宽体自卸车远程监控和智能管理系统的设计和实现

赵健英，屈亚堃

（三一重型装备有限公司，辽宁 沈阳 110027）

传统的宽体自卸车辆管理与维护存在时效性差、管理成本高等诸多问题，宽体自卸车智能管理系统提供了一种高性价比、管理成本低、实效性好的解决方案，可有效降低管理成本，提升管理水平与运营效率，具有重要的经济价值与现实意义。该系统实现了对宽体自卸车的远程监控与智能管控，同时还实现了提前预警、运行分析及数据通信等功能。

1 系统功能需求分析

宽体自卸车多用于矿山开采、道路建设等场合，其使用环境具有气候恶劣、地形复杂、任务重、危险性高等特点[1]。因此，在功能性需求方面，系统要实现车辆启停状态、位置与行驶轨迹、维保与预警提醒、影像监控、运行分析与实时调度、数据通信等功能。在不同用户群体功能需求方面，驾驶员对监控与智能管理系统的应用侧重GPS定位、数据通信等；现场管理人员如维修人员、基层管理人员等，更侧重启停状态、车辆位置与行驶轨迹、影像监控、预警提醒等；管理层更加关注运营分析、预警、维保及能耗等[2]。

综合分析宽体自卸车使用环境特点、系统功能性需求以及不同用户群体的功能需求，该监控与智能管理系统需要实现车辆监控、预警管理、报告分析以及系统设置等功能。在非功能性需求方面，该系统需要具备一定的稳定性与可靠性且易用并达到实际的速度与精度要求。

2 系统框架结构

该系统从功能上可以划分成数据采集和通信、数据中心及用户服务三大部分。数据采集和通信模块由车载终端实现，车载终端安装在车辆的驾驶室内，主要负责采集车辆状态与行驶轨迹等实时数据，并将采集到的数据使用无线通信模块传输至服务器，与此同时数据中心对这些数据进行分析并给出相应分析报告或预警提醒[3]。其硬件部分主要包含数据采集、数据处理、影像监控、无线通信、数据存储以及卫星定位模块等。该数据采集与通信模块运用了北斗定位、UART端口视频监控、总线数据通信以及无线通信等多种技术。用户服务即系统应用，主要为不同用户群体提供相应的服务。数据中心是远程监控与智能管理系统的核心，负责收集数据信息并分析与下发指令。数据中心使用TCP/IP来实现数据传输，统一管理所有注册车辆，具备备份、远程联网、增容及数据共享等功能。该宽体自卸车智能管理系统主要包括车载终端、数据库、Web应用与移动App应用等部分，具体的系统框架见图1。

图1 系统框架图

3 系统框架搭建

该系统由硬件系统与软件服务平台组合而成，采用分布式架构，以使系统具备更好的并发性与稳定性。其中，应用层使用集群部署，配合高效连接池，同时引入负载均衡以负责处理高并发业务请求，框架选用SPING、IBATIS及STUTS2。手机接入部分分为接入服务器与消息服务器两大部分，其中消息服务器负责推送消息，应用MINA NIO架构，与移动App保持长连接来实现告警、通知等信息的实时传输；接入服务是移动业务接入的门户，具有实时交互、认证、流控与鉴权等功能。业务接口层借鉴SOA原则，用来满足应用层与第三方平台的各种业务需求，发挥数据业务总线的作用。通信使用MINA NIO架构，并通过优化与改进来达到高效并行的通信能力。数据库运用多线程入库处理与容错机制，再配合DBCP高效连接池可实现高效入库。

4 车辆定位与远程数据传输

4.1 车辆定位GPS

车辆定位GPS主要借助全球定位系统来完成车辆的定位与监控，同时其与远程监控和智能管理中心相连来实现远程监控与智能控制车辆。车辆定位GPS主要组成部分是用户装置、空间部分以及地面控制，其中，地面控制由检测站、通信辅助系统、主控站以及地面天线等组成；空间部分由分布在若干轨道平面的卫星组成；用户装置由GPS接收机与卫星天线两部分组成。其向宽体自卸车智能管理系统提供多地区、全天候的车辆位置、速度及行驶轨迹等信息。基本定位原理是对接收的多颗GPS卫星的信号进行计算，然后得到车辆的位置、速度及行驶轨迹等信息，一般来说，最少需要4颗不同的GPS卫星的信号才可以实现准确定位。常见的定位方式有动态、静态、绝对以及相对定位四种。

4.2 GPRS通信技术应用

GPRS作为一种无线通信技术，支持移动设备在信号覆盖范围内使用无线数据网络来传输数据。其相较于传统通信技术，利用分组交换技术，而非电路交换技术，将数据包直接传递至无线网络，因此，具有高效、成本低、资源利用率高、传输快等优点。

4.3 CAN总线技术应用

CAN是多主机局部网的一种，具有通信距离短、传输速率快、成本相对低等优点，因此被广泛应用于多种控制设备、环境控制及工业自动化等方面，适用于设备分布较分散、实时性要求较高的场合；属于多主结构，适用于节点相对多的场合；基于串行通信总线，任意节点都能接收网络中广播的数据信息，适用于数据共享多的场合。

4.4 数据车载终端设计

在设计车载终端时，要综合考虑精简性、可靠性、经济性及可扩展性，终端在实用的同时要尽可能小型化，数据及硬件系统应具备一定的可靠性，要选择性价比较高的模块并预留一些扩展接口。该车载终端由电源、无线通信、控制单元、总线传输以及GPS等模块组成。

卫星定位模块使用北斗与GPS双模方式来为车辆提供位置、速度及行驶轨迹等信息；通信接口主要包括CAN与LIN总线，开关量与UART端口，RS-232、RS-485及USB接口等；视频监控模块具有拍照与录像功能，可按照系统下发的指令进行拍照操作；数据采集与处理模块利用CAN总线采集发动机运行状态信息，利用开关量端口与LIN总线来采集车辆状态信息，利用RS-485与RS-232接口来传输卫星定位信息，利用UART端口来采集影像信息，数据处理模块对这些信息进行处理并将其直接传输至无线通信模块；无线通信模块通过盲区补传来确保数据连续性，2G、3G和4G兼容；数据存储模块借助硬盘存储器或SD卡来存储采集的实时数据；电源模块具有断电保护功能，当设备遇到突然断电的情况，可以及时通过备用电源来正常关机，从而避免数据丢失；语音模块的功能有超速行驶与疲劳驾驶语音提醒，通过语音播报实现指令下发，通过语音对讲完成通话。

5 远程移动客户终端设计

5.1 系统开发遵循原则

宽体自卸车智能管理系统开发需要遵循如下原则：①整体性原则。该系统要从整体出发，一方面要兼顾不同系统之间的协调性与一致性，另一方面要根据紧急与重要程度依次实现系统的各种功能。②安全性原则。在核心部件上需要准备应急方案，当某一设备发生故障时，及时切换备用设备以确保整个系统的稳定可靠运行。③扩展性原则。要充分考虑到未来可能出现的业务需求，同时还要考虑接口的标准化，从而便于未来系统的扩容与升级。④可靠性原则。要做好单点故障预防工作，同时还应具有分析统计与提前预警等功能，以此来保障系统能全天候连续可靠工作。⑤易用性原则。相关工作人工通过简单培训就可轻松上手使用系统，可以迅速掌握核心模块的使用方法，可以通过简单操作完成软件的相关配置以及硬件备件备品的更换等。

5.2 远程移动客户终端接入功能架构

对于移动客户端接入，宽体自卸车智能管理系统在原有功能的基础上进行了改造，相应地添加核心服务层、消息推送服务、App接入服务以及管理平台等子系统。核心服务层不仅处理终端的核心业务，还能够被应用层与业务接口层调用。消息推送服务是指系统利用第三方软件向手机应用实时推送相关消息。App接入服务作为移动客户端接入平台入口，主要负责手机终端的协议转换与适配、接入与鉴权等，同时支持第三方平台和应用层的业务需求，为Web应用与手机客户端提供一致的业务支撑。车联网管理平台向用户提供数据模板定制与用户权限限定等服务，宽体自卸车智能管理系统中的超级管理员可以为驾驶员、基层管理人员、管理员等不同角色用户赋予不同的权限，与此同时还会约定消息的格式与推送内容。

5.3 远程移动客户终端功能结构

Android客户端功能结构主要包括UI展现层、业务层、通信层以及持久层。UI展现层仅用来完成用户交互与UI展现。业务层用于监听事件、响应UI与处理业务逻辑，主要包括AsyncTask、Service、监听以及其他业务逻辑等。通信层实现其与服务器之间的TCP与HTTP交互，其中报文与HTTP交互使用JSON处理组件就可处理，TCP通过长连接的方式实现与服务端的交互，并通过发送心跳信息的方式维持与服务端的连接，这一层的方法经业务层封装后可以被UI展现层使用。持久层用于持久化存储数据，SharedPreference用于存储全局配置信息，而Sqlite用来存储业务数据等。

5.4 基础服务平台搭建

基础服务平台可实现服务接入、终端接入、信息同步等功能。服务接入主要包括服务接入、登录、通信及链路维护等一系列操作，主要流程是，系统在接入时对权限与用户密钥进行匹配，匹配成功后给用户终端下发指令，允许用户进行相应的操作，同时与用户终端完成必要的数据交互。终端接入是指车载终端得到授权许可后与核心服务层进行数据交互的过程。信息同步内容包含SIM卡及车辆信息的同步。此外，基础服务平台实现的核心业务有协议转换、消息路由、服务鉴权、终端鉴权与服务监控等。

6 结束语

综上所述，本文中设计的宽体自卸车智能管理系统实现了数据采集与处理、数据分析与统计、影像监控、车辆定位与预警功能等，该系统的应用不仅可以帮助相关管理人员更好地掌握施工现场的实时情况，还能有效提高宽体自卸车的运行效率与可靠性。未来，通过持续改进与优化该系统，可将更多先进、智能化技术增加到系统中，如专家系统、自主学习等，以更好地为工程建设提供服务。