基于微服務(wù)架構(gòu)的校車安全管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

周 丹 雷曉玲 章民融

1(上海市教育委員會信息中心 上海 200003)2(上海辛諾信息技術(shù)有限公司 上海 200235)3(上海市計算技術(shù)研究所 上海 200040)

0 引 言

近年來，校車安全相關(guān)事件不斷出現(xiàn)在公眾視野，2012年3月28日國務(wù)院第197次常務(wù)會議通過并予公布《校車安全管理條例》。根據(jù)條例的要求，學(xué)校要制定完善校車管理的制度、措施，建立校車安全事件處置預(yù)案，明確相關(guān)崗位教職工預(yù)防和處理校車安全事件的職責(zé);要加強(qiáng)校車管理方方面面的建設(shè)；各校要及時發(fā)現(xiàn)、調(diào)查處置校車管理存在的隱患，避免和防止上下學(xué)和外出活動的校車事故。

上海市目前仍然缺少對于校車相關(guān)信息進(jìn)行管理的信息化工具。希望通過項目的實施，以信息化為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對分散在全市的近1 500輛校車的嚴(yán)格管理、動態(tài)管理和長效管理，可以減少和避免意外事故的發(fā)生。通過校車安全管理系統(tǒng)建設(shè)，能使學(xué)校的校車管理數(shù)據(jù)實現(xiàn)集中的采集、共享和管理。

1 系統(tǒng)需求分析

使用安全可靠的信息采集方式來監(jiān)控、追蹤、識別車輛并記錄乘車學(xué)生信息，獲取車輛行車路線的追蹤和車內(nèi)影像信息，實現(xiàn)安全信息預(yù)警和報警，深化校車運(yùn)行安全考核，建立黑白名單等措施。對校車的保養(yǎng)狀況、合同等進(jìn)行管理。在市級的GIS平臺上開發(fā)校車定位與跟蹤功能。具體功能如下：

司機(jī)和車輛信息管理：隨車?yán)蠋熆梢杂涗洺鲕嚨能囕v牌照、司機(jī)姓名、性別、駕駛證號、車輛的維護(hù)記錄、租賃的運(yùn)輸公司、合同、服務(wù)水準(zhǔn)等信息。司機(jī)和車輛信息可以通過二維碼進(jìn)行維護(hù)，隨車?yán)蠋煷蜷_APP掃描二維碼即可快速獲取司機(jī)和車輛信息，隨車?yán)蠋熯M(jìn)行確認(rèn)。

行車信息管理：系統(tǒng)設(shè)置發(fā)車、學(xué)生上車、學(xué)生下車、達(dá)到、緊急事故等按鍵，隨車?yán)蠋熆梢砸绘I點(diǎn)擊記錄行車過程中的動態(tài)信息。其中學(xué)生上下車時，可以由隨車?yán)蠋熅S護(hù)上下車的學(xué)生信息，也可以通過掃描學(xué)生的二維碼獲取信息。按鈕點(diǎn)擊之后，系統(tǒng)后臺會自動獲取當(dāng)前的時間和GPS信息，并保存到系統(tǒng)中。

乘客核對與通知：由于系統(tǒng)中維護(hù)了學(xué)生的上下車信息，隨車?yán)蠋熞部梢噪S時核對應(yīng)該坐車的名單。如果有學(xué)生遲到，隨車?yán)蠋熞部梢酝ㄟ^APP中維護(hù)的家長聯(lián)系信息直接聯(lián)系家長。

行車路線管理：系統(tǒng)中維護(hù)校車行進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)行程，在實際行駛時，通過GPS功能系統(tǒng)會隨時記錄車輛當(dāng)前所在的方位，在地圖上標(biāo)識出動態(tài)的行進(jìn)路線。并可以實時查看預(yù)設(shè)路線和實際路線的偏離狀況。

車內(nèi)視頻監(jiān)控：校車內(nèi)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實時記錄下校車內(nèi)的影像資料，如果發(fā)生校車安全事件，可以對影像資料進(jìn)行備份和存儲。

事故上報和處理：校車相關(guān)事故上報，包括學(xué)生的傷害情況進(jìn)行上報。支持圖片、視頻、語音等，事故上報后按既定流程流轉(zhuǎn)到各個環(huán)節(jié)批示處置。并對事故發(fā)生類型、處置過程、處置結(jié)果、損失、學(xué)生傷害情況等進(jìn)行總結(jié)。對有典型意義的事故編輯成案例，對圖片、視頻、語音文檔等進(jìn)行歸檔管理。

隨車?yán)蠋烝PP：開發(fā)安卓和IOS版本的手機(jī)APP，功能包含發(fā)車登記、上下車登記、聯(lián)系人查詢、事故上報和處置、視頻會議、查詢和匯總等。

2 微服務(wù)架構(gòu)介紹

微服務(wù)架構(gòu)是近年來流行的一種架構(gòu)，核心思想是將一個大型的、復(fù)雜的應(yīng)用，按照業(yè)務(wù)需求的獨(dú)立性和重復(fù)使用的頻率分解為多個小的應(yīng)用，每一個小應(yīng)用都只關(guān)注與完成自身的功能要求，都可以獨(dú)立地部署，應(yīng)用和應(yīng)用之間是松耦合的，小應(yīng)用可以通過RPC或者API等方式進(jìn)行通信或者被調(diào)用。而且分解出的每一個微服務(wù)，都可以單獨(dú)交給不同的開發(fā)團(tuán)隊來開發(fā)，開發(fā)團(tuán)隊可以自己選擇開發(fā)技術(shù)，只需要保證每一個微服務(wù)都提供API服務(wù)，實現(xiàn)服務(wù)之間的通信。在本次項目當(dāng)中，為了避免混亂和降低后續(xù)維護(hù)成本，只采用Java技術(shù)。

采用微服務(wù)架構(gòu)，從業(yè)務(wù)功能上來講，將復(fù)雜的大型應(yīng)用分解為多個微服務(wù)，保持了功能的完整性，又解決了原系統(tǒng)的復(fù)雜性；從技術(shù)開發(fā)角度，可以分解給到多個團(tuán)隊并行開發(fā)，每個團(tuán)隊可以選擇自己熟悉的開發(fā)技術(shù)，而且由于小模塊化了，后續(xù)有新的技術(shù)時，可以按照模塊逐個替換和升級；從部署的角度，每個微服務(wù)都是獨(dú)立部署。這樣就不再需要協(xié)調(diào)服務(wù)部署的時候?qū)τ谄渌?wù)的影響。

3 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

整個系統(tǒng)總體設(shè)計思路是采用微服務(wù)架構(gòu)，在我們這個項目中，會涉及到五大應(yīng)用，這五大應(yīng)用初看似乎完全不同，但細(xì)細(xì)分析，其中有很多組件是可以復(fù)用的，甚至可以在未來的應(yīng)用中重用。

微服務(wù)架構(gòu)分為兩層，底下一層是根據(jù)五大應(yīng)用綜合分析、抽象出來的各種不同的服務(wù)。每一種服務(wù)都完成了對某一種特定資源的操作，對于這些服務(wù)，我們又稱之為元服務(wù)，即提供服務(wù)的最小單位。比如基礎(chǔ)信息管理服務(wù)完成了跟基礎(chǔ)信息有關(guān)的服務(wù)，包括校車的基本信息、設(shè)備的基本信息等。它所提供的服務(wù)有基本信息錄入、基本信息查詢、基本信息修改、基本信息刪除等。同理，視頻監(jiān)控服務(wù)操作的資源是監(jiān)控攝像頭和監(jiān)控錄像；乘車信息服務(wù)操作的資源是乘客，包括學(xué)生和隨車教師。這些元服務(wù)足夠精細(xì)，因此重用性得到保證。安全管理微服務(wù)總線是所有元服務(wù)接入的統(tǒng)一平臺，同時微服務(wù)總線也需要將接入的元服務(wù)進(jìn)行進(jìn)一步的裝配，實現(xiàn)某一特定的業(yè)務(wù)功能。這種裝配工作是通過圖形化開發(fā)工具進(jìn)行。經(jīng)過裝配的服務(wù)，還可以再次組合，從而逐層構(gòu)造出復(fù)雜的業(yè)務(wù)服務(wù)接口供上層使用。

復(fù)合應(yīng)用層是針對某一特定應(yīng)用實施的，包含了特定的前端頁面，以及這些頁面對后端服務(wù)的調(diào)用。由于復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯都已經(jīng)由服務(wù)層實現(xiàn)，因此復(fù)合應(yīng)用層就無需考慮這些業(yè)務(wù)。其在實施時的關(guān)注重點(diǎn)是用戶體驗。

在復(fù)合應(yīng)用層開發(fā)好的前臺頁面將按照市教委統(tǒng)一門戶的要求，嵌入到門戶平臺中。其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4 功能模塊設(shè)計

校車安全管理系統(tǒng)具備對學(xué)校的校車基礎(chǔ)信息、運(yùn)行信息、乘客信息、相關(guān)事件信息集中收集、管理、整合功能，從而幫助建立信息完整、內(nèi)容豐富的校車管理資料。校車安全管理系統(tǒng)應(yīng)以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一流程、統(tǒng)一管理為原則，建立統(tǒng)一的信息標(biāo)準(zhǔn)化處理方式、建立統(tǒng)一的信息發(fā)布流程、建立統(tǒng)一的信息流轉(zhuǎn)機(jī)制，以滿足上下級之間、同級之間信息流轉(zhuǎn)的需求。其功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 詳細(xì)功能結(jié)構(gòu)圖

針對其中的部分核心模塊說明如下：

司機(jī)信息管理：含司機(jī)清單、司機(jī)資質(zhì)、司機(jī)資歷、司機(jī)體檢記錄，司機(jī)所屬租賃公司、司機(jī)所屬的學(xué)校等信息的采集。

車輛信息管理：含車輛清單，車輛保險信息、車輛保養(yǎng)記錄、車輛大修記錄、車輛二維碼、車輛性質(zhì)(租賃、學(xué)校自購等)。

租賃公司管理：租賃公司清單、租賃公司資質(zhì)、租賃合同文本，往期合同執(zhí)行情況與評價。

乘客基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：對每個隨車?yán)蠋?、乘車學(xué)生記錄二維碼、IC卡等方式的身份識別數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源部分通過接口獲取，部分人工維護(hù)。

日常路線管理：校車的上放學(xué)標(biāo)準(zhǔn)行駛路線、主要停靠站點(diǎn)記錄，車載LED顯示器上也會顯示器相應(yīng)的地點(diǎn)，車載拾音器會及時播報到達(dá)的站點(diǎn)及下一站點(diǎn)名稱。

學(xué)生信息：車輛乘坐的學(xué)生、隨車?yán)蠋熂案髡军c(diǎn)上下車信息記錄，并通過無線傳輸技術(shù)傳到系統(tǒng)平臺，讓家長和管理員及時知道學(xué)生是否安全上下車。

圖9表明：產(chǎn)品為純七鉬酸銨，無雜質(zhì)物相。圖10表明：七鉬酸銨中值粒徑為12.36μm，粒徑分布較均勻，分布范圍較窄。

計劃路徑與GIS地圖：根據(jù)學(xué)校提供的計劃路線主要?？奎c(diǎn)信息，將校車行駛的標(biāo)準(zhǔn)路徑GPS信息在四維地圖上標(biāo)識出來，并開發(fā)維護(hù)界面給學(xué)校進(jìn)行地圖路線拖拽調(diào)整。

偏離路線報警功能：管理者可以對車輛的運(yùn)輸行駛路徑設(shè)定規(guī)定的行駛路徑范圍,一旦超出設(shè)定的路徑,則系統(tǒng)會自動提示報警。電子圍欄分為駛?cè)朐O(shè)定區(qū)域報警和駛出設(shè)定區(qū)域報警，偏離營運(yùn)線路報警設(shè)定的限值為半徑0.1 km。車輛違章越界行駛記錄都會在系統(tǒng)中自動記錄。

事故上報：當(dāng)發(fā)生安全事故時，使用安全管理平臺，校車事故上報，上報現(xiàn)場學(xué)生的傷害情況。支持上傳圖片、視頻、語音等。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1 校車GIS信息采集

目前學(xué)校的校車都已經(jīng)安裝GPS信息收集儀器，該系統(tǒng)采用ARM926 400M處理器AT91SAM9X35+H.264媒體處理器GM8180的雙核結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌自主裁剪的LINUX操作系統(tǒng)。

目前GPS可以精確定位，但也存在定位盲區(qū)?？梢曅l(wèi)星數(shù)量少于4顆或進(jìn)入大樓時， GPS不再有定位功能。特別是車載環(huán)境下， 多徑效應(yīng)較嚴(yán)重， 即使不進(jìn)入隧道， 遮擋物及車速都是造成定位失效的原因。

為此，引入了慣性導(dǎo)航技術(shù)(Dead Reckoning)，該技術(shù)采用加速度慣性陀螺及增強(qiáng)卡爾曼濾波算法EKF(ExtendedKalmanFilter)，盲區(qū)問題已經(jīng)得到很好的解決，即使在大樓或隧道深處等區(qū)域，GPS依然能準(zhǔn)確定位。

加速度慣性陀螺或車輪轉(zhuǎn)速脈沖傳感器采集實時及歷史加速度信息，慣性導(dǎo)航基于一個簡單的準(zhǔn)則，即加速度在時間上的積分確定位移，縱橫位移確定方向。對GPS定位信息并不是簡單的修正，而是采用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法EKF對環(huán)境和速度位置等動態(tài)變化引起的各種誤差進(jìn)行實時修正。

通過對EKF建立動態(tài)觀測方程對誤差進(jìn)行實時修正的聯(lián)合卡爾曼濾波；EKF觀測方程可簡單表達(dá)為：Z=H·X+V。其中，X為狀態(tài)變量、H為觀測函數(shù)、V為觀測噪聲，Z為定位輸出，只要設(shè)計合適的狀態(tài)更新策略，可以實現(xiàn)精確估計。動態(tài)的含義是，在GPS信號質(zhì)量好和差時，或根本就沒有信號時，濾波系數(shù)會根據(jù)狀態(tài)方程動態(tài)調(diào)整。該方法常應(yīng)用在艦船和飛機(jī)導(dǎo)航、目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域。EKF具有其遞推算法簡單、數(shù)據(jù)存儲量小和實時性好等特點(diǎn)。

同時，校車隨車?yán)蠋煏S身攜帶裝有校車管理APP的手機(jī)，由于校車與手機(jī)的GIS信息一致，通過采集手機(jī)GIS定位信息，也可以定位到校車當(dāng)前的位置。系統(tǒng)同時收集這2類數(shù)據(jù)，以校車GPS信息為主，當(dāng)校車GPS信息無法獲取時，同樣也會參考APP收集的GPS信息。

車載GPS信息收集儀器一般每10 s上傳一次位置給所屬單位的后臺服務(wù)器。校車GIS信息采集子模塊分別連接各校車所屬單位的后臺服務(wù)器，獲取GPS信息。接口以Web Service為主，若對方無法提供Web Service接口的，則定制對接方式。本子模塊最終提供給上層服務(wù)的接口統(tǒng)一為Web Service類型。

校車管理APP同樣也是10 s上傳一次數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)將直接傳輸?shù)奖咀幽K所在服務(wù)器。上傳接口將使用Web Service接口實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)獲取后，統(tǒng)一保存在本服務(wù)所屬數(shù)據(jù)庫中。在線數(shù)據(jù)庫保存90天內(nèi)的GPS數(shù)據(jù)，超過90天的數(shù)據(jù)將移至歷史數(shù)據(jù)庫中。

5.2 校車視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)采集

校車視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)通過車輛上安裝的無線車載終端經(jīng)過4G網(wǎng)絡(luò)可以上傳到視頻文件系統(tǒng)服務(wù)器上，學(xué)校安全管理中心系統(tǒng)通過接口可從視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲取監(jiān)控錄像。針對可能存在部分的校車無法通過4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時視頻傳輸?shù)那闆r，我們會首先完成與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的接口開發(fā)工作，后續(xù)校車設(shè)備升級后可以將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器上，我們即可以通過該接口獲取實時的視頻數(shù)據(jù)。

5.3 PC端應(yīng)用技術(shù)實現(xiàn)

PC端應(yīng)用將采用HTML5+Javascript開發(fā)，整體頁面設(shè)計將采用響應(yīng)式設(shè)計，采用Bootstrap兼容框架，通過頁面柵格兼容各種分辨率的桌面和移動設(shè)備的顯示器。

5.4 移動端應(yīng)用技術(shù)實現(xiàn)

移動端應(yīng)用采用Ionic開發(fā)框架，并且采用同樣的發(fā)布方式同時生成下載移動應(yīng)用的二維碼。用戶使用移動設(shè)備掃碼二維碼后，將安裝或更新設(shè)備上已經(jīng)安裝的應(yīng)用。

為了支持離線瀏覽和使用，本系統(tǒng)將采用移動端SQL Lite作為本地數(shù)據(jù)的臨時存儲。在網(wǎng)絡(luò)連通時，移動應(yīng)用將下載必要數(shù)據(jù)到本地設(shè)備，以便網(wǎng)絡(luò)不通時使用。用戶提交數(shù)據(jù)時將檢測網(wǎng)絡(luò)是否暢通，如果網(wǎng)絡(luò)不通則將數(shù)據(jù)保存到本地臨時存儲，網(wǎng)絡(luò)連通時再上傳服務(wù)期。本地臨時存儲的敏感數(shù)據(jù)將進(jìn)行3DES加密,保證敏感數(shù)據(jù)的安全性。

根據(jù)系統(tǒng)需要，移動應(yīng)用將需要獲取移動設(shè)備的部分權(quán)限，包括攝像頭權(quán)限、GPS權(quán)限等。用戶在使用移動設(shè)備記錄學(xué)生上下車信息以及其他相關(guān)信息時，移動應(yīng)用將自動獲取當(dāng)前GIS位置信息，并同時記錄到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。

6 結(jié) 語

基于微服務(wù)架構(gòu)的校車安全管理系統(tǒng)在上海市學(xué)校安全管理中心建成運(yùn)行以來，在上海市第四聾啞學(xué)校等單位進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。在實踐中，校車行駛經(jīng)過長江西路隧道、龍耀路隧道等長度在4～5 km左右的黃浦江江底隧道時，也能夠根據(jù)GPS定位修正算法計算出位置，并且在能夠獲取GPS信號后，幾乎無縫進(jìn)行信號的切換，提高了校車數(shù)據(jù)采集和處理的效率。

管理部門或責(zé)任方通過訪問基于微服務(wù)架構(gòu)的校車安全管理系統(tǒng)，查看車輛的實時位置、車內(nèi)的實時監(jiān)控以及學(xué)生的上下車信息，可以對校車的運(yùn)行安全情況予以判斷，及時對校車運(yùn)行管理工作進(jìn)行指導(dǎo)。系統(tǒng)為校車運(yùn)行管理人員提供了一種方便有效掌握校車實時狀況的途徑，對校車的安全管理提供了有效保障。

隨車?yán)蠋熆梢酝ㄟ^基于微服務(wù)架構(gòu)的校車安全管理系統(tǒng)，可以實時上傳各個站點(diǎn)的上下車學(xué)生信息，與校車乘坐計劃進(jìn)行比對，及時發(fā)現(xiàn)異常狀況并于家長進(jìn)行聯(lián)系確認(rèn)。

同時，為教育主管部門、學(xué)?？倓?wù)、隨車?yán)蠋熖峁┝艘环N方便的途徑，查看校車的實時位置、車內(nèi)的實時監(jiān)控和每一站乘坐的學(xué)生信息，改變了以往在事件發(fā)生后進(jìn)行追責(zé)的工作方式，使得校車安全管理工作更加及時、有針對性。而且采用了微服務(wù)架構(gòu)，待以后新功能不斷增加時，可以實現(xiàn)近乎線性的擴(kuò)展，大大提升了系統(tǒng)的健壯性。