基于GIS的矿山车辆GPS监控系统开发设计

粟 闯，杜年春，邓 军，谢 翔，黄 毅，熊明辉

（中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司，湖南 长沙 410011）

基于GIS的矿山车辆GPS监控系统开发设计

粟 闯，杜年春，邓 军，谢 翔，黄 毅，熊明辉

（中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司，湖南 长沙 410011）

系统采用微软的.NET FrameWork框架的相关技术，结合SuperMapGIS平台与空间数据库技术，设计并建立基于GIS、矿山GPS车辆监控系统的业务流程。根据车辆位置进行车辆行驶范围与行驶道路的分析，丰富了车辆监控业务信息及提高了监控系统的监控效果，并介绍了车辆监控系统的整体结构和模块划分，给出了一个道路匹配算法与大数据下系统性能解决方案，该系统在实际工程运用中取得了良好的效果。

车辆监控；GIS；GPS；道路匹配

0 引 言

矿山车辆是我国大多数露天矿山主要运输方式，运矿车调度与管理，以及如何提高运矿车运输效率和管理水平是矿山企业面临的重大难题。当前矿山车辆调度和管理存在各车辆进出采场和各主要关键路口的时间和数量无法确定、确切位置和数量信息无法准确获取、矿区车辆维护、维修和综合效益分析缺乏全面数据支撑等问题[1-4]。矿山车辆智能化调度的实现，采运协同优化效果的体现，可实现矿区生产力的优化，对于保障运输安全和采矿生产都起到了重要的作用。

目前矿山车辆定位、矿山整体地形准确数据缺失，生产场所分散，探、采等生产信息集成度、可视化程度低，调度信息化水平不高，不利用生产调度和管理[5-7]。要实现矿山车辆智能化调度，基于GIS、GPS的车辆监控系统是一种较为适合的技术。将GIS技术、车载GPS定位技术与其它网络信息技术融合，解决矿山生产面临的采场点多面广、矿区范围大、运输管理难度大、周边环境错综复杂等问题，结合矿山生产的需求，提出有效的解决方案，为矿区车辆调度管理提供相应的技术支撑。

1 系统总体结构

系统构成分为监控中心服务器、无线通信网络、车载终端3部分。GPS终端包括用以感知位置信息和速度信息的GPS模块，收发数据的CDMA模块。车载定位终端在接通电源后，会自动搜寻北斗或者GPS卫星信号，并获取定位信息。CDMA模块通过无线技术与数据交换平台通讯。数据交换平台对整个联网的车载终端进行数据收集，地图显示和匹配，车辆的监控与调度等功能，是整个系统的核心。

系统的工作原理：安装在车载终端上的GPS模块，采集车辆的经纬度、方向、速度等信息，然后将采集到的信息通过无线数据通信网络传回到监控服务器，监控服务器进行数据分析和处理，对GPS数据进行地图匹配、坐标转换等综合处理，将结果显示在监控终端，从而对车辆进行监控与调度等操作功能。

系统主要功能模块包括车辆的全局监控、单车监控、历史轨迹查询与回放、实时信息显示、车辆超速与逗留报警，车辆GPS上线和掉线记录查询。

软件主要围绕车辆定位监控的设计与实现展开，设计并建立基于GIS、GPS矿山车辆监控系统的业务流程，系统使用TCP/IP协议的SOCKET技术，通过有效的数据通信实现了GPS的实时监控，系统采用微软的.NET FrameWork框架的相关技术，结合组件式GIS开发平台和空间数据库技术实现。系统结构如图1所示。

图1 系统架构图

2 关键技术与实现

2.1 大数据下系统性能解决方案

由于矿山车辆多，GPS数据存储系统的数据记录条数多，随着投入生产运行的设备数量增加，数据库数据量会越来越大，客户访问的数量也会随着增加，系统需要实现大数据量下的存储与访问高效性，主要是提高查询速度和改善存储速度[8]。

大数据下系统性能解决方案针对矿山设备监控系统大批量业务与大数据量处理时存在速度慢、处理能力低等问题，提出优化技术。

1）优化设计数据库：①车载终端采集的信息量相当庞大，数据库设计时尽量减少冗余；②利用数据库分布处理技术把一个大的数据库按一定的规则拆分成若干个比较小的数据库，以数据相对比较独立为原则尽量避免各数据库间的交叉访问；③不同的地图资源分布于不同的图层；④定期进行数据合并，按数据使用频率进行分类，实现不同频度数据在不同存储层次之间进行流动。

2）共享内存技术：指在内存中开辟一块可任何进程所共享的内存区域，把那些需要经常访问的数据参数表一次读入到共享内存区中，以后所有对参数表的访问可以通过直接共享内存区的参数数据来实现，从而避免频繁对数据库的访问大大减少对系统I/O的占用。

3）多进程并行处理方案：把一个采集程序分成多个程序，把一个程序分成多个程序并行处理。

2.2 车辆监控

程序不断的接收GPS的定位信息，并进行转换处理，得到x、y坐标，与当前的位置进行比较，当位置发生变化，则在电子地图上更新到相应的位置，从而实现实时定位功能，实时定位原理如图2所示。

图2 实时定位原理

通过GPS数据分析，可实现车辆轨迹查询：实时查询车辆的具体地理位置，结合电子地图显示车辆的行驶信息；服务器自动记录1个月内所有行车路线速度等信息，提供给管理者分析司机的工作路线是否合理，并提供回放功能。

辆超速与逗留报警监控：系统设定限定的速度值，车速超设定值后自动被系统记录，并可通过系统提示调度人员，以确保安全行车；同时，针对车辆怠速长时间空转的停车时长进行有效统计分析。

通过车辆行驶轨迹查询、车辆报警记录查询可以事后全面了解车辆的工作过程。

2.3 地图匹配

采用地图匹配算法平滑GPS定位数据，地图匹配的第一步是要确定误差区域，以便从地图数据中提取候选匹配道路的信息。误差区域是指包含车辆真实位置的区域，在误差区域内的道路称之为候选路段，以减少进行识别的道路的数量，提高识别速度。较为常用的确定误差区域方法的是根据概率准则定义误差椭圆。设定位系统的方差和协方差矩阵模型化为：

式中：σ2x和 σ2y是方差，σxy和 σyx是协方差，σx和σy是GPS定位系统正向与北向测量误差的标准差。并且这几个参数可以直接从接收机输出的数据中直接读出，从而可以这样定义定位误差椭圆：

式中：a是椭圆半长轴，b是椭圆半短轴，δ是单位权值的后验方差，式（4）中φ为椭圆半长轴的取向和正北方向之间的夹角，GPS的定位点即为椭圆中心，也是当前的车辆定位位置。

系统基于现有地图匹配算法进行D-S证据的二次融合，可达性信息证据的考察将从GPS等定位设备获取到的车辆定位点分别投影到候选道路上，视做假如车辆行驶在该道路上的位置点，称此投影点为该候选路段的虚拟匹配点。可达性信息是指匹配过程中车辆从上一匹配点到虚拟匹配点的连通性、行驶距离、行驶时间等信息，结合矿山实际道路网信息进行地图匹配。针对平行路段、交叉路口和立交桥等分口较多的路段进行仿真分析，考察位置信息和方向信息证据的可靠性程度，得出可靠性参数的最优取值，提高特殊路段的匹配精度。地图匹配算法流程如下：

图3 地图匹配算法流程

2.4 基于车辆行驶轨迹的趟数统计

趟数统计是矿山车辆工作计量的基础，也是考核司机工资的主要依据，基于车辆行驶轨迹的趟数统计实现方法与步骤如下：

运矿车、采场、卸矿点编号与坐标定位，利用运矿车定位坐标与采场、卸矿点的中心坐标计算相对距离；

通过GPS数据结合地图数据对运矿车的运矿趟数进行分析，由于定位数据存在误差，需要确定误差范围，设定以车辆位置为中心，以a（GPS定位误差的3倍）为半径的一个圆形误差区域进行检测，动态的确定误差检测范围；

确定检测范围之后，开始对车辆的路径进行分析，把GPS定位数据按车辆编号进行分组，然后检测各车辆的位置与平台、采场的相交关系，开始的时候，设置状态为0，然后检测车辆是否与平台相交，直到检测与平台相交，设为状态1，之后再检测到与采场相交，则设为状态2，在状态为2的情况下再与平台相交，则为1趟，状态设为1，重复之前的检测，以此类推进行车辆的趟数统计。

系统通过GPS数据与地图进行结合，生成得到各个矿车的行驶轨迹，并通过预设的采场与卸矿点位置，判断各个矿车每次的行驶轨迹是否规范要求，对符合规范要求的行驶轨迹进行计数加一处理，进而方便快捷的对矿车的运输工作量进行统计；对于采场与卸矿点区域，通过对矿车经停时间进行记录，从而判断矿车是否有效完成对应于采场或者卸矿点的工作，避免出现矿车渎职却进行计数加一的情况发生；生成行驶轨迹时采用地图匹配算法，既保证了匹配的可靠性，又降低了运算强度，提高运算效率。

3 结 语

系统利用网络通信、地信息技术、数据库技术建立了基于GIS、矿山GPS车辆监控系统的业务流程，实现对设备的实时信息、历史数据等的采集、分析、处理、展示、管理，结合地图匹配、车辆趟数统计算法及大数据下系统性能解决方案，实现矿车逗留监控、超速监控、趟数计算、轨迹查询等，丰富了车辆监控业务信息及提高了监控系统的监控效果，调度中心直观地掌握车辆分布状况据此调度车辆，从而达到提高生产效率和安全运行的目的。

［1］ 何帅.露天矿GPS生产调度系统实时监控方法研究［J］.露天采矿技术，2016，31（4）：73-75

［2］ 史海平.基于GPS的调度系统控制策略研究与应用分析［J］.露天采矿技术，2016，31（8）：46-49

［3］ 朱世安.矿区车辆智能管理与调度的RFID读写设备系统设计［J］.煤矿机械，2015，36（7）：34-35.

［4］ 朱勇.GPS车辆监控指挥系统关键技术的设计与实现［D］.成都：电子科技大学，2007.

［5］ 张浩，詹杰，孙琪皓.基于GPRS的车辆实时监控管理系统设计［J］.仪器与设备，2016，4（3）：69-77.

［6］ 张书毕，刘作才.基于GIS的GPS车辆监控系统设计与实现［J］.测绘通报，2002（6）：31-33.

［7］ 夏红霞，周宏，杨红云，等.基于GIS/GPS车辆监控系统实现及关键技术［J］.微机发展，2004，14（8）：100-102.

［8］ 贺丽红.基于GIS/GPS车辆监控子系统的设计与实现［D］.北京：北京交通大学，2009：22-30.

【责任编辑：陈 毓】

Development and design of mine vehicle GPS monitoring system based on GIS

SU Chuang,DU Nianchun,DENG Jun,XIE Xiang,HUANG Yi,XIONG Minghui
(China Nonferruos Mental Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Changsha 410011,China)

The system used Microsoft NET FrameWork framework technology.Combining with SuperMap GIS platform and spatial database technology,the article designed and established business processes based on GIS,mining GPS vehicle monitoring system.Through the analysis of vehicle driving range and driving path for vehicle position,the mine enriches the monitoring information and improves the monitoring effect,introduces the whole structure and module partition of vehicle monitoring system,and gives a road matching algorithm and system performance solution under large data,which has achieved good results in practical engineering application.

vehicle monitoring;GIS;GPS;road matching

TD672

B

1671－9816（2017）07－0054－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.015

粟闯，杜年春，邓军，等.基于GIS的矿山车辆GPS监控系统开发设计［J］.露天采矿技术，2017，32（7）：54-56.

2017-03-07

粟 闯（1983—），男，汉族，湖南长沙人，硕士，毕业于中南大学采矿工程专业，主要从事矿山及工程在线安全监测方向研究。