移动目标信息管理平台

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移动目标信息管理在城市信息及物流系统中占有非常重要的作用，它的关键技术是多目标连接管理、数据库连接池和万维网数据表达等。移动目标信息管理平台可以同时接受多个移动目标的大数据量的实时跟踪、历史回放等任务，并表现出较好的性能。

移动目标的信息管理是当前结合GPS、GIS的一大发展方向，移动目标的信息管理是LBS（Location-Based Service）的主要表现形式，它通过移动终端和移动网络的配合，确定移动物体的地理位置、速度和状态等信息，并提供给用户，因此也是一种新型的移动通信与导航结合的增值服务。网舟咨询预测全球LBS市场规模在未来几年将呈现平均80％增长率的快速成长，至2009年将接近210亿美元，而移动目标定位与信息管理的物流系统则是LBS在人们日常生活中最重要的应用之一。LBS系统一般由空间定位平台、LBS管理、信息传送等几部分组成，其主要功能是应用GPS等定位方式，通过GIS提供的电子地图，辅助MIS系统的管理功能，完成移动目标信息管理等一系列操作。

总体设计

1.主要功能

移动目标信息管理平台的主要作用是通过对移动终端的位置等信息进行管理，实现对多个移动目标的信息进行管理、调度的目的。一般来说，移动目标信息管理平台应该在基本电子地图显示的基础上，实现对不同移动目标的实时位置跟踪和历史记录回放，并根据对数据库的信息查询和分析，实现移动目标的实时通信、实时调度以及信息的统计报表等基本功能。

由于移动目标主要通过无线网络（GSM或GPRS网络等）将其位置等信息发送至信息中心的服务器信息接收端，而信息中心需要通过实时通信服务器接收大量来自不同移动目标的信息，因此，系统平台需要提供多种连接方式，并能够同时对大量移动目标的信息进行管理。此外，鉴于系统平台需要随时对不同移动目标的信息进行接收管理，而这些需要大量的数据库操作，因此需要实现更为灵活的数据库连接池机制，并保证系统运行的稳定性。

2. 软件结构

整个软件平台分为五个层次，其中，基础层主要是用于系统平台正常运行的软硬件资源，以及操作系统及网络环境; 数据层是指系统中涉及的各种数据资源及其数据组织形式，包括电子地图数据、移动目标的实时数据与历史回放数据、移动目标属性数据等; 服务层则是指系统对外服务的表现模式，它需要既考虑到下层数据层不同数据的不同特点，又要考虑到系统的不同实现模式，并采用XML方式进行数据表达与传输，包括各种数据服务、网络控制、任务调度等，同时，需要实现与底层数据库连接池的连接; 实现层主要是指服务层的实现过程，需要实现网络数据与消息的优化传输，并通过接口调用方式实现对客户端服务; 应用层是系统的最顶层，负责完成与用户交互的各种移动目标管理功能。

3. 体系架构设计

根据系统软件层次结构，系统平台对其服务流进行了定制，移动目标通过无线网络发送（如当前速度、方向等）或接收（如调度命令等）信息，并经由服务层及实现层部分实现信息的管理与服务（图1）。

图1 移动目标信息管理系统整体流程图

系统对移动目标的各种信息管理过程中，最主要的实现过程是: 移动信息发送端通过无线网络（GPRS/ GSM）实现信息的发送（或接收），再通过无线网络与Internet网络交换数据并转换数据流，数据流经分析后通过数据库连接池实现移动信息的入库过程。当客户端需要对移动目标相应信息进行显示与表达时，其主要的实现过程是: 一方面，当系统需要对移动目标的实时数据进行显示时，会将移动信息发送到连接池的数据缓存直接进行显示; 另一方面，当系统需要对移动目标的历史数据信息进行显示与管理时，需要通过连接池从数据库中对移动目标的历史数据进行获取或统计，再对相应数据直接显示。数据的显示过程通过Web Service远程信息提供体实现，并将数据提供给客户端的监控软件，这种方式符合OGC的数据网络化表达的推荐标准，同时Web Service也易于实现基于XML方式的跨平台、跨系统、跨软件等的数据通信服务。

关键技术分析

移动目标信息管理平台的实现过程包括多个部分，其中与用户交互的主要部分有电子地图、信息管理和统计分析的相应功能，因此，电子地图是移动目标信息管理平台的一个重要组成部分。除此之外，考虑到系统平台需要同时对大量移动目标的信息进行管理，并需要随时通过数据库对相应信息进行存储与分析，以及需要基于万维网的数据信息传输，系统平台的实现主要依靠三个关键技术。

1． I/O完成端口: 用于并发接收多TCP连接数据。

移动目标的各种信息在通过无线网络传输至移动交换中心后，再转换成基于有线网络的各种移动目标信息，这些移动目标信息（数据）可以以两种方式传输至系统的数据库连接池，一种方式是基于TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）方式，另一种方式是基于UDP（User Datagram Protocol，用户数据包协议）方式。基于TCP方式的方法具有连接可靠、确保数据的真实性等优点（如果数据传输过程数据丢失，也可以由系统中的日志进行完好记录并便于处理），但由于系统实时通信服务器需要为每一个移动目标都预留一个数据接收端口，因而一台服务器所能够监听的移动目标数目是有上限的，当系统中的移动目标较多时，系统必须增加大量的实时通信服务器以保证数据的正常接收; 基于UDP的方式虽然不能保证数据的完整性或安全性，但可以减少系统的负担。因此，系统预留了两种通信方式，由用户根据实际需要进行选择，对于安全性要求较高的可以采用TCP方式，较低的则可以采用UDP方式。

当系统平台需要对多个移动目标进行基于TCP方式的信息监控时，需要耗用大量的资源对相应的连接进行管理，系统实时通信服务器可以采用多线程的方式进行实现。然而，当同时处理大量并发的客户请求时，就意味着很多线程并发地运行在系统中，而所有这些线程都是处于运行状态的（没有被挂起或等待事件的发生），所以系统内核将花费大量的时间用于切换运行线程的上下文环境（Context），线程无法得到足够的CPU时间来完成它们的工作。这种并行模型的瓶颈在于它为每一个客户请求都创建了一个新线程，尽管创建线程比起创建进程的开销要小，但也不是没有开销的。针对这种情况，系统会事先开启若干个线程，并将这些线程阻塞，然后将所有用户的请求都投递到一个消息队列中去，而这些线程从消息队列中逐一取出各消息并加以处理，就可以避免针对每一个用户请求都开启一个独立线程的消耗。这样不仅减少了线程占用的资源，也提高了线程的利用率。以上问题是由一个称为I/O Completion Port的系统内核对象来解决的，它是完成端口的实现模型。

2. 数据库连接池: 用于高效实现各种数据库操作。

在移动目标信息管理平台的实现过程中，由于系统需要对大量的移动目标的信息进行存储与管理，而不同移动目标通过无线网络向系统所发出的信息频率也不同，因此一般来说，系统必须保持与移动目标的长期通信连接，并将其信息定期或不定期地存储至数据库中去。系统平台的实时通信服务器与大量移动目标的连接由完成端口负责完成，而系统平台的实时通信服务器与数据库的连接则由数据库连接池负责完成。

所谓数据库连接池（Database Connection Pool），实际上是指事先分配好的一定的数据库连接的缓冲池，在数据存储至数据库存储过程中，主要的步骤是数据库连接打开、数据存储、连接关闭的过程，而数据库打开与关闭的过程则都需要占用大量的数据库资源，因此，如果能够大致确定数据库的连接高峰并事先分配好相应的连接，在数据需要存储至数据库中时则使用此连接，不需要时则把相应连接放回至连接池而并不关闭，可避免因连接频繁而造成的大量资源浪费，这就是数据库连接池的主要工作原理。

一般来说，各种商用数据库（如SQL Server）已经实现了数据库连接池功能，但由于其不容易被控制，在不同需求中无法根据需要进行配置，因此可以实现系统自身的数据库连接池。在本平台中由于是基于Windows系统平台的，所以采用Windows操作系统中高效的分布式中间件组件工具――COM/COM+进行实现; 同时，COM很容易与Web Service结合并形成功能强大的分布式数据平台，结合客户端的移动目标的信息管理、显示、统计等功能，便可以形成功能强大的数据库连接管理工具，能够很好地为系统的正常运行提供保障。

连接池的实现原理如图2所示，连接池在初始化后分配连接池的数目，以确定可以同时接收的连接个数，多于此数目的连接申请将在队列中等待。连接池的主要功能实现是通过三个COM+组件的: GPS数据操作组件、数据库操作组件、数据库连接组件组成。其中，GPS数据操作组件负责接收移动终端的各种信息，数据库操作组件负责数据库中的各种操作，数据库连接组件负责与系统数据库进行连接与连接池的初始化工作。

图2 连接池实现原理与过程图

3. Web Service: 用于万维网数据管理与传输。

当系统的客户端与系统的服务器端位于同一个局域网内时，客户端与服务器可以通过COM+通信方式; 当客户端与服务器端位于Internet上时，由于COM+无法很好的穿越防火墙进行数据传输，因此系统中采用OGC的数据表达推荐标准――Web Service方式实现数据交换。

Web Service对系统数据库连接池实现的三个组件分别进行了接口封装，并实现了三个相应的接口: IGPSService、IDBOperation、IDBConnection。其中IGPSService接口负责系统中的数据接口工作，实现数据的接收、客户端的批量数据获取等功能; 接口IDBOperation负责系统中的数据库操作，实现用户角色的检查、数据的组管理、数据库的统计分析等功能; 接口IDBConnection负责系统中的数据库连接，实现底层的数据库连接池及不同类型数据库的动态连接切换等功能。

系统效果分析

某物流公司的部分车辆的信息管理就采用了此平台，系统环境如下: 服务器操作系统为Windows2000，采用COM+方式实现数据库连接池并进行SQL Server数据库的连接。经测试，一台实时通信服务器可以同时负责1000～2000个TCP连接，其中每个移动终端与服务器为一个连接，连接测试环境为1～10秒间的一个随机数据发送/接收。测试结果表明，系统能够同时对大量移动终端服务（测试系统中一台服务器可同时对超过300辆车同时进行监控），通过COM+连接池实现数据收发，并通过Web Service实现万维网的数据服务。

作者简介

骆剑承: 博士，研究员，从事遥感空间信息处理与分析技术研究 ，包括多尺度空间数据挖掘研究、遥感信息智能处理、空间计算等。提出了基于基元特征的遥感信息提取和目标识别方法 ，设计开发了面向网络的空间数据处理分析与服务平台。