王書(shū)琴, 王勝和

(安徽公安職業(yè)學(xué)院 科技系，合肥 230036)

營(yíng)運(yùn)車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、無(wú)線通信、地理信息系統(tǒng)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)車(chē)輛的位置信息和狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析處理和狀態(tài)發(fā)布，為車(chē)輛安全駕駛、物流監(jiān)控等保駕護(hù)航，提升道路運(yùn)輸?shù)陌踩院托?

近年來(lái)，各行業(yè)陸續(xù)出現(xiàn)了以位置服務(wù)為核心業(yè)務(wù)的車(chē)輛動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng).這些系統(tǒng)涉及智能調(diào)度優(yōu)化[1]、車(chē)輛監(jiān)控、定位感知[2]、安全權(quán)限管理[3]、車(chē)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)優(yōu)化[4]、車(chē)輛識(shí)別[5]等諸多方面.其中車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)控是最基本的業(yè)務(wù)，應(yīng)用最為廣泛.例如貨運(yùn)汽車(chē)安防系統(tǒng)[6]、校車(chē)安全云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)[7],甩掛牽引車(chē)及掛車(chē)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控及信息共享系統(tǒng)[8]，以及物流車(chē)輛調(diào)度監(jiān)管系統(tǒng)[9]、煤礦輔助運(yùn)輸車(chē)輛實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)[10]等.

隨著車(chē)輛接入數(shù)量的增加，客戶增值業(yè)務(wù)類(lèi)型、深層次數(shù)據(jù)分析和挖掘的需求不斷提升，對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的性能要求越來(lái)越高.滿足這方面的需求有許多成功經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，包括大型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系架構(gòu)[11]、高性能成熟的組態(tài)軟件，以及包括NoSQL[12]、Hadoop[13]在內(nèi)的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等.

本文針對(duì)道路運(yùn)輸車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)控需求，充分利用負(fù)載均衡、服務(wù)集群、分布存儲(chǔ)等大數(shù)據(jù)技術(shù)，設(shè)計(jì)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析服務(wù)系統(tǒng)，提出了面向大規(guī)模高并發(fā)訪問(wèn)的營(yíng)運(yùn)車(chē)輛狀態(tài)綜合監(jiān)控解決方案系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱“VehicleMon”).文章較為詳細(xì)地論述系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)其實(shí)際運(yùn)行情況作了充分的分析.

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 架構(gòu)風(fēng)格

系統(tǒng)架構(gòu)風(fēng)格直接影響架構(gòu)屬性，包括性能、可伸縮性、可修改性、可移植性和可靠性等.車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)處理的設(shè)備和用戶數(shù)巨大，在正式給出VehicleMon系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案之前，需要闡述清楚方案設(shè)計(jì)背后的理性考慮，給出架構(gòu)風(fēng)格.

圖1 VehicleMon架構(gòu)風(fēng)格

(1)分層

VehicleMon系統(tǒng)實(shí)際上主要的服務(wù)對(duì)象有兩類(lèi).一類(lèi)是為用戶服務(wù)，提供友好的人機(jī)界面，姑且認(rèn)為位于上層；另一類(lèi)是為現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備服務(wù)，即數(shù)量眾多的車(chē)載終端，位于系統(tǒng)下層.現(xiàn)代DCS系統(tǒng)也是采用分層的設(shè)計(jì)思想，通常分為管理層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)層，這提高了系統(tǒng)可靠性和可擴(kuò)展性.

(2)客戶/服務(wù)器

VehicleMon系統(tǒng)是一個(gè)天然的客戶/服務(wù)器系統(tǒng).它提供眾多的運(yùn)維客戶端、車(chē)載設(shè)備、服務(wù)器組成.我們向設(shè)計(jì)方案中添加“客戶/服務(wù)器”的約束，目的是分離用戶接口和數(shù)據(jù)控制與存儲(chǔ)，改善了用戶接口跨多個(gè)平臺(tái)的可移植性；同時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)化服務(wù)器組件，改善了系統(tǒng)的可伸縮性.

(3)無(wú)狀態(tài)

無(wú)狀態(tài)要求從客戶到服務(wù)器的每個(gè)請(qǐng)求都必須包含理解該請(qǐng)求所必需的所有信息，不能利用任何存儲(chǔ)在服務(wù)器上的上下文，會(huì)話狀態(tài)全部由客戶端來(lái)自行維護(hù).這一風(fēng)格大大改善了系統(tǒng)可靠性，因?yàn)樗鼫p輕了從局部故障中恢復(fù)的任務(wù)量，即不需要服務(wù)器在恢復(fù)時(shí)記住故障產(chǎn)生的相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù).

(4)統(tǒng)一接口

圖2 VehicleMon系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

真正統(tǒng)一的接口其實(shí)較難做到，但會(huì)盡可能使得接口的種類(lèi)少.統(tǒng)一的接口使得系統(tǒng)架構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，可見(jiàn)性和可維護(hù)性也得到了改善.最終形成如圖1所示的VehicleMon架構(gòu)風(fēng)格.

1.2 系統(tǒng)基本架構(gòu)

VehicleMon系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由接入終端和運(yùn)營(yíng)監(jiān)控中心組成.營(yíng)運(yùn)車(chē)輛裝載電子終端設(shè)備(基于北斗)，通過(guò)3G信號(hào)接入到Internet網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)提供手機(jī)終端APP接口和瀏覽器接口，方便人機(jī)交互訪問(wèn).監(jiān)控中心通過(guò)防火墻連接BGP(邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議)路由接入到IP互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以提高網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的安全性和實(shí)時(shí)性.

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 車(chē)載終端接入控制系統(tǒng)VehicleCC

VehicleCC以TCP/IP為基礎(chǔ)協(xié)議，采用基于Windows的多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與車(chē)載終端的全雙工通信，完成車(chē)載終端接入功能.VehicleCC與車(chē)載終端的交互接口遵循交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T808-2011協(xié)議，與上級(jí)監(jiān)管平臺(tái)的交互接口遵循JT/T809-2011協(xié)議.該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了道路運(yùn)輸車(chē)輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車(chē)載終端與監(jiān)控平臺(tái)之間的通訊協(xié)議和數(shù)據(jù)格式，包括協(xié)議基礎(chǔ)、通信連接、消息處理等所有內(nèi)容,以及監(jiān)管平臺(tái)之間的通信方式、安全認(rèn)證、消息流程、消息格式和數(shù)據(jù)實(shí)體格式等內(nèi)容.VehicleCC的運(yùn)行界面如圖3所示.

2.2 Web服務(wù)負(fù)載均衡

Web服務(wù)VehicleServer需要處理大量的用戶請(qǐng)求，這些請(qǐng)求包括來(lái)自運(yùn)維人員、車(chē)輛企業(yè)用戶、司機(jī)用戶等多方面的位置查詢、統(tǒng)計(jì)，以及控制指令.為了保證服務(wù)的高可用性，單獨(dú)配置了一臺(tái)負(fù)載均衡服務(wù)器.由于應(yīng)用服務(wù)器VehicleServer被設(shè)計(jì)為無(wú)狀態(tài)類(lèi)型，可以通過(guò)負(fù)載均衡進(jìn)行無(wú)狀態(tài)服務(wù)的失效轉(zhuǎn)移，一方面提高系統(tǒng)的可靠性，另一方面也分擔(dān)系統(tǒng)的負(fù)載壓力.

圖3 VehicleCC運(yùn)行界面

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)集群及優(yōu)化

每個(gè)車(chē)載終端一般最快5秒就會(huì)上報(bào)一條位置信息，涉及到多媒體通信，如拍照和視頻指令的時(shí)候，數(shù)據(jù)量會(huì)更大.加上有不少業(yè)務(wù)邏輯利用處理代理的存儲(chǔ)過(guò)程模式保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)庫(kù)面臨的數(shù)據(jù)處理壓力大，性能要求高.為此我們采取了以下措施：

(1)應(yīng)用服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)分離

系統(tǒng)配置三類(lèi)服務(wù)器，包括應(yīng)用服務(wù)器、文件服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，除單獨(dú)配置的文件服務(wù)器外，應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用集群的模式架設(shè).

(2)讀寫(xiě)分離與主從分布

Web應(yīng)用服務(wù)器VehicleServer和接入控制VehicleCC在寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)候訪問(wèn)主數(shù)據(jù)庫(kù)，主數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)主從復(fù)制機(jī)制將數(shù)據(jù)同步到從數(shù)據(jù)庫(kù)；讀取數(shù)據(jù)時(shí)訪問(wèn)從數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣為一些來(lái)自車(chē)輛運(yùn)輸企業(yè)的統(tǒng)計(jì)查詢、在線位置監(jiān)控等業(yè)務(wù)極大地提高了響應(yīng)性能.

(3)表分區(qū)

存儲(chǔ)車(chē)輛軌跡的表每天產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)記錄，隨著運(yùn)營(yíng)的日積月累，車(chē)輛軌跡表數(shù)據(jù)龐大，極大地降低了查詢的效率.為此采用SQL Server的表分區(qū)技術(shù)，把數(shù)據(jù)分散存放到不同的物理磁盤(pán)中，提高這些磁盤(pán)的并行處理性能以優(yōu)化查詢性能.

(4)大數(shù)據(jù)分析與處理

VehicleMon系統(tǒng)除提供基本的車(chē)輛動(dòng)態(tài)監(jiān)控業(yè)務(wù)，包括車(chē)輛狀態(tài)報(bào)警、位置監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析等功能外，還存有其它可以挖掘的和經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)的信息，包括營(yíng)運(yùn)車(chē)輛區(qū)域流動(dòng)性指標(biāo)、交通安全預(yù)警、長(zhǎng)距離運(yùn)輸線路優(yōu)化、車(chē)輛移動(dòng)分布規(guī)律挖掘[3]等，這些都需要大數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)的支撐.特別是車(chē)輛區(qū)域流動(dòng)性指標(biāo)，類(lèi)似于克強(qiáng)指數(shù)，貨運(yùn)車(chē)輛的流動(dòng)性一定程度上反映區(qū)域經(jīng)濟(jì)的活躍度，這些數(shù)據(jù)對(duì)政府宏觀經(jīng)濟(jì)調(diào)控具有重要指導(dǎo)意義.營(yíng)運(yùn)車(chē)輛駕駛員駕駛習(xí)慣和車(chē)輛運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，為保險(xiǎn)公司運(yùn)營(yíng)優(yōu)化保險(xiǎn)業(yè)務(wù)提供重要數(shù)據(jù)分析來(lái)源.

3 運(yùn)行與維護(hù)

目前VehicleMon系統(tǒng)已經(jīng)接入營(yíng)運(yùn)車(chē)輛，連續(xù)運(yùn)行數(shù)月以來(lái)，總體運(yùn)行狀態(tài)良好.按照角色和權(quán)限管理方式，向平臺(tái)運(yùn)維人員、車(chē)輛運(yùn)輸企業(yè)人員提供不同的訪問(wèn)接口，用戶通過(guò)瀏覽器或者手機(jī)終端可以實(shí)時(shí)查詢到關(guān)系的車(chē)輛狀態(tài)信息和獲取統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表.基于BS結(jié)構(gòu)的VehicleServer的監(jiān)控主界面如圖4所示.

圖4 VehicleServer監(jiān)控主界面

接入控制軟件VehicleCC在單服務(wù)器環(huán)境下進(jìn)行了性能測(cè)試，服務(wù)器環(huán)境為DELL PowerEdge系列，操作系統(tǒng)Windows 7.用軟件模擬大規(guī)模車(chē)載終端接入，分析VehicleCC的處理時(shí)間，結(jié)果如圖5所示.從測(cè)試結(jié)果看，平均每秒VehicleCC能夠處理近千條車(chē)載終端的上報(bào)消息.從測(cè)試情況看，單個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)每秒并發(fā)訪問(wèn)量超過(guò)500后，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間急劇下降，如圖6所示.

圖5 VehicleCC性能測(cè)試結(jié)果

圖6 VehicleServer性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)智能分析，提出了一種可以支持大規(guī)模并發(fā)訪問(wèn)的高性能車(chē)輛綜合監(jiān)控系統(tǒng).通過(guò)采用合理的架構(gòu)風(fēng)格，選用業(yè)務(wù)拆分、負(fù)載均衡、服務(wù)集群、NoSQL查詢優(yōu)化等手段，較好地處理了車(chē)輛監(jiān)控中涉及的大數(shù)據(jù)量、并發(fā)訪問(wèn)量高等所帶來(lái)的問(wèn)題，基本滿足了實(shí)際應(yīng)用的需求.系統(tǒng)支持橫向和縱向的擴(kuò)展模式，可以快速響應(yīng)未來(lái)車(chē)輛接入的增長(zhǎng)要求.另外，系統(tǒng)在架構(gòu)設(shè)計(jì)訪問(wèn)方面還存在需要提升的地方，如在滿足一致性、可用性、分區(qū)容錯(cuò)性等方面還需深入研究，盡可能地提升系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)效率.

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