公路運(yùn)輸車輛跟蹤技術(shù)研究

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1公路建設(shè)

隨著我國公路建設(shè)的加快和國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)公路客貨運(yùn)輸?shù)男枨蟛粩嘣黾?，公路運(yùn)輸也日益繁忙，而公路交通事故及運(yùn)輸安全問題也越來越突出。公路長途客貨運(yùn)輸由于線路和運(yùn)行時(shí)間較長，其安全狀況難以監(jiān)督控制。采用車輛動(dòng)態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)車輛尤其是長途車輛進(jìn)行安全監(jiān)控，是保障公路運(yùn)輸安全的重要措施。

2國內(nèi)外發(fā)展概況

2.1交通運(yùn)輸與車輛定位系統(tǒng)的發(fā)展

隨著電子信息技術(shù)越來越多地進(jìn)人交通運(yùn)輸部門，逐步生成一個(gè)新的工程領(lǐng)域，即智能運(yùn)輸系統(tǒng)(功telligentTransPortationSystem，簡稱仃S)。所謂智能運(yùn)輸系統(tǒng)，就是通過采用先進(jìn)的電子技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)等高新技術(shù)，形成的一種信息化、智能化、社會(huì)化的新型現(xiàn)代交通系統(tǒng)。GPS車輛定位技術(shù)是仃S的核心技術(shù)之一。GPS(GlobalPositioningSystem)即全球定位系統(tǒng)，是美國在20世紀(jì)70年代開始研制第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它具有海、陸、空全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航定位的能力。GPS導(dǎo)航定位具有精度高、全天候、高效率、多功能、操作簡便、使用廣泛等特點(diǎn)，在海、陸、空移動(dòng)物體的導(dǎo)航、制導(dǎo)、定位、測量等方面得到了廣泛應(yīng)用。世界上GPS應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是在車輛上，它幾乎占整個(gè)用戶量的三分之二。目前車載GPS系統(tǒng)大致可分為兩類，一類如日本的車輛自主導(dǎo)航系統(tǒng)，另一類為車輛跟蹤系統(tǒng)，如美國的緊急救援系統(tǒng)、中國的調(diào)度指揮系統(tǒng)。

2.2國外車輛跟蹤系統(tǒng)現(xiàn)狀

國外車輛定位跟蹤系統(tǒng)的發(fā)展大體分為兩大流派:美國派和歐洲派。美國派主張利用各類無線網(wǎng)絡(luò)，如常規(guī)(VHF/L舊F)、集群(T扭吐edRadio)、衛(wèi)星系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的蜂窩網(wǎng)，以及其他可利用的手段;歐洲派則主推GPS/GSM系統(tǒng)。GPS車輛定位跟蹤系統(tǒng)通常由車載子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)和控制中心子系統(tǒng)三大部分組成。目前GPS車輛定位跟蹤系統(tǒng)主要有五種通用類型:l)無源跟蹤系統(tǒng):這是一種最廉價(jià)的車輛跟蹤方式，無需實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)，因而一次購置設(shè)備以后不用再支付其它無線網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行服務(wù)費(fèi)用。它實(shí)際是駕駛員的工作記錄，把行車的路線軌跡存儲(chǔ)起來以供回來后重新送入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。這種系統(tǒng)也可用于其它的野外采集數(shù)據(jù)后人工回復(fù)數(shù)據(jù)的場合。2)有源跟蹤系統(tǒng):這是最典型的一種車輛跟蹤方式，必須配有無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，無線網(wǎng)絡(luò)可以用衛(wèi)星通信系統(tǒng)、蜂窩電話系統(tǒng)等。3)點(diǎn)名應(yīng)答系統(tǒng):許多情況下系統(tǒng)無需連續(xù)跟蹤，但要保證在任何需要的時(shí)候能隨時(shí)找到這一車輛。由于系統(tǒng)中使用了微控器，所以系統(tǒng)兼?zhèn)淞擞性锤櫤忘c(diǎn)名應(yīng)答雙重功能。但必須在控制器中建立合適的碼，它能在收到控制中心的指令后實(shí)現(xiàn)兩種模式的相互切換。4)失竊車輛尋找系統(tǒng):這是點(diǎn)名應(yīng)答系統(tǒng)的一種變形系統(tǒng)。5)車載監(jiān)控系統(tǒng):該系統(tǒng)適用于作為移動(dòng)指揮中心，與控制中心一樣配有電子地圖和監(jiān)控軟件。

2.3國內(nèi)車輛跟蹤系統(tǒng)現(xiàn)狀

我國GPS車輛跟蹤系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，是從九十年代初開始的。從1999年開始，GPS車輛定位跟蹤系統(tǒng)的市場出現(xiàn)了快速增長勢頭，相應(yīng)的技術(shù)也有了提高和發(fā)展。國家信息產(chǎn)業(yè)部為推動(dòng)我國衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展，成立了衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)工作組，以便創(chuàng)造一個(gè)有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量水平和技術(shù)的政策環(huán)境和經(jīng)營環(huán)境。目前我國GPS車輛定位跟蹤系統(tǒng)在城市交通車輛安全動(dòng)態(tài)監(jiān)管方面得到了應(yīng)用，例如運(yùn)鈔車、救護(hù)車、救火車、公安巡邏車、迎賓車等特種專用車輛的定位跟蹤等。在出租車上和防止車輛被盜等方面也都有所應(yīng)用。GPS車輛定位跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用于集裝箱等長途貨運(yùn)車，貨主就可隨時(shí)掌握貨物情況并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)動(dòng)指揮，這對(duì)加速貨運(yùn)周轉(zhuǎn)、縮短空駛里程、保障安全都將十分有效。

3主要技術(shù)方案設(shè)計(jì)

3.1關(guān)健方案選擇

目前常用的幾種無線電通信方式有:l)常規(guī)無線電臺(tái)通信系統(tǒng)根據(jù)我國國家無線電管理委員會(huì)分配給陸地移動(dòng)通信的頻率范圍以及各種其它因素的綜合考慮，真正適合當(dāng)前作陸地移動(dòng)通信的有15OMHz，23OMHZ(數(shù)據(jù)傳輸用)，900MHz等幾個(gè)工作頻段，而900MF匕作為GSM公用移動(dòng)通信頻段，實(shí)際留給常規(guī)無線電臺(tái)的頻率資源非常有限。此外，限制在車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中使用的另一個(gè)問題是它的覆蓋范圍。它的一般作用距離限制在40kill左右，不適用于長距離范圍的應(yīng)用。2)集群電臺(tái)通信系統(tǒng)集群系統(tǒng)是移動(dòng)通信專用網(wǎng)，它采用大區(qū)聯(lián)網(wǎng)方式工作。集群系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是共用頻率資源，共享覆蓋區(qū)。由于采用大區(qū)聯(lián)網(wǎng)方式，因而可得到較寬的業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)，適合于已經(jīng)建有集群通信網(wǎng)的地區(qū)和業(yè)務(wù)覆蓋范圍較大的GPS車輛定位跟蹤系統(tǒng)。由于集群系統(tǒng)不是專為GPS系統(tǒng)而建，就有一個(gè)業(yè)務(wù)分配的問題。如果所有信道都隨機(jī)分配給GPS業(yè)務(wù)和非CPS業(yè)務(wù)，在兩者業(yè)務(wù)都繁忙時(shí)，就會(huì)發(fā)生相互影響;如果撥出一部分信道給GPS信息傳輸專用，那本身和常規(guī)無線電臺(tái)無多大差別。而且集群系統(tǒng)信令傳輸要占去相當(dāng)長的時(shí)間，每一個(gè)頻道的利用率必然要低于常規(guī)無線電臺(tái)。實(shí)踐證明，在集群系統(tǒng)留給GPS定位信息傳輸可用的信道不多的情況下，這種傳輸方式并不適宜較多車輛的GPS定位傳輸系統(tǒng)應(yīng)用。3)短波電臺(tái)通信方式對(duì)于丘陵、山區(qū)或通信條件落后的偏遠(yuǎn)的地方，用短波電臺(tái)傳輸GPS信息也是一種較好的選擇。但由于短波通信存在嚴(yán)重的電波衰落現(xiàn)象，它的允許傳輸速率較低，一般可用范圍是300一600飾s，比超短波段電臺(tái)的2400一9600bPs小得多。因而每個(gè)頻點(diǎn)內(nèi)允許使用的車輛數(shù)較少。另外短波通信雖然可傳輸100小2000km或更遠(yuǎn)的地方，但在60~10()larn范圍為它的盲區(qū)。4)衛(wèi)星通信方式采用通信衛(wèi)星系統(tǒng)，可將GPS信息傳送到那些目前其它通信手段無法碩蓋的地區(qū)，這是一種非常好的通信方式，但這種通信系統(tǒng)目前的主要缺點(diǎn)是通信費(fèi)用較高，因而也不適于車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)采用。5)GSM公用移動(dòng)通信網(wǎng)通信系統(tǒng)采用GSM公用移動(dòng)通信網(wǎng)進(jìn)行傳輸GPS信息的應(yīng)用系統(tǒng)，就是利用移動(dòng)通信的短消息服務(wù)功能來實(shí)現(xiàn)GPS信息傳輸。短消息服務(wù)是GSM中唯一不要求建立端—端路徑的業(yè)務(wù)，而且它是通過信令控制信道進(jìn)行信息傳輸?shù)?，在僅有話音傳輸時(shí)，信令信道十分空閑，這就為利用短消息服務(wù)傳輸GPS信息提供了良好的條件。此外在利用短消息服務(wù)傳輸GPS信息的同時(shí)，仍然可以進(jìn)行通話，真正做到了數(shù)話兼容的目的，從而為GPS定位跟蹤系統(tǒng)增加了許多為用戶服務(wù)功能的可能。由于GSM數(shù)字公用移動(dòng)通信網(wǎng)班蓋范圍廣，系統(tǒng)可靠性好，這種通信方式非常適合在長距離GPS車輛定位跟蹤系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。由于“車輛動(dòng)態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)”在長途車輛上使用，要求有連續(xù)的長距離班蓋范圍的通信環(huán)境，其所應(yīng)用的系統(tǒng)也應(yīng)具有一定的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)適用性。采用GSM公用移動(dòng)通信網(wǎng)通信系統(tǒng)作為通信平臺(tái)，是目前比較好的解決方案。

3.2Gls開發(fā)方式選擇

地理信息系統(tǒng)根據(jù)其內(nèi)容可分為兩大基本類型:應(yīng)用型地理信息系統(tǒng)和工具型地理信息系統(tǒng)。目前應(yīng)用型Gls開發(fā)的有三種實(shí)現(xiàn)方式。3.2.1獨(dú)立開發(fā)指不依賴于任何GIS工具軟件，從空間數(shù)據(jù)的采集、編輯到數(shù)據(jù)的處理分析及結(jié)果輸出，所有的算法都由開發(fā)者獨(dú)立設(shè)計(jì)，然后選用某種程序設(shè)計(jì)語言，如VisualC料、Delphi等，在一定的操作系統(tǒng)平臺(tái)上編程實(shí)現(xiàn)。這種方式的好處在于無須依賴任何商業(yè)Gls工具軟件，減少了開發(fā)成本，但一方面對(duì)于大多數(shù)開發(fā)者來說，能力、時(shí)間、財(cái)力方面的限制使其開發(fā)出來的產(chǎn)品很難在功能上與商業(yè)化GIS工具軟件相比。3.2.2單獨(dú)二次開發(fā)指完全借助于Gls工具軟件提供的開發(fā)語言進(jìn)行應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。Gls工具軟件大多提供了可供用戶進(jìn)行二次開發(fā)的宏語言，如Maphifo公司研制的MaplnfoProfessional提供了MapBasic語言等等。用戶可以利用這些宏語言，以原Gls工具軟件為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)出自己的針對(duì)不同應(yīng)用對(duì)象的應(yīng)用程序。進(jìn)行二次開發(fā)的宏語言功能較弱，用它們來開發(fā)應(yīng)用程序仍然不盡如人意。3.2.3集成二次開發(fā)集成二次開發(fā)是指利用專業(yè)的GIS工具軟件，如戶JcView、M叩hifo等，實(shí)現(xiàn)Gls的基本功能，以通用軟件開發(fā)工具尤其是可視化開發(fā)工具，如Delphi、Visua1C抖、VisualBasic、powerBuilder等為開發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行二者的集成開發(fā)。車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)軟件采用了集成二次開發(fā)形式，它的優(yōu)點(diǎn)是既可以充分利用GIS工具軟件對(duì)空間數(shù)據(jù)庫的管理、分析功能，又可以利用其它可視化開發(fā)語言具有的高效、方便等編程優(yōu)點(diǎn)。

3.3地圖的獲取

3.3.1空間地理數(shù)據(jù)的獲取方式l)使用數(shù)字化儀:使用手扶跟蹤數(shù)字化儀，通過人工選點(diǎn)或跟蹤線段產(chǎn)生坐標(biāo)數(shù)據(jù)。2)利用掃描儀:利用掃描儀把圖紙信息掃描后以柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式存儲(chǔ)，再經(jīng)其它圖象處理軟件進(jìn)一步處理改善圖象質(zhì)量，并把柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)格式。鍵盤鍵入:在計(jì)算機(jī)終端上輸人地圖數(shù)據(jù)。購買商業(yè)性數(shù)據(jù):目前常見的電子地圖產(chǎn)品有:衛(wèi)星影象圖—地球資源衛(wèi)星獲得、.產(chǎn)、‘產(chǎn)內(nèi)、︸4的地表景觀影象數(shù)據(jù);電子地形圖—通過分層技術(shù)將多種地理要素分成獨(dú)立的信息層，每層具有同一屬性的地理要素，如等高線、行政界線、道路、水系等;專題電子地圖等。5)從其它部門獲得數(shù)字拷貝:根據(jù)某些部門標(biāo)準(zhǔn)的原始數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，最終形成Maplnfo可以識(shí)別的數(shù)據(jù)格式。

3.3.2應(yīng)用分析

在上述各種方式中，前兩種方式獲取數(shù)據(jù)比較精確，也十分專業(yè)，但是均需要購買昂貴的專用設(shè)備及數(shù)字化軟件包(常用的有AL」TOCAD、CorelDraw等)，成本太高;純粹的手工操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，容易出錯(cuò)，已無法滿足現(xiàn)時(shí)的需要。因此車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)采用購買地圖數(shù)據(jù)文件，在M叩hifo中調(diào)人，并對(duì)文件進(jìn)行配準(zhǔn)，采用手工輸入和繪制方法，自定義新的圖層并繪制相關(guān)地理對(duì)象。

4系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

測試系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心驗(yàn)設(shè)備主要由車載終端、GSM、GSM無線網(wǎng)絡(luò)、車載設(shè)備三部分組成。系統(tǒng)試通信系統(tǒng)、監(jiān)控中心及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)車輛等組成。

4.2系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)軟件由主控程序調(diào)用各功能模塊，完成包括導(dǎo)航定位處理、地圖顯示、地圖維護(hù)、指令信息與報(bào)位信息處理、自動(dòng)報(bào)警維護(hù)處理、歷史軌跡管理與回放、移動(dòng)目標(biāo)管理等功能，在子功能完成后返回主控模塊。

4.2.1主控功能

主控功能是對(duì)接收用戶從鼠標(biāo)、鍵盤輸人的命令，按照不同的命令要求調(diào)度各個(gè)功能模塊完成相應(yīng)的功能。

4.2.2導(dǎo)航定位處理模塊功能

1)對(duì)定位單元進(jìn)行控制，包括對(duì)定位單元進(jìn)行初始化，接收定位數(shù)據(jù)等。2)定位數(shù)據(jù)和其它信息的處理。3)實(shí)時(shí)記錄GPS定位數(shù)據(jù)，保存軌跡。

4.2.3地圖顯示功能模塊功能

監(jiān)控系統(tǒng)軟件為地圖處理提供了極大的靈活性和一致性?？梢酝瑫r(shí)打開多幅矢量圖和柵格圖，也可以多次打開同一幅地圖，從而能夠同時(shí)顯示不同地圖所對(duì)應(yīng)的不同區(qū)域以及同一地圖的不同部分。根據(jù)定位數(shù)據(jù)或用戶的要求，顯示相應(yīng)地區(qū)的數(shù)字地圖，并做到對(duì)數(shù)字地圖進(jìn)行放大、縮小、漫游顯示。當(dāng)車輛移動(dòng)位置發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的地圖顯示也能夠自動(dòng)切換或漫游。

4.2.4報(bào)警處理模塊功能

移動(dòng)目標(biāo)可向監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)，并采取相應(yīng)措施。這些措施包括:對(duì)于報(bào)警區(qū)域及性質(zhì)進(jìn)行控制，通過在地圖上顯示報(bào)警區(qū)域的形狀及其填充模式，對(duì)報(bào)警進(jìn)行直觀的監(jiān)視和控制，同時(shí)可以改變報(bào)警的性質(zhì)。例如:為了對(duì)某條固定線路上運(yùn)行的車輛進(jìn)行監(jiān)控，可將報(bào)警由駛?cè)藞?bào)警變?yōu)閷?duì)其固定線路進(jìn)行駛出報(bào)警。另外針對(duì)車輛超速而引發(fā)事故的不安全因素，可對(duì)道路進(jìn)行分段超速報(bào)警。

4.2.5歷史軌跡管理與回放模塊功能

支持對(duì)多條軌跡的存儲(chǔ)、管理和回放功能，以方便事后分析。l)軌跡存儲(chǔ)，將車輛在行駛過程中接收到的GPS信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖到y(tǒng)可以識(shí)別的文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)。2)軌跡管理，通過友好的菜單界面對(duì)軌跡按性質(zhì)或車組進(jìn)行分組管理。3)軌跡仿真，軌跡仿真即為軌跡重放，將存儲(chǔ)的軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真處理，將以前的軌跡，進(jìn)行重新播放。

4.2.6指令信息與報(bào)位信息處理模塊功能

指令信息與報(bào)位信息處理模塊使用戶能夠?qū)囕v進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。配合通訊網(wǎng)路可以進(jìn)行車輛報(bào)位，可以發(fā)送信息。在主控制窗口的底部，有一狀態(tài)欄，該欄可以標(biāo)識(shí)車輛的各種常用的狀態(tài)。可以標(biāo)識(shí)目標(biāo)車輛的經(jīng)度、緯度、速度和方向等參數(shù)，可以精確地了解車輛的基本行駛狀態(tài)，如行駛的方向、目前所在的位置及當(dāng)前的速度等。

4.2.7移動(dòng)目標(biāo)管理模塊功能

移動(dòng)目標(biāo)管理模塊主要完成對(duì)移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤和管理。該模塊的具體運(yùn)行機(jī)制和“指令信息與報(bào)位信息處理模塊”中的部分有所重合，要求目標(biāo)車輛輸人連續(xù)不斷的報(bào)位信息，這樣該模塊就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)車輛行駛軌跡的仿真處理。

4.2.8地圖維護(hù)模塊

該模塊的主要功能是針對(duì)地圖進(jìn)行諸如添加、刪除、設(shè)置報(bào)警顯示等操作，并將操作修改的結(jié)果予以保存。由于這些操作均涉及到對(duì)“層”中“對(duì)象”的進(jìn)行修改。如果要修改必須調(diào)出相應(yīng)的層，因此地圖維護(hù)模塊還涉及到地圖“層”的維護(hù)。

5系統(tǒng)測試與應(yīng)用

系統(tǒng)前期研究側(cè)試分別在北京市區(qū)道路和京滬高速路上進(jìn)行，以保持研究測試環(huán)境與實(shí)際車輛運(yùn)行環(huán)境一致性。同時(shí)將此技術(shù)成果應(yīng)于公路運(yùn)輸企業(yè)中，在京滬高速路上完成“車輛動(dòng)態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)”項(xiàng)目技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

5.1環(huán)婉試驗(yàn)

京滬高速公路較長而且系統(tǒng)運(yùn)行條件比較單一，北京市區(qū)道路狀況較為復(fù)雜，要求的精度更高。在北京市區(qū)道路上進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)與調(diào)試，不僅能真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際道路的測試結(jié)果，而且能更好地校正相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。因此本系統(tǒng)試驗(yàn)主要以北京市區(qū)道路為主，京滬長途高速路為輔。

5.2技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施

京護(hù)高速公路縱貫我國東部六省市，全長1262km。京滬高速公路采用結(jié)點(diǎn)運(yùn)輸方式，在沿線一些城市站點(diǎn)允許旅客乘降和小件快運(yùn)貨物的收發(fā)，由此產(chǎn)生大量的車輛、客、貨信息流?；贕SM、GPS技術(shù)開發(fā)的“車輛動(dòng)態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)”的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛的超速檢測、安全報(bào)警、調(diào)度指揮等的長途車輛運(yùn)輸安全生產(chǎn)的監(jiān)督管理目的，同時(shí)促進(jìn)了企業(yè)營運(yùn)客車的運(yùn)輸安全規(guī)范化管理。

6結(jié)論

基于示范工程的特點(diǎn)而建立的車輛動(dòng)態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采用的GSM通信模式，較好地解決了長距離高速公路因跨越多個(gè)移動(dòng)無線通信區(qū)域而導(dǎo)致的信號(hào)間斷問題，與其他通信模式相比具有成本低，適用范圍大等特點(diǎn)。車輛動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用極大地提高了公路長途運(yùn)輸?shù)陌踩a(chǎn)管理水平。該項(xiàng)技術(shù)不僅可廣泛應(yīng)用于公路運(yùn)輸，而且可推廣到城市道路運(yùn)輸、水上運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域。