危化品运输监控系统的设计与实现

在线测试与故障诊断

电 子 测 量 技 术

第34卷第5期危化品运输监控系统的设计与实现

夏 涛 何志标

(北京化工大学信息科学与技术学院 北京 100029)

摘 要:为改善危化品安全生产运输环境, 确保危化品运输行业安全、健康、持续发展, 在总结常见危化品运输监控系统的基础上, 提出了一种基于G PS 、GIS 、G PRS 相结合的危化品运输监控系统, 并从软件工程的角度分析了监控系统的设计与实现, 详细阐述了监控系统的组成和工作原理。通过对系统进行多种测试, 结果表明系统能满足危化品运输行业的要求。系统充分发挥了GP RS 技术的优点, 在网络性能上系统具有较低的传输延迟和误码率。系统克服常规监控系统的缺点, 具有良好的应用前景。关键词:GP RS; G PS; GIS; 监控系统中图分类号:T P277 文献标识码:A

Design and implementation of supervisory system for

transportation of hazardous chemicals

Xia T ao H e Z hibiao

(Colleg e of Inform ation Science &T echnology, Beijing University of C hemical T echnology, Beijing 100029)

Abstract:T o impr ove the env iro nment of hazardous chemica ls tr anspor tatio n and make t he hazar dous chemicals t ranspo rtation develop safety and healthy , this paper summa rizes the conventio nal super visor y system o f hazar do us chemicals t ranspo rtation, presents a new super viso ry system for hazardous chem icals t ranspo rtatio n based on G PS/G IS/G PRS, discusses t he desig n and implementatio n o f superv isor y mo nitor ing sy st em from the per spective o f softw are eng ineer ing, expatiates the main functio n and pr inciple of super viso ry system. T hr ough a v ariety of tests, the the result show that the sy stem can meet the requir ements of hazardous chemicals transpo rtation. T he system ov ercome the shor tcoming s o f common superv isor y sy stem and has a g ood prospect. Keywords:GP RS; G PS; G IS; super viso ry sy st em

0 引 言

危化品运输管理是一个世界性难题, 在中国经济迅猛发展的背景下这一问题更为突出。据统计, 目前全国每年公路运输的危险化学品约有2亿吨, 其中液氯、液氨每年运量分别达400万吨和300万吨。我国危化品公路运输已占年货运总量的30%以上, 随着经济发展, 危化品产量和运量逐年上升。由于航空、铁路、水运对危化品运输限制条件较多, 成本也高, 高速公路运输以其便捷性成为危化

[1]

品运输的1种主要方式。如此长距离、大吨位的运输状况将长期持续, 存在着巨大的潜在危险性, 如果缺乏动态监管体系, 一旦发生事故, 将造成严重的后果[2]。尽管目前国家已经有很多相关的法规和制度来规范危化品运输的安全作业与管理, 但是在危化品运输环节仍缺乏有效的监管措施。因此, 本文提出了一种对危化品运输车辆进行实时动态监控的信息管理系统。该系统是集GPS (global posit ioning system , 全球卫星定位系统) 技术、GIS

(geograph ic informat ion syst em, 地理信息系统) 技术、GPRS(general packet radio service, 通用分组无线业务) 技术、传感器技术于一体的综合监控管理系统[3]。

目前, 国内广泛使用的车辆监控系统大多存在如下缺点:

1) 功能单一, 绝大多数车辆监控系统只对车辆运行状态的基本信息进行收集和显示, 没有对收集到的数据做进一步的分析和处理;

2) 定位精度偏低, 常有数据丢失和数据异常的情况出现;

3) 系统实时性能差, 数据传输延迟;

4) 部分监控系统单一利用短消息服务(SM S) 作为传输手段, 系统受到通信流量限制, 难以实时全面记录车辆的运行状态。

针对目前国内车辆监控系统的缺点, 本文从危化品运输行业的实际需求出发, 采用GPRS 与SM S 相结合的方式来完成监控系统危化品运输车辆运行状态数据的传输。

第34卷

实时性和稳定性方面的不足[6]。同时, 借助于GPRS 系统可以直接与互联网交换监控数据, 大大提高了系统的灵活性和可扩展性。

在GPRS 异常的情况下, 我们可以采用短信方式来传输关键数据。

GPRS 网络是在现有的GSM 网络基础上叠加的1个专为高速数据通信而设计的新的网络, 其充分利用了现有移动通信网的设备, 通过在GSM 网络上增加一些硬件设备和软件升级, 形成一个新的网络逻辑实体[4]。GPRS 采用分组交换技术与采用电路交换传输数据的GSM 网络相比, 具有资源利用率高、传输速率高、接入时间短、支持IP

[5]

协议和X. 25协议等技术优势。通过GPRS 来实现监控系统中数据的传输, 可以很好的弥补短信数据传输方式在

1 系统的总体架构与工作流程

1. 1 系统的组成

危化品运输监控系统主要由:车载移动终端、GPRS 网

络、监控中心3大部分组成。其中监控中心又分为服务器端和客户端(也称监控终端) 2个部分。系统的原理图如图1所示。

[7]

图1 危化品运输监控系统原理

整个监控系统的工作原理是:危化品运输车辆上的车载移动终端一方面, 接收GPS 定位信号; 另一方面, 接收安装在危化品运输车辆上的传感器信号(如:温度、压力、湿度等反映危化品状态的关键参数) 。通过GPRS 网络将这些数据按照一定的协议格式(T CP 格式或UDP 格式) 传输到监控中心的具有固定IP 地址的监控服务器上, 监控服务器上的相关软件模块对数据进行解析和分析后再将结果存储在服务器端的数据库中, 同时监控服务器将数据发送一份至已获得监控服务器授权的客户端, 客户端将数据存储到本地客户端数据库中并通过客户端软件中的GIS 模块在电子地图上实时显示危化品运输车辆的位置信息。

本系统采用数据库分发技术, 在服务器端和客户端各设置1个数据库, 其中客户端的数据库存储6个月的数据记录, 超过6个月的数据记录数据库将自动清除, 服务器端数据库保存所有的数据记录。这样大大加快了客户端与服务器之间的数据处理速度, 提高了客户端的响应速度, 增强了用户体验。

1. 2 系统的工作流程

整个系统的工作流程分为2个部分:控制流程和数据流程。如图2所示。

控制流程的执行过程是控制指令由客户端发送给服务器端的应用程序代理模块, 应用程序代理模块将接收到的指令经过相关的处理发送给通信模块, 经通信模块的处理后, 控制指令转发到相应的车载终端上。车载终端接到相应的控制指令后, 将响应信息发送给通信模块, 通信模块再将响应信息转发给应用程序代理模块, 最后应用程序代理模块将响应信息发送给对应的客户端。

数据流程分为数据存储流程、数据分发流程、数据下载更新流程3个部分。

数据存储流程分为2条通道, 第1条通道是通信模块将接收到的数据解码后, 通过数据库代理模块将数据存储到服务器端数据库; 第2条通道是通信模块将接收到的数据发送给数据分析模块, 数据分析模块通过数据库代理模块将分析后的数据存储到服务器端数据库。

第5期

图2 危化品运输监控系统工作流程

数据分发流程也分为2条通道, 第1条通道是通信模块将接收到的数据解码后, 通过应程序代理模块将数据发送给客户端, 再由客户端存储到本地数据库; 第2条通道是通信模块将接收到的数据发送给数据分析模块, 数据分析模块通过应用程序代理模块将数据发送给客户端, 再由客户端存储到本地数据库。

数据下载更新流程是指客户端通过数据下载模块向数据库代理模块发出数据下载请求, 数据库代理模块通过数据下载模块将响应数据发送给客户端, 再由客户端存储到本地数据库。数据更新是指系统管理模块通过数据库代理模块操纵管理数据库, 进行基础数据增删改查操作。

系统规定的格式, 并分别发送给应用程序代理模块、数据分析模块、数据库代理模块。

2 监控服务器功能设计

系统监控服务器主要功能是实现数据的派发、接收,

通过中国移动的GPRS 网络实现数据的实时传递。

系统监控服务器包括6个模块:通信模块、应用程序代理模块、数据库代理模块、数据分析模块、数据下载模块以及系统管理模块。监控服务器功能模块结构图, 如图3所示。各模块的功能如下所述。

1) 通信模块:主要完成数据接收、数据发送、数据解码的工作。它接收车载GPS 移动终端上传的数据, 包括异步

TCP 数据接收, U DP 数据接收。对于来自应用程序代理模块的指令, 通信模块对其进行转换然后发送给车载GPS 移动终端。数据解码功能是将所有接收到的数据解析为

图3 监控服务器功能模块

2) 应用程序代理模块:实现数据分发、指令下发、客户端连接管理及身份验证的功能。其中, 数据分发是指接收通信模块发送的数据, 分发给各客户端。指令下发是指接收各客户端发送的指令, 发送给通信模块。客户端连接管理及身份验证功能是指识别、记录客户端IP 、端口、注册码等唯一信息。

3) 数据代理模块:该模块负责连接数据库, 管理连接池, 接收各个模块发送的数据, 将数据存储到服务器数据库, 接收各模块发送的查询、下载请求, 将请求结果发送给相应的模块。

第34卷

4) 地图管理模块:地图管理模块完成基本的GIS 功能, 如地图放大、缩小、移动、全屏显示、测距、区域选择、设置鹰眼、图层设置、地图信息检索等[8]。5) 档案管理模块:该模块负责对车辆档案及驾驶员档案的维护。管理员可以对权限范围内的车辆信息及驾驶员信息进行添加、删除、修改、查询、统计操作。

6) 短信模块:短信模块实现与车载机互发短信。当GPRS 发生阻塞时, 车载机自动转入短信上传模式, 通过短信模式上传的信息中, 只包括车辆位置等基本信息, 系统也可以通过短信平台发送指令。

7) 报表模块:报表模块主要负责统计、汇总系统各种运营数据, 并以报表的形式打印出来。

8) 系统设置模块:该模块的功能分为2部分; 系统角色和权限的设置、系统参数的设置。

4) 数据分析模块:主要作用是分析原始数据, 为车辆

安全有效管理提供决策依据。通过该模块可以进行GPRS 不在线分析、停车分析、驶入或驶出区域分析以及超速分析。

5) 数据下载模块:接收客户端的下载指令, 向数据库代理模块发送查询请求, 并将结果发送给对应的客户端。

6) 系统管理模块:主要作用是管理用户、组织机构、危化品运输车辆、车载GPS 移动终端等基础信息以及维护数据库。

3 监控终端功能设计

监控客户端(监控终端) 接收和处理各监控车辆通过监控服务器返回的定位信息, 并在各监控客户端和大屏幕的电子地图上实时显示各监控车辆的当前位置、状态等信息, 实现危化品运输车辆的定位监控。如图4

所示, 监控终端的功能模块主要包括:实时监控模块、历史记录查询模块、车机控制模块、地图管理模块、档案管理模块、短信模块、报表模块、系统设置模块。

4 系统测试与应用

系统测试主要目的是验证系统是否实现所设的功能。

我们采用软件测试技术中常见测试类型白盒测试, 按照程序内部的结构来测试整个系统。通过测试我们可以检测系统内部动作是否按照设计时的规定正常进行。由于系统涉及的内容较多, 下面列出部分关键模块的测试情况。系统的测试结果分为5级:1) 测试通过, 2) 存在代码BU G, 3) 业务暂不支持, 4) 业务完全不支持, 5) 其他错误。系统测试结果如表1所示[8]。

表1 系统关键模块测试结果

模块名称

子模块通信模块应用程序代理模块数据库代理模块数据分析模块数据下载模块系统管理模块实时监控模块历史记录查询模块车机控制模块

监控系统客户端

地图管理模块档案管理模块短信模块报表模块系统设置模块

完成情况

[1**********]111

图4 监控终端功能模块

监控系统服务器端

1) 实时监控模块:实时监控模块包括在电子地图上显示车辆最新位置、在列表中显示车辆位置信息、在列表中显示车辆当前状态信息(包括危化品的温度、压力、湿度等状态参数) 、在列表中显示车辆当前报警信息、锁定车辆这5个功能。其中, 锁定车辆是指用户可选中某一组或一辆车进行锁定, 被锁定的车辆以特殊颜色标识, 锁定车辆在地图上显示时覆盖非锁定车辆。

2) 历史记录查询模块:该模块的功能包括危化品运输车辆轨迹回放和报警记录查询两大功能。其中, 车辆轨迹回放是指按用户选择的车辆、日期范围, 在地图上显示车辆的行驶轨迹, 用户可控制轨迹播放速度、快近、暂停、后退和重播车辆轨迹。报警记录查询是指按用户选择的某一组或一辆车、日期范围、报警类型及警情参数, 显示报警记录, 结果集支持按不同的字段排序。

3) 车机控制模块:通过该模块, 系统可以实现车机参数设置、指令下发的功能。

系统采用GPRS 作为主要传输手段, 所以系统的网络

性能在很大程度上依赖GPRS 网络的性能。为了验证系统的网络性能是否达到设计要求, 我们选取北京、上海、大庆3个地区对系统的网络性能进行了详细的实际应用测试。

通过2011年3月份在北京、上海、大庆3地进行了连

续30多次的测试, 并对测试数据进行了严格处理和分析, 从衡量网络性能的两个关键指标数据延时率和无码率统计出如表2所示的测试结果。

表2 系统网络性能测试结果数据延时率

误码率

北京上海大庆北京上海大庆

静止状态2. 47%2. 32%2. 64%0. 11%0. 09%0. 08%运动状态4. 48%4. 28%4. 74%0. 14%0. 12%0. 01%

第5期

监控终端的连接及数据存储, 监控终端完成对危化品运输车辆的监控。

该系统已在危化品运输行业中得到了应用, 并取得了预期的效果。系统以GPRS 网络作为数据通信平台, 充分发挥了通用分组无线业务(GPRS) 数据传输的优势, 系统具有传输速率高、误码率低、延时小、实时性强等显著特点[10]。随着GPRS 网络的进一步发展, 本系统的优越性将得到更好的体现, 在今后相关领域的应用中将发挥越来越重要的作用。

参考文献

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通过表2中的数据, 我们发现整个系统在整个网络性能方面没有因地区和危化品运输车辆的运行状态的不同产生较大的波动, 所有测试结果都在系统的设计目标(系统设计目标是数据延时率

通过上面的分析, 我们可以得出选用GPRS 作为通信方式是完全符合系统的设计要求, 也符合危化品运输行业的行业要求(

即对数据的准确性和实时性要求较高) 。在目前激烈的市场竞争环境下, GPRS 还具有有利的价格优势, 这使得其在具体应用中占据了成本优势。

本系统目前已经应用到大庆油田的危化品运输车队。由于系统的设计充分考虑到危化品运输行业的实际情况, 所以能够满足该行业客户各方面的需求。图5是该系统在大庆油田应用时系统的监控界面图。

[10] 朱丽娜, 潘伟, 吴小平. 基于G IS 与GP RS 的车辆监控

图5 系统监控界面

作者简介

5 结 论

危险品运输监控系统是1个集传感技术、卫星定位技术、无线网络通讯技术、GIS 地理信息技术和数据库技术于一体的综合系统。本文通过利用GPRS 网络, 结合GPS 和GIS 技术, 设计并实现了危化品运输动态监控系统[9]。系统由车载终端、通信链路、监控服务器和监控终端组成。车载终端完成车辆的定位、轨迹的存储及信息发送, GPRS 通信链路完成信息的交互, 中心服务器完成与车载终端及

夏涛, 男, 1970年出生, 工学博士, 副教授, 主要研究方向为计算机仿真系统、过程系统安全工程等。E mail:xiatao@mail. buct. edu. cn

何志标, 男, 1983年6月出生, 硕士研究生, 主要研究方向为系统仿真。

E mail:flaghe@gmail. com