智能移动交通警务系统的设计和实现.docx

智能移动交通警务系统的设计和实现 李德光 刘栋 赵旭鸽 谭庆 任祯琴摘 要： 随着城市机动车保留量的持续攀升，交通事故和交通违法发生量居高不下。传统的桌面交通执法信息系统无法及时为一线执勤的交通警察提供实时准确的信息，导致对于简易交通事故及违法行为处理效率较低。为摆脱传统交通警务系统的空间和时间限制，提出基于移动终端的智能移动交通警务信息系统，终端基于应用广泛的Android移动平台，服务器端基于Rest风格的面向资源架构的Web Service智能公安交通管理系统，终端和服务器数据交互采用轻量级的JSON数据格式。系统支持车牌识别、驾驶证识别、指纹录入、移动办公等警务需求，通过移动智能终端实时便捷地将公安内部信息提供给执勤民警，快速高效地处理交通违法行为，保持城市公共交通的畅通。关键词： 智能警务系统; 交通执法; 交通管理; 交通事故处理; 信息系统; 数据交互中图分类号： TN99?34; TP391 文献标识码： A 文章編号： 1004?373X（2020）23?0124?06Abstract： With the continuous increase of vehicle quantity in urban， the incidence of traffic accidents and traffic violations remains high. The traditional desktop traffic law enforcement information system fails to provide real?time and accurate information for the traffic policemen on duty in a timely manner， resulting in low efficiency in handling simple traffic accidents and illegal behaviors. In order to get rid of the space and time limitation of the traditional traffic police affair system， an intelligent mobile traffic police affair information system based on mobile terminals is put forward. The terminal is based on the widely?used Android mobile platform， while the server is based on the Rest style Web Service intelligent public traffic management system with resource?oriented architecture. Lightweight JSON data format is adopted for data interaction of the terminal and server. The system supports license plate recognition， drivers license identification， fingerprint entry and mobile office， and can provide internal police information for on?duty policemen in a timely and convenient way， quickly and efficiently deal with the traffic illegal behavior， and keep the city public transport unimpeded.Keywords： intelligent police affair system; traffic enforcement; traffic management; traffic accident management; information system; data interaction0 引 言随着中国经济社会持续快速发展，居民机动车保有量持续增加，统计数据显示截至2018年底全国机动车保有量达3.4亿辆，仅2018年新注册登记的机动车达3 352万辆1，机动车的快速增长导致城市车流与日俱增，交通事故发生的数量居高不下，每年造成数十万人的死亡和伤残，给无数家庭带来巨大痛苦，同时带来的经济损失达数百亿元。机动车辆的大规模普及与公路交通的快速发展，造成道路交通违法及道路交通事故发生数量不断增大2。典型的违法现象如非法拼装机动车、违法满分后仍上路行驶、套用假机动车牌证和假驾驶证等，道路交通违法给道路交通安全带来极大隐患，对人民群众的生活带来严重威胁。同时，现代生活与工作节奏明显加快，人们对时间的管理更加精细，对普通道路交通事故处理效率提出更高要求。现存的桌面交通执法管理信息系统无法及时为现场执勤的交通警察提供实时准确的信息，大大降低了管理与处理事故效率。同时，现有的交通管理系统多为各大城市自己开发的系统，这些信息系统多是基于固定PC平台的“大Web服务”3，即使用SOAP、WSDL等协议所部署的Web服务，但SOAP Web Services并没有非常合理地利用HTTP协议，并且在实现时过于复杂，开发者需要自己定义服务的标准、编写服务端点、配置和管理服务等操作;同时此架构忽略了HTTP协议自身的天然优势，如幂等性、安全操作性和无状态性。大多数系统只满足简单的基本信息查询，智能化程度较差，不能满足一线执法交通警察在移动过程中随时随地获取或上传实时信息的需求。因此需要开发新一代智能公安交警移动警务系统，基于大数据、云计算、图像识别等新技术，为一线执勤交通警察提供快速安全接入国家公安交通警察管理系统，实时快捷地将公安网内部信息提供给一线执勤民警，快速准确地处理交通违法行为。系统后台则根据一线交警提供的实时交通信息及时处理，实时调度管理城市各道路交通，为市民创造更加优质的城市交通服务，显著提高城市交通路网的利用效率。移动警务信息系统的建设过程中，美国等其他发达经济体率先以城市为单位建立了完善的一线警务信息系统4，通常其一线警员通过随身配备的移动警务设备完成现场照片、车牌、指纹等信息的现场取证，同时出勤警务车上还配备环视摄像及录音设备，同时借助移动警务设备可以实时获取现场各类人员、车辆及车牌的相关信息及其他相关案件信息。TETRA技术目前是建设警务交通管理系统的主流技术，但其市场主要被国外两家公司Motorola及EADS垄断5?6，因此构建国内具有自主产权的交通管理系统，并与现有的GPS、GIS及视频监控结合起来共同构建一个快速有效的智能警务交通管理信息系统具有重要意义。本文提出一个智能终端的智能移动交通警务信息系统，客户端基于应用广泛的Android移动平台，服务器端采用Rest风格的面向资源架构的Web 服务实现交通管理系统，不同类型的终端可以非常容易的进行访问，同时可以便捷地集成现有不同架构的信息系统。终端和服务器端采用轻量级的JSON数据格式进行数据交互，可以大幅地提高UI响应速度和数据传输速度，支持车牌识别、驾驶证识别、指纹录入等警务需求，为一线执法交通警察提供实时、便捷、直观的警务信息，有效地解决了传统交通警务系统的时间和空间的限制，为交通警察提供快速有效的处理交通违法的信息系统，提高一线交通处理交通事故的效率，保持城市公共交通的畅通。1 系统工作目标及设计原则本系统的工作目标是基于新技术为一线交通警察快速处理城市交通违法行为提供信息支持，同时通过移动通信网络快速安全共享公安内网信息，为其处理交通违法或交通事故及时提供准确有效信息，提高处理各项任务的工作效率;同时一线执勤警察可以快速上传现场违法数据，后台及时获取实时路况信息，为及时调度管理城市交通服务制定预案。因此本系统须具备车牌识别、驾驶证识别、位置定位、信息查询、业务处理、数据上传等功能。同时，系统的接入安全控制机制应符合公安系统安全标准，根据與交通管理部门及一线执勤警察的沟通，本系统的设计过程中应严格遵循以下原则。1.1 安全性本系统需要与公安内部信息网进行数据交互，系统的安全性指标是系统是否可用的关键指标。本系统不仅需要保证网络通信数据链路的安全，同时需要保证根据用户身份控制访问系统资源，考虑系统的物理安全、网络安全、系统安全、信息安全以及安全管理等方面。1.2 实用性设计实现的系统在业务功能上要满足一线交通警察的需求，遵循其业务需求及业务流程设计系统功能，方便管理人员和操作人员的工作，减少其工作强度;应用系统界面友好，同时充分考虑终端使用人员的环境特点，使得业务数据处理简单、快捷、方便，设计的业务流程简单清晰;遵循实际业务的处理习惯，系统的所有数据维护方便，数据备份及恢复快速简单，同时与现在的信息系统统一协调，在保证安全的前提下实现数据共享。1.3 可靠性系统可靠性是指系统在不同的用户及不同的应用场景下，对各类操作均实现有效反馈，实现不间断提供服务。由于本系统面对的是各地区的一线公安交通警察，这就要求系统长期并且可靠的运行，从而可以保证城市道路交通的顺畅和管理工作的高效运转。所以系统需要准确、安全、不间断的数据传输与存储，为保证系统运行的高可靠性，设计的系统要具备强大的容错能力，系统部署访问控制、网关代理及防火墙保障信息的安全传输，在关键部位上配置备份保护措施，采用负载均衡的集群机制，在单节点发生故障时不影响系统整体的使用。1.4 可扩展性系统不仅需要满足当前的任务需求，在新增业务需求及关键技术更新时，系统需要及时扩展升级以满足新的需求。首先设计的系统网络架要易于扩充，以适应日后不断增长的客户端的需求以及可能出现的集中式的较大任务负载，同样硬件平台需要具备可扩充性，当增加新的任务或者发生突发情况时，可通过部署新的设备同原有设备协调工作以增加系统的吞吐处理能力;同时设计的应用软件要易于满足今后扩展的需求，预留相关接口以便自动升级。1.5 经济性在各功能及性能满足的前提下，尽可能节省系统开发的人力、物力。无论是硬件设备的选择还是应用系统的设计实现均需要考虑系统的易维护性和技术的成熟性，技术选型上尽量采用易于实现及维护的系统架构，保证整个系统的操作简单，同时升级维护成本较低。2 系统总体设计2.1 系统总体架构设计智能移动交通警务管理系统旨在为一线交通警察提供实时移动的处理交通事务的智能终端信息系统，通过智能终端完成处理交通事务关键信息的识别、验证与上传等需求，极大地提高了处置交通事故的效率。系统主要包含智能移动终端、移动中间平台、公安内网信息集成管理平台三层，具体划分为智能终端层、移动通信层、移动接入网关层、外网与公安内网隔离层、公安内网信息管理层、数据存储管理层，系统总体架构如图1所示。智能移动终端层负责道路交通违法案件的信息录入，驾驶人机动车与驾驶证等关键信息的识别与验证，实时上报交通路况，系统后台一线交通警察提供的实时信息及时对城市交通路况进行调度。智能终端层基于目前主流的Android智能移动平台开发实现，同时智能移动终端层可以基于其他技术平台，移动网关在设计时基于轻量级的Rest式Web服务7，该架构的Web服务对系统资源提供唯一的资源接口，智能移动终端层在交互数据时只需调用事先已定义的接口即可。移动通信层是智能移动终端与后台服务器数据交互的链路层，负责交通数据的上传与下载，由于公安系统数据保密的限制，需要保证数据传输过程中的完整性与安全性，通过移动运营商提供的虚拟专网、数据加密等手段最大限度地保证系统数据的传输安全。移动接入网关层负责处理智能移动终端的服务请求，完全独立地为代理和队列机制提供服务。移动网关将服务请求加工发送给公安内网系统，内部系统把处理完后的结果返还给移动网关，移动网关把结果转发给终端客户，在本过程中警务原有系统只提供服务，内部系统对外不可见，最大限度保证系统的信息安全。移动接入网关提供Rest风格的标准Web Service，Rest是一种面向资源的访问架构风格7?9，该技术强调系统组件之间交互接口的可伸缩性、通用性、组件的独立性以及用来增强系统的安全性、减少客户端与服务器端的交互延迟、封闭原有遗留系统的中间组件。依据Rest的4大约束条件：连通性、统一接口、可寻址性、无状态性，架构中的每一个资源是可标识的，并且在全局范围内有一个明显的、唯一的ID即资源URI，使用URI规则构建系统的全局命名空间，从而实现URI对系统的资源进行标识，各个资源获得了一个唯一、全局的ID，外界可以通过该URI进行快速有效的寻址并访问资源。无状态性需要客户与服务器之间的通信是无状态的，即从客户端发送到服务器的每一个请求都必须包含理解该请求需要的所有信息，服务器端对客户端之前的请求提供的信息无任何依赖。链接与连通性要求客户端的应用状态需在服务器提供的超媒体的引导下发生对应的迁移。统一接口要求系统内的组件之间有统一的接口，以保证RFC_2616协议所规定的创建、检索、更新和删除（Create，Retrieve，Update，Delete;CRUD）操作与HTTP协议（POST，GET，PUT，DELETE）之间的操作一一对应，保证提供的Web服务是解耦的，大大简化系统设计，使得系统的交互性和可重用性有较大的改善，使HTTP、URI、XML、JSON10?12具有和其他Web应用一样的工作方式，进而形成一种风格明确、简洁方便的架构。移动接入网关和公安内部信息网通过内外网安全隔离网闸实现安全隔离，外部网络即移动网关实现对智能移动终端的网络互连、信息交互;公安内部信息网络存储处理内部涉密信息，其对外是透明的并不直接对外提供服务。内外网安全隔离网闸实现内网信息资源的安全保护，阻止绝大多数的非授权操作，最大限度地保证系统的信息安全。公安内部信息管理层是公安内部原有系统的信息管理平台，负责公安内部信息系统的安全管理、事务处理、授权管理、日志监控等业务。数据存储管理层负责内部信息的存储与管理，由于公安数据的涉密性，数据库服务器须多机热备，可自动容灾，提供监控、备份、恢复、迁移等数据库基本功能。系统总体设计采用上述分层结构使得系统各层间职责划分清晰，通过定义良好的接口进行相互之间的访问，这样耦合度较低，可以实现相对独立的维护、修改和升级。终端用户通过统一严格定义的服务接口获取业务逻辑提供的服务，业务逻辑层的开发关注系统的功能和系统的健壮性，其开发过程和进化可以相对独立的进行迭代。对于原有系统集成采用Web服务的接口方式，降低业务逻辑处理的复杂性并将共同使用的服务提取出来，提高重用性，减小业务逻辑层与数据源以及外部系统的耦合度，最大限度地提高系统的可用性与可扩展伸缩性。2.2 系统安全设计系统安全设计不仅需要分析系统所面临的来自网络内部和外部的各种安全风险，同时对需要保护的各类信息及可承受的最大风险程度进行分析，制定完善的系统安全需求分析以满足系统预先设计的安全目标和安全策略，建立安全需求分析、风险分析、风险评估、安全策略制定和实施、事件监测和及时响应的可适应安全模型，并基于安全模型作为系统管理、配置和应用的基本安全框架，从而形成完备、合理的系统信息安全体系。同时，在构建的安全体系结构的基础上，利用信息安全的各种安全机制（访问控制技术、密码技术和鉴别技术等）保证各种安全服务的机密性、完整性、抗抵赖性、可用性和可审计性等，合理地规划系统并合理分布各个安全需求，最终使得系统的风险值稳定、收敛并实现安全与风险的适度平衡。本系统的安全体系涉及应用安全、接入安全、物理安全、架构安全、系统安全、网络安全、信息安全以及安全管理等方面，系统安全设计如图2所示。系统接入安全设计智能终端无法直接访问公安内网，智能终端只能直接访问外网网关。通过采用VPN/VPDN技术，数据传输采用SSL在网络层进行加密，构建移动警务系统虚拟专网，专网专用可有效防止外部人员进入虚拟网络。外网网关通过网络隔离，访问网络系统需支持安全检测、访问控制、加密通信、攻击监控等安全功能，并提供完整的全网络监控、报警和故障处理等功能。架构安全基于防火墙技术实现不同安全域之间的访问控制、逻辑隔离及审计等功能，主要利用IP和TCP包头包含的信息对进出该保护网络的数据包信息进行安全过滤，并依据在其上部署的安全策略对出入网络的信息流进行控制，实现信息流的允许、拒绝、监测等功能。通过防火墙的包过滤，实现基于地址的粗粒度访问控制，通过口令认证、SIM卡、手机序列号三码绑定，对用户身份进行鉴别，实现基于用户的细粒度的访问控制。应用系统的用户管理、权限管理应充分利用操作系统和数据库的安全性，结合统一信息平台实现移动多业务系统用户的权限和访问控制。同时，应用软件运行时须有完整的日志记录，应用软件要防止消耗过多的系统资源而使系统崩溃。智能移动交通警务系统的主机、网络、应用等安全应遵循公安信息化建设相关安全规范要求，系统服务器应放置在企业内部核心安全区（应用区），代理服务器应放置在DMZ区（隔离区），以最大限度地保证系统安全。3 系统主要功能系统主要目标是提高一线交通警察快速高效处理交通违法事项，系统设计功能紧紧围绕该目标实现在最短时间内识别标识驾驶人及机动车的关键信息，记录交通违法的基本事实数据并上传数据，对于简易交通违法事项实时处理，具备基本的移动办公功能，实时向控制中心发送实时路况等实时数据。因此系统的主要功能包含信息查詢、数据上传、移动办公及访问控制等功能，具体功能模块图如图3所示。3.1 信息查询功能智能移动交通警务终端通过图像识别技术对交通执法对象（机动车、驾驶人身份证、驾驶证、车辆行驶证、机动车车牌）的关键信息进行识别，实时与后台公安内网服务器进行信息比对，验证其证件的真伪及有效期，同时查询其交通违法记录、全国在逃库、违法人员通缉库、抢盗机动车库、其他地方协查通报等犯罪违法记录数据，在快速高效处理交通案件的同时，对其他违法犯罪提供交通违法排查。3.2 数据上传功能交警现场业务处理主要包括违法简易流程处理、违法一般流程处理、非现场取证、银行联网对账功能。路面执勤民警可以利用本地系统实现各类公安业务的自动化处理及各种一线信息的采集，包括一线交警路面违法的处罚、打印及各种违法信息的照片、文字信息的采集，并将相关违法信息及采集的多媒体信息实时传递到公安网内部的业务数据库中，同时还可以利用微型打印机现场快速打印出交通管理处罚通知书，从而大大提高了违法处理的速度和效率。3.3 移动办公功能移动智能终端在交通违法现场对简易交通违法事项实现实时办公，通过智能终端及微型打印机完成交通处罚单的打印与数据上传，通过第三方支付接口完成交通罚款的缴纳并及时对账，通过指纹识别完成事故人的签字确认;交通警察完成事故处理后及时上传接出警记录;同时终端可以接收系统后台发送的实时指挥信息，系统后台根据一线交通警察提供的信息及时疏导交通，调配警力;同时一线交通警察对系统发送的消息及时处理并反馈处理结果，完成移动实时办公。3.4 访问控制功能认证是对用户身份进行确认的机制，授权是对用户的权限进行管理的机制，访问控制即是根据系统中用户权限所描述的信息限定用户对系统资源使用范围的机制。系统通过安全设计对一线交通警察登录系统的认证及资源访问控制，同时对终端的密码及设备出现异常或丢失等情况时，重新完成终端用户的访问控制。4 系统实现系统实现包含客户端实现、移动网关实现及数据交互实现，本系统开发策略和方法采用敏捷软件工程方法。同时，采用标准的统一建模语言UML记录系统详细设计实现工作的成果。系统开发过程包含实施软件开发和维护中的阶段、方法、技术、实践及相关产物（计划、文档、模型、代码、测试用例和手册等），在实现过程中严格遵循软件工程标准化流程，以最大限度保证项目快速高效的完成。4.1 客户端实现智能移动交通警务系统客户端基于Android Studio 3.3开发环境、Android SDK 6.0版本实现客户端，地图及定位信息基于百度地图API（baidumapapi.jar）。客户端实现基于经典的MVC设计模式，系统客户端的代码分层如图4所示，Android的Activity和Fragment类实现客户端的UI界面，界面请求数据通过Intent统一调用系统逻辑处理层，逻辑处理层根据不同界面请求的不同数据通过线程池启动不同的线程接口，服务层线程实现类实现不同的线程接口请求移动服务请求后台数据，后台数据请求完成后线程实现类通过广播机制把对应的数据发送到视图层，视图层接收数据后更新视图表现。在具体实现时系统通过代码分层及使用不同的设计模式解耦代码，增强系统代码的可扩展性以及后期的可维护升级。4.2 移动网关实现为了一体化协同集成现有的公安交通警察系统，在不影响现有系统的基础上，使智能移动交通警务系统更加准确、规范、及时、可扩展，必须提供一种完整和规范的移动网关接口解决方案，本系统中移动业务服务网关采用Rest风格，Web Service作为系统框架，操作系统选型Debian 9，Debian 9系统具有极高的稳定性，有许多运行整年没有重新启动机器的实例，应用服务器采用Tomcat 7.0.88，数据库采用MySQL 8.0，部署可支持集群。Nginx作为负载均衡服务器，不仅可以直接支持 Rails和PHP程序对外提供服务， 同时也支持作为HTTP代理服务器对外提供服务。Nginx采用C语言进行编写，不论是系统资源开销还是CPU使用效率都比 Perlbal、Apache要好很多。在应用服务器Tomcat中，利用Servlet提供的事件监听器功能对系统应用或者Session实行监听，同时Tomcat也提供其他的功能，例如与SSL进行集成，实现信息的安全传输，并且Tomcat也支持JNDI，此特性与J2EE应用服务器提供的服务是一致的。同时，移动网关在实现时结合移动警务的性能需求，系统必须能负载10 000个终端，请求应答速度在1.5 s以内，终端用户分布在全市各地，系统并发处理量应满足500以上（通过Java压缩加密封装JSON串，每个连接交互峰值为30 KB），移动通信网络带宽必须满足100 MB以上。同时系统需要至少2台或3台以上服务器做负载均衡以及容灾备份，保证冗余电源、风扇、UPS断电保护等保障系统安全的硬件设施。4.3 数据交互数据交互方案直接影响系统的数据交互时间和用户体验，经过对各数据交换方式的对比分析论证并结合实际情况，本系统中移动网关接口方案采用标准的HTTP/HTTPS协议，数据交换采用JSON，通过Web Service接口与公安交通警察原应用系统进行业务数据的交互处理。此方式既保证各个子系统之间数据的实时交换，又减少了冗余数据，加快了带宽的利用率，加快了解析速度，适合手机与移动网关、服务器与移动网关之间的交互。传输数据的格式统一为UTF?8格式，所有集合类型的数据都不能返回空，只能返回大小为0的集合。如果返回值为空值并且不是集合类型数据，那么返回错误代码和错误信息。同时，客户端和服务端都会用到数字签名，其签名的对象是JSON消息體，并对数字签名进行加密，这样可以防止数据传输过程中被非法篡改的情况发生。一个资源的表述随着资源状态的变化而变化，通常一个资源具有XML、HTML、Atom、KML等表述方式，但就目前的实际应用来讲，XML和JSON已成为Web服务中的事实标准。由于移动终端的资源有限性，在系统中使用JSON数据格式进行数据交互以便提高数据传输效率和UI响应速度。JSON采用完全独立于语言的文本格式，不仅保留了纯文本数据格式的简单特点，同时其对JavaScript中的原生性有良好的支持，这些特点使得JSON数据格式成为理想的数据交换语言，不仅便于程序员阅读和编写，同时在机器进行解析和生成时效率有较大的提高。5 系统测试系统开发完成在投入使用前需进行详细的系统测试，通常系统测试包含基本的单元测试、集成测试及系统测试。依次对系统各功能进行测试，对于一个系统而言功能是最基本的需求，确认系统实现的功能与设计阶段的预期功能一致。接下来进行性能测试，主要包含资源占用情况和响应延遲速度，由于智能移动终端系统资源有限，在编程实现时尽可能减小应用对系统资源的占有率。最后对系统进行界面测试，检查系统设计的界面是否符合终端用户的行业习惯，以及用户使用是否方便等。在测试之前给出系统的测试环境，由于Android智能移动终端及系统的多样性，为保证系统测试的准确性，在不同的智能终端设备上进行系统测试，具体的智能终端测试详细信息如表1所示。系统性能测试主要包含响应延迟测试和系统资源消耗测试。首先进行响应延迟测试，响应延迟测试指用户点击某个操作后，在规定范围时间内界面要作出响应，若超过系统规定的时间，则表示系统响应延迟不满足设计要求，需要在代码逻辑层面优化代码。通过对各智能终端的测试，系统各功能的响应延迟都能控制在1 s以内，符合预期设计要求。对于系统资源消耗测试，在不同的配置机器上运行客户端软件，并通过系统管理分析软件统计本移动警务软件在网络带宽、内存消耗、CPU占用率及电量消耗等指标，分析软件是否符合要求，具体的测试数据如图5所示。软件在不同终端上平均一段时间内的CPU消耗平均为5.17%，内存消耗平均为5.15%，网络消耗平均为33.75 Kb/s，符合系统设计的预期。6 结 语本文基于Android智能移动平台设计并实现智能移动交通警务系统，通过移动无线网络接入智能移动警务系统服务网关，移动网关基于Rest风格Web Service向终端提供服务，终端与网关采用轻量级的JSON数据格式，极大地提高了系统数据交换速度。移动网关通过内外网闸与公安内网进行数据交换，最大限度地保证公安内网系统的信息安全。通过详细的系统测试，验证设计的智能移动交通警务系统极大地提高了一线交通警察处理实时交通违法事件的效率，提高了交通路网的利用效率。参考文献1 贺宜，杨鑫炜，吴兵，等.中美交通事故数据统计方法比较研究J.交通信息与安全，2018，36（1）：1?9.2 郭璘，周继彪，董升，等.基于改进K?means算法的城市道路交通事故分析J.中国公路学报，2018，31（4）：270?279.3 朱璇.创新移动应用 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