基于BDS的渣土車智能管控系統(tǒng)設計

于曉豐，楊德森，楊軍平，張　銘，王　敏，曹　爽

(青島市光電工程技術研究院，山東　青島　266122)

基于BDS的渣土車智能管控系統(tǒng)設計

于曉豐，楊德森，楊軍平，張銘，王敏，曹爽

(青島市光電工程技術研究院，山東青島266122)

摘要：針對當前GPS渣土車管控系統(tǒng)存在的車輛監(jiān)控效率較低的問題，提出了實時監(jiān)控與位置信息服務相結(jié)合的方法，同時針對定位精度低的問題，提出了雙模(GPS+BDS)定位+航位推演技術用于渣土車定位的方法。文中分別闡述了遠程診斷原理、運輸管理及安全管理原理，以及位置信息服務的過程。最后，系統(tǒng)在青島市渣土車上進行了實驗，結(jié)果表明渣土車北斗智能管控系統(tǒng)能夠提升定位精度，實現(xiàn)渣土車實時管理和控制。

關鍵詞：BDS；車聯(lián)網(wǎng)；渣土車；智能輪胎；智能交通

0引言

隨著經(jīng)濟建設的蓬勃發(fā)展，渣土車作為城市建設的一支重要力量，對城市的建設和發(fā)展功不可沒。在肯定渣土車對城市建設的貢獻的同時，需要清醒地認識到渣土車行業(yè)正在面臨著一場嚴峻的輿論危機，其超速、闖紅燈、超限超載、堆裝撒漏、亂行亂倒等違規(guī)行為，嚴重威脅交通安全，破壞市政道路，污染城市環(huán)境;無論對駕駛者到運營者，還是道路交通參與者來說，都存在著較大的安全隱患。

如何規(guī)范渣土車運營，實現(xiàn)對渣土車信息快速、準確、可靠、統(tǒng)一的管理，并對渣土車信息實行動態(tài)跟蹤、監(jiān)控、識別、管理，提供統(tǒng)一的服務，是設計渣土車智能管控系統(tǒng)所要解決的問題。將我國擁有自主知識產(chǎn)權的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system，BDS)用于渣土車的智能管控，是當前技術發(fā)展所需。此外，隨著各種車輛的日益智能化，車聯(lián)網(wǎng)的相關應用發(fā)展蔚為大觀;將車聯(lián)網(wǎng)技術應用到渣土車的管理系統(tǒng)當中也是大勢所趨。

1渣土車管理現(xiàn)狀

超速、闖紅燈、超載、污損號牌、撒漏、揚塵、事故多發(fā)等是人們對于渣土車的慣有印象。雖然城管、交管等職能部門不斷加大查處力度，但工程渣土運輸中上述違章行為仍然屢禁不止。部分渣土車運營者貪圖眼前利益，置公共交通秩序和路上行人安全于不顧，肆意超速、闖紅燈、超載甚至逆行；更有一部分渣土車司機受利益驅(qū)使，往往采用套牌、污損號牌的行為逃避執(zhí)法部門的制裁；少數(shù)企業(yè)、從業(yè)人員法律意識淡薄，不按規(guī)定路線、時間行駛；為了逃避處罰或節(jié)省開支，違反規(guī)定就近隨意傾倒渣土，造成生活環(huán)境再污染；運輸渣土的車輛多數(shù)不具備加蓋，不能有效防止撒漏和揚塵問題，對于加蓋的車輛也無法獲取密封狀態(tài)。另外，工程任務的多次轉(zhuǎn)包也使得內(nèi)部交通安全管理大打折扣，無法從源頭上落實安全管理責任。

造成目前這種狀況的客觀因素有許多，歸結(jié)起來主要有以下2方面：

1)職能部門無法全面監(jiān)管。

渣土車管理是每一個城市最為頭疼的難題之一。目前，渣土車的管理主要依靠公安交警部門、城管執(zhí)法部門等，但是部門之間信息往往不能共享；這也造成了執(zhí)法資源無法同步，形成摁下葫蘆起了瓢的局面。

在當前制度尚不完善的情況下，只能依靠不定期的巡查和突擊檢查；待檢查過后，部分渣土車依舊違章橫行。雖然各地出臺了一堆懲治渣土車違章違法的制度法規(guī)，但渣土車違章的方式花樣百出，交警、城管等職能部門監(jiān)管人手不足，也只能疲于應付。另外，單純依靠現(xiàn)場檢查，不但占用了較大的行政資源，而且無法從根本上消除這一隱患。這些都凸顯了目前監(jiān)管工作中缺少一套行之有效的監(jiān)管系統(tǒng)。

2)現(xiàn)有電子監(jiān)管系統(tǒng)不適用。

目前，國內(nèi)部分城市已經(jīng)部署了基于全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)的渣土車遠程跟蹤管理技術。這類渣土車監(jiān)管系統(tǒng)往往只是運用GPS技術遠程跟蹤渣土車，并不能實時控制車輛，這樣監(jiān)管效果就會大打折扣。此類系統(tǒng)需要專職監(jiān)控人員監(jiān)控渣土車的行駛軌跡，而且目前只能達到遠程跟蹤的效果；但無法控制渣土車司機的操作：這是執(zhí)法不到位的根本原因之一。另外，對于渣土車的管控，不能僅限于違法查處。

因此，建立一套能夠信息共享，管控結(jié)合，在提高城管執(zhí)法、交警等職能部門的執(zhí)法力度的同時，兼顧到渣土車運營者的管理效率和駕駛員的駕駛體驗的渣土車管控系統(tǒng)，是解決當前渣土車管理難題的有效途徑。

本項目車載終端采用雙模(GPS+BDS)定位模式，可以充分利用兩套衛(wèi)星定位系統(tǒng)的衛(wèi)星資源，精度和可靠性更強，也可以互相驗證；同時雙系統(tǒng)增加了衛(wèi)星可見數(shù)，更有利于城市區(qū)域的渣土車的管控。

2系統(tǒng)總體架構

渣土車BDS智能管控系統(tǒng)借助BDS技術、地理信息技術(geographic information system，GIS)、智能輪胎技術、傳感器技術、車載診斷技術(on-board diagnostic，OBD)搭建基于BDS導航信息、智能輪胎信息、智能底盤參數(shù)信息的計算處理系統(tǒng)，最終實現(xiàn)對渣土車的遠程服務和全面管控。該系統(tǒng)主要分為3層：感知層、網(wǎng)絡層、應用層[1-3]，具體如圖1所示。

圖1　渣土車BDS智能管控系統(tǒng)整體構架

感知層主要是指車載BDS終端、智能輪胎、車載傳感器、智能輔助設備等車載終端設備，面向渣土車采集相關數(shù)據(jù)，包括渣土車位置、行駛里程數(shù)、行駛路徑、行駛速度、載重、輪胎溫度、輪胎壓力、發(fā)動機參數(shù)等參數(shù)；采集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳輸?shù)杰囕dBDS終端中進行存儲、分析、處理，并通過網(wǎng)絡層進行傳輸。

網(wǎng)絡層需要通過無線集群通信系統(tǒng)來實現(xiàn)和互聯(lián)網(wǎng)的連接，完成大量數(shù)據(jù)的傳輸、分析和處理，實現(xiàn)遠距離通信和遠程控制的目的[4-10]。主要使用通用分組無線服務技術(general packet radio service，GPRS)/第四代移動通信技術(the 4th generation mobile communication technology，4G)/無線局域網(wǎng)(wireless fidelity，WiFi)、藍牙等技術對數(shù)據(jù)進行傳輸；同時，車載BDS終端預留其他網(wǎng)絡接口，兼容主流通信協(xié)議，為后續(xù)與其他設備互聯(lián)做好準備。

應用層主要作用是進行人機交互，通過信息化手段提升管理水平；并能夠在管理中心監(jiān)控到每一輛車的運行狀態(tài)。系統(tǒng)實現(xiàn)渣土車與駕駛員信息的實時監(jiān)控管理、安全保障、違規(guī)報警、網(wǎng)上查車、無線通信、信息導航、油耗管理、費用管理、業(yè)務管理、運輸管理等綜合管理與信息服務，實現(xiàn)渣土車從單一的靜態(tài)管理轉(zhuǎn)向全面的實時動態(tài)管理。

3系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)主要包括車載終端、數(shù)據(jù)中心、管理中心、服務中心、通信網(wǎng)絡等主要部分，系統(tǒng)構成如圖2所示。

圖2　渣土車BDS智能管控系統(tǒng)構成

系統(tǒng)通過車載BDS終端實現(xiàn)渣土車的實時定位、導航、測速，通過車載傳感器獲取載重、油量、發(fā)動機參數(shù)等其他信息；通過射頻識別(radio frequency identification，RFID)電子標簽實現(xiàn)輪胎身份識別；通過輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(tire pressure monitoring system，TPMS)獲取輪胎溫度壓力信息；所有信息匯總到車載BDS終端中，通過無線通信等方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器。服務中心通過系統(tǒng)軟件可以對渣土車進行實時全面的管控，如渣土車出入庫自動化管理，車身信息及輪胎狀態(tài)跟蹤、定位、實時監(jiān)控，安全預警等；系統(tǒng)提供開放性接口協(xié)議，可以便于企業(yè)和個人在許可的范圍內(nèi)通過調(diào)用接口函數(shù)進行自由開發(fā)。企業(yè)或個人經(jīng)過授權后可以實時查看相關渣土車的信息。

3.1車載BDS終端

車載BDS終端是該系統(tǒng)的關鍵部件，可以和服務中心、數(shù)據(jù)中心直接通信，實現(xiàn)對車輛的定位、跟蹤及采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸?shù)裙δ?，終端與發(fā)動機電子控制單元(electronic control unit，ECU)實行聯(lián)動運行，一旦車載BDS終端遭到拆除或破壞，系統(tǒng)立即對車輛發(fā)送控制命令，限制發(fā)動機的啟動。

車載BDS終端主要由BDS/GPS定位部件、通信發(fā)射接收部件、CUP控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)4大部分組成(見圖3)。車載BDS終端實物如圖4所示。

圖3　車載BDS終端構成

圖4　車載BDS終端實物圖

為了保證定位部件的定位精確度，保證定位的連續(xù)性(即在短時衛(wèi)星信號不好，沒有足夠的衛(wèi)星星號進行定位時)，提供準確、穩(wěn)定的導航信息，保障行車安全和行車效率，本文采取以下方法：

1)BDS定位終端工作在BDS/GPS雙模模式下，利用GPS輔助BDS系統(tǒng)實現(xiàn)快速準確定位;與此同時，借助航位推演技術，在衛(wèi)星信號較弱的情況下，自動切換定位模式，進而提高定位精度。

2)通過分析衛(wèi)星信號不良發(fā)生前的定位數(shù)據(jù)，解算渣土車三維位置、移動速度、三維姿態(tài)等信息;并結(jié)合渣土車當前位置和地圖信息，預測下一時刻渣土車位置，以解決瞬時衛(wèi)星信號不良的連續(xù)定位問題。

此外，由于輪胎的高速旋轉(zhuǎn)以及惡劣的工作環(huán)境，信號會出現(xiàn)漂移或時有時無的情況；另外在使用手機、汽車音響等產(chǎn)品時，信號相互之間會有干擾，信號的穩(wěn)定性會受到影響:因此，屏蔽和抗干擾的考慮就顯得尤為重要。在通信發(fā)射接收模塊設計時，選用曼徹斯特編碼和FSK(頻移鍵控)方式等無線傳輸?shù)姆桨?，再利用循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check，CRC)對無線信號傳輸質(zhì)量進行檢查控制，提高數(shù)據(jù)抗干擾能力，進一步保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

3.2數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心具有數(shù)據(jù)管理、維護、存儲、處理、備份等一體化功能;數(shù)據(jù)中心按照集中管理模式進行建設，將各類數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中分析、挖掘，并制定數(shù)據(jù)匯總、更新、使用和發(fā)布的管理制度和辦法[7]。建設數(shù)據(jù)中心的前提是數(shù)據(jù)庫建設，數(shù)據(jù)庫為整個系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)保障。建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源庫，將不同渣土車的數(shù)據(jù)存儲于一個中心，通過對數(shù)據(jù)的處理，獲取車輛相關信息。數(shù)據(jù)庫包括以下內(nèi)容：

1)位置數(shù)據(jù)：車輛實時位置，行駛軌跡、歷史軌跡、行駛區(qū)域、導航數(shù)據(jù)等。

2)輪胎數(shù)據(jù)：輪胎主要參數(shù)，如胎面花紋深度、位置、車軸、類型、狀況、直徑、品牌、胎體型號、負載、輪胎尺寸、翻新次數(shù)、胎面花紋設計，另外還包括輪胎參數(shù)實時記錄如出行里程數(shù)、出行日期歷史記錄等。

3)車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)：油耗數(shù)據(jù)、歷程數(shù)據(jù)、空擋滑行里程數(shù)據(jù)、載重數(shù)據(jù)、行駛平順性數(shù)據(jù)、作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)、汽車關鍵重要零部件組成的工作參數(shù)等。

4)用戶數(shù)據(jù)：駕駛員信息、車輛基本信息、用戶賬號信息、權限信息、登陸時間、相關操作記錄等。

3.3管理中心

管理中心實現(xiàn)對入網(wǎng)、注冊的用戶資料進行統(tǒng)一管理，系統(tǒng)各部分運行狀態(tài)的監(jiān)控，平臺修復升級等維護服務；同時，提供統(tǒng)一管理終端、對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)、接受服務中心的數(shù)據(jù)請求、為平臺數(shù)據(jù)中心分類轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心與服務中心的數(shù)據(jù)交互。

3.4服務中心

服務中心是系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和表達，也是應用層的承載平臺，向用戶提供相關服務和權限內(nèi)的操作權利，并接受用戶的指令請求，具體包括運營管理、數(shù)據(jù)交互、車輛位置監(jiān)控、車輛安全行駛管理、燃油管理、遠程診斷等服務。

3.5通信網(wǎng)絡

采用GPRS通信網(wǎng)絡作系統(tǒng)的信息傳遞網(wǎng)絡，GPRS鏈路層是移動終端與通信服務器的橋梁。在原有的全球移動通信系統(tǒng)(global system for mobile communication，GSM)的基礎上新增若干節(jié)點，以保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。鑒于GPRS網(wǎng)絡的不穩(wěn)定性，需建立系統(tǒng)中心與移動終端的數(shù)據(jù)鏈路實時自動檢測和斷線監(jiān)控機制，以保證系統(tǒng)通信的正常運行。

4系統(tǒng)功能及應用

4.1運輸管理和分析統(tǒng)計

BDS車載終端實現(xiàn)車輛的實時定位跟蹤：通過電子圍欄限制車輛的行駛范圍，超出規(guī)定區(qū)域?qū)崟r報警并遠程控制車輛限速行駛，監(jiān)督渣土車在允許的范圍內(nèi)行駛；對不同車輛指定其固定的行駛路線，實行自動監(jiān)管，一旦車輛偏離指定路徑，將自動報警提醒駕駛員注意，同時信息將反映到管理中心。此外，BDS車載終端與車輛上裝有的運動機構實行聯(lián)動控制管理，渣土車只有到達預定區(qū)域內(nèi)時才能卸土。

數(shù)據(jù)中心存儲系統(tǒng)實時采集的渣土車位置、輪胎狀態(tài)及關鍵零狀態(tài)、空擋滑行里程、運行時長、油耗等信息，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行駕駛行為分析、漏油分析、車輛路徑管理等，為科學用車提供依據(jù)。

圖5　運輸管理界面

本系統(tǒng)通過RFID電子標簽，為輪胎定制身份證，將輪胎信息存儲到數(shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)中心將輪胎身份信息和輪胎消耗數(shù)據(jù)、行駛里程數(shù)據(jù)、輪胎故障數(shù)據(jù)、輪胎翻新情況等多個信息進行自動融合匹配，可為渣土車提供精準化輪胎庫存管理，減少輪胎的異常使用，降低爆胎的幾率，為輪胎購買、使用、翻新提供決策依據(jù)。系統(tǒng)可自動生成輪胎管理相關的報表提供給服務中心，減少人員投入和干涉，為輪胎管理提供數(shù)據(jù)支持。同時，系統(tǒng)可自動生成輪胎物流配送計劃，優(yōu)化車隊的輪胎調(diào)撥方案。

圖6　輪胎管理界面

4.2渣土車安全管理

渣土車行駛時，系統(tǒng)可實時監(jiān)控渣土車的速度、車輛連續(xù)行駛的時間間隔、裝載狀態(tài)：如是否超重、取力器是否接通、貨箱蓋是否關閉，一旦出現(xiàn)超速、超載、貨箱蓋未關閉的情況，車載終端會時報警提示司機，并上報服務中心，必要時服務中心可對渣土車實行限速、剎車等控制；當車輛連續(xù)行駛的時間間隔超過設定的閾值時，服務中心通過車載終端提醒駕駛員適當休息，避免疲勞駕駛。

通過TPMS智能輪胎管理技術，系統(tǒng)實現(xiàn)了對胎溫、胎壓實時的檢測，當輪胎過壓、缺壓或溫度異常時，車載終端發(fā)出警報來提醒駕駛員輪胎信息，有效預防輪胎爆胎事故[9]。

當車輛遭遇緊急情況時，服務中心可對車輛進行遙控，即對報警車輛進行遙控斷油斷電：車臺收到斷油斷電指令后，首先車臺發(fā)出語音提示，提醒司機車臺將執(zhí)行斷油斷電命令；如果司機未執(zhí)行命令，30 s提示后就直接切斷繼電器。

本系統(tǒng)不但能提供“事前主動”性安全保護，更成為駕駛員生命和財產(chǎn)安全保障的預警系統(tǒng)。

4.3渣土車遠程診斷

系統(tǒng)實時監(jiān)測渣土車故障信息，包括實時油耗、發(fā)動機水溫、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、渣土車行駛里程、當前車速、電瓶電壓、進氣壓力、冷卻液溫度、氧傳感器電壓發(fā)動機負載、節(jié)氣門開度、點火正時、空氣流量等；并可以讀取發(fā)動機系統(tǒng)運行參數(shù)、監(jiān)控系統(tǒng)遠程讀取全車故障代碼，如發(fā)動機、變速箱、電子轉(zhuǎn)向，對檢測到的信息進行分析診斷，并顯示對應故障內(nèi)容和故障出現(xiàn)的可能原因。當監(jiān)控系統(tǒng)獲取渣土車報警信息時，將以短信網(wǎng)關等方式發(fā)送到服務中心；服務中心報警提示，并彈出報警對話框提示服務人員處理；同時將故障報警信息保存數(shù)據(jù)庫，完善故障案例，以便日后故障排查。

監(jiān)控人員獲取故障報警后，將首先從故障庫中檢索出相同故障的歷史記錄，為故障排查做參考；同時通過服務中心協(xié)同維護中心技術人員對故障進行診斷，遠程清除發(fā)動機系統(tǒng)的故障代碼。

渣土車出現(xiàn)故障時可以向服務中心請求救援，服務中心的相關配套設施可以快速提供與車主的對接服務：如果有危險情況，車主可迅速傳遞信號給服務中心；服務中心則會在第一時間協(xié)調(diào)救援。當渣土車發(fā)生嚴重碰撞時，該系統(tǒng)會自動同服務中心建立聯(lián)系，以便及時實施救援。

5結(jié)束語

渣土車BDS智能管控系統(tǒng)的建設地點選在青島；系統(tǒng)充分發(fā)揮作用需要配備有貨箱蓋及新型輪胎的渣土車。目前該系統(tǒng)已成功應用到青島市某公司生產(chǎn)的渣土車中。建設渣土車BDS智能管控系統(tǒng)，不但是對行人和其他車輛生命安全的保障，更是對渣土車駕駛員自身安全的保障。渣土車BDS智能管控系統(tǒng)將為推動BDS的行業(yè)示范應用、改善城市人居環(huán)境打開新的局面。

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Design of intelligent management system of dump truck based on BDS

YU Xiaofeng，YANG Desen，YANG Junping，ZHANG Ming，WANG Min，CAO Shuang

(Qingdao Academy for Opto-electronics Engineering，Shandong Qingdao 266122，China)

Abstract：Aiming at the poor efficiency of dump truck management，this paper proposed a method which combines real time control with location information service.In addition，aiming at poor positioning accuracy，the paper proposed to apply dual mode (GPS+BDS) positioning and DR to dump truck positioning.The paper elaborated principles of remote diagnostics，transportation management，security management and process of location information service.In the end，an experiment on the dump truck was done，as the result indicated，based on the BDS，the system would be competent for improving the positioning accuracy and real-time management and control of dump truck.

Keywords：BDS；internet of vehicle；dump truck；smart tire；intelligent transportation

收稿日期：2015-09-10

第一作者簡介：于曉豐(1984—)，女，山東青島人，工程師，研究方向為衛(wèi)星導航。

中圖分類號：P228

文獻標志碼：A

文章編號：2095-4999(2016)02-0081-06

引文格式：于曉豐，楊德森，楊軍平，等.基于BDS的渣土車智能管控系統(tǒng)設計[J].導航定位學報，2016，4(2)：81-86.(YU Xiaofeng，YANG Desen，YANG Junping，et al.Design of intelligent management system of dump truck based on BDS[J].Journal of Navigation and Positioning，2016，4(2)：81-86.)DOI：10.16547/j.cnki.10-1096.20160217.