车辆定位管理研究

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1引言

随着我国公路建设的加快和国民经济的迅速发展，对公路客货运输的需求不断增加，公路运输也日益繁忙，而公路交通事故及运输安全问题也越来越突出。公路长途客货运输由于线路和运行时间较长，其安全状况难以监督控制。采用车辆动态安全监控系统对车辆尤其是长途车辆进行安全监控，是保障公路运输安全的重要措施。

2国内外发展概况

2.1交通运输与车辆定位系统的发展

随着电子信息技术越来越多地进人交通运输部门，逐步生成一个新的工程领域，即智能运输系统(功telligentTransPortationSystem，简称仃S)。所谓智能运输系统，就是通过采用先进的电子技术、信息技术、通信技术等高新技术，形成的一种信息化、智能化、社会化的新型现代交通系统。GPS车辆定位技术是仃S的核心技术之一。

GPS(GlobalPositioningSystem)即全球定位系统，是美国在20世纪70年代开始研制第二代卫星导航系统。它具有海、陆、空全方位实时三维导航定位的能力。GPS导航定位具有精度高、全天候、高效率、多功能、操作简便、使用广泛等特点，在海、陆、空移动物体的导航、制导、定位、测量等方面得到了广泛应用。世界上GPS应用最广泛的领域是在车辆上，它几乎占整个用户量的三分之二。目前车载GPS系统大致可分为两类，一类如日本的车辆自主导航系统，另一类为车辆跟踪系统，如美国的紧急救援系统、中国的调度指挥系统。

2.2国外车辆跟踪系统现状

国外车辆定位跟踪系统的发展大体分为两大流派:美国派和欧洲派。美国派主张利用各类无线网络，如常规(VHF/L旧F)、集群(T扭吐edRadio)、卫星系统和标准的蜂窝网，以及其他可利用的手段;欧洲派则主推GPS/GSM系统。

GPS车辆定位跟踪系统通常由车载子系统、数据通信子系统和控制中心子系统三大部分组成。目前GPS车辆定位跟踪系统主要有五种通用类型:

l)无源跟踪系统:这是一种最廉价的车辆跟踪方式，无需实时传送数据，因而一次购置设备以后不用再支付其它无线网络的运行服务费用。它实际是驾驶员的工作记录，把行车的路线轨迹存储起来以供回来后重新送入数据库系统。这种系统也可用于其它的野外采集数据后人工回复数据的场合。

2)有源跟踪系统:这是最典型的一种车辆跟踪方式，必须配有无线网络系统，无线网络可以用卫星通信系统、蜂窝电话系统等。

3)点名应答系统:许多情况下系统无需连续跟踪，但要保证在任何需要的时候能随时找到这一车辆。由于系统中使用了微控器，所以系统兼备了有源跟踪和点名应答双重功能。但必须在控制器中建立合适的码，它能在收到控制中心的指令后实现两种模式的相互切换。

4)失窃车辆寻找系统:这是点名应答系统的一种变形系统。

5)车载监控系统:该系统适用于作为移动指挥中心，与控制中心一样配有电子地图和监控软件。

2.3国内车辆跟踪系统现状

我国GPS车辆跟踪系统的开发应用，是从九十年代初开始的。从1999年开始，GPS车辆定位跟踪系统的市场出现了快速增长势头，相应的技术也有了提高和发展。国家信息产业部为推动我国卫星定位系统的应用发展，成立了卫星定位系统应用标准工作组，以便创造一个有利于提高产品质量水平和技术的政策环境和经营环境。

目前我国GPS车辆定位跟踪系统在城市交通车辆安全动态监管方面得到了应用，例如运钞车、救护车、救火车、公安巡逻车、迎宾车等特种专用车辆的定位跟踪等。在出租车上和防止车辆被盗等方面也都有所应用。GPS车辆定位跟踪系统应用于集装箱等长途货运车，货主就可随时掌握货物情况并进行相应的调动指挥，这对加速货运周转、缩短空驶里程、保障安全都将十分有效。

3主要技术方案设计

3.1关健方案选择

目前常用的几种无线电通信方式有:

l)常规无线电台通信系统

根据我国国家无线电管理委员会分配给陆地移动通信的频率范围以及各种其它因素的综合考虑，真正适合当前作陆地移动通信的有15OMHz，23OMHZ(数据传输用)，900MHz等几个工作频段，而900MF匕作为GSM公用移动通信频段，实际留给常规无线电台的频率资源非常有限。此外，限制在车辆动态监控系统中使用的另一个问题是它的覆盖范围。它的一般作用距离限制在40kill左右，不适用于长距离范围的应用。

2)集群电台通信系统

集群系统是移动通信专用网，它采用大区联网方式工作。集群系统的主要优点是共用频率资源，共享覆盖区。由于采用大区联网方式，因而可得到较宽的业务覆盖区，适合于已经建有集群通信网的地区和业务覆盖范围较大的GPS车辆定位跟踪系统。由于集群系统不是专为GPS系统而建，就有一个业务分配的问题。如果所有信道都随机分配给GPS业务和非CPS业务，在两者业务都繁忙时，就会发生相互影响;如果拨出一部分信道给GPS信息传输专用，那本身和常规无线电台无多大差别。而且集群系统信令传输要占去相当长的时间，每一个频道的利用率必然要低于常规无线电台。实践证明，在集群系统留给GPS定位信息传输可用的信道不多的情况下，这种传输方式并不适宜较多车辆的GPS定位传输系统应用。

3)短波电台通信方式

对于丘陵、山区或通信条件落后的偏远的地方，用短波电台传输GPS信息也是一种较好的选择。但由于短波通信存在严重的电波衰落现象，它的允许传输速率较低，一般可用范围是300一600饰s，比超短波段电台的2400一9600bPs小得多。因而每个频点内允许使用的车辆数较少。另外短波通信虽然可传输100小2000km或更远的地方，但在60~10()larn范围为它的盲区。

4)卫星通信方式

采用通信卫星系统，可将GPS信息传送到那些目前其它通信手段无法硕盖的地区，这是一种非常好的通信方式，但这种通信系统目前的主要缺点是通信费用较高，因而也不适于车辆动态监控系统采用。

5)GSM公用移动通信网通信系统

采用GSM公用移动通信网进行传输GPS信息的应用系统，就是利用移动通信的短消息服务功能来实现GPS信息传输。短消息服务是GSM中唯一不要求建立端—端路径的业务，而且它是通过信令控制信道进行信息传输的，在仅有话音传输时，信令信道十分空闲，这就为利用短消息服务传输GPS信息提供了良好的条件。此外在利用短消息服务传输GPS信息的同时，仍然可以进行通话，真正做到了数话兼容的目的，从而为GPS定位跟踪系统增加了许多为用户服务功能的可能。由于GSM数字公用移动通信网班盖范围广，系统可靠性好，这种通信方式非常适合在长距离GPS车辆定位跟踪系统的推广应用。

由于“车辆动态安全监控系统”在长途车辆上使用，要求有连续的长距离班盖范围的通信环境，其所应用的系统也应具有一定的稳定性和经济适用性。采用GSM公用移动通信网通信系统作为通信平台，是目前比较好的解决方案。

3.2Gls开发方式选择

地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型:应用型地理信息系统和工具型地理信息系统。目前应用型Gls开发的有三种实现方式。

3.2.1独立开发

指不依赖于任何GIS工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如VisualC料、Delphi等，在一定的操作系统平台上编程实现。这种方式的好处在于无须依赖任何商业Gls工具软件，减少了开发成本，但一方面对于大多数开发者来说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化GIS工具软件相比。

3.2.2单独二次开发

指完全借助于Gls工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。Gls工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如Maphifo公司研制的MaplnfoProfessional提供了MapBasic语言等等。用户可以利用这些宏语言，以原Gls工具软件为开发平台，开发出自己的针对不同应用对象的应用程序。进行二次开发的宏语言功能较弱，用它们来开发应用程序仍然不尽如人意。

3.2.3集成二次开发

集成二次开发是指利用专业的GIS工具软件，如户JcView、M叩hifo等，实现Gls的基本功能，以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如Delphi、Visua1C抖、VisualBasic、powerBuilder等为开发平台，进行二者的集成开发。

车辆动态监控系统软件采用了集成二次开发形式，它的优点是既可以充分利用GIS工具软件对空间数据库的管理、分析功能，又可以利用其它可视化开发语言具有的高效、方便等编程优点。

3.3地图的获取

3.3.1空间地理数据的获取方式

l)使用数字化仪:使用手扶跟踪数字化仪，通过人工选点或跟踪线段产生坐标数据。

2)利用扫描仪:利用扫描仪把图纸信息扫描后以栅格数据结构形式存储，再经其它图象处理软件进一步处理改善图象质量，并把栅格数据转换为矢量数据格式。

键盘键入:在计算机终端上输人地图数据。购买商业性数据:目前常见的电子地图产品有:卫星影象图—地球资源卫星获得、.产、‘产内、的地表景观影象数据;电子地形图—通过分层技术将多种地理要素分成独立的信息层，每层具有同一属性的地理要素，如等高线、行政界线、道路、水系等;专题电子地图等。

5)从其它部门获得数字拷贝:根据某些部门标准的原始数据文件，进行数据格式转换，最终形成Maplnfo可以识别的数据格式。

3.3.2应用分析

在上述各种方式中，前两种方式获取数据比较精确，也十分专业，但是均需要购买昂贵的专用设备及数字化软件包(常用的有AL」TOCAD、CorelDraw等)，成本太高;纯粹的手工操作费时费力，容易出错，已无法满足现时的需要。因此车辆动态监控系统采用购买地图数据文件，在M叩hifo中调人，并对文件进行配准，采用手工输入和绘制方法，自定义新的图层并绘制相关地理对象。

4系统试验

4.1系统设备构成

测试系统主要由监控中心验设备主要由车载终端、GSM、GSM无线网络、车载设备三部分组成(见图l)。系统试通信系统、监控中心及相应的实验车辆等组成。

4.2系统主要功能

系统软件由主控程序调用各功能模块，完成包括导航定位处理、地图显示、地图维护、指令信息与报位信息处理、自动报警维护处理、历史轨迹管理与回放、移动目标管理等功能，在子功能完成后返回主控模块。

4.2.1主控功能

主控功能是对接收用户从鼠标、键盘输人的命令，按照不同的命令要求调度各个功能模块完成相应的功能。

4.2.2导航定位处理模块功能

l)对定位单元进行控制，包括对定位单元进行初始化，接收定位数据等。

2)定位数据和其它信息的处理。

3)实时记录GPS定位数据，保存轨迹。

4.2.3地图显示功能模块功能

监控系统软件为地图处理提供了极大的灵活性和一致性。可以同时打开多幅矢量图和栅格图，也可以多次打开同一幅地图，从而能够同时显示不同地图所对应的不同区域以及同一地图的不同部分。

根据定位数据或用户的要求，显示相应地区的数字地图，并做到对数字地图进行放大、缩小、漫游显示。当车辆移动位置发生变化时，相应的地图显示也能够自动切换或漫游。

4.2.4报警处理模块功能

移动目标可向监控中心发送报警信号，并采取相应措施。这些措施包括:对于报警区域及性质进行控制，通过在地图上显示报警区域的形状及其填充模式，对报警进行直观的监视和控制，同时可以改变报警的性质。例如:为了对某条固定线路上运行的车辆进行监控，可将报警由驶人报警变为对其固定线路进行驶出报警。另外针对车辆超速而引发事故的不安全因素，可对道路进行分段超速报警。

4.2.5历史轨迹管理与回放模块功能

支持对多条轨迹的存储、管理和回放功能，以方便事后分析。

l)轨迹存储，将车辆在行驶过程中接收到的GPS信号转变为软件系统可以识别的文件格式进行存储。

2)轨迹管理，通过友好的菜单界面对轨迹按性质或车组进行分组管理。

3)轨迹仿真，轨迹仿真即为轨迹重放，将存储的轨迹数据进行仿真处理，将以前的轨迹，进行重新播放。

4.2.6指令信息与报位信息处理模块功能

指令信息与报位信息处理模块使用户能够对车辆进行实时监控和管理。配合通讯网路可以进行车辆报位，可以发送信息。在主控制窗口的底部，有一状态栏，该栏可以标识车辆的各种常用的状态。可以标识目标车辆的经度、纬度、速度和方向等参数，可以精确地了解车辆的基本行驶状态，如行驶的方向、目前所在的位置及当前的速度等。

4.2.7移动目标管理模块功能

移动目标管理模块主要完成对移动目标的跟踪和管理。该模块的具体运行机制和“指令信息与报位信息处理模块”中的部分有所重合，要求目标车辆输人连续不断的报位信息，这样该模块就可以实现对目标车辆行驶轨迹的仿真处理。

4.2.8地图维护模块

该模块的主要功能是针对地图进行诸如添加、删除、设置报警显示等操作，并将操作修改的结果予以保存。由于这些操作均涉及到对“层”中“对象”的进行修改。如果要修改必须调出相应的层，因此地图维护模块还涉及到地图“层”的维护。

5系统测试与应用

系统前期研究侧试分别在北京市区道路和京沪高速路上进行，以保持研究测试环境与实际车辆运行环境一致性。同时将此技术成果应于公路运输企业中，在京沪高速路上完成“车辆动态安全监控系统”项目技术的实际应用。

5.1环婉试验

京沪高速公路较长而且系统运行条件比较单一，北京市区道路状况较为复杂，要求的精度更高。在北京市区道路上进行系统的试验与调试，不仅能真实地反应实际道路的测试结果，而且能更好地校正相应的技术参数。因此本系统试验主要以北京市区道路为主，京沪长途高速路为辅。

5.2技术的应用实施京护高速公路纵贯我国东部六省市，全长1262km。京沪高速公路采用结点运输方式，在沿线一些城市站点允许旅客乘降和小件快运货物的收发，由此产生大量的车辆、客、货信息流。基于GSM、GPS技术开发的“车辆动态安全监控系统”的实施，实现了对车辆的超速检测、安全报警、调度指挥等的长途车辆运输安全生产的监督管理目的，同时促进了企业营运客车的运输安全规范化管理。6结论基于示范工程的特点而建立的车辆动态安全监控系统设计方案采用的GSM通信模式，较好地解决了长距离高速公路因跨越多个移动无线通信区域而导致的信号间断问题，与其他通信模式相比具有成本低，适用范围大等特点。车辆动态监控系统的应用极大地提高了公路长途运输的安全生产管理水平。该项技术不仅可广泛应用于公路运输，而且可推广到城市道路运输、水上运输等诸多领域。