基于物联网的汽车厂商运输监控系统改进策略

张保良，宋颐

（华北水利水电大学 机械学院，河南 郑州 450045）

0 引 言

传统汽车厂商的零部件运输监控系统大多通过射频识别（RFID）技术、GPS、GPRS无线通信技术和车载终端进行汽车零配件的定位和监控[1]，通过收集车辆物流信息与远程监控中心通信，并结合道路信息，给出运输服务的参考路线，跟踪物流信息，实现对运输过程的监控和运输路径的调整，但这一过程存在信息沟通方式单一、运输效率低下、通信延迟性高等缺点。

为解决以上问题，国内外学者进行了广泛的研究。Mckinney等[2]阐明了在商品流通中供应链的监控及可视化的重要作用，并以物联网技术为依托，重点研究了供应链物流实时状态监控的理论方法和关键技术，实现商品运输状态信息的获取；Nagurney等[3]以最小化的成本为根本目标，对供应链重组进行了优化设计，在不降低运输效率的情况下，提高了资源利用率；付颖斌等[4]建立了基于Auto-ID数据处理模型，实现了对于某些无法直接获得的物流数据的采集，为物流状态的获取提供了新型解决方案；李越等[5]基于高德地图API模式，利用XML程序配置信息，在一定程度上实现了物流运营商之间的合作，打通了各物流企业间运输监控信息不相通的壁垒，而这与宗彤彤等[6]改进物流运输信息透明化的设计思路有相通之处；曹博等[7]利用Sunspot平台将车辆运输过程中的信息进行整合，通过搭建简易物联网网络实现了简单的多维控制操作；于天琪等[8]通过神经网络对物联网下的物流监控运输过程中产生的信息进行粗略筛选，进而降低上传的错误数据量，提高云端服务器的数据处理效率。

本文主要通过将RFID技术、北斗导航系统、无线通信技术及各类传感器、状态显示器、行车记录仪等车载终端设备相整合组建新的监控系统。通过优化数据库结构，保证在运输过程中实时存储、调用车辆及货物状态等数据，降低信息的延迟和误差。

1 监控系统分析

1.1 需求分析

汽车厂商的运输服务监控系统具有如下需求。

（1）运输车辆速度位置要求：对于监控管理人员而言，必须确定车辆的运输速度及其位置，确保能够实时预测货物到达时间，并准确记录运输路径。

（2）承运机动车编号、驾驶员编号和运输货物ID匹配记录要求：编号可以有效定位和确认人员、车辆和货物运输流程，落实责任，降低货物丢失的可能性。

（3）运输车厢内温湿度测控要求：监控温湿度可防止车厢内火灾的发生，最大限度避免货物损毁。

（4）车辆内部振动程度要求：对于某些特定的汽车零部件，在运输过程中振动不宜过大，否则将导致零部件损坏。

（5）车辆自身运行状态信息：包括发动机转速、物流车胎压以及油箱内油量信息等。

（6）车载设备与云平台稳定通信要求：确保信息通畅，降低传输延迟。

（7）云计算平台快速诊断故障信息，并做出响应的要求：当运输过程中发生故障时，系统能够及时报警，提醒车载人员处理问题。

（8）数据暂时性存储及断点续传要求：能够有效应对物流运输过程中出现的导航定位信号衰弱、无线通信暂时中断等问题。

1.2 功能分析

根据上文列出的运输需求，对应可设置以下功能。

（1）信息数据采集功能：数据的采集运用精密传感器、高清摄像机等设备，如利用北斗导航模块采集车辆的位置、速度与时间信息；通过高清行车记录仪采集路况数据；利用RFID标签及其激光扫描设备采集货物、驾驶员、运输车辆等信息；通过温度、湿度、压力及振动传感器采集相应的物理数据信息；通过烟雾报警系统（主要器件是烟雾报警器）判断是否发生冒烟着火现象；同时还可以通过车辆状态读取器以及相关电路连接车辆控制CPU，获取相应运输货车的运行数据信息。

（2）数据传输：此模块以5G网络为载体，利用其低延迟、高连接密度等优势进行数据传输[9]，实现车载终端与控制管理中心实时数据同步。

（3）信息处理及反馈：此模块功能主要由服务器软件完成，通过预设的程序和算法并结合数据库判断来自车载终端的数据是否正常、是否需要修正，当数据出现异常时，立即发送故障代码至控制中心和车载终端及时报警。

（4）关键数据显示：此功能可采用小尺寸的触摸显示屏设备实现，通过线束连接将采集到的数据传输到触摸屏设备上的专用APP软件进行显示，并在触摸屏设备上设置一些常用操作按键，方便操作人员使用。

1.3 功能设计

监控系统大致可分成三个子模块，分别是车载终端、云服务器和数据库。对于监控系统的功能可进行模块化设置和分配，运输监控系统功能结构如图1所示。

图1 运输监控系统功能结构

1.4 系统框架

根据运输服务监控系统的需求，监控系统的总体架构可分为5个模组，即车载设备（传感器、行车记录仪、触摸屏显示设备等）、云服务器设备、管理控制中心、系统数据库、无线5G网络。系统总体框架如图2所示。

图2 系统总体框架

（1）车载设备及人员负责运输过程的信息收集、简单筛选、简略显示和各项指令的最终实施；

（2）云服务器及应用软件负责数据的接收、精确筛选和快速处理；

（3）管理控制中心负责各项数据的可视化显示记录，并与系统数据库相连，实时进行动态人工调整，弥补云服务器软件智能控制的不足；

（4）系统数据库负责数据的记录、存储和调用；

（5）无线5G网络负责将各模块进行无障碍快速连接，充分发挥第五代通信网络的优越性能，提高该监控系统的应变能力。

2 系统数据库优化设计及服务器概述

2.1 数据库设计要求

一般来说，数据库的基本作用包括数据的存储、分类、调用和修改等，对于数据库的设计应遵循以下原则：

（1）数据库的结构必须能够反映事物之间的联系，即客观逻辑不可违背；

（2）数据库内的数据之间不能发生值、义的矛盾；

（3）各类数据独立性要强，冗余度要低，即在修改或者增加数据时，不影响其他数据及其使用；

（4）数据库的安全可靠性必须予以保证，不能为其他无关人员所窃取。

通过对主流数据库[10-12]特点的比较可选择MySQL关系型数据库管理系统。根据运输流程，制定如图3所示的MySQL关系数据库工作流程。

图3 数据库工作流程

2.2 数据库逻辑分析

在关系型数据库MySQL中，用关系模型描述需求分析的具体流程，包括把E-R图转变成关系模型，然后定义数据表的结构。本文将具体事件的关系进行抽象化表示，定义如下：

（1）Ai表示需要运输的零部件代码；

（2）Bi表示运输车辆代码，Bi1表示运输车辆载重，Bi2表示运输车辆车长；

（3）Ci表示驾驶员代码，Ci1表示驾驶员年龄，Ci2表示驾驶员的联系方式；

（4）Ei表示报警故障代码，Fi表示故障排除指令代码（其中 i=1, 2, ..., n）。

由运输过程中存在的逻辑关系可知，一辆车Bi可以容纳n个零部件Ai，并且Bi对应唯一的Bi1和Bi2；一个驾驶员Ci只能驾驶一辆车Bi，并且Ci对应唯一的Ci1和Ci2；一辆车Bi在行驶过程中对应n条故障代码Ei，一条故障代码Ei对应n条故障排除代码Fi，直观表示如图4所示。

图4 逻辑分析图

根据上文确定的实体关系类型及逻辑分析，运用PowerDesigner软件绘制MySQL关系数据库的E-R图，信息之间的逻辑关系如图5所示。

根据数据库的E-R图进一步列出了MySQL关系数据库中数据表的结构、类型、大小以及属性等。运输基本数据表见表1所列，运输过程数据表见表2所列，其他数据表（包括车辆编号表、驾驶员编码表、零部件ID表、故障代码表等）与之类似，不再详细列出。各数据表之间以运输车辆ID为核心进行相互关联。

图5 MySQL关系数据库的E-R图

表1 运输基本数据表

表2 运输过程数据表

2.3 服务器概述

根据汽车厂商监控服务系统的总体设计，服务器是以5G通信网络为载体完成车载终端与数据库之间的通信，负责来自车载终端数据的存储，并对数据库中的数据表进行写入/写出操作，更改数据库中的信息，实现系统的协调控制。汽车零部件运输监控系统服务器上应用软件的具体工作包括以下内容。

（1）零部件、车辆以及车辆驾驶人员的匹配：为规范运输，保证货物安全，需在运输开始之前对汽车零部件、车辆以及车辆驾驶人员进行精准匹配。

（2）车辆运输路径的规划：运输路径的规划是服务器应用软件重要的工作内容，合理的运输路径不但可以降低运输的油费、人工费以及车辆折旧费等运输成本，而且还可以缩短运输时间，提高运输效率，保证货物准时送达。

（3）故障报警：运输过程中，出现故障时，应用软件会对各类传感器数据进行分析，根据数据库内存储的故障信息目录，智能找出故障原因并向运输人员发送排除故障的方法。

3 结 语

本文系统阐述了基于物联网的汽车厂商监控系统的设计，首先构建了监控系统的主体框架，从需求分析到功能分析、设计，详细说明了系统的工作流程。在此基础上，本文又进行了系统优化，并给出了系统框架图。之后，本文结合物流运输的过程构造出数据库流程图及数据库E-R图，并定义了数据表。综上所述，监控系统改进策略主要体现在以下几个方面：

（1）对以往监控系统的硬件进行改进升级，并对监控系统的总体结构和功能进行优化，通过硬件升级及系统优化，使得监控过程的信息收集更为全面，可视化程度有所提高；

（2）5G模块的通信速率、带宽、连接密度以及网络融合性等方面相比GPRS通信网络优势明显，具有广阔的发展前景；

（3）对以往传统数据库进行重新设计与整合，优化数据库整体架构、更新并细化数据采集过程，整理绘制出数据库E-R图，并重组部分数据表。