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甩挂运输的挂车定位监控系统设计

来源:华佗健康网
技术与方法 doi:l 0.3969 ̄.issn.1 005—1 52X.201 7.04.01 9 物流技术2017年第36卷第4期(总第367期) 甩挂运输的挂车定位监控系统设计 郭栋梁,肖(山东科技大学【摘薇,秦玮。赵鲁华 青岛266510) 交通学院,山东要】我国的甩挂运输起步较晚,信息化水平不能满足要求,针对这一现状设计一种甩挂运输定位系统,该 系统在ZigBee无线传感网络环境中,对场站内已安装传感器节点的挂车进行定位跟踪和信息采集,并结合定位算 法,得到挂车在场站内的位置坐标;挂车与牵引车匹配后,挂车上的传感设备将挂车信息传输到牵引车上,利用牵 引车上的北斗导航设备为挂车定位,此外又结合传感技术对挂车内的货物进行监控;最后建立甩挂挂车信息数据 库,为甩挂运输公司等单位提供相对准确、及时的挂车信息。 【关键词】挂车定位;ZigBee;传感节点;数据库;挂车查询系统 [中图分类号]F542-3 【文献标识码JA 【文章编号]m05—152X(2017)04—0080—04 Design of Trailer Car Positioning and Monitoring System in Drop—-and--pull Transportation Guo Dongliang,Xiao Wei,Qin Wei,Zhao Luhua (School of Communication,Shandong University of Science&Technology,Qingdao 2665 10,China) Abstract:In this paper,we designed a positioning system for the drop-and—pull transportation process,which,relying on the ZigBee WSN environment,positions,tracks and collects the information of the trailer cars installed with sensor nodes that are operating in the yard, then in connection with the positioning algorithm,obtains the coordinates of the trailer cars in the yard.After the matching of the trailer car with the tractor truck,the sensor device on the trailer car will upload the trailer information unto the tractor truck and the Compass navigation device on the latter will help position the trailer car.Moreover,the sensor technology will also monitor the cargoes in the trailer car and at the end establish the drop-and-pull trailer car iformatnion library nd adatabase. t Keywords:trailer car positioning;ZigBee;sensor node;database;trailer Car searching system 甩挂场站内的精确定位成为问题,在挂车上安装GPS等 1 甩挂运输发展现状 定位设备也增加了成本,此外目前在甩挂运输中,针对  甩挂物流作为发达国家广泛采用的一种先进的货 货物监控的研究也很少。运组织形式,可提高道路货运的集约化水平和运输效 率,但同时甩挂物流更是一种高度组织化的运输形式, 对货源、线路、时间等均有严格要求,对信息网络化的依 2甩挂场站内挂车定位系统 场站内挂车定位系统由节点系统和控制台系统两 赖程度很高。以美国世能达公司为例,其依托健全的信 部分组成,两个子系统的组成及其之间的关系如图1所 息技术和管理手段,可获取挂车的实时位置,对牵引车 示。 和挂车进行运营调度,实现车辆安全技术参数监控和对 当车辆进入甩挂场站时,挂车上的未知移动待测节 运行信息及调度的控制。而现阶段我国的大部分甩挂 点与信标参考节点产生联系,经由协调器节点将数据传 物流企业只能通过GPS实现对牵引车的位置追踪,大型 输到控制台子系统,定位系统如图2所示。 [收稿日期12016—12—18 【基金项目】山东科技大学人才引进项目(2015RCJJ033) 【作者简介】郭栋梁,山东科技大学学生,研究方向:交通运输;肖薇,山东科技大学学生,研究方向:交通运输;秦玮,山东科技大 学学生,研究方向:交通运输;赵鲁华,山东科技大学讲师,研究方向:交通运输、物流安全。 一80— 郭栋梁,等:甩挂运输的挂车定位监控系统设计 技术与方法 标节点和协调器节点之间提供数据传输服务,从而为 RSSI和信标节点坐标的传递提供一个稳定的线路。 (3)网络管理模块:本模块位于网络中的节点上,主 节点系统 要是协调器负责网络的组建,信标参考节点负责移动未 知节点的加入网络请求。 控制台系统 2.2控制台子系统结构 (1)信息优化模块:本模块位于协调器节点与控制 台上,完成的功能主要是从协调器将信标节点坐标和其 图1 节点系统和控制台系统示意图 对应的链路RSSI值传输至控制台串口,控制台从串口 一络理块一网管模 一维制命子撩缘 读取RSSI数据后进行高斯优化。 ●孵 , + r ■ (2)节点定位模块:本模块位于控制台上,完成的主 ● 删I砷 督 土I 睁 。睁餐 一麓息i镑 要功能是采用改进的Bounding inbox算法对优化后的 j j 一嚣 #j 0 | ÷=-1辛i  }高  f。。 RSSI值进行处理,并结合信标节点坐标对待测节点进 ---…{,  r‘ 【 .;■ ; 行钡4距和定位。 |  J } ;r 零 l— l 誊  ^’_-’ r }f¨÷  J___ 一H _= 、 ,  】节点子系统与控制台子系统之间通过信息优化模 ——・k 。一 块,由串口将协调器节点接收到的信标参考节点坐标和 图2定位系统示意图 对应的RSSI数据消息读入至控制台,进行未知节点定 2。1节点系统设计 位。 节点系统分协调器节点、信标参考节点和未知移动 2.3 RSSI测距的基本理论 待测节点,各自功能如下: 依据信号传播路径损耗n1和无线信道特性可得距 (1)协调器节点:接收从信标节点发送的信标节点 离与信号发收功率之间的关系如公式(1)所示,其中Pr 坐标信息和RSSI数据,并转发给控制台。 为信号发收功率,R为距离,A可为信号传输1m远时接 (2)信标参考节点:按照特定次数接收ping数据包 收的功率,n为传播因子 。 并将Ping++回应发送给移动未知待测节点,接收从移动 Pr(dBm)=A一10*nlgR (1) 未知待测节点发送的ping数据包,由此测量并采集与其 无线信号在近距离的传播过程中信号衰减相当厉 移动未知待测节点对应的链路RSSI值。 害,远距离则信号呈缓慢线性衰减;在干扰较小的情况 (3)未知移动待测节点:申请加人ZigBee车站无线 下,传播因子n值越小,信号传播距离越远,无线信号的 网络;检测并记录相邻最近的三个信标参考节点网络地 传播曲线越接近于理论曲线,基于RSSI的测距就会越 址;向之前检测得到的相邻最近三个信标参考节点发送 精确,同时在距离为10—40m范围内,RSSI(接收信号强 特定次数的ping数据包,并等待接收对应的响应Ping++ 度指)区分度更明显翻。基于上述原理,有了简化的距 数据包。 离d与RSSI的关系,如公式(2)、(3)所示嗍: 节点主要有节点RSSI采集模块、定位信息传输模 RSSI=Pr-40.2-10.2・lgd,d≤8m (2) 块、网络管理模块三部分组成,具体如下: Pr=一50.8—10.3・lgd,d>8m (3) (1)节点RSSI采集模块:本模块位于信标参考节点 2.4 RSSI测距算法的高斯模型优化 和移动未知节点上,移动未知节点即挂车上安装的节 RSSI是指示当前介质中电磁波能量大小的数值, 点,信标参考节点即在场站内合适位置选取的固定节 单位为dBm,RSSI值随距离增加而减小,信标节点可以 点,用于推算未知节点的位置。 通过RSSI值计算出未知节点与它的距离。 (2)定位信息传输模块:本模块位于各个节点上,主 通过研究发现对于实际测量的RSSI有一个随机分 要任务是通过一定的路由选择算法进行数据转发,为信 量X。,即实际测量的数值在一个相对稳定值附近变动, 并得出以下简化高斯模型,如公式(4)所示 : 一81一 技术与方法 Pr=Pt+x0 (4) 物流技术2017年第36卷第4期(总第367期) 点的RSSI值,并已经高斯函数优化处理,通过信道模型 其中,Pr服从高斯分布,即Pr—N[m,盯],密度函数如 得到两点之间的距离,分别以R1、R2、R3距离半径设置 公式(5)、(6)和(7)所示 : ㈨=— :e  ̄信号覆盖圆形区域,再将其转换加强型的距离信号覆盖 /2q'r (5) 模型,以内切圆作矩形得到信标节点间信号覆盖交集, 最后将矩形交集进行质心坐标计算便得出未知节点的 模糊精度位置完成定位,得到未知节点P的坐标,矩形 定位原理如图3所示。 m: n ::(6) —i-m)2 ZT=l(X—(7) n—l 其中,置为第i个接收信号强度值,n为信号次数。 一个节点在同一位置可能收到n个RSSI,其中会存 在着小概率事件,导致计算距离产生误差。高斯模型将 选取高概率发生区的RSSI值,然后再求几何均值,这种 做法能降低一些小概率、大干扰事件对整体测量的影 响,也就相对增强了定位信息的准确性 。当高斯分布 函数值在0.5—0.6,可以认为是正常的RSSI值,由高斯分 布函数可解出对应的RSSI值可取范围。 2.5三边测量定位计算方法和Bounding inbox 定位算法 (1)三边测量定位计算方法,由几何知识可得,在一 距离,可以确定该点的坐标,假设未知节点坐标是x,y), 信标节点坐标分别为Pl(xl,y1),P2(x2,y2)…,Pn(xn,yn), 未知节点到信标节点的距离分别是r1,r2…,rn,可得计 算公式,如公式(8)所示: 图3矩形定位原理 个二维空间中,当知道一个点到3个或3个以上节点的 3场站外挂车定位系统 随着卫星导航技术和计算机技术的发展,几乎所有 的载货汽车上都已经安装了导航设备,随着我国北斗导 航技术的不断完善,每一辆牵引车上都可以配一部北斗 导航系统。将挂车、牵引车信息相连,利用牵引车上的 定位系统为挂车定位成为一种理想的选择。 :: 丽厩 砑r3=、 砑、 r =、  (8) 3.1 牵引车监控中心系统设计与实现 建立一套甩挂运输企业车辆监控系统,该系统原理 如下: ; r =、 j GPS车辆监控系统由监控中心系统、GPS车载终 由式(8)可以得到大概的未知节点的坐标,为提高 端、3G无线通信系统以及后台服务器4部分组成。监 控车辆通过车载GPS接收卫星数据,经3G无线通信技 术和Intemet网络将车辆定位信息传输到监控中心的服 定位精度,可采取最小二乘法来计算未知节点坐标。 (2)Bounding inbox定位算法,Bounding inbox定位 算法由加州大学伯克利分校的Semic等人提出。该算 务后台,服务器端软件对定位信息解析后存储在数据库 法把求解二次方程组的问题简化为求解一次方程问题, 中,监控中心通过Web Service访问数据库,在GIS平台 避免了复杂的最小二乘法,从而减少了计算开销。 上显示车辆的轨迹,以实现对车辆的监控[61。随着我国 在此算法中,重新调整了信号覆盖区域,变圆形为 北斗导航系统的发展,为提高系统安全性,决定采用北 矩形,在矩形区域里都默认可以接收到节点信号。对于 斗导航系统,而不是GPS。 具体的实际场景,当三个信标节点P1,P2,P3布置好之 车辆监控系统是整个车辆调度系统的中心,是调度 后,进行的具体操作如下:信标节点依次接收到未知节 人员的管理平台,可以在电子地图上显示车辆的位置, 一82一 郭 :梁, :J 托运输的挂1 定f 躲 系统 i 还l叮以…1 裁终端发送jJII;_l度命令,j二 包括( 『s功能模 块、 辆舱控模块、数捌I :川 模块和I系统管删模块4个 部分 如罔5所示 、 技术与方法 3.2挂车与牵引车的信息匹配 住牵引乍监控系统的建芷 ,为r  分牵引车,I记 录牵引车的基本信息,也会住牵引车_J 安装电子标签, 该电子标签记录牵引车 悱 作、l 人员完成牵引车 露 禽 图5车载仪信息传输流程 装挂作、 以后,作业人员川lIJ 浏汝 读收牵引4=.和 1i的 息,表示牵引车f1I 1 连接完毕,此时该挂乍 的 他n此牵引车绑定,控制审将 辆雌摔系统I{】牵 ,』I 1 的位 息作为该扎1 的化 息.作业流程『殳】如 4所爪 图4挂车与牵引车的信息匹配作业流程 4挂车其他属性的获取 4.1硬件要求 ①挂乍一J 安装电子标签,能检测温度、湿度、倾角、 』JJ】速度、娴雾等变 的传感器,传输模块等;②场站进 』I安装IU r标掺读 ¨装 ;⑧¨九 写阅汝器;④牵引车 j 发装1 哉仪 4.2实现的基本原理 电f 签陵f¨装置rl1人线、馈线、主机等组成,其基 小功能足 电子标签随挂乍 ・定的速度范I书11人J通过 J _![:发灭线时,准确地读j{;'It 标签tf 的信息, 传送 纠 制f¨处理系统 、在挂乍进站_{、f,安装 场站进m口 的I也了标签泼取装氍泼取 息,将 年进站的信息 求人数据J 挂1 入站以 将进行一系列作业,如摘挂、 卸货、 货等 作、 人员#-if 、 以 J_}J可渎写 泼 将 陔 新脯性输入电了标签,行将最新属性传输到控 制,II心 挂1_II ngf ̄-感没备榆测挂车的各种状态,将信息通 过近距离他输摸块传输到伞『jJ/} 1 戴仪J:, 载仪冉将 信息通过I州络传输到控制r 乍载仪信息传输流程 5数据库设计及基于C/S架构的查询系统设计 5.1 首页设计 网贝的没汁嘤本着简明的原则, 力_f 洲 咖 挂1 .婴厅便货主金询货物。 实现  ̄iIII.dj能的 础 f ,『IJ‘以 传企、 义化,方便客户反映川题 使J{_J}发系 统的川,r 需 进行沣册,系统要能够I 分川 址州度员 还灶货; ,“衍物 ”供货士使川,“ iifJ一览农” 供删 i仗川』l 5.2“货物查询”设计 货土 查询货物 息fl'J,4候 、 __..货物企洵”,存 “货物 咖”贞面巾输入自己货物的编 ,就lIJ 以看到自 已的货物情况,货物 询结果如罔6所示、 黝 {}々I二. 0l_! ^: 您 f譬整的客 } 您的赞橱蝙碍 货章势名稚 位嚣 牵弓I率哞牌 徒垮蝙母 98765432 1 39 ++十 常 ¨4 ’23456 图6货物查询结果 5.3“挂车查询一览表”设计 jJ{;』_度员登求成功后,点击“挂车 、fIJ一览表”就可以 进入 ,看到挂乍信息 挂车信息查询结果 1 : 表1挂 信启、查向结 /l-编 . jI/I:●・ 发货人 收货八 货 称 始发站 终I I^I1 似’I、 状态 ()ODO】 尤 女 I|JI 1 池 f 哲 00002 f0 B 丰{ 女 女 途 I 0000:j f l { { 女 途 I ()000,l fq-B} ¥ 途 ll:常 00005 Ij车半牛半 途 【}-常 6结语 陔系统设i.I‘利H1的技术都是同内发腮卜分成熟的 技术,Ifii l{_歼发建设成本低,具有广阔的 用前景~ 如 果该系统能够在大范周内应用,将有利于提高我周甩挂 运输的信息化水半,实现对挂车的位置(下转第111页) 一83— 刘宏伟:铁路平车装载问题模型及算法 (4)把装备装载到现检查平车上,并把原平车剩余 换长减去装备换长的值赋于现平车装备换长; (5)换下一个平车,跳至4; —一№xt Fit算法 k 技术与方法 Fi】 =st Fn算法+Best Fit算法 ~‘● 、  . —\ (6)装载结束。 5三种算法的综合比较分析 利用平车装载算法演示软件得到的结果见表1。 表1平车装载算法演示软件结果 装备数量 85 80 75 70 65 60 k~ 85 80 7 5 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 1 5 装备数量 Next Fit算法 47 45 44 40 37 33 First Fit算法 39 38 38 33 31 28 Best Fit算法 40 38 37 33 31 28 图4算法综合比较 平车装载最多的装备。 6结论与展望 本文首先根据铁路军事运输的要求,分析了建立铁 路平车装载问题模型的必要性和可行性,在此基础上初 步建立了铁路平车装载模型,对建模所需的算法进行了 设计,并对模型建立时采用的一些算法进行了分析,有 以下结论:(1)建立铁路平车装载问题的模型是必要的, 也是可行的;(2)在铁路平车装载问题模型的研究过程 55 50 45 40 35 30 25 20 l5 30 30 25 26 24 21 19 16 14 11 9 25 26 24 21 19 16 14 l1 9 平车数量 27 ∞ 加 ∞ 23加 m 0  20 17 14 11 9 中,BF算法、FF算法、NF算法可以得到很好的应用;(3) 经过初步的研究,BF算法比较适合用来解决平车装载 问题。 [参考文献】 由图4可以看出,在相同数量和类型的装备的情况 下,使用First Fit算法和Best Fit算法所用车数较少。 Best Fit算法的结果都比较优秀。但是根据Best Fit算 法的思路,最后得出的结果的平车所有未占用的换长之 1】井祥鹤,周献中,徐延勇,等.铁路输送中平车装载问题的模型 根据上一部分的数据,可以看出First Fit算法和 [与算法[J】.计算机工程,2006,(9). [2]井祥鹤,周献中,徐延勇,多型号平车装载问题的混合遗传算 法IJ1.铁道学报,2006,(1 2). (13). 和是最小的,比较适合铁路平车输送的目标一用最少的 [3]刘辉.装箱问题的概率近似算法[J].科学技术与工程,2007, (上接第83页)及状态信息进行实时的追踪管理,方便 对挂车的集中管理和调度,使货物的状态能够得到及时 J:Prentice Hall,1999. 【3]张洁颖,孙懋珩,王侠.基于RSSI和LQI的动态距离估计算 法fJ].电子测量技术,2007,30(2). 的反馈,对运输公司、客户及司机等,都将带来极大的便 [41qc福豹,史龙,任丰原.无限传感器网络中的自身定位系统和 利。该系统更有利于企业节省成本,满足国内目前甩挂 算法[J].软件学报,2005,16(5):1 148—1 157. 5]颜理.基于ZigBee技术的铁路车站集装箱定位系统的研究 运输的可视化需求,从而提高道路运输的服务质量,降 [与设计[D]成都:西南交通大学,2009. 低我国的物流成本。 【参考文献】 [1]Rappaport T S.Wireless Communications Princip les and Practice[M].Englewood Cliffs,NJ:Prenice2Hall,1996. [2]Berton IH L.Radio Propagation for Modem Wireless Systems[M]. [6]吴吴,刘岩,吴北平.基于天地图的GPS车辆监控中心系统设 计与实现[J]地理空间信息,2015,13(1):43 [7]赵东保,盛业华.全局寻优的矢量道路网自动匹配方法研究[J】. 测绘学报,2010,39(4):416—421. ..111.. 

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