公共汽車實時顯示及定位系統(tǒng)的研究

    方案選擇

    智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）是將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信傳輸技術(shù)、電子控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及計算機(jī)處理技術(shù)等有效地綜合運用于整個運輸體系，從而建立起一種在大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的實時、準(zhǔn)確、高效的運輸綜合管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括交通管理系統(tǒng)、出行需求管理系統(tǒng)、公共交通運營系統(tǒng)、車輛運行系統(tǒng)、電子收費系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)、車輛監(jiān)控和安全系統(tǒng)等，它是高科技和先進(jìn)通信手段在運輸系統(tǒng)中的整合應(yīng)用。

    車輛監(jiān)控系統(tǒng)是ITS的重要組成部分。幾乎所有的車輛監(jiān)控系統(tǒng)都依賴GPS和GIS電子地圖技術(shù)。GIS條件下的電子地圖數(shù)據(jù)庫為車輛監(jiān)控系統(tǒng)提供了存放和管理監(jiān)控信息的一個可視化載體。GPS定位技術(shù)使車輛監(jiān)控中的實時跟蹤成為可能。通信技術(shù)則在GIS和GPS之間建起了一座數(shù)據(jù)通信的橋梁，使得遠(yuǎn)程監(jiān)控成為可能。通過準(zhǔn)確的定位，配合通信技術(shù)以及電子地圖，車輛監(jiān)控系統(tǒng)可以進(jìn)行實時的路線監(jiān)控，從而引導(dǎo)車輛避開擁塞路段，提高道路通行能力，緩解交通擁擠和堵塞。本文介紹的就是基于GPS的公共汽車實時顯示和定位系統(tǒng)。

    系統(tǒng)可行性分析

    20世紀(jì)90年代，我國為了有效緩解交通運輸?shù)木o張壓力，引進(jìn)了智能交通的理念，并積極采取措施加快應(yīng)用智能交通技術(shù)。目前，國內(nèi)ITS核心技術(shù)的研究主要集中在圖像識別技術(shù)、交通仿真技術(shù)、GPS/GIS定位導(dǎo)航技術(shù)、交通流理論等方面。GPS的應(yīng)用主要體現(xiàn)在車輛定位導(dǎo)航上，而GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用正在興起，尤其在特種車輛、出租車上己開始推廣應(yīng)用。例如，北京成功地完成了英國SC001'和南斯拉夫TRANSYT-7P交通信息控制系統(tǒng)的引進(jìn)、安裝和運行管理的研究；上海市成立了出租車聯(lián)合調(diào)度公司，建立了全行業(yè)GPS調(diào)度中心。

    在我國的交通運輸中，GPS和無線通信技術(shù)相結(jié)合已開始廣泛應(yīng)用于運鈔車的報警、定位監(jiān)控，警車、消防車、救護(hù)車的指揮調(diào)度。有些城市的出租車、租車服務(wù)、物流配送等行業(yè)已經(jīng)開始利用GPS技術(shù)對車輛進(jìn)行監(jiān)控跟蹤、調(diào)度管理，合理分布車輛，以最快的速度響應(yīng)用戶的請求，降低能源耗損，節(jié)省運行成本。在車輛導(dǎo)航方面，通過GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)在城市中建立數(shù)字化電臺，實時發(fā)布交通信息，車載設(shè)備通過GPS精確定位，結(jié)合電子地圖和實時的交通信息，自動匹配最優(yōu)路徑，并實現(xiàn)車輛的自動導(dǎo)航。

    綜上所述，GPS技術(shù)在交通系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟，因此，本系統(tǒng)將GPS技術(shù)應(yīng)用于我國的公共汽車的實時顯示與定位是可行的。

    關(guān)鍵技術(shù)

    1 GPS動態(tài)定位

    GPS定位依據(jù)待定點運動狀態(tài)又可分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位。廣義的GPS動態(tài)定位即GPS導(dǎo)航，如用于陸地、水上和航空航天運動載體的導(dǎo)航。根據(jù)應(yīng)用的目的和精度要求的不同，GPS動態(tài)定位方法也不同。主要分為以下幾種：單點動態(tài)定位、實時差分動態(tài)定位、后處理差分動態(tài)定位。

    本系統(tǒng)采用的是單點動態(tài)定位方法，由車載GPS終端自主測得移動目標(biāo)的實時位置，并將此位置信息、通過無線通信系統(tǒng)發(fā)送至監(jiān)控中心，從而在監(jiān)控中心描繪出移動目標(biāo)的運動軌跡，以實現(xiàn)車輛的實時監(jiān)控和各種信息的采集。

    2 GIS在車輛監(jiān)控中的應(yīng)用

    GIS是集測繪科學(xué)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)于一體的一個新興的邊緣學(xué)科。在車輛監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用，GIS是一種集城市地理信息系統(tǒng)和物標(biāo)主題信息于一體的面向車輛導(dǎo)航、跟蹤的信息系統(tǒng)，它可以顯示各種比例的電子地圖，能夠迅速可靠地為車輛提供各種查詢信息，靈活方便地選擇車輛道路交通網(wǎng)上任何兩節(jié)點間的最佳行車路線，并在監(jiān)控中心對車輛進(jìn)行實時跟蹤、調(diào)度管理。GIS技術(shù)在車輛監(jiān)控系統(tǒng)中的主要功能有：提供良好的圖形化人機(jī)界面，以不同標(biāo)記顯示路況信息，以提醒駕駛員；在矢量電子地圖上，用戶可以進(jìn)行任意的放大、縮小、漫游、旋轉(zhuǎn)、分層顯示等；能在電子地圖上實時、準(zhǔn)確地顯示車輛的位置，跟蹤車輛的行駛過程，并可以回放車輛的運行軌跡；用戶可以進(jìn)行地理實體的查詢；在電子地圖上，用戶可以進(jìn)行路徑規(guī)劃，最短路徑的選擇等。

    3 車輛監(jiān)控系統(tǒng)中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

    在通常情況下，平面坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換方式有相似變換、仿射變換、雙線性變換以及二次及三次多項式變換等。相似變換完全是兩平面坐標(biāo)體系間的轉(zhuǎn)換，未考慮系統(tǒng)誤差；仿射變換是在相似變換的基礎(chǔ)上考慮了縱橫坐標(biāo)尺度因子的差異，而為了消除和削弱兩坐標(biāo)系之間的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放、地球曲率以及地球投影引起的誤差，一般需要二次或高次曲線方程來建立相互間的映射關(guān)系。

    在車輛定位系統(tǒng)中，采用式1）一般就可滿足車輛動態(tài)定位對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的要求。

     U=a0+a1x+a2y            （1）
     V=b0+b1x+b2y

    4 基于串口通信技術(shù)的車輛導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳輸

    利用Delphi7.0實現(xiàn)串口通信常用的方法有3種：一是利用控件，如MSCOMM控件、SPCOMM控件和Cport3. 0控件；二是使用API函數(shù)；三是調(diào)用其他串口通信程序。其中利用API編寫串口通信程序較為復(fù)雜，需要掌握大量的通信知識。相比較而言，利用Cport3.0控件則相對較簡單，并且該控件具有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性及事件，提供了對串口的各種操作，易于實現(xiàn)。

    5 GSM短信息延遲對定位數(shù)據(jù)的影響

    GSM短信息業(yè)務(wù)雖然能可靠地傳輸車輛定位信息，但由于短信息技術(shù)本身的限制以及信道擁擠程度的不同，使定位數(shù)據(jù)的傳輸存在著不同程度的延遲。

    實驗表明：當(dāng)短信息以最大字節(jié)傳輸時，單向傳輸時延為5s的累計概率分布可以達(dá)到92. 80%，對于中低速移動終端來說，這樣的延遲基木達(dá)到監(jiān)控、導(dǎo)航應(yīng)用的要求。但對于高速運動的運動體，3～5s的延遲可能太長了，例如，時速為120公里的汽車，5s已經(jīng)駛出167m，當(dāng)定位數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心時己有167m誤差的累加，這種誤差若分布在街道縱橫交錯，路口星羅棋布的城市里，會使其作為決策參考的置信度大打折扣。

    從移動終端減少時延的主要方法是減少一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大小，如果減少一次數(shù)據(jù)傳輸量至70字節(jié)，那么理論上計算的傳輸時延為1.9s。進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)量還會減少傳輸時延。我們在使用NMEA-0183格式傳輸GPS定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)時，先對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，只把經(jīng)度、緯度和時間打成短信數(shù)據(jù)包，使得數(shù)據(jù)包盡可能短，以減少短信傳輸?shù)臅r延。另外，可以對車輛進(jìn)行航位推算，使監(jiān)控車輛的實時精度進(jìn)一步提高。
　　
    系統(tǒng)估價

    本文結(jié)合GPS、GIS以及計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)據(jù)通信技術(shù)進(jìn)行了車輛監(jiān)控系統(tǒng)的研究，初步開發(fā)出了一個具有全天候衛(wèi)星定位、電子地圖顯示和車輛實時監(jiān)控功能的GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)。