基于北斗的跨境运输管理与服务信息系统设计

康茜 姜萍 陈为沛

【摘要】本文综合利用北斗卫星导航系统，GLONASS系统和GPS系统，探索研究建立国际道路运输管理与服务系统，通过出入境车辆数据交换，实现国际道路运输车辆行驶状态实时监管，统计分析电子化等功能，平台基于java-web系统，Spirng MVC+My Batis的架构，采用双围栏进出逻辑判断方式，结合车辆设备的定位数据判断车辆出入境状态。终端设计以ATMEL ARM9芯片为核心，内置自适应算法判断跨境车辆所处位置自动切换通讯模块。系统适用于跨境车辆在途监控、道路救援等应用。

【关键词】国际道路运输;在途监控;出入境数据交换;北斗/GLONASS/GPS多模定位

【作者简介】康茜，硕士研究生，工程师，研究方向，北斗卫星导航系统应用技术总体设计、北斗高精度技术研究与应用。

中图分类号：TN94                 文献标识码：A               文章编号：1673-0348（2020）012-127-03

Abstract：This paper makes comprehensive use of Beidou satellite navigation system， GLONASS system and GPS system， explores and studies the establishment of international road transport management and service system， and realizes the real-time supervision of international road transport vehicles' driving status and electronic statistical analysis through data exchange of entry and exit vehicles. The platform is based on java-web system， Spirng MVC+My Batis architecture， adopts double fence entry and exit logic judgment mode， and combines the positioning data of vehicle equipment to judge the entry and exit status of vehicles. The terminal design takes ATMEL ARM9 chip as the core， and has built-in adaptive algorithm to judge the location of cross-border vehicles and automatically switch communication modules. The system is suitable for in-transit monitoring of cross-border vehicles， road rescue and other applications.

Keywords：International road transport; In-transit monitoring; Entry and exit data exchange; Beidou /GLONASS/GPS multi-mode positioning

北斗衛星导航系统是继GPS、GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统，该系统可为全球用户提供定位、导航、授时和短报文通信服务。本文综合利用北斗卫星导航系统，GLONASS系统和GPS系统，探索研究建立基于北斗的国际道路运输管理与服务系统，为行业监管部门提供车辆、人员出入境实时数据，开展跨境运输车辆在途监控，道路救援、电子通关等方面应用，可提高我国国际道路运输的管理和技术水平，推动北斗系统与其他导航系统的兼容应用及互操作，提升北斗系统在交通行业应用市场竞争力，推进其在中俄及周边国家的规模化应用。

1. 需求分析

我国的国际道路运输始于20世纪90年代初期，受益于对外开放政策和不断增长的对外贸易，经过20多年来的发展，国际道路运输的重要作用日益显现。国际道路运输已经成为我国发展双边、多边外交关系的重要内容，成为与周边国家经贸发展和人员往来的重要通道。目前我国与周边国家常年开放的公路边境口岸年通过能力超过5000万人次和8500万吨，初步形成了对接中亚、南亚、东北亚等地区的道路交通口岸体系。但由于国际道路运输行业尚未建立有效的监管网络和先进的监管手段，无法对境内外从事国际道路运输的企业、车辆、司乘人员进行全方位的监管及服务。因此，建立跨境运输管理与服务信息系统，初期可实现跨境运输车辆在途监控，紧急事态报警等，后期结合业务应用需求，进而实现电子通关，提升贸易便利化及行业服务水平。

2. 系统总体架构

基于北斗的跨境运输管理与服务信息系统由数据感知层，网络层，基础设施层、数据资源层、业务处理层、应用平台层、用户层组成。其中，数据资源层包括基础数据库和业务数据库，主要有国际道路运输企业、车辆、人员基础数据库，综合统计分析数据库、地图数据库等;业务处理层为系统运行提供基础的软件支撑环境，包括通信网关、信息收发、数据交换、综合信息管理、数据挖掘分析;应用系统层是整个工程业务功能及应用的实现，依靠数据资源层和应用支撑层所提供的数据与技术支撑，通过对国际道路运输管理与服务需求的深入分析，整合、设计开发各类应用系统，如图1所示。

3. 跨境综合信息服务平台设计

3.1 平台软件逻辑结构

跨境综合信息服务平台基于BS架构，通过构建“应用层-业务处理层-数据层”三层架构能够实现各级应用系统开发、数据管理、数据统计分析及多方式展示的应用。

平台采用面向服务的技术架构（SOA）设计，SOA将应用程序划分为不同功能单元（称为服务），通过服务之间定义的接口和协议进行联系。平台中包含的功能组織为可互操作的基于标准的服务插件，这些服务插件可按照业务需求快速组合和重用，各内部或外部的接口全采用第三方标准接口协议，如HTTP，Webservice等，交互的数据格式全采用标准的JSON数据格式。系统平台采用SpirngMVC+MyBatis的架构，基于JAVA平台开发，模块化的设计理念，MVC的多层架构，为系统提供了高扩展性，且更易维护。平台预留数据接口，为后续拓展应用提供支撑

应用层。Web客户端界面基于JAVA_WEB技术开发，UI采用liegeUIjs框架，图表采用JQuery图表插件，通过地图API接口将处理后的数据在地图中显示出来，并采用AJAX（Asynchronous JavaScript and XML）技术实现异步刷新和局部刷新，在Web页面生成车辆监控视图，如图2所示。

业务处理层。业务处理层是综合信息服务平台的核心，分为业务处理模块和数据处理模块，负责车载终端数据的接收、解析、存储及分发。整个业务处理层部署在Tomcat服务上，通过Socket监听端口程序时刻监听指定端口动态，当数据包接入时，调用协议解析程序，将数据包中数据解析成位置数据、属性数据等，最后利用Database Management System（DBMS）将数据分类写入MySQL数据库中，完成跨境辆监控数据采集。

数据层。数据库采用My SQL 5.6分库模式设计，分为静态基础数据与其他记录数据，静态基础数据包括车辆、人员基础数据，其他记录数据分为轨迹、报警、报警处理等，采用分区处理;系统不与数据库直连，所有与数据库相关的操作都通过HTTP接口访问接口服务端，接口服务端再操作数据库。

3.2 境外数据交换平台

境外数据交换平台完成中方与外方车辆监管平台的出入境车辆位置信息、通信信息等数据交换，对接收到的数据进行分类存储，并对数据的质量、流量等进行统计。由数据收发子系统、协议转换子系统、数据加解密子系统、数据存储子系统和数据统计分析子系统组成。

3.2.1 数据收发子系统

接收通信网关发来的境外车辆位置信息，由处理模块对信息加密后转发给外方车辆监管平台。在接收到外方车辆监管平台发来的车辆位置信息后交由处理模块对信息进行解密，并把解密后的信息发给信息收发模块。数据收发子系统主要包括数据抽取和对处理后的数据根据目标系统的接口协议，重新封包数据，并能根据配置参数，实时或按照一定时间间隔送给目标系统。

3.2.2 协议转换子系统

对接收到的外方监管平台的数据，根据不同国家的监管平台数据包协议，对数据进行协议解析。解析后的数据经由数据加解密子系统进行解密处理，解密后的数据转换为内部协议，并发送给数据收发子系统。对接收到的内部协议数据包，根据外方协议进行协议转换，并将转换收的数据交由数据加解密子系统进行加密处理，处理后的数据发送给数据收发子系统。

3.2.3 加解密子系统

为了保护车辆位置信息等敏感数据的安全性，需经加解密子系统对数据进行加密处理后再发送。包含加密模块、解密模块、数据交换模块和密钥维护模块。

3.2.4 数据存储子系统

数据存储子系统对外方车辆监管平台发来的数据进行分类存储。主要包括数据库连接、数据接收、数据分类、数据保存、数据归档备份、查询归档数据、数据管理和数据恢复。

3.2.5 数据统计分析子系统

数据统计分析子系统对来自外方和发送给外方的数据进行数据连续性统计、数据质量统计和数据质量统计分析。

4. 多模卫星定位车载终端设计

4.1 车载终端组成

多模卫星定位车载终端主要包括微处理器模块、GNSS定位模块（含天线）、数据存储模块、移动通信模块、电源模块、接口模块等组成。车载终端组成框图如图3所示。

4.2 车载终端硬件设计

微处理器模块主要包括微处理器芯片及其外围电路，微处理器芯片与各模块之间通过串口、网口、USB接口、SPI等接口进行连接，对其他模块进行初始化操作，接收其他模块发来的定位数据、控制命令等各类数据，并进行判断，发给相应的模块进行操作和处理。核心处理器选择ARM9系列处理器，其主频可达200M以上，可实现功能的灵活扩展。GNSS定位模块包括GNSS模块和GNSS天线，用于接收北斗B1频点和格洛纳斯系统L1频点信号并进行信号解析和PVT信息处理，将时间和位置数据发送给微处理器模块。电源模块主要包括电源开关、保护电路和电源电路。电源电路主要是从车辆取电后，经过保护电路，产生设备其他模块所需要的电源，主要包括微处理器模块所需的3.3V电源，GNSS定位模块所需的3.3V电源，移动通信模块所需的4.2V电源等。

5. 关键技术

5.1 分布式数据负载均衡技术

平台采用分布式服务框架，内有登陆服务器负责各服务器的均衡分压管理工作，网关服务器负责与车辆设备相关的协议数据，流媒体服务器负责车辆设备的音视频等数据，用户服务器负责用户登陆功能等，各服务器间相互通讯，协同合作。

5.2 数据安全管理关键技术

方案采用分布式数据灾备服务技术，位置信息数据量庞大，数据操作交互频繁，传统的集中式面向存储的灾备机制已不能满足系统的需要。因此，需要利用分布式数据灾备服务技术，针对结构化数据，将数据灾备技术与分布式数据库技术结合，将应用层面、系统层面的灾备能力抽象为服务统一进行管理，应用以数据库日志为数据基础的服务目录技术备份数据逻辑结构，可以有效保证数据安全。

5.3 车载终端自适应切换技术

终端以移动通信和RDSS通信模块作为位置上报的通信渠道，为了减少跨国通信漫游的昂贵费用，终端采用双移动通信卡对应不同国境，并设计了智能切换算法。其核心技术是将电子地图按国界划分多个区域，通过当前经纬度判断车辆所在的区域，由于车载终端的计算能力有限，不能内置整个电子地图，因此可根据各口岸的具体位置，简化区域的判断，实现跨境判断。

6. 系统测试情况

设计建成的基于北斗国际道路运输与管理服务系统，已部署在中俄边境口岸进行试运行测试，平台实现了跨境运输车辆实时监控、历史轨迹回放、报警、统计分析、数据交换、应急救援等功能。终端的定位功能、通信功能、通信卡自适应切换功能以及报警功能等均已得到验证。该系统满足设计要求，实现了车辆在途监控、应急救援、跨境数据交换等基本应用。

7. 结束语

本系统通过中俄卫星导航联合应用在跨境运输领域的技术合作，实现北斗与GLONASS的兼容应用及互操作，增加北斗国际影响力。通过选择在中俄边境口岸开展测试区建设，验证跨境终端设计技术、跨境通信切换技术、平台数据交换等技术，实现跨境车辆的在途监控、应急救援、数据交换等功能，并逐步向中俄其它口岸进行应用示范，以及向“一带一路”沿线国家推广。

参考文献：

[1]姜萍，王晖，陈为沛，康茜. 适用于跨境监控的多模卫星车载终端设计. 兵工学报，2018.

[2]张凯渊，应忍冬，刘佩林，等. 北斗导航位置服务平台的设计与开发实现[A]. 第四届中国卫星导航学术年会论文集-S1北斗/GNSS导航应用[C].2013.

[3]张向南，赵庆展，何启峰，等. 基于北斗的物流车辆监控系统[J]. 2015.

[4]刘波，周炯，李歆，张钊. 基于北斗的车辆管理系统关键技术应用研究[J]. 测绘，2012，35（3）.

[5]基于北斗的国际道路运输管理与服务信息系统工程可行性研究报告.