公共汽车实时显示及定位系统的设计和实现

 

　　城市公交车辆的运行环境是一个庞大的、开放的动态系统，其道路状况是随时间变化而变化的。由于存在着许多随机和不确定因素，静态的调度不能反映公交运营车辆实际运行环境动态变化特征，也不能满足乘客对公共汽车的需求。如何应用现代科学技术，改善目前的调度管理水平，提高服务质量，是当前城市发展一个十分重要的问题。由于GIS具有强大空间查询和空间分析功能，GPS技术可以为公交车辆定位，二者结合起来可以对车辆的运行状况信息实时显示，达到动态调度的目的。

　　方案选择

　　智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS）是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子控制技术、传感器技术以及计算机处理技术等有效地综合运用于整个运输体系，从而建立起一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。该系统主要包括交通管理系统、出行需求管理系统、公共交通运营系统、车辆运行系统、电子收费系统、应急管理系统、车辆监控和安全系统等，它是高科技和先进通信手段在运输系统中的整合应用。

　　车辆监控系统是ITS的重要组成部分。几乎所有的车辆监控系统都依赖GPS和GIS电子地图技术。GIS条件下的电子地图数据库为车辆监控系统提供了存放和管理监控信息的一个可视化载体。GPS定位技术使车辆监控中的实时跟踪成为可能。通信技术则在GIS和GPS之间建起了一座数据通信的桥梁，使得远程监控成为可能。通过准确的定位，配合通信技术以及电子地图，车辆监控系统可以进行实时的路线监控，从而引导车辆避开拥塞路段，提高道路通行能力，缓解交通拥挤和堵塞。本文介绍的就是基于GPS的公共汽车实时显示和定位系统。

　　系统可行性分析

　　20世纪90年代，我国为了有效缓解交通运输的紧张压力，引进了智能交通的理念，并积极采取措施加快应用智能交通技术。目前，国内ITS技术的研究主要集中在图像识别技术、交通仿真技术、GPS/GIS定位导航技术、交通流理论等方面。GPS的应用主要体现在车辆定位导航上，而GPS车辆监控系统的应用正在兴起，尤其在特种车辆、出租车上己开始推广应用。例如，北京成功地完成了英国SC001'和南斯拉夫TRANSYT-7P交通信息控制系统的引进、安装和运行管理的研究；上海市成立了出租车联合调度公司，建立了全行业GPS调度中心。

　　在我国的交通运输中，GPS和无线通信技术相结合已开始广泛应用于运钞车的报警、定位监控，警车、消防车、救护车的指挥调度。有些城市的出租车、租车服务、物流配送等行业已经开始利用GPS技术对车辆进行监控跟踪、调度管理，合理分布车辆，以快的速度响应用户的请求，降低能源耗损，节省运行成本。在车辆导航方面，通过GPS车辆监控系统在城市中建立数字化电台，实时发布交通信息，车载设备通过GPS定位，结合电子地图和实时的交通信息，自动匹配路径，并实现车辆的自动导航。

　　综上所述，GPS技术在交通系统应用已经相当成熟，因此，本系统将GPS技术应用于我国的公共汽车的实时显示与定位是可行的。

　　关键技术

　　1 GPS动态定位

　　GPS 是英文Global Positioning System（定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义：产品几何技术规范（Geometrical Product Specifications）-简称GPS。另外一种解释为G/s（GB per s）

　　GPS定位依据待定点运动状态又可分为静态定位和动态定位。广义的GPS动态定位即GPS导航，如用于陆地、水上和航空航天运动载体的导航。根据应用的目的和要求的不同，GPS动态定位方法也不同。主要分为以下几种：单点动态定位、实时差分动态定位、后处理差分动态定位。

　　本系统采用的是单点动态定位方法，由车载GPS终端自主测得移动目标的实时位置，并将此位置信息、通过无线通信系统发送至监控中心，从而在监控中心描绘出移动目标的运动轨迹，以实现车辆的实时监控和各种信息的采集。

　　2 GIS在车辆监控中的应用

　　GIS是集测绘科学技术、数据库技术和计算机图形学技术于一体的一个新兴的边缘学科。在车辆监控领域的应用，GIS是一种集城市地理信息系统和物标主题信息于一体的面向车辆导航、跟踪的信息系统，它可以显示各种比例的电子地图，能够迅速可靠地为车辆提供各种查询信息，灵活方便地选择车辆道路交通网上任何两节点间的行车路线，并在监控中心对车辆进行实时跟踪、调度管理。GIS技术在车辆监控系统中的主要功能有：提供良好的图形化人机界面，　　简单地来说，GIS是以测绘测量为基础，以数据库作为数据储存和使用的数据源，以计算机编程为平台的空间分析即时技术。这是GIS的本质，也是。物质世界中的任何事物都被牢牢地打上了时空的烙印。人们的生产和生活中百分之八十以上的信息和地理空间位置有关。地理信息系统（ Geographic Information System, 简称 GIS）作为获取、存储、分析和管理地理空间数据的重要工具、技术和学科，近年来得到了广泛关注和迅猛发展。

　　3 车辆监控系统中的坐标转换

　　在通常情况下，平面坐标系间的转换方式有相似变换、仿射变换、双线性变换以及二次及三次多项式变换等。相似变换完全是两平面坐标体系间的转换，未考虑系统误差；仿射变换是在相似变换的基础上考虑了纵横坐标尺度因子的差异，而为了消除和削弱两坐标系之间的平移、旋转、缩放、地球曲率以及地球投影引起的误差，一般需要二次或高次曲线方程来建立相互间的映射关系。

　　在车辆定位系统中，采用式1）一般就可满足车辆动态定位对坐标转换的要求。

　　U=a0+a1x+a2y            （1）

　　V=b0+b1x+b2y

　　4 基于串口通信技术的车辆导航数据传输

　　利用Delphi7.0实现串口通信常用的方法有3种：一是利用控件，如MSCOMM控件、SPCOMM控件和Cport3. 0控件；二是使用API函数；三是调用其他串口通信程序。其中利用API编写串口通信程序较为复杂，需要掌握大量的通信知识。相比较而言，利用Cport3.0控件则相对较简单，并且该控件具有丰富的与串口通信密切相关的属性及事件，提供了对串口的各种操作，易于实现。

　　5 GSM短信息延迟对定位数据的影响

　　GSM短信息业务虽然能可靠地传输车辆定位信息，但由于短信息技术本身的限制以及信道拥挤程度的不同，使定位数据的传输存在着不同程度的延迟。

　　实验表明：当短信息以字节传输时，单向传输时延为5s的累计概率分布可以达到92. 80%，对于中低速移动终端来说，这样的延迟基木达到监控、导航应用的要求。但对于高速运动的运动体，3～5s的延迟可能太长了，例如，时速为120公里的汽车，5s已经驶出167m，当定位数据传到监控中心时己有167m误差的累加，这种误差若分布在街道纵横交错，路口星罗棋布的城市里，会使其作为决策参考的置信度大打折扣。

　　从移动终端减少时延的主要方法是减少传输的数据量大小，如果减少数据传输量至70字节，那么理论上计算的传输时延为1.9s。进一步减少数据量还会减少传输时延。我们在使用NMEA-0183格式传输GPS定位导航数据时，先对数据进行处理，只把经度、纬度和时间打成短信数据包，使得数据包尽可能短，以减少短信传输的时延。另外，可以对车辆进行航位推算，使监控车辆的实时进一步提高。

　　系统估价

　　本文结合GPS、GIS以及计算机数据处理技术和现代数据通信技术进行了车辆监控系统的研究，初步开发出了一个具有全天候卫星定位、电子地图显示和车辆实时监控功能的GPS车辆监控系统。