基于GIS 的车辆管理系统设计与实现

陈贤

摘要：该文介绍了一种基于GIS的车辆管理系统，该系统利用地理信息系统的直观性，结合GPS系统的定位功能，以及管理信息系统对数据资料的管理能力，能够有效地降低车辆的运输成本，提高管理效率，同时基于GIS平台，对路径搜索算法进行改进，综合考虑了各方面的影响因素，使车辆的行驶路径规划更科学合理，具有较好的实用价值。

关键词：GIS；车辆管理系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）26-0060-02

车辆管理不同于一般的管理信息系统，它需要对车辆实体进行管理，所以在大多数的应用中都需要依靠硬件提供支撑。目前出现的射频卡、道闸、车牌识别器等广泛应用于区域车辆管理中；而GPS定位装置、防偷盗装置、胎压实时监测设备等是安装于车辆中。不同的设备完成一定的管理功能，而多套设备相互关联，并与软件系统相结合，则可以实现对车辆的高效管理。

基于gis的车辆管理系统将地理信息系统gis作为车辆管理系统的基础平台，充分利用了该技术的空间直观性，实现对车辆的实时监控，对车辆空间数据的复杂处理，空间位置的自动搜索和智能路径规划等，从而达到对车辆的高效管理。

1 系统架构设计

1.1系统功能架构

基于GIS的高校车辆管理系统的功能架构分为五大功能模块，分别是车辆数据管理模块、驾驶员管理模块、车辆调度派遣模块、车辆实时监控模块、系统管理模块。其中车辆数据管理模块主要是实现对车队中所有车辆静态和动态数据的管理功能；驾驶员管理模块主要是实现对车辆驾驶人员静态和动态数据的管理功能；车辆调度派遣模块主要是实现车辆的网上申请、审批，出车任务的自动分配，车辆派遣信息的自动发布等功能；车辆实时监控模块主要是在车辆运行过程中实现对车辆行驶路径等信息的监控功能，主要包括地理信息相关功能、路径规划功能、报警功能；系统管理模块主要是为系统管理员实现对系统参数的配置调整等应用提供支持，主要包括用户管理功能、权限配置功能、参数配置功能、数据库管理功能。

1.2系统物理架构

系统物理架构即系统的部署架构，主要是用于描述系统的网络架构体系设计方案，以及系统的具体部署位置方案，如图1：

系统采用的是基于浏览器/服务器的架构模式，将系统的主要功能部署于服务器端，而客户端则通过浏览器实现对系统功能的调用。系统的各个功能模块部署于应用服务器上，对外开发访问地址。Web服务器上部署的是系统的网站，该网站调用应用服务器上的系统功能，为客户提供所需要的服务。地理信息服务器上部署地图服务模块，为网站提供地图数据以及与地图相关的各类功能服务。数据库系统由空间数据库系统和关系数据库系统构成，空间数据库系统中存储着地图信息数据、与地图相关的各类目标对象属性数据、地图与目标对象的关联数据等，为地理信息服务器提供数据资源。关系数据库系统存储和管理与车辆、驾驶人员、车辆申请与派遣等事务相关的关系数据，这些数据都记录到数据表中，以便于统计、查询等后继处理。需要指出的是，车辆管理系统的Web应用服务器与办公自动化网络相连接，从而实现车辆申请信息的获取和审批，同时也可以把车辆派遣信息发布到办公自动化系统中。此外，系统还与门禁系统相连接，使车辆派遣信息以及车辆的信息可以直接发送到门禁系统中，从而实现智能放行。

1.3系统数据架构设计

系统数据架构设计主要是根据车辆管理系统的应用需求，对系统的数据库系统数据表进行设计。根据系统的功能设计要求，本系统所包括的数据表主要有：车辆静态数据表、车辆动态数据表、驾驶员动态数据表、车辆派遣数据表、车辆行驶路径数据表等，以下将以车辆行驶路径数据表为例加以说明。车辆行驶路径数据表用来记录车辆实际的行驶轨迹信息，一方面是与规划路径相对比，检查车辆是否出现偏离的情况，另一方面将车辆的空间位置点保存到数据库中，以便于有必要时回溯检查。数据表结构设计如表1所示：

车辆行驶路径数据表中，TaskID字段为与当前记录相关联的车辆派遣任务标识，为外键；CurTime为记录位置信息时的时间点，另两个参数为位置点的经度和纬度数值。

1.4 路径规划算法设计

对于车辆的路径规划功能是系统的主要功能，目的是根据当前的道路交通情况找到一条最佳的行程路径，指导车辆驾驶人员最快地到达目的地，少走弯路，少堵车，尽可能地提高出车效率。车辆的路径规划算法涉及多个方面的因素，其基本理论和技术是Dijstra算法，后来又出现了更为高效的A*算法。但上述算法都是静态的算法，在车辆动态行进过程中的使用并不适合，同时，算法的本身也由于复杂度等问题较为耗时。因此，论文对传统的车辆路径规划算法进行了改进，主要是根据车辆动态路径规划的要求和特点，对算法自身的运算复杂度，以及对动态变化情况的处理能力进行改进，提出了一种A#算法。

A#路径搜索算法总体的改进思路是：优化A*算法运算过程，充分利用上一次的搜索运算结果，提高运算效率。传统的A*最优路径搜索算法针对于每一个待处理的节点，采用启发式估价函数计算其费用值。如下式所示：

[f（n）=g（n）+h（n）]

上式中，[g（n）]表示从直到一直到当前节点n所消耗的花费，对于以时间作为度量标准的车辆动态路径规划，该值为所消耗的时间，[h（n）]为当前n节点到终点的预估值，此处为n到终点之间的距离，除以平均时速。

设道路拓扑网络中所有的节点集合为[N]，当前处理的节点为[n]，则[succ（n）∈N]表示[n]所有的后继节点，[pred（n）∈N]表示当前节点[n]所有的前驱节点。[n′]是[n]的前驱节点中的一个节点，则定义从[n′]到[n]所消耗的花费为[cost（n′，n）]，对于车辆路径规划搜索问题，一般采用时间作为花费的计算标准，则对于每一个节点，其消耗的花费计算公式下所示：

[g*（n）=0，if（n=nstart）minn′∈pred（n）（g*（n′）+cost（n′，n）），others]

上式中，如果n为起始点，则其花费为0；否则，n点的花费为其前驱节点[n′]的花费，加上[n′]点到[n]点所消耗的花费。

在一次最优路径的搜索过程中，如果[g]值与[g*]相同，则表明该路段的花费并没有发生改变，可以直接使用上一次的搜索结果；而如果不一致，则表明[n′]点到[n]点所消耗的花费发生了变化，需要重新进行处理。

根据上述的分析，新的A#算法首先利用常规的A*算法进行处理，得到第一次路径搜索的结果并保存。在后继的最优路径调整过程中，经过一定的时间间隔获取路段的实时花费信息，再与上一次的规划结果相比对，如果发生了较大的变化，则需要对该路段的规划方案进行更新。

以上是A#算法对路段花费动态变化因素的处理结果，而在车辆规划过程中还需要考虑的是车辆当前位置的变化情况。驾驶人员在行驶过程中有可能因为各种原因并非有意识地偏离规定的行驶路线，此时车辆管理系统应能够根据当前车辆位置的信息重新规划最优路径方案。

在对车辆的行驶路径进行最优化规划处理时，还要注意到车辆当前位置的变化信息，在计算过程中不需要考虑车辆已经行驶过程的路径，也就是说新的路径规划是从车辆当前的位置开始的。按照以上的算法，当队列中的某个路径节点已经失效（即车辆已经行驶过），则将该点从队列中除去，其余的步骤不变。

2 车辆管理系统的实现

基于GIS的车辆管理系统包括多个功能模块，本文将着重对其中的行车路径实时规划功能的实现进行介绍。

行车路径实时规划功能是车辆管理系统中的主要应用功能，可以在车辆行驶过程中，由系统控制端自动根据车辆当前的位置情况，以及实时的路况信息，对车辆的路径进行实时的规划，并将规划完成后的路径信息发送给车辆导航系统。

该功能的实现主要包括四个步骤，一是当前路况信息的实时获取，二是最优路径规划方案的生成，三是控制中心与车载导航系统之间的通信，四是车场值班室对于指定车辆位置信息的监控与报警。

当前路况信息实时获取是车辆路径规划的前提，最优路径规划方案是以道路网络的权值为依据的，而道路权值主要是指道路的通行情况以及交通流量问题，这些信息都可以从交通管理部门的实时交通信息服务中得到。

系统首先连接道路交通信息服务，连接成功后开启定时器，经过一定的时间间隔，利用服务接口发送交通信息查询消息，消息主要是指明需要查询的路段标识，交通信息服务解析查询指令，将信息返回给车辆管理系统，系统接收到信息后，用最新的交通流量情况以及通告情况更新道路权值矩阵。

最优路径规划方案的生成利用上面讨论的动态路径规划A#算法实现，算法的输入为当前车辆的地理位置信息，以及从当前位置到目的地的路网矩阵信息，矩阵中的权值为最新更新的道路交通通行信息，输出为车辆的最优路径规划，利用Initialize（）函数用以对输入的参数以及算法中所使用到的临时参数进行初始化。然后使用经典的A*算法，对起始状态下的静态最优路径进行规划，得到最优路径方案。然后开始定时器，间隔一定的时间，利用UpdateVertex（）函数对路网信息进行更新，按照A#算法的思想，将有改动的路径节点添加到列表中，并调用SortVertex（）进行排序，最后调用OptimizationPath（）函数输出最终的最优路径结果。

在完成了最优路径的规划后，需要将最优路径方案信息传输到车载导航设备中，利用GPRS无线通信网络可以完成这一功能。首先要通过向GPRS网关发送网络通信的相关配置信息，并通过协商以后，确定系统是否已经与GPRS网关相连接。如果连接成功，则系统将最优路径规划方案发送到GPRS网关处，并指定接收的车辆导航装置编号，由GPRS网关实现对最优路径信息的发送。车载导航设备接收到方案数据后进行加载，指导驾驶人员的行驶。

车场的值班人员可以基于地理信息系统实现对指定车辆的位置信息的监控，首先系统采用Connect连接Google Earth服务器，如果连接不成功则发出报警信息。连接成功后通过GetTargetCar（）函数获取需要监控的车辆对象，添加到列表中，开启定时器，间隔一定的时间通过GPRS网络向车载导航系统的GPS模块发送查询当前位置信息的指令，并采用异步的方式获取反馈信息，分解出当前车辆的地理经纬度信息，并在Google Earth上显示。系统在监控车辆位置信息变化的同时，根据车辆行驶的路径，以及间隔的时间，计算得到车辆的即时速度，并与该路段的限速信息相比对，一旦出现超速的情况，系统立即发出报警信息。

3 结束语

本系统的主要创新点是基于GIS平台，对A*路径搜索算法进行改进，综合考虑了各方面的影响因素，使车辆的行驶路径规划更科学合理。当然本系统还有许多需完善的地方，使之能更适合于实际情况的使用，提高车辆管理水平。

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