車輛導航及監(jiān)控系統(tǒng)設計研究

1  前言
    建設較完善的智能交通系統(tǒng)(ITS)是當下人們研究的重點。車輛導航與監(jiān)控系統(tǒng)是ITS的重要組成部分，它借助于電子地圖為駕駛員實時提供車輛位置、速度、方向以及周圍地理環(huán)境等信息，以指導駕駛員快速、安全、準確的到達目的地。本人及小組成員根據(jù)項目要求，設計并實現(xiàn)了基于GPS/GIS以及借助于計算機網(wǎng)絡和現(xiàn)有的GSM網(wǎng)通信平臺的車輛導航與監(jiān)控系統(tǒng)。從而實現(xiàn)了在GSＭ網(wǎng)覆蓋范圍內車輛的定位導航監(jiān)控及管理。
    2  系統(tǒng)總體設計
    2.1  設計思路及結構劃分
    系統(tǒng)的設計首先從車輛的定位著眼，進而完成對其進行監(jiān)控導航等功能，因此需要結合當前應用廣泛的GPS、GIS、GSM及計算機通信等方面的技術。在具體運行中設置在車輛上的終端部件將從GPS接收坐標數(shù)據(jù)，并結合速度等信息通過GSM系統(tǒng)以SMS方式發(fā)送到控制中心，控制中心則要結合其后臺的GIS系統(tǒng)以圖像方式表現(xiàn)在屏幕上，同時又要根據(jù)需要對車輛通過GSM系統(tǒng)以SMS方式發(fā)送控制指令。另外為了方便用戶查詢用戶基本信息、交通信息、車輛行駛信息等，控制中心還要實時向WEBGIS服務器傳送相關信息。由此，我們對該系統(tǒng)的設計主要分為了車載單元和監(jiān)控中心兩大部分。
    2.2  控制中心端設計
    控制中心端是我們整個系統(tǒng)的核心部分，它既要接收來自移動端的GPS信息并結合數(shù)據(jù)庫以圖形方式反映在GIS平臺上，同時又要根據(jù)監(jiān)控信息給車輛以相應的信息反饋，以提供車輛的導航。其功能結構如圖1。

（1）數(shù)據(jù)庫設計。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的要求包括地理空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，非空間數(shù)據(jù)又包括基本的屬性數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，因此建立了三個數(shù)據(jù)庫分別是地理空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫和GPS消息數(shù)據(jù)庫。其中地理空間數(shù)據(jù)庫主要存儲GIS方面的空間圖形數(shù)據(jù)，此處以成都市電子交通地圖為主要部分，包括道路交通網(wǎng)圖形要素的空間位置、幾何特征和拓撲關系以及其它一些附屬地物，如機關單位、綠地廣場、商店超市等。屬性數(shù)據(jù)庫主要包括車輛基本信息、用戶信息、服務信息等。GPS消息數(shù)據(jù)庫主要針對車輛位置信息的管理，以方便車輛導航及路徑回放等。后兩者均為結構化數(shù)據(jù)，采用一般的關系數(shù)據(jù)庫以表、視圖方式即可很好的表示。
    （2）GPS分析管理模塊。此模塊主要從車輛的定位、跟蹤方面進行處理，對被監(jiān)控車輛接收移動端發(fā)來的位置、速度等信息以圖形方式顯示在地圖上，并以文本方式做詳細記錄；依據(jù)記錄的數(shù)據(jù)在需要時進行回放，回放功能的設計上包括開始、暫停、繼續(xù)、結束四個狀態(tài)。另外還包括基本的車輛信息查詢處理功能，如車輛信息查詢、駕駛員信息查詢、車輛監(jiān)控查詢、車輛調度等。
    （3）GIS分析管理模塊。此模塊主要在MapObject基礎上集成二次開發(fā)，實現(xiàn)GIS的基本功能，如地圖放大、縮小、漫游、查詢、距離測量等。另外根據(jù)項目需要實現(xiàn)了路段及區(qū)域范圍內車輛密度分析功能。
    2.3  移動端設計
    移動端也就是我們的車載端系統(tǒng)，它包括GPS接收模塊、DR傳感器（Dead Reckoning）、車載導航計算機、通信控制器及外圍設備等組成，其結構如圖2。

 GPS接收機主要用于接收衛(wèi)星信號，并解算出定位信息；DR傳感器用于航位推算，它是為了解決GPS無法定位而導致導航軟件無法工作的問題而特意在我們的系統(tǒng)中引入的；車載導航計算機用于數(shù)據(jù)采集和處理；通信控制器用于向GSM短信中心發(fā)送車輛位置等數(shù)據(jù)，并接收控制中心通過GSM網(wǎng)發(fā)來的監(jiān)控指令等數(shù)據(jù)。其工作原理為：當GPS接收模塊或DR傳感器取得數(shù)據(jù)后，通過通信控制器把數(shù)據(jù)以短信息的形式傳到GSM短信中心，再通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心，車載終端系統(tǒng)以中斷方式完成來自GPS模塊和DR傳感器的數(shù)據(jù)的接收，在硬件主程序中循環(huán)采集信號和控制其它外圍設備。    
    3  系統(tǒng)關鍵技術與實現(xiàn)
    3.1  通信

車載設備與監(jiān)控中心的通信方式采用GSM短信業(yè)務方式完成。發(fā)送端將數(shù)據(jù)加上目的地址按照通訊機協(xié)議進行編碼發(fā)送給短消息服務中心，之后再由短消息服務中心發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心收到信息后同樣以相應的通訊協(xié)議進行解碼后分解為可識別的車輛經(jīng)緯度、狀態(tài)等信息。他們之間是以RS232全雙工串口來通信的，可以同時接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。在此我們利用VC＋＋6.0下的CserialPortEx串口通行類來實現(xiàn)串口通信。CserialPortEx聲明如下
class CSerialPortEx
{
public:
    BOOL        InitPort(CWnd* pPortOwner， UINT portnr = 1， UINT baud = 19200， char parity = 'N'， UINT databits = 8， UINT stopsbits = 1， DWORD dwCommEvents = EV_RXCHAR | EV_CTS， UINT nBufferSize = 512)；
}
串口的配置對話框如圖3。
    3.2  地圖匹配
    由于當前使用的GPS定位精度為數(shù)十米，且美國軍方為限制其它國家將GPS系統(tǒng)用于軍事領域，通過選擇可用性(SA)技術，人為地在衛(wèi)星信號中加入噪聲干擾。另外由于城市地物特征復雜，在高密集的建筑物、隧道、立交橋等處行駛時又會受其反射和遮蔽影響，使得在某些區(qū)域內無法接收GPS信號而出現(xiàn)定位盲區(qū)。因此在GPS定位與航位推算的基礎上要將定位點與地圖道路進行匹配，這樣才能真正實現(xiàn)車輛在地圖上的實時定位。
    地圖匹配是通過車輛的GPS航跡與GIS地圖數(shù)據(jù)庫中的矢量化路段對象進行匹配，尋找車輛當前行使的實際道路，再將此定位點投影到道路上。根據(jù)車輛行駛的情況和地圖匹配的需要，將匹配定位分成了3種不同狀態(tài)，即道路搜索、直線行駛、轉彎。針對每種狀態(tài)的特點和定位要求，采取了不同的處理方法。
    （1）道路搜索。當車輛啟動時，道路匹配可能不正確，所以應先對起始時刻進行道路匹配，以便建立正確的投影點，這就需要先進行道路搜索。在進行道路搜索時我們將道路連通性作為考慮要素，如圖4所示：p0是前一時刻匹配的位置點，p1是當前時刻的GPS定位點，L1、L2、L3是待搜索的范圍內的三條道路。虛線箭頭是p0 時刻車輛行使方向。根據(jù)前一時刻匹配結果認為車輛在道路L1上，由于道路L1與L2是連通的，所以車輛不可能直接進入L3，只可能是在L1和L2中進行搜索。

（2）直線行駛。在沒有接近道路交叉點時，可以一直認為車輛是在此道路上行駛，可將定位點全部投影在此路段上，如圖5。

（3）轉彎。當接近交叉點時進行轉彎處理。此時可認為是新一次的道路搜索，采用道路搜索的算法處理即可。
    4  結束語
    基于GPS/GIS/GSP車輛實時監(jiān)控導航管理系統(tǒng)涉及GPS技術、通信技術、地理信息學、數(shù)據(jù)庫、軟件工程等多個技術領域，系統(tǒng)較為復雜，本文從系統(tǒng)的整體結構、原理、功能、關鍵技術算法等方面對車輛導航監(jiān)控系統(tǒng)做了一定分析研究。具體論述應對車輛定位、導航、監(jiān)控等領域具有實用價值。