基于ArcGIS Server的車(chē)輛調(diào)度管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 鵬， 鄭貴省， 王 元

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161；2.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津300161)

目前在應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害和突發(fā)事件時(shí)，應(yīng)急調(diào)動(dòng)的車(chē)輛數(shù)量較大，品種繁多。在執(zhí)行應(yīng)急物流運(yùn)輸時(shí)，特別是緊急情況下，對(duì)運(yùn)輸?shù)臅r(shí)效性和準(zhǔn)確性有較高的要求，如何最大限度的發(fā)揮車(chē)輛的利用率，確保行車(chē)安全，把“車(chē)輛、道路、駕駛員”三者緊密的結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行優(yōu)化協(xié)調(diào)和數(shù)據(jù)分析，并直觀、高效地展示,進(jìn)而為車(chē)輛調(diào)度指揮提供依據(jù),具有重要的研究意義。應(yīng)急物流公路運(yùn)輸因其特殊性，在運(yùn)輸實(shí)施之前必須充分考慮各種因素，對(duì)人、車(chē)、路信息充分掌握后，進(jìn)行合理的調(diào)度.目前，對(duì)車(chē)輛的調(diào)度與管控都有相應(yīng)的信息系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)主要是對(duì)車(chē)輛的出入和使用情況的等信息的記錄，并不能結(jié)合道路信息，制定相應(yīng)的調(diào)度方案。在車(chē)輛駛離后，對(duì)車(chē)輛和操作人員實(shí)時(shí)信息掌控存在不足，特別是在自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，路段被破壞的情況下，如何制定行車(chē)路線，尚有不足?；谶@些問(wèn)題，利用Web服務(wù)，借助Flex技術(shù)并結(jié)合ArcGIS Server平臺(tái)構(gòu)建了一個(gè)界面直觀、交互性強(qiáng)的應(yīng)急物流車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)平臺(tái)。

1 相關(guān)技術(shù)概述

(1) WebGIS技術(shù)。WebGIS就是GIS和Web技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，地理信息系統(tǒng)已經(jīng)逐漸被大家所了解，并在各種領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用。各種各樣的GIS應(yīng)用系統(tǒng)不斷的出現(xiàn)，功能和性能不斷完善，但大多數(shù)都價(jià)格不菲，而且可操作性較差.而Web在信息技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)非常重要的位置，而其應(yīng)用的廣泛性也是首屈一指。而WebGIS就是充分利用Web的易操作性，將GIS擴(kuò)展到Web上。Web的結(jié)構(gòu)遵循HTTP協(xié)議，而HTTP協(xié)議采用基于瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server,B/S)的請(qǐng)求應(yīng)答機(jī)制，因此，Web在瀏覽器端上支持文字、圖像等多媒體數(shù)據(jù)的顯示[1]。而GIS的空間數(shù)據(jù)主要通過(guò)圖形與圖像的方式表現(xiàn)。借助Web，GIS實(shí)現(xiàn)了從單機(jī)環(huán)境到萬(wàn)維網(wǎng)的飛躍.人們可以像瀏覽網(wǎng)頁(yè)一樣，通過(guò)GIS進(jìn)行交互，查詢、分析空間數(shù)據(jù)。

(2) ArcGIS Server。ArcGIS Server是ESRI旗下的一款商業(yè)WebGIS軟件，是一個(gè)基于Web的企業(yè)級(jí)GIS解決方案。用戶可以使用ArcGIS Server在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)或整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)共享GIS資源，可以把這些地理信息資源集成到普通網(wǎng)站網(wǎng)頁(yè)中。ArcGIS Server為創(chuàng)建基于Web的GIS應(yīng)用提供一個(gè)框架平臺(tái)。它充分利用了 ArcGIS的核心組件庫(kù) ArcObjects，并且基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供 Web GIS服務(wù)。由于ArcGIS Server是將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GIS的結(jié)合，使用戶可以通過(guò)ArcGIS Server在Web應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)GIS的功能和發(fā)布地圖服務(wù)功能，此外還具有編輯和分析空間數(shù)據(jù)的能力.ArcGIS Server是一個(gè)分布式系統(tǒng)，由分布在多臺(tái)機(jī)器上的各個(gè)功能單元組成。利用ArcGIS Server搭建的WebGIS應(yīng)用其基本由瀏覽器、Web Server、GIS Server、桌面應(yīng)用程序組成。

(3) Flex技術(shù)。Flex是Adobe公司推出的一個(gè)富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序(Rich Internet Application，RIA)技術(shù)。與傳統(tǒng)的基于頁(yè)面的、服務(wù)器端數(shù)據(jù)傳遞的模式網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)程序相比，具有豐富的內(nèi)容和表現(xiàn)力，當(dāng)用戶與其交互時(shí)能獲得較好的滿意度.RIA具有比傳統(tǒng)HTML更豐富的客戶端，其接口更加健壯，反應(yīng)靈敏且具有可視化特性。RIA具有立即部署，跨平臺(tái)，采用逐步下載檢索內(nèi)容和數(shù)據(jù)，以及可以充分利用被采納的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的Web應(yīng)用程序的特點(diǎn).客戶端在RIA中不僅可以顯示頁(yè)面，還可以在后臺(tái)與用戶請(qǐng)求異步地進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，顯示集成的用戶界面和綜合使用的聲音圖像。Flex是高效率的開(kāi)放源碼框架，使用與HTML非常簡(jiǎn)易的MXML描述界面，其更加規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，可用于構(gòu)建和維護(hù)在各種客戶端部署的極具表現(xiàn)力的Web應(yīng)用程序。目前Flex的最新版本是Flex 4，其包含一系列的開(kāi)發(fā)工具和服務(wù)，F(xiàn)lex 4的框架主包含MXML界面語(yǔ)言、ActionScript 3.0編程語(yǔ)言、Flex 4 SDK和Flash Builder 4開(kāi)發(fā)環(huán)境[2]。

(4) REST。REST(Representational State Transfer)是一種軟件架構(gòu)風(fēng)格，即“表象化狀態(tài)轉(zhuǎn)變”。REST架構(gòu)風(fēng)格把網(wǎng)絡(luò)上分布的各種數(shù)據(jù)看作資源，并由URI標(biāo)識(shí)，而客戶端應(yīng)用通過(guò)URI來(lái)獲取資源的表現(xiàn)形式?？蛻舳双@取這些表現(xiàn)形式后，可以改變其應(yīng)用狀態(tài)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)ArcGIS Server分布式系統(tǒng)的體系架構(gòu)，基于ArcGIS Server搭建車(chē)輛調(diào)度管理系統(tǒng)分為客戶端、服務(wù)端以及數(shù)據(jù)端(圖1)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

(1) 客戶端。采用Web瀏覽器作為富客戶端，使用Flex技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，為使用者提供圖交互、信息查詢、地圖分析等交互接口，展現(xiàn)一個(gè)使用者滿意度高、易交互和表現(xiàn)豐富的可視界面。

(2) 服務(wù)層。主要是對(duì)應(yīng)用層的請(qǐng)求做出響應(yīng)的核心，主要承擔(dān)GIS服務(wù)和非GIS服務(wù)兩個(gè)任務(wù)。GIS服務(wù)由ArcGIS Server搭建，為使用者提供地圖訪問(wèn)接口，非GIS服務(wù)主要支持使用者通過(guò)網(wǎng)頁(yè)對(duì)需求信息進(jìn)行瀏覽。

(3) 數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)端主要用于存儲(chǔ)與地圖有關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)和非地圖數(shù)據(jù)庫(kù)。地圖數(shù)據(jù)庫(kù)包括ArcSDE以及存儲(chǔ)海量路網(wǎng)地圖數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)庫(kù)。ArcSDE是應(yīng)用程序與存放有空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)之間的GIS通道,用于高效地存儲(chǔ)、索引、訪問(wèn)和維護(hù)存放在DBMS中的矢量、柵格、元數(shù)據(jù)以及其他空間數(shù)據(jù)。非地圖數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)車(chē)輛調(diào)信息，如駕駛員信息、車(chē)輛信息、使用記錄、行車(chē)記錄及與調(diào)度有關(guān)的信息。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

車(chē)輛調(diào)度管理系統(tǒng)應(yīng)遵循“定車(chē)、定人”的原則，滿足有利于安全行駛和有效監(jiān)管的需求。其整個(gè)結(jié)構(gòu)功能劃分為用戶管理、地圖管理、人車(chē)信息管理、車(chē)輛調(diào)度管理、行車(chē)管理、數(shù)據(jù)管理等。系統(tǒng)具體功能為：

(1) 用戶管理。主要包括用戶注冊(cè)以及用戶信息管理。

(2) 地圖管理。對(duì)地圖進(jìn)行放大、縮小和平移等基本操作，同時(shí)更新地圖信息，如路網(wǎng)數(shù)據(jù)及其他信息的修改與更新。

(3) 人車(chē)信息管理。對(duì)車(chē)輛信息(車(chē)輛編號(hào)、車(chē)型、裝備時(shí)間等信息)進(jìn)行管理，對(duì)駕駛員信息進(jìn)行管理，以及信息的及時(shí)更新與維護(hù)。

(4) 車(chē)輛調(diào)度管理。根據(jù)遂行任務(wù)和使用需求，確定車(chē)輛和駕駛?cè)?，根?jù)要求確定起點(diǎn)和終點(diǎn)，求出兩點(diǎn)之間的最短路徑、最優(yōu)路徑。還可根據(jù)車(chē)輛情況，及載運(yùn)物資要求，制定符合要求的行車(chē)路線，并在電子地圖上顯示。同時(shí)生成運(yùn)輸路徑方案，并將此次調(diào)度信息和方案存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

(5) 行車(chē)管理。主要是針對(duì)車(chē)輛駛離后的監(jiān)控與管理，對(duì)車(chē)輛和駕駛員信息實(shí)時(shí)掌握。

(6) 數(shù)據(jù)管理。對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，便于導(dǎo)入導(dǎo)出，生成詳細(xì)數(shù)據(jù)報(bào)表。

3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 電子地圖設(shè)計(jì)

電子地圖是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，地圖服務(wù)對(duì)應(yīng)的GIS資源是地圖文檔。GIS是以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式來(lái)表述信息，而表中的信息要想展示出來(lái)，必須通過(guò)電子地圖的圖層。為了便于GIS數(shù)據(jù)管理，將性質(zhì)相同的數(shù)據(jù)放在一起，行成一個(gè)圖層.不同圖層的疊加能呈現(xiàn)不同的效果。系統(tǒng)電子地圖以中國(guó)政區(qū)矢量圖的為地圖，添加相應(yīng)的圖層形成(圖2)。

圖2 中國(guó)政區(qū)矢量地圖

在圖2基礎(chǔ)上，可以添加各類(lèi)要素，如建筑物、公路、鐵路、水系等地物信息.根據(jù)需求，可以設(shè)計(jì)出美觀形象的地圖圖層。作為車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)，必然后道路密不可分。道路網(wǎng)絡(luò)是車(chē)輛線路制定的基礎(chǔ)，尤其是在求解最佳路徑、最短路徑，離不開(kāi)道路的屬性數(shù)據(jù)，如長(zhǎng)度、道路等級(jí)等。為了符合實(shí)際和交通規(guī)則，還包括行駛屬性，如單行道/雙行道，轉(zhuǎn)彎限制等信息(圖3)。

圖3 某地路網(wǎng)數(shù)據(jù)

3.2 系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)

利用ArcGIS Server 10.1提供的REST API，由Flex客戶端Flex Builder 4.6通過(guò)REST API訪問(wèn)服務(wù)器發(fā)布的GIS服務(wù)。ArcGIS Server10.1為GIS服務(wù)提供了10種API，系統(tǒng)主要模塊的實(shí)現(xiàn)主要利用地圖服務(wù)、Geometry服務(wù)、GP服務(wù)和Feature服務(wù)。ERSI公司基于Flex開(kāi)發(fā)一套運(yùn)行在瀏覽器端API，即ArcGIS Flex API，借助其可以實(shí)現(xiàn)地圖瀏覽、多個(gè)地圖疊加、地圖客戶端符號(hào)繪制、動(dòng)態(tài)對(duì)象跟蹤顯示、運(yùn)行GIS空間分析模型、屬性條件查詢、空間條件查詢和編輯矢量數(shù)據(jù)。ArcGIS Flex API包含了地圖及圖層類(lèi)、輔助地圖的控件、業(yè)務(wù)功能類(lèi)、圖形及幾何體類(lèi)和符合類(lèi)5個(gè)類(lèi)庫(kù)。

(1) 地圖管理模塊。地圖管理模塊主要是實(shí)現(xiàn)地圖的一些基本操作，主要利用地圖及圖層類(lèi)的Map控件，Map控件支持一些事件，通過(guò)編寫(xiě)代碼監(jiān)聽(tīng)這些事件可以實(shí)現(xiàn)與地圖的交互。實(shí)現(xiàn)地圖縮放、平移、增加圖層、鷹眼等功能(表1)。

表1 Map控件支持的常用事件舉例

(2) 車(chē)輛調(diào)度模塊。模塊是系統(tǒng)的核心，在車(chē)輛和駕駛員信息確定后，確定行車(chē)的最佳路徑和、最短路徑。在最佳路徑確定前，需要確定起點(diǎn)和終點(diǎn)。服務(wù)器根據(jù)確定的起點(diǎn)和終點(diǎn)信息計(jì)算最佳路徑集，并由客戶端繪制在瀏覽器端的地圖上。地點(diǎn)的確定可由ArcGIS Flex API提供的QueryTask實(shí)現(xiàn)，使用屬性條件where構(gòu)建Query的查詢參數(shù)，使用where屬性可以查詢各圖層屬性字段NAME，也就是名稱并確定位置將其實(shí)點(diǎn)繪出。在確定起始點(diǎn)時(shí)，也可以根據(jù)需求在地圖上手動(dòng)繪制起點(diǎn)始，起始點(diǎn)繪制用點(diǎn)符號(hào)類(lèi)SimpleMarkerSymbol實(shí)現(xiàn)。

在確定最佳路徑時(shí)，在ArcGIS Server提供的RouteTask基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行最佳路徑。最短路徑分析是建立在路網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上的，因此，在進(jìn)行求解之前，必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集之前，數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)也必不可少，其主要步驟包括數(shù)據(jù)工作空間的選擇、確定數(shù)據(jù)源及其在網(wǎng)絡(luò)中所扮演的角色、建立連通性模型、設(shè)置屬性字段及其值等。主要流程：① 將參與網(wǎng)絡(luò)分析的點(diǎn)、線要素加入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。② 通過(guò)字段設(shè)置網(wǎng)絡(luò)權(quán)重。字段名由采用字段單位設(shè)置，如 Meters、Minutes，用 oneWay 字段來(lái)設(shè)置單行路段，Z-value 來(lái)設(shè)置高架橋和地下通道等。③ 設(shè)置轉(zhuǎn)彎數(shù)據(jù)可以控制網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)彎方向。④ 將網(wǎng)絡(luò)元素、網(wǎng)絡(luò)連通性以及網(wǎng)絡(luò)指定的權(quán)重值賦予網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。

圖4 構(gòu)建后的路網(wǎng)數(shù)據(jù)集

在路網(wǎng)數(shù)據(jù)集(圖4)創(chuàng)建之后，將包含網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的地圖文檔以地圖服務(wù)的形式發(fā)布出來(lái)，并在服務(wù)器選擇Network Analysis 功能。在Flex客戶端中獲取網(wǎng)絡(luò)分析功能獲取網(wǎng)絡(luò)分析功能后，就可以進(jìn)行最短路徑的查詢分析了。最佳路徑數(shù)據(jù)集求解完成后，將最佳路徑包含的道路在地圖上繪制出來(lái)。還可以根據(jù)需求調(diào)整線路，如線路制定時(shí)，高等級(jí)公路優(yōu)先考慮，設(shè)置禁行路段等。

(3) 行車(chē)管理模塊。模塊實(shí)現(xiàn)主要依靠GPS和GIS的結(jié)合，通過(guò)在車(chē)輛上加裝GPS和無(wú)線通信終端，加車(chē)輛的經(jīng)緯度、速度、時(shí)間等實(shí)時(shí)信息通過(guò)無(wú)線通信傳至調(diào)度中心，將這些數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)ArcGIS 提供的接口，將監(jiān)控車(chē)輛和其運(yùn)行軌跡在地圖上進(jìn)行顯示,同時(shí)在屏幕上顯示車(chē)輛的各種相關(guān)信息(如目標(biāo)的位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向、車(chē)輛狀態(tài)等)。

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)示例

在車(chē)輛調(diào)度管理模塊中，主要是實(shí)現(xiàn)最佳路徑分析，在確定車(chē)輛信息后，輸入起點(diǎn)、終點(diǎn)后，系統(tǒng)將目標(biāo)位置標(biāo)記。勾選最短路徑選項(xiàng)后，點(diǎn)擊生成路徑，最短行駛路徑將在地圖上顯示，并且可以顯示車(chē)輛行駛方向的具體信息，行駛距離和時(shí)間(圖5)。

圖5 路程最短路徑分析

在實(shí)際行車(chē)中，知道即使距離最短的路徑也不能很快到達(dá)。因?yàn)檐?chē)輛行駛速度和道路的通行能力密切相關(guān)，如城市快速通道比起一般街道行駛速度明顯加快，在不考慮車(chē)流量的情況下，不同道路都有最大行駛速度的限制?；诖?，設(shè)定不同等級(jí)道路的行駛速度，勾選時(shí)間最短，車(chē)輛將沿著行駛速較快的路徑行駛。如圖6所示。

圖6 時(shí)間最短路徑分析

針對(duì)自然災(zāi)害或突發(fā)事件等因素對(duì)行車(chē)道路的干擾，可根據(jù)路況實(shí)際情況，增加禁行點(diǎn)，如某路段或橋梁損毀，可在地圖上添加禁行標(biāo)志后，重新規(guī)劃新的路徑。還可以根據(jù)實(shí)際需求，增加車(chē)輛行駛過(guò)程中的?？奎c(diǎn)，得到最佳行駛路徑(圖7、8)。

圖7 添加禁行路段后最短路徑分析

圖8 增加?？奎c(diǎn)后最短路徑分析

行車(chē)方案制定后，車(chē)輛行在駛途中通過(guò)GPS傳回的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)處理后，在客戶端顯示。通過(guò)行車(chē)管理模塊，可以對(duì)指定區(qū)域的車(chē)輛進(jìn)行定位并查詢，點(diǎn)擊車(chē)輛標(biāo)記符號(hào)，可以看到車(chē)輛速度、位置等實(shí)時(shí)信息(圖9)。

圖9 車(chē)輛在途實(shí)時(shí)信息顯示

4 結(jié)束語(yǔ)

利用ArcGIS Server和Flex搭建了一個(gè)基于WebGIS的車(chē)輛調(diào)度信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)人車(chē)信息的管理、以及車(chē)輛行駛路徑的制定、車(chē)輛在途實(shí)時(shí)信息顯示等功能。系統(tǒng)交互性強(qiáng)，可視化程度高，對(duì)提高車(chē)輛調(diào)度效率，確保運(yùn)輸?shù)臅r(shí)效性和準(zhǔn)確性，提高精確運(yùn)輸能力具有重大意義。

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