北斗车载终端，设备每10秒回传一次数据，每秒钟数据量最高可达200条，随着系统中北斗终端数量不断增加，同一时刻服务器需要处理的数据量也会相应增长。如何提高数据接收服务器的并发处理能力将是本系统面临的另一个核心问题。为了解决上述问题本系统采用MINA2框架来处理大规模并发数据。

MINA（Multipurpose Infrastructure for Network Applications，即网络应用多功能框架）。MINA采用Java NIO技术，提供了一个基于传输层时间驱动的异步API，能够帮助用户开发出高性能和高可用性的网络应用程序。MINA框架的核心思想是基于事件机制的异步多路复用，即通过使用少量的多线程来接收Socket，然后由线程池来处理阻塞在队列中的请求，提升了服务器的并发处理能力[22]。

MINA2框架在系统中应用时首先创建一个IoService接口的类，绑定数据处理服务器20000端口，监听是否有北斗终端数据传入请求；其次设置实现IoFilter接口的过滤器，当有北斗终端数据传入请求时，IO线程会将任务交给IoFilter的线程池，由线程池处理具体事务，线程池对应同一个session而言是顺序执行的，不会在消息没有接受完毕之前关闭，因此数量庞大的北斗终端数据会被按传入顺序依次接收，线程池在处理数据时，IO线程被释放，被释放的IO线程用以处理其他并发任务；最后设置IoHandler接口实现的处理类，用以解析接收的北斗终端数据。MINA2框架的运用有效保证了北斗终端大规模并发数据的正常接收处理。

5 系统测试

系统测试是系统开发的最后一个阶段，也是保证系统质量至关重要的环节，基于北斗的物流车辆监控平台在正式运行前，需要对其进行全面的测试，以检验软件运行的可靠性及稳定性。经测试本系统已实现安全稳定运行、车辆实时监控、轨迹回放、物流公司信息和个人信息管理的功能。

5.1 当前位置界面

监控界面上部为导航栏，显示监控平台七大功能，中部电子地图上可提供放大、缩小、惯性平移等基本地图操作，右侧为物流公司名下车辆车牌号码。

输入：选择需要查询的物流车辆，右键选择当前位置查询。

处理过程：系统将指定车辆与数据库中车辆匹配，在物流车辆表中查询到指定的车辆及其最近一次传送至服务端的位置信息，提取当前位置经纬度传送至服务端百度地图API，并在地图上显示出来。

输出：地图界面上显示查询物流车辆的当前位置，如图3所示。

5.2 历史轨迹界面

输入：选择需要查询的物流车辆，右键选择历史轨迹查询。

处理过程：当查询物流车辆历史轨迹时，系统首先匹配选择车辆与数据库中车辆，并截取用户指定时间段中的位置数据，按照时间顺序显示在地图上。

输出：指定时间段内的历史轨迹，如图4所示。

6 结语

本研究以北斗为支撑，以百度地图和Java-Web开发技术为研究基础，结合当今物流行业自身特点及运作流程，设计并实现了基于北斗的物流车辆监控系统。系统充分利用卫星和地面网络通讯资源，建立物流信息管理通道，构建多层级管理员、用户信息处理平台，统一业务数据，实现车辆信息的实时采集、传输处理，该系统也是信息采集传输技术、卫星定位技术、地理信息技术的综合应用。初步试用表明，该系统具有综合集成度高、监控实时性强、覆盖范围广的特性，应用价值高。以北斗为基础的物流车辆监控系统，是北斗导航技术在我国物流产业中的一个重大应用，扩展了北斗导航系统的应用领域，也将会进一步优化物流行业资源配置，推进现代物流信息化的发展，提升物流行业整体经济效益和竞争力。

[1]张凯渊,应忍冬,刘佩林,等.北斗导航位置服务平台的设计与开发实现[A].第四届中国卫星导航学术年会论文集-S1北斗/GNSS导航应用[C].2013.

[2]唐金元.北斗卫星导航区域系统发展应用综述[J].全球定位系统,2013,38(5):47-52.

[3]宋诗斌,钱军琪.基于北斗导航的智能交通系统设计[A].第三届中国卫星导航学术年会电子文集-S01北斗/GNSS导航应用[C].2012.

[4]戴连君,唐涛,蔡伯根,等.基于北斗卫星载波相位平滑伪距的列车定位方法[J].铁道学报,2012,34(8):64-69.

[5]潘小山.基于北斗卫星的电力授时终端设计与实现[D].保定:华北电力大学,2013.

[6]吕洋.基于北斗一号系统无源授时机的研究与实现[D].长沙:国防科学技术大学,2009.

[7]曹昌龙,纪勇,戴旭初.基于北斗卫星导航的无线移动视频监控终端设计与实现[J].遥测遥控,2013,34(4):33-38.

[8]刘波,周炯,李歆,张钊.基于北斗的车辆管理系统关键技术应用研究[J].测绘,2012,35(3):111-113.

[9]朱俊涛,张颖.基于北斗导航的现代物流综合运输服务系统[J].数字通信世界,2012,7(12):74-76.

[10]高红旭,王帆.基于北斗-2的车辆实时管理系统[J].计算机光盘软件与应用,2013,15(4):174,176.

[11]陈恩东.基于北斗卫星导航系统的车辆管理软件的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2012.

[12]谢雪梅.物流仓储与配送[M].北京:北京理工大学出版社,2010,(7):35-42.

[13]马红霞.美国物流业发展对中国物流业的启示[D].北京:对外经济贸易大学,2007.

[14]张劲.基于卫星导航定位技术的物流信息平台建设与运营研究[D].长春:吉林大学,2010.

[15]Zechun Huang,Dingfa Huang,Zhu Xu,et al.GPS Vehicle Positioning Monitoring System Integrated with CORS and Mobile GIS[J].Procedia Environmental Sciences,2011,10(3):2 498-2 504.

[16]Cheng Qimin,Yang Chongjun,Shao Zhenfeng,et al.Design and Implementation of WebGIS-based GPS Vehicle Monitoring System[J].Geo-Spatial Information Science,2004,7(2):96-100.

[17]吴颖.一种定位综合服务平台系统[P].中国专利:201210286071.3,2012-08-13.

[18]刘跃忠.一种用于定位、信息服务和控制的位置服务平台[P].中国专利:200820133033,3,2009-05-06.

[19]彭诚.基于GPS的物流车辆监控系统的设计和实现[D].上海:上海交通大学,2013.

[20]柯昌正,黄厚宽.Ajax技术的原理与应用[J].铁路计算机应用,2007,15(1):27-29.

[21]徐英根.基于MINA的虚拟化管理平台的研究与应用[D].南昌:南昌大学,2013.