CN114640673A - 一种基于边云协同的大型车辆管理系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于边云协同的大型车辆管理系统，包括边缘设备、云服务器和远程主机；远程主机向云服务器发送连接请求，在通过身份验证后建立起稳定的双向通信链路；边缘设备包括车载摄像头、4G模块、GPS模块以及边缘计算设备，其中，边缘计算设备与车载摄像头、4G模块、GPS模块之间用线缆建立物理连接。边缘计算设备通过车载摄像头获取当前司机的人脸信息，用GPS模块获得当前车辆的位置信息，通过4G模块将计算后的数据发送到云服务器，用户通过远程主机访问云服务器实现远程的监管操作；云服务器包括Web界面、数据存储子系统、辅助管理子系统以及节点通信子系统。本发明将车辆的实时运行状态用可视化手段显示，提高对车辆以及司机的监管效率。
Description
技术领域
本发明涉及及物联网通信技术领域，具体涉及一种基于边云协同的大型车辆管理系统。
背景技术
随着我国综合国力的不断增强以及工业制造水平的逐步提升，交通运输已成为我国科技创新的重点领域，是提升我国科技竞争力和综合国力的重要途径。同时，交通运输也促进着宏观经济的增长，在许多行业中催生出了多种专用的大型车辆，大型车辆在高速公路上的占比也在逐年递增，为我国经济发展注入了强劲的动力。如今正值汽车行业智能化的快速发展阶段，越来越多的技术融入到了汽车行业中，构建智能车辆监管系统也成为了世界车辆工程领域研究的热点。相较于传统的人员监管方案，智能车辆监管系统融合了车联网、计算机视觉、GPRS等技术，能为司机提供综合的安全性服务以加强对于重点车辆和司机的管理，同时为企业提供远程的监管服务以提高企业生产效率，是提升道路交通安全、改善通行效率的有效途径。
为了实现上述目的，各种车辆管理系统被研究、开发。徐琳提出了一种基于物联网的运力车辆管理系统(徐琳.一种基于物联网的运力车辆管理系统[P].中国专利,CN113470434A,2021-10-01.)，实现了对驾驶人员以及车辆行驶路线的监控与管理以及车辆行驶数据的存储，但是存在司机端和云端对车辆行驶数据查阅不直观的问题。洪军寅提出了一种基于Lora WAN网络的运输车辆位置与时间实时反馈系统(洪军寅.基于Lora WAN网络的运输车辆位置与时间实时反馈系统[P].中国专利,CN113032505A,2021-06-25.)，该系统能实现对当前车辆的运输轨迹以及货物装载情况的监控。但是以上两种系统都将不能将真实车道得检测信息和道路的导航信息相结合，生成一种图像导航信息模型叠加在真实车道画面上。
发明内容
本发明克服现有技术的上述问题，提出一种基于边云协同的大型车辆管理系统。
本发明的一种基于边云协同的大型车辆管理系统，包括边缘设备、云服务器和远程主机。
所述远程主机向云服务器发送连接请求，在通过身份验证后建立起稳定的双向通信链路；所述边缘设备包括车载摄像头、4G模块、GPS模块以及边缘计算设备，其中，边缘计算设备与车载摄像头、4G模块、GPS模块之间用线缆建立物理连接。边缘计算设备通过车载摄像头获取当前司机的人脸信息，用GPS模块获得当前车辆的位置信息，通过4G模块将计算后的数据发送到云服务器，用户通过远程主机访问云服务器实现远程的监管操作。
所述云服务器与多个边缘设备建立连接，同时接收不同边缘设备的连接请求，接收车端边缘计算设备上报的数据并下发控制指令；所述云服务器包括Web界面、数据存储子系统、辅助管理子系统以及节点通信子系统。其中，Web界面接收辅助管理子系统发送的数据并显示，同时把用户在界面输入的数据下发到辅助管理子系统进行处理；辅助管理子系统在与Web界面数据交互的同时，会把需要存储的数据发送到数据存储子系统，且根据需要从数据存储子系统中获得对应的数据；节点通信子系统与边缘设备建立数据链路并与辅助管理子系统数据交互，实现辅助管理子系统与边缘设备之间的数据传输；
Web界面，主要用来显示当前监管车辆的车辆信息，以及当前车辆的运输任务调度情况，注册司机的身份信息时输入司机身份信息，在屏幕上输入车辆行车路径并保存；
数据存储子系统，云服务器通过网络连接接收边缘设备上传的设备数据、车辆运行数据以及用户数据，数据存储服务通过数据库读写技术将上述数据存储到设计好的数据表中，支持后续的数据查看与调用；
辅助管理子系统，包括身份认证模块、车辆调度管理模块以及车辆轨迹管理模块；
身份认证模块，分为身份注册单元以及身份对比单元。身份注册单元，需要注册司机的身份信息时，从云服务器的Web界面输入司机面部照片以及身份信息便完成注册。输入完毕后，云服务器将照片下发到边缘计算设备并调用预留的推理接口获得人脸坐标和特征向量信息，存入云服务器的MySQL数据库中以便身份对比时使用。身份认证单元在司机启动车辆执行任务前对司机身份进行验证，启动时云服务器处理边缘计算设备的连接请求，向边缘计算设备发送当前车辆的司机信息。待边缘设备完成身份对比后，身份认证单元接收边缘设备的比对信息，并在Web界面中输出；
车辆轨迹监管模块，系统中的车辆轨迹管理模块是基于GPS定位技术实现的。在云服务器引入腾讯地图服务API为系统提供位置服务，用Vue.js的组件构建前端车辆轨迹监管页面，对车辆的行驶轨迹、实时位置和时速等行车数据进行可视化监控。同时由云端监控中心提供位置服务，根据安装在每辆车上边缘计算设备定时上报的经纬度位置信息实时计算路径信息，同时将导航指引信息下发至边缘计算设备。所构建的云端管理中心对注册车辆的行车信息进行监控，并提供位置服务，还包括：
1)位置监控：实时接收边缘计算设备上报的坐标以及速度，并在地图中实时更新小车图标以及轨迹信息；
2)信息交互：点击地图上的小车图标可以实时展示车辆信息，包括车辆状态信息、位置信息、司机信息等；
3)任务管理：在地图组件中点击货车图标选中目标车辆，派发司机、绑定运输任务，提供目的地坐标、下发规划的路径等；
4)轨迹记录和复现：实时记录路径信息，并持久化，并提供路径导入和复现历史路径的功能。
车辆调度管理模块，是云服务器根据道路情况在行车过程中为司机提供路径导航功能。监管人员根据道路信息在Web界面制定好车辆的行进路线，车辆调度模块调用腾讯地图的路径规划API来获取当前行进路线的数据信息。云服务器将上述数据下发给边缘设备，边缘设备从云服务器发送的报文中解析出路线的数据信息以实现路径导航；
节点通信子系统，包括远程调度模块以及远程接入模块；
远程调度模块以RPC框架为基础来实现在不同设备上运行的进程间互相通信的功能。以C/S架构建立RPC服务端和客户端，系统将服务端部署在云服务器上，客户端则部署在边缘计算设备上。在服务端正常运行的过程中，创建多个协程来同时接入多个边缘计算设备，每个协程独立处理客户端的连接与请求，为保证更好地利用服务端的内存资源，该单元开辟了协程池来限定协程的开辟。
远程接入模块，考虑到每辆待监管车辆都是一个独立的局域网，局域网内的边缘计算设备没有独立的IP地址，无法与云服务器之间进行点对点的通信。该单元是为了云服务器能接入边缘计算设备，采用了反向代理技术以C/S结构设计服务端和客户端，分别部署在云服务器和边缘设备上。当边缘设备上电后，客户端会主动连接部署在云服务器的服务端，实现云服务器对车辆上的局域网环境的穿透，从而实现边缘设备与云服务器的网络连接。
优选地，4G模块的型号为移远EC20 4G SIM卡模块，GPS模块的型号为Air530。
所述的当前监管车辆的车辆信息，包括行驶轨迹、实时位置、时速。
所述的当前车辆的司机信息，包括面部特征信息、身份文本信息。
所述的当前行进路线的数据信息，包括线路方案、线路总距离、方案估算时间、线路坐标点串、线路步骤信息以及路况信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用了边云协同的方式设计车辆监管系统实现对车辆以及司机的监管。系统搭建了一种边缘设备实现对传感器的数据采集、处理以及与云服务器的数据交互；设计了一种部署在云服务器上的监控中心，接收边缘设备上报的数据的同时，将车辆的行驶轨迹、任务调度情况以及驾驶人员信息用可视化的手段进行显示，提高对车辆以及司机的监管效率。
附图说明
图1是本发明的系统总体架构图。
图2是本发明的云服务器框图。
图3是本发明的人脸相似度对比流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实例做进一步详述：
如图1所示，一种基于边云协同的大型车辆管理系统，包括边缘设备、云服务器和远程主机。边缘设备包括车载摄像头、4G模块、GPS模块以及边缘计算设备，其中，边缘计算设备与车载摄像头、4G模块、GPS模块之间用线缆建立物理连接。车载摄像头用于采集司机的人脸信息，并将采集的图像信息发送给边缘计算设备进行处理；4G模块用于边缘设备与云服务器建立稳定的双向通信链路，为后续的数据传输构建好传输通道；GPS模块用于获取当前车辆的经纬度数据，并将当前的位置信息由边缘计算设备通过已经建立的网络通信链路发送到云服务器的车辆轨迹管理模块。云服务器与多个边缘设备建立网络连接，并将双向通信链路存到连接池中，同时监听远程主机的接入请求，在通过身份验证后建立起云服务器与用户主机之间的双向通信链路。远程主机通过访问云服务器的公网IP对云服务器发起连接请求，在建立起网络通信链路后，用户通过远程主机访问云端实现远程的监管操作。
所述云服务器框图如图2所示，包括Web界面、数据存储子系统、辅助管理子系统以及节点通信子系统。其中，Web界面接收辅助管理子系统发送的数据并显示，同时把用户在界面输入的数据下发到辅助管理子系统进行处理；辅助管理子系统在与Web界面数据交互的同时，会把需要存储的数据发送到数据存储子系统，且根据需要从数据存储子系统中获得对应的数据；节点通信子系统与边缘设备建立数据链路并与辅助管理子系统数据交互，实现辅助管理子系统与边缘设备之间的数据传输；
Web界面，主要用来显示当前监管车辆的行驶轨迹、实时位置、时速等车辆信息，以及当前车辆的运输任务调度情况。其他功能还包括司机身份信息的注册、车辆行车路径规划等；
数据存储子系统，云服务器通过网络连接接收边缘设备上传的设备数据、车辆运行数据以及用户数据，数据存储服务通过数据库读写技术将上述数据存储到设计好的数据表中，支持后续的数据查看与调用；
辅助管理子系统，包括身份认证模块、车辆调度管理模块以及车辆轨迹管理模块；
身份认证模块，分为身份注册单元以及身份对比单元。身份注册单元，需要注册司机的身份信息时，只需管理人员从云服务器的Web界面输入司机面部照片以及身份信息便完成注册。输入完毕后，云服务器会将照片下发到边缘计算设备并调用预留的推理接口获得人脸坐标和特征向量信息，存入云服务器的MySQL数据库中以便身份对比时使用。身份认证单元则是在司机启动车辆执行任务前对司机身份进行验证，启动时云服务器处理边缘计算设备的连接请求，向边缘计算设备发送当前车辆的司机信息，包括面部特征信息、身份文本信息等。待边缘设备完成身份对比后，身份认证单元接收边缘设备的比对信息，并在Web界面中输出；
车辆轨迹监管模块，系统中的车辆轨迹管理模块是基于GPS定位技术实现的。在云服务器引入腾讯地图服务API为系统提供位置服务，用Vue.js的组件构建前端车辆轨迹监管页面，对车辆的行驶轨迹、实时位置和时速等行车数据进行可视化监控。同时由云端监控中心提供位置服务，根据安装在每辆车上边缘计算设备定时上报的经纬度位置信息实时计算路径信息，并将导航指引信息下发至边缘计算设备上。所构建的云端管理中心对注册车辆的行车信息进行监控，并提供位置服务，还包括：
1)位置监控：实时接收边缘计算设备上报的坐标以及速度，并在地图中实时更新小车图标以及轨迹信息；
2)信息交互：点击地图上的小车图标可以实时展示车辆信息，包括车辆状态信息、位置信息、司机信息等；
3)任务管理：在地图组件中点击货车图标选中目标车辆，派发司机、绑定运输任务，提供目的地坐标、下发规划的路径等；
4)轨迹记录和复现：实时记录路径信息，并持久化，并提供路径导入和复现历史路径的功能。
车辆调度管理模块，是云服务器根据道路情况在行车过程中为司机提供路径导航功能。监管人员根据道路信息在Web界面制定好车辆的行进路线，车辆调度模块调用腾讯地图的路径规划API来获取当前行进路线的数据信息，包括线路方案、线路总距离、方案估算时间、线路坐标点串、线路步骤信息以及路况信息。云服务器将上述数据下发给边缘设备，边缘设备从云服务器发送的报文中解析出路线的数据信息以实现路径导航；
节点通信子系统，包括远程调度模块以及远程接入模块；
远程调度模块以RPC框架为基础来实现在不同设备上运行的进程间互相通信的功能。以C/S架构建立RPC服务端和客户端，系统将服务端部署在云服务器上，客户端则部署在边缘计算设备上。在服务端正常运行的过程中，会创建多个协程来同时接入多个边缘计算设备，每个协程独立处理客户端的连接与请求，为保证更好地利用服务端的内存资源，该单元开辟了协程池来限定协程的开辟。
远程接入模块，考虑到每辆待监管车辆都是一个独立的局域网，局域网内的边缘计算设备没有独立的IP地址，无法与云服务器之间进行点对点的通信。该单元是为了云服务器能接入边缘计算设备，采用了反向代理技术以C/S结构设计服务端和客户端，分别部署在云服务器和边缘设备上。当边缘设备上电后，客户端会主动连接部署在云服务器的服务端，实现云服务器对车辆上的局域网环境的穿透，从而实现边缘设备与云服务器的网络连接。
如图3所示，是边缘计算设备的系统软件中关于人脸相似度对比的软件流程图。从图中可以看到，边缘计算设备首先会向服务器发起连接请求，在获得云服务器下发的对应车辆的司机信息后，调用车载摄像头获取到包含司机人脸的视频数据。在正确获得视频后，边缘计算设备调用人脸检测算法，结合视频中的坐标框截取图像，采用特征点识别方法对齐人脸图像，计算出当前司机面部的特征向量，最后计算云服务器下发的余弦距离来表示人脸的相似度。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (5)
1.一种基于边云协同的大型车辆管理系统，包括边缘设备、云服务器和远程主机；所述远程主机向云服务器发送连接请求，在通过身份验证后建立双向通信链路；
所述边缘设备包括车载摄像头、4G模块、GPS模块以及边缘计算设备，其中，边缘计算设备与车载摄像头、4G模块、GPS模块之间用线缆连接；边缘计算设备通过车载摄像头获取当前司机的人脸信息，用GPS模块获得当前车辆的位置信息，通过4G模块将计算后的数据发送到云服务器，用户通过远程主机访问云服务器实现远程的监管操作；
所述云服务器与多个边缘设备建立连接，同时接收不同边缘设备的连接请求，接收车端边缘计算设备上报的数据并下发控制指令；所述云服务器包括Web界面、数据存储子系统、辅助管理子系统以及节点通信子系统；其中，Web界面接收辅助管理子系统发送的数据并显示，同时把用户在界面输入的数据下发到辅助管理子系统进行处理；辅助管理子系统在与Web界面数据交互的同时，把需要存储的数据发送到数据存储子系统，且根据需要从数据存储子系统中获得对应的数据；节点通信子系统与边缘设备建立数据链路并与辅助管理子系统数据交互，实现辅助管理子系统与边缘设备之间的数据传输；
Web界面，显示当前监管车辆的车辆信息，以及当前车辆的运输任务调度情况，注册司机的身份信息时输入司机身份信息，在屏幕上输入车辆行车路径并保存；
数据存储子系统，通过网络连接接收边缘设备上传的设备数据、车辆运行数据以及用户数据，通过数据库读写技术将上述数据存储到设计好的数据表中，支持后续的数据查看与调用；
辅助管理子系统，包括身份认证模块、车辆调度管理模块以及车辆轨迹管理模块；
身份认证模块，分为身份注册单元以及身份对比单元；身份注册单元，注册司机的身份信息时从云服务器的Web界面输入司机面部照片以及身份信息便完成注册，输入完毕后，云服务器将照片下发到边缘计算设备并调用预留的推理接口获得人脸坐标和特征向量信息，存入云服务器的MySQL数据库中以便身份对比时使用；身份认证单元在司机启动车辆执行任务前对司机身份进行验证，启动时云服务器处理边缘计算设备的连接请求，向边缘计算设备发送当前车辆的司机信息，待边缘设备完成身份对比后，身份认证单元接收边缘设备的比对信息，并在Web界面中输出；
车辆轨迹监管模块基于GPS定位技术，引入腾讯地图服务API为系统提供位置服务，用Vue.js的组件构建前端车辆轨迹监管页面，对车辆的行驶轨迹、实时位置和时速等行车数据进行可视化监控；同时由云端监控中心提供位置服务，根据安装在每辆车上边缘计算设备定时上报的经纬度位置信息实时计算路径信息，同时将导航指引信息下发至边缘计算设备；所构建的云端管理中心对注册车辆的行车信息进行监控，并提供位置服务，还包括：
1)位置监控：实时接收边缘计算设备上报的坐标以及速度，并在地图中实时更新小车图标以及轨迹信息；
2)信息交互：点击地图上的小车图标可以实时展示车辆信息，包括车辆状态信息、位置信息、司机信息；
3)任务管理：在地图组件中点击货车图标选中目标车辆，派发司机、绑定运输任务，提供目的地坐标、下发规划的路径；
4)轨迹记录和复现：实时记录路径信息，并持久化，并提供路径导入和复现历史路径的功能；
车辆调度管理模块，根据道路情况在行车过程中为司机提供路径导航功能；监管人员根据道路信息在Web界面制定好车辆的行进路线，车辆调度模块调用腾讯地图的路径规划API来获取当前行进路线的数据信息；云服务器将上述数据下发给边缘设备，边缘设备从云服务器发送的报文中解析出路线的数据信息以实现路径导航；
节点通信子系统，包括远程调度模块以及远程接入模块；
远程调度模块以RPC框架为基础来实现在不同设备上运行的进程间互相通信的功能；以C/S架构建立RPC服务端和客户端，将服务端部署在云服务器上，客户端则部署在边缘计算设备上；在服务端正常运行的过程中，创建多个协程来同时接入多个边缘计算设备，每个协程独立处理客户端的连接与请求，为保证更好地利用服务端的内存资源，开辟了协程池来限定协程的开辟；
远程接入模块，为了云服务器能接入边缘计算设备，采用了反向代理技术以C/S结构设计服务端和客户端，分别部署在云服务器和边缘设备上；当边缘设备上电后，客户端主动连接部署在云服务器的服务端，实现云服务器对车辆上的局域网环境的穿透，从而实现边缘设备与云服务器的网络连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于边云协同的大型车辆管理系统，其特征在于：4G模块的型号为移远EC204G SIM卡模块，GPS模块的型号为Air530。
3.根据权利要求1所述的一种基于边云协同的大型车辆管理系统，其特征在于：所述的当前监管车辆的车辆信息，包括行驶轨迹、实时位置、时速。
4.根据权利要求1所述的一种基于边云协同的大型车辆管理系统，其特征在于：所述的当前车辆的司机信息，包括面部特征信息、身份文本信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于边云协同的大型车辆管理系统，其特征在于：所述的当前行进路线的数据信息，包括线路方案、线路总距离、方案估算时间、线路坐标点串、线路步骤信息以及路况信息。
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