孫嬌嬌,王天涯,王 飛

1.淮北師范大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，安徽淮北,235000;2.宿州學(xué)院機械與電子工程學(xué)院，安徽宿州，234000;3.徐工信息技術(shù)股份有限公司，江蘇徐州，221004

車聯(lián)網(wǎng)的概念最早在2009年提出，源于物聯(lián)網(wǎng)，是以行駛中的車輛為信息感知對象，借助新一代信息技術(shù)，車與平臺之間的網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)車輛的遠程監(jiān)控和遠程控制，提升車輛的智能服務(wù)水平。目前，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被列入國家重點項目，其中GPS終端是平臺和車輛的“紐帶”，它主要通過GPRS無線通信技術(shù)，實現(xiàn)平臺與車輛之間的數(shù)據(jù)交互。

Python語言在實現(xiàn)數(shù)據(jù)批量處理方面具有獨特的優(yōu)勢，其內(nèi)部提供了列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有高級語言集合類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特點，且操作非常簡單，廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析中。Thrift是一種接口描述語言[1]，是Facebook開發(fā)的遠程過程調(diào)用(RPC)框架[2]，已經(jīng)被應(yīng)用于大量開源的分布式系統(tǒng)中，特別是在大數(shù)據(jù)集群的處理能力上應(yīng)用較為廣泛，比如查詢、存儲、通訊等。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和地圖測繪技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的前沿發(fā)展方向，地理信息系統(tǒng)的發(fā)展正面臨大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展機遇和新的挑戰(zhàn)[3-4]。一些地圖應(yīng)用服務(wù)的出現(xiàn)，一定程度上滿足了開發(fā)者對地圖業(yè)務(wù)的需求，如高德、百度等公司給開發(fā)者提供了公共平臺，個人或企業(yè)通過注冊認證成為開發(fā)者，可以方便地調(diào)用他們提供的在線API接口獲取服務(wù)，很大程度上提高了公眾的地理信息認知能力。然而，這種公眾平臺提供的接口往往會在調(diào)用量和并發(fā)數(shù)量上做限制，一定程度上影響了使用者的開發(fā)效率，并且這種接口的使用要求具備外網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。而實際上，往往有很多工廠、企業(yè)規(guī)定內(nèi)部應(yīng)用服務(wù)是不允許使用外網(wǎng)環(huán)境的，這在很大程度上限制了依賴地圖服務(wù)的業(yè)務(wù)工作開展。本文提供了一種可以部署在本地服務(wù)器或者局域網(wǎng)內(nèi)的離線服務(wù)方法，很大程度上滿足了開發(fā)者的需求。

1 城市邊緣數(shù)據(jù)格式化

車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，需要實時地獲取地理位置信息。一般情況下，GPS終端通過2G、3G、LET、4G等無線通信技術(shù)上傳該車輛的定位信息，包含經(jīng)緯度、GPS時間等位置信息。本文設(shè)計的離線方法主要是運用Python技術(shù)，結(jié)合地圖服務(wù)提供的API接口，抓取全國各省、市、區(qū)縣的城市地圖邊緣點的坐標信息，對在線地圖提供的數(shù)據(jù)進行篩選、過濾、格式化，最終保存為文本格式。把文件按照省市名稱命名，分成兩種命名格式，一種是“省份”文件，命名格式為“省份名稱_省份區(qū)域編碼”；另外一種為“市”文件，命名格式為“市名稱_市區(qū)域編碼_市所屬省份區(qū)域編碼”。這樣，兩種文件通過命名中的“省份區(qū)域編碼”把省和市進行關(guān)聯(lián)，可以方便地確定每個“市”的所屬省份。最終，通過Python抓取并存儲，區(qū)域編碼被分成三個級別，即省、市、區(qū)縣(存儲在市文件內(nèi)部)，內(nèi)容及命名格式如表1、表2所示。這種格式化后的數(shù)據(jù)，易于管理和分析，通過省、市、縣分層數(shù)據(jù)的不同程度的簡化，形成分層數(shù)據(jù)集合存儲，并將該數(shù)據(jù)和GPS本身上傳的數(shù)據(jù)作為本文研究的對象，這樣就實現(xiàn)了城市邊緣點坐標的離線存儲，這些數(shù)據(jù)將作為本文離線方法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，因此，開發(fā)者在使用的過程中只需調(diào)取本地數(shù)據(jù)，無需每次都從公共接口中獲取，解決了開發(fā)者使用公共接口的調(diào)用量限制的問題。

表1 “省份”文件內(nèi)容格式(江蘇省_320000)

表2 “市”文件內(nèi)容格式(南京市_320100_320000)

2 基于Thrift的RPC服務(wù)設(shè)計

Apache Thrift是一種主流的新型RPC框架，在大數(shù)據(jù)傳輸和高并發(fā)的系統(tǒng)中性能表現(xiàn)優(yōu)異。RPC，即遠程過程調(diào)用，是互聯(lián)網(wǎng)時代分布式集群中的核心組件[5]。本文從以下兩點進行闡述。

2.1 數(shù)據(jù)優(yōu)化

理論上，對于城市邊緣點采集，數(shù)據(jù)越密集，數(shù)據(jù)量越大，計算出的結(jié)果精準值就越高，但大量的數(shù)據(jù)計算會影響處理的速度，特別在實時處理要求很高的系統(tǒng)上，是不可容忍的，本文基于Douglas-Peucker算法將適量數(shù)據(jù)簡化。

Douglas-Peucker算法是通過去除微小的彎曲獲得每個幾何特點的一種算法[6]。在數(shù)字化時，要對曲線進行采樣，即在曲線上取有限個點，將其變?yōu)檎劬€，并且能在一定程度上保持原有的形狀。

Douglas-Peucker算法原理步驟如下：

(1)在曲線首尾兩點A，B之間連接一條線段AB，該線段為曲線的弦；

(2)計算起始點和最終點的中間所有特征點的里面最大失徑的特征點Pi,得到曲線上離該線段距離最大的點Pmax，計算其與AB的距離；

(3)比較該距離與預(yù)先給定的閾值的大小，如果小于閾值，則將該線段作為曲線的近似，該段曲線處理完畢。

(4)如果距離大于閾值，則用C將曲線分為兩段AC和BC，并分別對兩段進行(1)～(3)的處理。

(5)當所有曲線都處理完畢時，依次連接各個分割點形成折線，即可以作為曲線的近似，形成新的數(shù)據(jù)集合。

2.2 設(shè)計方案

考慮系統(tǒng)的高并發(fā)、易擴展性，本方法選擇將Thrift框架作為RPC服務(wù)載體[7]，將城市邊緣信息在服務(wù)端進行緩存，并設(shè)計合理的存儲結(jié)構(gòu)，最終，用戶只要在本地或局域網(wǎng)內(nèi)通過Thrift客戶端，把國內(nèi)任意一個位置的經(jīng)緯度作為輸入?yún)?shù)調(diào)取該服務(wù)，便可獲取該位置的行政區(qū)域編碼，具體實現(xiàn)步驟如圖1所示。

圖1 離線地圖服務(wù)示意圖

第一步，根據(jù)第1節(jié)中獲取的數(shù)據(jù)文件分別構(gòu)建“省份”邊緣位置信息集合和“市區(qū)縣”邊緣位置信息集合，并通過文件命名建立兩者之間的關(guān)系，根據(jù)Douglas-Peucker算法對原有數(shù)據(jù)集進行優(yōu)化；

第二步，構(gòu)建Thrift服務(wù)端。當客戶端發(fā)送請求時，根據(jù)輸入的經(jīng)緯度，首先遍歷國內(nèi)所有“省份”，把該省份所有邊緣位置信息集合連接成多邊形區(qū)域，判斷該經(jīng)緯度的點是否包含在該區(qū)域內(nèi)。如果不包含則輸出無效，如果屬于某個“省份”則進一步遍歷該“省份”所屬的“市區(qū)縣”；同樣把該“市區(qū)縣”集合的所有點連接成多邊形區(qū)域，如果不包含則輸出無效，包含則輸出對應(yīng)的區(qū)域編碼信息，返回給客戶端查詢結(jié)果。

第三步，經(jīng)緯度的點是否在一個多邊形區(qū)域內(nèi)可采用“射線法”進行判斷。“射線法”算法步驟原理如下：

(1)從點開始，作一條任意的射線，如果射線與多邊形邊的交點個數(shù)為偶數(shù)則表明點在多邊形外，交點個數(shù)為奇數(shù)時則表明點在多邊形內(nèi)。

(2)如果點在多邊形內(nèi)部時，無論如何畫射線都會有交點，且為奇數(shù)個。

(3)如圖2所示的“點射法”示意圖，可以看出點A、B、D和該多邊形交點個數(shù)為偶數(shù)，判斷在多邊形外部；點C、E、F和該多邊形交點個數(shù)為奇數(shù)，判斷在多邊形內(nèi)部。

圖2 “射線法”示意圖

3 高可用分布式部署

LVS是Linux Virtual Server的簡稱，也就是Linux虛擬服務(wù)器。LVS主要用于多服務(wù)器的負載均衡，它工作在OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層，可以實現(xiàn)高性能，高可用的服務(wù)器集群技術(shù)；其配置非常簡單，且有多種負載均衡的算法，即使在集群的服務(wù)器中某臺服務(wù)器無法正常工作，也不影響整體效果。Keepalived是Linux下一個輕量級別的高可用(High Avalilability,HA)解決方案。所謂高可用，意思是一種冗余和接管，當一臺服務(wù)器宕機時，另外一臺服務(wù)器可以無縫接管該服務(wù)器上的服務(wù)。

本文離線服務(wù)采用LVS+Keepalived部署方案，融合了兩種技術(shù)的特性，從而提高系統(tǒng)的可用性，且有利于系統(tǒng)的變更和擴展[8]，具體的部署方案，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)部署架構(gòu)圖

(1)兩臺服務(wù)器master和backup分別部署LVS和Keepalived,并配置一個虛擬IP(VIP)供外部調(diào)用，realserver上部署本文離線服務(wù)。

(2)當大量客戶端向服務(wù)端發(fā)送連接請求時，LVS會通過內(nèi)部算法，合理分配到不同的realserver上，達到負載均衡的效果，兩臺Keepalived服務(wù)器保證系統(tǒng)的高可用。

(3)當客戶端鏈接個數(shù)增加時，只需要簡單的增加realserver的個數(shù)，便可分擔(dān)各服務(wù)器上的壓力，這種分布式部署方式易于系統(tǒng)的擴展，且能夠跨語言，跨平臺，具有高可用性和可擴展性。

4 實驗測試

本實驗將車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中實際的應(yīng)用場景作為實驗背景。一種常用的應(yīng)用場景為，車輛信息通過GPS終端采集信息上傳到平臺，平臺會根據(jù)GPS上傳的經(jīng)緯度信息判斷該車輛所在的區(qū)域，當有大量車輛信息上傳到平臺時，平臺還可以統(tǒng)計全國各區(qū)域車輛分布情況。

4.1 實驗環(huán)境

實驗中服務(wù)器IP分配及各服務(wù)器配置如表3所示，搭建分布式離線服務(wù)，其中IP:10.80.0.90為虛擬IP，作為本文離線API服務(wù)的入口，在10.80.0.102和10.80.0.103服務(wù)器上部署keepalived高可用組件，把10.80.0.0.104和10.80.0.0.105作為realserver服務(wù)器部署的離線API服務(wù)。

表3 實驗測試環(huán)境說明

4.2 實驗內(nèi)容

4.2.1 有效性測試

在高德地圖上隨機選取100個城市的坐標點，分別調(diào)用高德在線API方法和本文離線地圖方法計算行政區(qū)域編碼，計算結(jié)果如表4所示(列舉部分測試信息)。

表4 兩種計算行政區(qū)域編碼方法對比

實驗結(jié)果：從表4中可以看出，對于各測試樣本點，本文方法計算出的結(jié)果與高德在線API計算的結(jié)果一致。

4.2.2 高可靠性測試

同4.2.1中的實驗方法，對該100個城市的坐標點調(diào)用本文離線地圖方法計算區(qū)域編碼，但此時停止IP為10.80.0.0.104和10.80.0.105中一臺的離線地圖服務(wù)，實驗結(jié)果仍能得到表4中的正確行政區(qū)域編碼。

4.2.3 性能測試

隨機選取國內(nèi)某一城市的經(jīng)緯度計算該位置的行政區(qū)域編碼，選取高德地圖和百度地圖提供的服務(wù)接口和本文方法進行對比測試。分別進行以下兩種實驗：

實驗一:實驗中選擇同一個坐標點作為輸入?yún)?shù)輸入經(jīng)緯度(116.121 344,30.444 291)，按照調(diào)用100次為計時單位，共做了20次實驗，測試高德地圖API、百度地圖API及本文離線方法API輸出結(jié)果的準確性及各個方法的耗時。

實驗結(jié)果：三種方法的計算結(jié)果：均能計算出該經(jīng)緯度的行政區(qū)域編碼為“340825”(安徽省安慶市太湖縣)，三種方法在計算上的時間消耗見圖4。

圖4 三種方法耗時對比圖

實驗二：并發(fā)測試，實驗分別對三種API進行并發(fā)測試。計時單位為1次調(diào)用接口的消耗時間，并發(fā)數(shù)均為100，輸入?yún)?shù)仍選擇實驗一中的坐標值，測試三種方法輸出結(jié)果的準確性及各方法的耗時。

實驗結(jié)果：三種方法均能輸出正確結(jié)果：該經(jīng)緯度坐標所在的行政區(qū)域編碼為“340825”(安徽省安慶市太湖縣)，三種方法在計算上的時間消耗如圖5所示，可以看出，本文方法計算耗時最少。

4.3 實驗結(jié)論及分析

從4.2.1可以看出本離線方案的計算準確性及有效性；4.2.2中的結(jié)果表明該方案的高可用性，即使在一臺服務(wù)器出現(xiàn)故障的情況下也不影響系統(tǒng)服務(wù)的正常使用；4.2.3兩組實驗可以看出，相比其他兩種方法，本文方法提供的API接口無論是多次調(diào)用還是并發(fā)調(diào)用，在計算耗時上都表現(xiàn)出較為明顯的優(yōu)勢，這是因為局域網(wǎng)內(nèi)的接口調(diào)用相比外網(wǎng)更有優(yōu)勢，所以本方案更適合在局域網(wǎng)內(nèi)使用。

圖5 三種方法并發(fā)測試耗時對比圖

5 結(jié) 語

本文介紹了目前主流在線地圖服務(wù)及其在使用方面存在的問題，并針對這些問題，提出了一種基于車聯(lián)網(wǎng)的獲取行政區(qū)域編碼的設(shè)計方法，詳細介紹了該方法的設(shè)計思路、實現(xiàn)方法，闡述了該方法在實際使用中能夠跨語言、跨平臺、具有高可用性和可擴展性，并可以無限次調(diào)用，解決了公共接口服務(wù)調(diào)用量和并發(fā)量的局限性問題。最后結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用場景，利用實驗的方法，證明了該方法在局域網(wǎng)內(nèi)使用的優(yōu)越性。