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摘要：随着我国信息技术的不断发展，云计算已经逐渐应用在社会生产研究的各个方面，实现了各行各业生产管理模式的创新。本文结合云计算技术的应用优势，基于车载数据回传系统的功能需要 ，从数据搜集、传输、存储、展示以及数据安全性等方面进行研究，设计了基于云计算技术的车载数据回传系统，通过在车载端部署相应的ROS节点，实现对车辆其他节点的同步搜集，完成搜集后直接发送至云平台中进行数据的分析处理，分别用 MQTT 物联网通信协议和RPC 远程过程通信技术进行数据消息与图像的传输，并分析了数据的搜集、传输、安全性、存储方式以及数据可视化的实现途径，证实了本文研究的车在数据回传系统实现的可行性，以期能为相关行业的发展提供有效参考。

关键词：云计算；车载数据；回传系统；设计与实现

引言：

云计算技术的出现为各类系统提供了更高效的计算读取、数据存储以及各类信息服务。车载数据记录和反映了车辆在运行中的状态以及发生时间，能应用于检测车辆运行状态、运行信息，及时发现车辆运行中产生的安全问题。例如在机车运行中，通过车载数据的回传能在线上了解机车的运行状况，一旦发生非正常行车事故，可以通过回传的数据及时分析并指导相关工作人员进行及时应急处理，避免安全事故的扩大。将云计算技术应用在车在数据回传中，能根据回传的数据及时全面地分析出车辆在运行中出现的车辆故障、司机操作失误、非正常停车、汽车轴温异常、火灾等问题，有效提高对运行车辆的管理效率。数据回传系统常应用于飞机、公务机车以及其他特种作业车辆中，近年来随着我国社会经济的发展，对机车应用管理要求越来越高，我国针对机车数据管理工作研制了“中国机车远程监测与诊断系统（CMD 系统）”并在长期实践中成为我国主要的机车管理系统之一，但在数据回传方面，该系统并没有专用的数据回传通道，对各个车务段的机车数据获取不够及时，同时对数据处理不及时、处理不全面等问题依旧是机车运行管理的难点问题。本文结合云计算技术设计具有更高数据处理能力的机车车载数据系统，搭建了基于云计算技术的车载数据回传系统，以期能进一步提高我国机车管理效率，提高对车载数据的利用充分性。

1系统需求与总体架构

1.1系统需求分析

不同的车辆类型对车载数据回传与处理的需求不同。本文以铁路机务车为例，分析基于云计算技术的车载数据回传系统设计需求。首先目前的铁路机务段已经按照机务车运行需要建立了标准的无线通信网络，为机务车高效快速上传数据资源提供可能性，能实现对车载文件或车载记录等信息的无线高效传输，有效满足各个系统之间数据协调交换需要[1]。然而实际中机务车在机务段范围外进行工作的现象同样较为常见，例如进行非配属机务段进行整备作业等。基于此必须要想技术准确了解此类机务车的运行状态，必须对数据回传系统进行持续深入的优化，及时了解车辆运行状态，快速发现并处理机务车在实际运行中的故障问题。如何利用云计算构建安全高效、运行便捷、结果准确的数据回传通道，及时传输并分析机车在运行中产生的各类整备文件、机车故障问题以及各类数据文件， 是维护良好机车运行状态，提高机车运行安全性与稳定性的必要条件。

对云计算系统来讲，为了保证云计算车载数据回传系统中各类数据的高效便捷回传，首先需要建立标准的云环境PaaS层，在平台中完成 SaaS层中各项应用功能的构建，实现对数据的回传、整合、分析以及展示。机车的数据回传系统云计算平台需要满足以下两点功能：构建主流私有云处理平台，尽可能降低云平台搭建和后期维护的难度与成本，同时保证车载数据的搜集、传输、处理以及后期展示的规范性、标准化，满足数据传输速度和数据传输实时性。根据不同的数据类型针对性地采集数据[2]，以此保证数据传输的时效性。

1.2基于云计算技术的车载回传系统架构

本文研究的车载数据回传系统主要基于边缘云计算平台建立的数据回传系统，该系统能实现车载数据的低延迟传输、数据标准化分析处理以及后期对各类运行数据的可视化展示等功能，通过对车辆运行实际情况以及其对车载回传系统架构的功能需求进行分析，初步确定基于云计算技术的车载回传系统架构如表1所示。

2系统硬件架构分析

2.1车载传感器设置

车载传感器主要包含有摄像头、GNSS、激光雷达、CAN总线控制接口等，传感器通过接口与总控制设备相连，实现功能数据的互通融合。摄像头主要负责采集车辆运行信息，激光雷达主要采集车辆运行中产生的点云数据，GNSS采集车辆三维信息例如高度、偏航角度、高度、维度等。完成各类综合数据的采集后，利用总控制设备对数据进行整合并做出决策。CAN总线再将决策信息传输至车辆中，例如车辆刹车程度、方向盘掌握情况等车辆设备运行状况[3]。

2.2系统主机结构

车载数据回传终端的主机结构如表2所示。其主要用于完成各项数据的简单处理并将其回传到数据的监控中心，例如驾驶员信息、图片、视频、语音、车辆温度、车辆湿度等。其无线网模块为AP（accwss point），利用无线接口实现外接设备的数据接入。

主机核心木块为CortexA7，主要用于接收数据并上传至云数据控制中心，具有能效高、工作性能高等优势，能实现数据的简单处理以及对回传数据的定位。

车载终端的数据回传通信模块为GPRS/WCDMA/LTE 模块，主要用于将所有采集的车辆运行数据传输至云数据控制中心，通信模块型号为SIM7100E模块，具有极强的兼容性，技能支持WCDMA网络，又能兼容4GLTE网络，还能根据具体需要实现网络的切换。

主机中的BD/GPS 模块主要用于搜集整理车辆运行的定位信息，其芯片为芯星通公司的UM220-III，能同时实现两个频道的通信，定位能耗低、定位精度高[4]。

RTL8192WiFi模块则通过无线的形式实现数据和语音的传输，具有极高的安全加密性，能接入多个设备，能满足多个运行分析环境下系统扩展。

扩展模块的设计主要用于应对车辆运行中存在的通信盲区问题，能提供短波数传、卫星数传以及VHF/UHF数传等，当检测到移动通信无法实现通信传输，扩展信道模块将结合环境需要自动匹配替代的数据传输方式，有效保障数据回传的效率。

3系统软件设置

3.1数据回传系统架构

数据回传架构包含有数据的采集和传输，是将车辆信息传输至云端数据中心的重要平台，本文研究的基于云计算车载数据回传系统中 ，数据回传架构主要由以下两部分组成：第一是结合车载数据回传需要将数据回传系统分为车载数据发布模块和云数据处理平台，首先在车在数据发布模块中，主要通过车载客户端与远程通信客户端建立云通信结构，将车端客户端采集的信息与远程数据客户端进行互通，利用远程数据客户端进行资料的传输，实现平台的监控功能；第二是关于云计算平台工作的统筹，云数据处理平台主要由集成客户端以及远程通信服务端组成，对车端回传的数据进行分析处理，并实现网页的可视化数据交互。

3.2数据安全系统架构

云平台的安全问题直接关系着车载数据回传的安全性与高效性，一旦车在数据回传系统出现安全性问题，不仅可能会出现错误车辆运行信息的传递，还会导致云处理平台被非法入侵，引起不可预料的事故，本文主要利用TLS/SSL网络安全协议以及EMQTT连接认证技术实现车载数据回传系统的数据安全保障[5]。

首先利用TLS/SSL网络安全协议维护网络传输的安全性 ，随后建立安全的信息传输通道；record 协议则携带加密后的传输信息进行安全传输。TLS/SSL网络安全协议应用在车载数据回传系统中能保证数据在传输中始终处于安全状态，以加密的形式避免数据被恶意篡改。

随后利用EMQTT连接认证技术避免车载数据回传系统中的数据被非法入侵。尽管利用TLS/SSL网络安全协议能以加密的形式避免数据被恶意篡改，但在实际应用中车载数据不可避免会出现中间人攻击、篡改数据的现象，例如黑客利用非法计算机设备向云计算平台中传输干扰数据，有意攻击数据回传系统等现象。因此需要为客户端制定设备身份凭证，保证各个客户端设备的合法真实[6]。一般来讲EMQTT连接认证技术主要通过MQTT协议以用户名和密码的形式对客户的身份进行认证或以MQTT Broker进行Topic读写权限控制。客户在连接数据回传系统设备前必须通过用户名、密码等身份证认证，并对用户登录设备进行权限分析，保证用户身份和访问渠道两方面的安全性，提高车载数据回传系统的安全性，具体安全认证流程如图1所示。

3.3数据存储系统架构

本文研究的基于云计算技术的车载数据回传系统要求云数据存储系统不仅需要对传输至云平台中的数据进行存储和分析处理，还需要根据上传的数据进行可视化分析处理，保证信息能清晰直观展示在用户面前，要求云计算技术的车载数据回传系统不仅具有较高的可行性，还要保证其具备良好的可扩展性，能实现数据的标准化定义[7]。在此背景下本文设计的云存储子系统架构如图2所示。数据存储系统主要分为两大类，首先对回传的车载数据进行整理、清洗与整合，将完成整合后的数据上传至云端的数据库中，实现这一功能主要依靠EMQTT客户端或C/S服务端机制；其次存储车辆运行端的相关图像数据，首先在本地预留车辆图像数据缓冲区域，完成缓冲后将图片存在数据库内。

3.4数据可视化系统架构

本文研究的数据可视化系统架构主要分为实时数据的上传与图像数据的展示，实现对车端运行状态的远程监控。要求数据可视化必须具有实时性、直观性、安全性和稳定性，充分发挥回传数据的价值。系统架构主要使用的网页与服务器为Nginx 服务器和 Flask 网页设计框架，不仅可以展示实时的数据消息，还能实现对实时数据图像的可视化展示。因此需要架构两种不同类型的网页框架分别进行两种云数据的处理。具体架构如图3所示。

实时消息数据的可视化实现主要的解决方案用Nginx服务器 +Flask Web框架 +WSGI网关+HTML/JS/CSS的解决方案，其中的Nginx服务器主要用于数据的持续更新，减少数据延迟对系统运行效率的影响，Flask Web框架则为网页提供充足的后台支撑，随后利用Emqtt 服务器接收来自车端的数据信息，并采用WSGI网关发送数据至HTML/JS/CSS前段进行展示。图像数据可视化的解决方案则主要采用了Video Streaming Server 技术，通过Flask Web框架实现数据的更新并读取最新的车端图片后展示在网页端[8]。

4系统功能实现

4.1车载数据回传功能实现

处于运行状态的车载数据回传系统中摄像头等传感器节点为开启状态，会主动进行数据的采集以及传输。实现采集数据的上传主要依靠MQTT 通信协议中的发布和订阅模式，订阅者直接进行消息主题的订阅，完成订阅后通过邮件进行消息的传达[9]。同时为了提高车在数据传输的同步性，还需要不断改进车辆和云计算中心的通信方式，优化数据的传输效率。首先在加入节点同步机制，本文添加的数据同步机制为message filters，将所订阅的节点消息进行打包，形成整体数据包，降低服务端消息处理压力的同时也提高系统的扩展性，能起到数据缓存的作用，利用时间同步器接收来自多方面的消息，实现消息同步输出的效果。同时本文应用的时间同步器为为ROS系统 时间同步器，能实现最多9个节点消息的接收，还能结合相关的窗口阈值确定节点消息数据等相关信息，最后将所有数据整合为一帧数据进行发送。具体优化步骤如图4所示

在数据通道方面主要利用实践同步机制对数据传输过程中的数据进行同步，具体的系统优化方案如图5所示

4.2系统安全模块的实现

首先启用 EMQTT中的TLS/SSL安全协议需要用到数字证书与客户端证书进行安全验证，包含有能实现自动签名功能的CA证书、以及由CA证书颁发的EMQ证书，在有双向认证需要时，还需要启动客户端证书。随后再进行EMQTT连接认证，完成认证后客户端需要进行相关插接的连接，在连接时应检查用户名与密码的一致性， 配置好相应的安全规则。

4.3车载数据的远程回传

车载数据的远程回传尤其是远程图像的回传需要用到SocketServer，本文的数据运远程回传主要通过msgpack-rpc 技术实现，作为新型媒体文件传送方式，其能实现更高性能的网络远程数据通信传输。能适应多中网络流量传输条件，并且具有极强的适应性，能有效提高车载数据回传效率。这一传输方式首先将数据进行整体打包，随后再进行数据传输，充分利用网络宽带进行多媒体数据的高效传输。以80kb的图像数据传输为例，在一般移动网络下，利用msgpack-rpc 技术进行远程车载数据的回传能将数据的帧率维持在5 帧/s。具体工作中车载数据的远程回传实现流程如图6所示：

4.4车载数据回传的存储功能实现

车载数据回传的数据库存储主要利用云端分布式数据存储系统进行存储，为用户提供稳定的数据访问条件，综合考虑多个用户同时访问系统的现象，维持良好的车辆运行状态。首先设计数据库存储表格，按照结构简单，查找便捷的设计原则分别设计智能车信息表、车辆状态信息表、车辆控制信息表、地标检测信息表、3D 障碍物信息表等，随后在Web后台进行消息数据的清洗，将其转化为序列化数据，按照分类表进行数据库数据的存储，方便后期进行数据的分析与处理。对图片数据的处理则是在图片地址存入到数据库和前段网页页面之前引入图片的缓冲机制，再进行图片的读取，实现图片存储和前段表达之间的动态平衡，提高前段数据显示的流程性和稳定性。

4.5车载数据回传的可视化功能实现

本文研究的车载数据回传可视化功能实现首先通过对平台的网页缓存服务器以及各类图片缓冲区进行获取车载实时回传数据，结合前端网页对数据与图片两种类型的资料进行展示。具体的车在数据回传可视化功能的实现如图7所示

其中Web前段的数据可视化主要从车辆实施运行状态、车辆前方障碍、车辆运行第一视角、车辆地图实时位置等角度实现，车辆可视化的后端网页则需要通过Flask Web 框架和Websocket Server框架两个方面实现，首先在Flask Web 框架中创建相应的客户端，随后订阅车载回传数据，实现对数据的有效采集，并将传输至云计算中心的数据作为数据源头，同时编写相应的数据清晰代码，最后利用Websocket Server框架将数据发送到相应位置进行展示和交互，具体应用中数据回传系统首先为在网页中查询车辆当前运行状态，利用网页前端框架捕捉动态请求并发送至相应的网页后端，后端通过网关协议发送至Flask 网页框架，Flask会根据车在数据回传信息中的相关数据与数据库进行匹配，得出最佳的配对方案，以此明确车辆运行状态，此时视频的前段相关控件同样会向框架中发送图片读取请求，利用Flask对本地图片进行读取并显示在相关视频空间窗口中，实现数据的可视化。

5结束语

车载数据回传系统的设计能为车辆的运行提供更为安全可靠的环境，及时发现车辆运行中的异常信息，提高车辆运行和车辆管理效率。云计算技术为车载数据回传系统的智能化、稳定化发展提供了条件支撑，有利于车辆管理的智慧化升级，同时有效降低车辆管理的运行维护成本，是未来车载数据回传系统的必然发展趋势。本文在云计算技术的支持下设计了车载数据回传系统，利用车载传感器和系统主机提供云计算车在数据回传系统操作条件，从系统的数据采集、传输、存储、展示等方面设计了相应的软件技术，并建立系统和图像传输的安全保障，分别研究数据采集、传输、存储和可视化的实现路径，在云计算技术基础上完成了车载数据回传系统的设计与功能实现，不断优化车载数据回传系统性能，为相关行业的发展提供了有效参考。

参考文献

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