公共汽車實(shí)時(shí)顯示及定位系統(tǒng)的研究

當(dāng)今世界各國(guó)的大城市無不存在著交通擁擠問題。以美國(guó)為例，1980～2003年期間，年車輛數(shù)以77%的速度上升，可是同期道路建設(shè)里程的增長(zhǎng)數(shù)卻僅為2%，在城市交通中的高峰時(shí)期，54%的公共汽車處于擁擠狀態(tài)。由于交通擁擠，人們每天消耗在上下班的時(shí)間比平時(shí)平均多了1. 5小時(shí)。同時(shí)導(dǎo)致商業(yè)車輛在運(yùn)輸中延誤，增加了運(yùn)輸成本。而有限的土地和經(jīng)濟(jì)資源等因素的制約，使得道路建設(shè)不可能達(dá)到相對(duì)滿意的里程數(shù)。要想在不擴(kuò)張路網(wǎng)規(guī)模的前提下，提高現(xiàn)有交通路網(wǎng)的通行能力，就需要綜合運(yùn)用先進(jìn)的科技手段來提高交通運(yùn)輸?shù)男省?/P>

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(jì)算機(jī)處理技術(shù)等有效地綜合運(yùn)用于整個(gè)運(yùn)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(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的運(yùn)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(yùn)營(yíng)系統(tǒng)、車輛運(yùn)行系統(tǒng)、電子收費(fèi)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(yùn)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(kù)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(gè)可視化載體。GPS定位技術(shù)使車輛監(jiān)控中的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(guó)為了有效緩解交通運(yùn)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(guó)內(nèi)ITS核心技術(shù)的研究主要集中在圖像識(shí)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(guó)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(yùn)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(guó)的交通運(yùn)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(yùn)鈔車的報(bào)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(duì)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(qǐng)求，降低能源耗損，節(jié)省運(yùn)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(tái)，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)的交通信息，自動(dòng)匹配最優(yōu)路徑，并實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)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(guó)的公共汽車的實(shí)時(shí)顯示與定位是可行的。

關(guān)鍵技術(shù)

1 GPS動(dòng)態(tài)定位

GPS定位依據(jù)待定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又可分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位。廣義的GPS動(dòng)態(tài)定位即GPS導(dǎo)航，如用于陸地、水上和航空航天運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)定位方法也不同。主要分為以下幾種：?jiǎn)吸c(diǎn)動(dòng)態(tài)定位、實(shí)時(shí)差分動(dòng)態(tài)定位、后處理差分動(dòng)態(tài)定位。

本系統(tǒng)采用的是單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位方法，由車載GPS終端自主測(cè)得移動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)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(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，以實(shí)現(xiàn)車輛的實(shí)時(shí)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(cè)繪科學(xué)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)于一體的一個(gè)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(diǎn)間的最佳行車路線，并在監(jiān)控中心對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)、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(yùn)行軌跡；用戶可以進(jìn)行地理實(shí)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(xiàng)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(dòng)態(tài)定位對(duì)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(shí)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(shí)。相比較而言，利用Cport3.0控件則相對(duì)較簡(jiǎn)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(duì)串口的各種操作，易于實(shí)現(xiàn)。

5 GSM短信息延遲對(duì)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(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)短信息以最大字節(jié)傳輸時(shí)，單向傳輸時(shí)延為5s的累計(jì)概率分布可以達(dá)到92. 80%，對(duì)于中低速移動(dòng)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(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)體，3～5s的延遲可能太長(zhǎng)了，例如，時(shí)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(shí)己有167m誤差的累加，這種誤差若分布在街道縱橫交錯(cuò)，路口星羅棋布的城市里，會(huì)使其作為決策參考的置信度大打折扣。

從移動(dòng)終端減少時(shí)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(jì)算的傳輸時(shí)延為1.9s。進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)量還會(huì)減少傳輸時(shí)延。我們?cè)谑褂肗MEA-0183格式傳輸GPS定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)時(shí)，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，只把經(jīng)度、緯度和時(shí)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(shí)延。另外，可以對(duì)車輛進(jìn)行航位推算，使監(jiān)控車輛的實(shí)時(shí)精度進(jìn)一步提高。
　　
系統(tǒng)估價(jià)

本文結(jié)合GPS、GIS以及計(jì)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(gè)具有全天候衛(wèi)星定位、電子地圖顯示和車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控功能的GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)。