基于BDS的渣土车智能管控系统设计

于晓丰，杨德森，杨军平，张　铭，王　敏，曹　爽

(青岛市光电工程技术研究院，山东　青岛　266122)

基于BDS的渣土车智能管控系统设计

于晓丰，杨德森，杨军平，张铭，王敏，曹爽

(青岛市光电工程技术研究院，山东青岛266122)

摘要：针对当前GPS渣土车管控系统存在的车辆监控效率较低的问题，提出了实时监控与位置信息服务相结合的方法，同时针对定位精度低的问题，提出了双模(GPS+BDS)定位+航位推演技术用于渣土车定位的方法。文中分别阐述了远程诊断原理、运输管理及安全管理原理，以及位置信息服务的过程。最后，系统在青岛市渣土车上进行了实验，结果表明渣土车北斗智能管控系统能够提升定位精度，实现渣土车实时管理和控制。

关键词：BDS；车联网；渣土车；智能轮胎；智能交通

0引言

随着经济建设的蓬勃发展，渣土车作为城市建设的一支重要力量，对城市的建设和发展功不可没。在肯定渣土车对城市建设的贡献的同时，需要清醒地认识到渣土车行业正在面临着一场严峻的舆论危机，其超速、闯红灯、超限超载、堆装撒漏、乱行乱倒等违规行为，严重威胁交通安全，破坏市政道路，污染城市环境;无论对驾驶者到运营者，还是道路交通参与者来说，都存在着较大的安全隐患。

如何规范渣土车运营，实现对渣土车信息快速、准确、可靠、统一的管理，并对渣土车信息实行动态跟踪、监控、识别、管理，提供统一的服务，是设计渣土车智能管控系统所要解决的问题。将我国拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system，BDS)用于渣土车的智能管控，是当前技术发展所需。此外，随着各种车辆的日益智能化，车联网的相关应用发展蔚为大观;将车联网技术应用到渣土车的管理系统当中也是大势所趋。

1渣土车管理现状

超速、闯红灯、超载、污损号牌、撒漏、扬尘、事故多发等是人们对于渣土车的惯有印象。虽然城管、交管等职能部门不断加大查处力度，但工程渣土运输中上述违章行为仍然屡禁不止。部分渣土车运营者贪图眼前利益，置公共交通秩序和路上行人安全于不顾，肆意超速、闯红灯、超载甚至逆行；更有一部分渣土车司机受利益驱使，往往采用套牌、污损号牌的行为逃避执法部门的制裁；少数企业、从业人员法律意识淡薄，不按规定路线、时间行驶；为了逃避处罚或节省开支，违反规定就近随意倾倒渣土，造成生活环境再污染；运输渣土的车辆多数不具备加盖，不能有效防止撒漏和扬尘问题，对于加盖的车辆也无法获取密封状态。另外，工程任务的多次转包也使得内部交通安全管理大打折扣，无法从源头上落实安全管理责任。

造成目前这种状况的客观因素有许多，归结起来主要有以下2方面：

1)职能部门无法全面监管。

渣土车管理是每一个城市最为头疼的难题之一。目前，渣土车的管理主要依靠公安交警部门、城管执法部门等，但是部门之间信息往往不能共享；这也造成了执法资源无法同步，形成摁下葫芦起了瓢的局面。

在当前制度尚不完善的情况下，只能依靠不定期的巡查和突击检查；待检查过后，部分渣土车依旧违章横行。虽然各地出台了一堆惩治渣土车违章违法的制度法规，但渣土车违章的方式花样百出，交警、城管等职能部门监管人手不足，也只能疲于应付。另外，单纯依靠现场检查，不但占用了较大的行政资源，而且无法从根本上消除这一隐患。这些都凸显了目前监管工作中缺少一套行之有效的监管系统。

2)现有电子监管系统不适用。

目前，国内部分城市已经部署了基于全球定位系统(global positioning system，GPS)的渣土车远程跟踪管理技术。这类渣土车监管系统往往只是运用GPS技术远程跟踪渣土车，并不能实时控制车辆，这样监管效果就会大打折扣。此类系统需要专职监控人员监控渣土车的行驶轨迹，而且目前只能达到远程跟踪的效果；但无法控制渣土车司机的操作：这是执法不到位的根本原因之一。另外，对于渣土车的管控，不能仅限于违法查处。

因此，建立一套能够信息共享，管控结合，在提高城管执法、交警等职能部门的执法力度的同时，兼顾到渣土车运营者的管理效率和驾驶员的驾驶体验的渣土车管控系统，是解决当前渣土车管理难题的有效途径。

本项目车载终端采用双模(GPS+BDS)定位模式，可以充分利用两套卫星定位系统的卫星资源，精度和可靠性更强，也可以互相验证；同时双系统增加了卫星可见数，更有利于城市区域的渣土车的管控。

2系统总体架构

渣土车BDS智能管控系统借助BDS技术、地理信息技术(geographic information system，GIS)、智能轮胎技术、传感器技术、车载诊断技术(on-board diagnostic，OBD)搭建基于BDS导航信息、智能轮胎信息、智能底盘参数信息的计算处理系统，最终实现对渣土车的远程服务和全面管控。该系统主要分为3层：感知层、网络层、应用层[1-3]，具体如图1所示。

图1　渣土车BDS智能管控系统整体构架

感知层主要是指车载BDS终端、智能轮胎、车载传感器、智能辅助设备等车载终端设备，面向渣土车采集相关数据，包括渣土车位置、行驶里程数、行驶路径、行驶速度、载重、轮胎温度、轮胎压力、发动机参数等参数；采集到的数据统一传输到车载BDS终端中进行存储、分析、处理，并通过网络层进行传输。

网络层需要通过无线集群通信系统来实现和互联网的连接，完成大量数据的传输、分析和处理，实现远距离通信和远程控制的目的[4-10]。主要使用通用分组无线服务技术(general packet radio service，GPRS)/第四代移动通信技术(the 4th generation mobile communication technology，4G)/无线局域网(wireless fidelity，WiFi)、蓝牙等技术对数据进行传输；同时，车载BDS终端预留其他网络接口，兼容主流通信协议，为后续与其他设备互联做好准备。

应用层主要作用是进行人机交互，通过信息化手段提升管理水平；并能够在管理中心监控到每一辆车的运行状态。系统实现渣土车与驾驶员信息的实时监控管理、安全保障、违规报警、网上查车、无线通信、信息导航、油耗管理、费用管理、业务管理、运输管理等综合管理与信息服务，实现渣土车从单一的静态管理转向全面的实时动态管理。

3系统设计与实现

系统主要包括车载终端、数据中心、管理中心、服务中心、通信网络等主要部分，系统构成如图2所示。

图2　渣土车BDS智能管控系统构成

系统通过车载BDS终端实现渣土车的实时定位、导航、测速，通过车载传感器获取载重、油量、发动机参数等其他信息；通过射频识别(radio frequency identification，RFID)电子标签实现轮胎身份识别；通过轮胎压力监测系统(tire pressure monitoring system，TPMS)获取轮胎温度压力信息；所有信息汇总到车载BDS终端中，通过无线通信等方式将数据发送到服务器。服务中心通过系统软件可以对渣土车进行实时全面的管控，如渣土车出入库自动化管理，车身信息及轮胎状态跟踪、定位、实时监控，安全预警等；系统提供开放性接口协议，可以便于企业和个人在许可的范围内通过调用接口函数进行自由开发。企业或个人经过授权后可以实时查看相关渣土车的信息。

3.1车载BDS终端

车载BDS终端是该系统的关键部件，可以和服务中心、数据中心直接通信，实现对车辆的定位、跟踪及采集数据的统一传输等功能，终端与发动机电子控制单元(electronic control unit，ECU)实行联动运行，一旦车载BDS终端遭到拆除或破坏，系统立即对车辆发送控制命令，限制发动机的启动。

车载BDS终端主要由BDS/GPS定位部件、通信发射接收部件、CUP控制系统、电源系统4大部分组成(见图3)。车载BDS终端实物如图4所示。

图3　车载BDS终端构成

图4　车载BDS终端实物图

为了保证定位部件的定位精确度，保证定位的连续性(即在短时卫星信号不好，没有足够的卫星星号进行定位时)，提供准确、稳定的导航信息，保障行车安全和行车效率，本文采取以下方法：

1)BDS定位终端工作在BDS/GPS双模模式下，利用GPS辅助BDS系统实现快速准确定位;与此同时，借助航位推演技术，在卫星信号较弱的情况下，自动切换定位模式，进而提高定位精度。

2)通过分析卫星信号不良发生前的定位数据，解算渣土车三维位置、移动速度、三维姿态等信息;并结合渣土车当前位置和地图信息，预测下一时刻渣土车位置，以解决瞬时卫星信号不良的连续定位问题。

此外，由于轮胎的高速旋转以及恶劣的工作环境，信号会出现漂移或时有时无的情况；另外在使用手机、汽车音响等产品时，信号相互之间会有干扰，信号的稳定性会受到影响:因此，屏蔽和抗干扰的考虑就显得尤为重要。在通信发射接收模块设计时，选用曼彻斯特编码和FSK(频移键控)方式等无线传输的方案，再利用循环冗余校验(cyclic redundancy check，CRC)对无线信号传输质量进行检查控制，提高数据抗干扰能力，进一步保证信号传输的稳定性和可靠性。

3.2数据中心

数据中心具有数据管理、维护、存储、处理、备份等一体化功能;数据中心按照集中管理模式进行建设，将各类数据统一集中分析、挖掘，并制定数据汇总、更新、使用和发布的管理制度和办法[7]。建设数据中心的前提是数据库建设，数据库为整个系统提供了数据保障。建立统一的数据资源库，将不同渣土车的数据存储于一个中心，通过对数据的处理，获取车辆相关信息。数据库包括以下内容：

1)位置数据：车辆实时位置，行驶轨迹、历史轨迹、行驶区域、导航数据等。

2)轮胎数据：轮胎主要参数，如胎面花纹深度、位置、车轴、类型、状况、直径、品牌、胎体型号、负载、轮胎尺寸、翻新次数、胎面花纹设计，另外还包括轮胎参数实时记录如出行里程数、出行日期历史记录等。

3)车辆状态数据：油耗数据、历程数据、空挡滑行里程数据、载重数据、行驶平顺性数据、作业状态数据、汽车关键重要零部件组成的工作参数等。

4)用户数据：驾驶员信息、车辆基本信息、用户账号信息、权限信息、登陆时间、相关操作记录等。

3.3管理中心

管理中心实现对入网、注册的用户资料进行统一管理，系统各部分运行状态的监控，平台修复升级等维护服务；同时，提供统一管理终端、对数据进行转发、接受服务中心的数据请求、为平台数据中心分类转发数据信息，实现数据中心与服务中心的数据交互。

3.4服务中心

服务中心是系统功能的实现和表达，也是应用层的承载平台，向用户提供相关服务和权限内的操作权利，并接受用户的指令请求，具体包括运营管理、数据交互、车辆位置监控、车辆安全行驶管理、燃油管理、远程诊断等服务。

3.5通信网络

采用GPRS通信网络作系统的信息传递网络，GPRS链路层是移动终端与通信服务器的桥梁。在原有的全球移动通信系统(global system for mobile communication，GSM)的基础上新增若干节点，以保证数据传输质量。鉴于GPRS网络的不稳定性，需建立系统中心与移动终端的数据链路实时自动检测和断线监控机制，以保证系统通信的正常运行。

4系统功能及应用

4.1运输管理和分析统计

BDS车载终端实现车辆的实时定位跟踪：通过电子围栏限制车辆的行驶范围，超出规定区域实时报警并远程控制车辆限速行驶，监督渣土车在允许的范围内行驶；对不同车辆指定其固定的行驶路线，实行自动监管，一旦车辆偏离指定路径，将自动报警提醒驾驶员注意，同时信息将反映到管理中心。此外，BDS车载终端与车辆上装有的运动机构实行联动控制管理，渣土车只有到达预定区域内时才能卸土。

数据中心存储系统实时采集的渣土车位置、轮胎状态及关键零状态、空挡滑行里程、运行时长、油耗等信息，并根据采集的数据进行驾驶行为分析、漏油分析、车辆路径管理等，为科学用车提供依据。

图5　运输管理界面

本系统通过RFID电子标签，为轮胎定制身份证，将轮胎信息存储到数据中心；数据中心将轮胎身份信息和轮胎消耗数据、行驶里程数据、轮胎故障数据、轮胎翻新情况等多个信息进行自动融合匹配，可为渣土车提供精准化轮胎库存管理，减少轮胎的异常使用，降低爆胎的几率，为轮胎购买、使用、翻新提供决策依据。系统可自动生成轮胎管理相关的报表提供给服务中心，减少人员投入和干涉，为轮胎管理提供数据支持。同时，系统可自动生成轮胎物流配送计划，优化车队的轮胎调拨方案。

图6　轮胎管理界面

4.2渣土车安全管理

渣土车行驶时，系统可实时监控渣土车的速度、车辆连续行驶的时间间隔、装载状态：如是否超重、取力器是否接通、货箱盖是否关闭，一旦出现超速、超载、货箱盖未关闭的情况，车载终端会时报警提示司机，并上报服务中心，必要时服务中心可对渣土车实行限速、刹车等控制；当车辆连续行驶的时间间隔超过设定的阈值时，服务中心通过车载终端提醒驾驶员适当休息，避免疲劳驾驶。

通过TPMS智能轮胎管理技术，系统实现了对胎温、胎压实时的检测，当轮胎过压、缺压或温度异常时，车载终端发出警报来提醒驾驶员轮胎信息，有效预防轮胎爆胎事故[9]。

当车辆遭遇紧急情况时，服务中心可对车辆进行遥控，即对报警车辆进行遥控断油断电：车台收到断油断电指令后，首先车台发出语音提示，提醒司机车台将执行断油断电命令；如果司机未执行命令，30 s提示后就直接切断继电器。

本系统不但能提供“事前主动”性安全保护，更成为驾驶员生命和财产安全保障的预警系统。

4.3渣土车远程诊断

系统实时监测渣土车故障信息，包括实时油耗、发动机水温、发动机转速、渣土车行驶里程、当前车速、电瓶电压、进气压力、冷却液温度、氧传感器电压发动机负载、节气门开度、点火正时、空气流量等；并可以读取发动机系统运行参数、监控系统远程读取全车故障代码，如发动机、变速箱、电子转向，对检测到的信息进行分析诊断，并显示对应故障内容和故障出现的可能原因。当监控系统获取渣土车报警信息时，将以短信网关等方式发送到服务中心；服务中心报警提示，并弹出报警对话框提示服务人员处理；同时将故障报警信息保存数据库，完善故障案例，以便日后故障排查。

监控人员获取故障报警后，将首先从故障库中检索出相同故障的历史记录，为故障排查做参考；同时通过服务中心协同维护中心技术人员对故障进行诊断，远程清除发动机系统的故障代码。

渣土车出现故障时可以向服务中心请求救援，服务中心的相关配套设施可以快速提供与车主的对接服务：如果有危险情况，车主可迅速传递信号给服务中心；服务中心则会在第一时间协调救援。当渣土车发生严重碰撞时，该系统会自动同服务中心建立联系，以便及时实施救援。

5结束语

渣土车BDS智能管控系统的建设地点选在青岛；系统充分发挥作用需要配备有货箱盖及新型轮胎的渣土车。目前该系统已成功应用到青岛市某公司生产的渣土车中。建设渣土车BDS智能管控系统，不但是对行人和其他车辆生命安全的保障，更是对渣土车驾驶员自身安全的保障。渣土车BDS智能管控系统将为推动BDS的行业示范应用、改善城市人居环境打开新的局面。

参考文献

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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

第一作者简介：于晓丰(1984—)，女，山东青岛人，工程师，研究方向为卫星导航。

中图分类号：P228

文献标志码：A

文章编号：2095-4999(2016)02-0081-06

引文格式：于晓丰，杨德森，杨军平，等.基于BDS的渣土车智能管控系统设计[J].导航定位学报，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.