公路運輸車輛跟蹤技術(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)濟的迅速發(fā)展，對公路客貨運輸?shù)男枨蟛粩嘣黾樱愤\輸也日益繁忙，而公路交通事故及運輸安全問題也越來越突出。公路長途客貨運輸由于線路和運行時間較長，其安全狀況難以監(jiān)督控制。采用車輛動態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)對車輛尤其是長途車輛進行安全監(jiān)控，是保障公路運輸安全的重要措施。

2國內(nèi)外發(fā)展概況

2.1交通運輸與車輛定位系統(tǒng)的發(fā)展

隨著電子信息技術(shù)越來越多地進人交通運輸部門，逐步生成一個新的工程領(lǐng)域，即智能運輸系統(tǒng)(功telligentTransPortationSystem，簡稱仃S)。所謂智能運輸系統(tǒng)，就是通過采用先進的電子技術(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70年代開始研制第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它具有海、陸、空全方位實時三維導航定位的能力。GPS導航定位具有精度高、全天候、高效率、多功能、操作簡便、使用廣泛等特點，在海、陸、空移動物體的導航、制導、定位、測量等方面得到了廣泛應用。世界上GPS應用最廣泛的領(lǐng)域是在車輛上，它幾乎占整個用戶量的三分之二。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)和標準的蜂窩網(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):這是一種最廉價的車輛跟蹤方式，無需實時傳送數(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)的運行服務費用。它實際是駕駛員的工作記錄，把行車的路線軌跡存儲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)點名應答系統(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候能隨時找到這一車輛。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名應答雙重功能。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現(xiàn)兩種模式的相互切換。4)失竊車輛尋找系統(tǒng):這是點名應答系統(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)部為推動我國衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應用發(fā)展，成立了衛(wèi)星定位系統(tǒng)應用標準工作組，以便創(chuàng)造一個有利于提高產(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態(tài)監(jiān)管方面得到了應用，例如運鈔車、救護車、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用。GPS車輛定位跟蹤系統(tǒng)應用于集裝箱等長途貨運車，貨主就可隨時掌握貨物情況并進行相應的調(diào)動指揮，這對加速貨運周轉(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

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)無線電臺通信系統(tǒng)根據(jù)我國國家無線電管理委員會分配給陸地移動通信的頻率范圍以及各種其它因素的綜合考慮，真正適合當前作陸地移動通信的有15OMHz，23OMHZ(數(shù)據(jù)傳輸用)，900MHz等幾個工作頻段，而900MF匕作為GSM公用移動通信頻段，實際留給常規(guī)無線電臺的頻率資源非常有限。此外，限制在車輛動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)中使用的另一個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用。2)集群電臺通信系統(tǒng)集群系統(tǒng)是移動通信專用網(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，就有一個業(yè)務分配的問題。如果所有信道都隨機分配給GPS業(yè)務和非CPS業(yè)務，在兩者業(yè)務都繁忙時，就會發(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)無線電臺無多大差別。而且集群系統(tǒng)信令傳輸要占去相當長的時間，每一個頻道的利用率必然要低于常規(guī)無線電臺。實踐證明，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)應用。3)短波電臺通信方式對于丘陵、山區(qū)或通信條件落后的偏遠的地方，用短波電臺傳輸GPS信息也是一種較好的選擇。但由于短波通信存在嚴重的電波衰落現(xiàn)象，它的允許傳輸速率較低，一般可用范圍是300一600飾s，比超短波段電臺的2400一9600bPs小得多。因而每個頻點內(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)目前的主要缺點是通信費用較高，因而也不適于車輛動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)采用。5)GSM公用移動通信網(wǎng)通信系統(tǒng)采用GSM公用移動通信網(wǎng)進行傳輸GPS信息的應用系統(tǒng)，就是利用移動通信的短消息服務功能來實現(xiàn)GPS信息傳輸。短消息服務是GSM中唯一不要求建立端—端路徑的業(yè)務，而且它是通過信令控制信道進行信息傳輸?shù)?，在僅有話音傳輸時，信令信道十分空閑，這就為利用短消息服務傳輸GPS信息提供了良好的條件。此外在利用短消息服務傳輸GPS信息的同時，仍然可以進行通話，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功能的可能。由于GSM數(shù)字公用移動通信網(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)的推廣應用。由于“車輛動態(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，其所應用的系統(tǒng)也應具有一定的穩(wěn)定性和經(jīng)濟適用性。采用GSM公用移動通信網(wǎng)通信系統(tǒng)作為通信平臺，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:應用型地理信息系統(tǒng)和工具型地理信息系統(tǒng)。目前應用型Gls開發(fā)的有三種實現(xiàn)方式。3.2.1獨立開發(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)者獨立設(shè)計，然后選用某種程序設(shè)計語言，如VisualC料、Delphi等，在一定的操作系統(tǒng)平臺上編程實現(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，但一方面對于大多數(shù)開發(fā)者來說，能力、時間、財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)語言進行應用系統(tǒng)開發(fā)。Gls工具軟件大多提供了可供用戶進行二次開發(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，開發(fā)出自己的針對不同應用對象的應用程序。進行二次開發(fā)的宏語言功能較弱，用它們來開發(fā)應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，進行二者的集成開發(fā)。車輛動態(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)點是既可以充分利用GIS工具軟件對空間數(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。

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，通過人工選點或跟蹤線段產(chǎn)生坐標數(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，再經(jīng)其它圖象處理軟件進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:在計算機終端上輸人地圖數(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)某些部門標準的原始數(shù)據(jù)文件，進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，最終形成Maplnfo可以識別的數(shù)據(jù)格式。

3.3.2應用分析

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;純粹的手工操作費時費力，容易出錯，已無法滿足現(xiàn)時的需要。因此車輛動態(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，并對文件進行配準，采用手工輸入和繪制方法，自定義新的圖層并繪制相關(guān)地理對象。

4系統(tǒng)試驗

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)控中心及相應的實驗車輛等組成。

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，完成包括導航定位處理、地圖顯示、地圖維護、指令信息與報位信息處理、自動報警維護處理、歷史軌跡管理與回放、移動目標管理等功能，在子功能完成后返回主控模塊。

4.2.1主控功能

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

4.2.2導航定位處理模塊功能

1)對定位單元進行控制，包括對定位單元進行初始化，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)實時記錄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，從而能夠同時顯示不同地圖所對應的不同區(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，顯示相應地區(qū)的數(shù)字地圖，并做到對數(shù)字地圖進行放大、縮小、漫游顯示。當車輛移動位置發(fā)生變化時，相應的地圖顯示也能夠自動切換或漫游。

4.2.4報警處理模塊功能

移動目標可向監(jiān)控中心發(fā)送報警信號，并采取相應措施。這些措施包括:對于報警區(qū)域及性質(zhì)進行控制，通過在地圖上顯示報警區(qū)域的形狀及其填充模式，對報警進行直觀的監(jiān)視和控制，同時可以改變報警的性質(zhì)。例如:為了對某條固定線路上運行的車輛進行監(jiān)控，可將報警由駛?cè)藞缶優(yōu)閷ζ涔潭ň€路進行駛出報警。另外針對車輛超速而引發(fā)事故的不安全因素，可對道路進行分段超速報警。

4.2.5歷史軌跡管理與回放模塊功能

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

4.2.6指令信息與報位信息處理模塊功能

指令信息與報位信息處理模塊使用戶能夠?qū)囕v進行實時監(jiān)控和管理。配合通訊網(wǎng)路可以進行車輛報位，可以發(fā)送信息。在主控制窗口的底部，有一狀態(tài)欄，該欄可以標識車輛的各種常用的狀態(tài)?？梢詷俗R目標車輛的經(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前的速度等。

4.2.7移動目標管理模塊功能

移動目標管理模塊主要完成對移動目標的跟蹤和管理。該模塊的具體運行機制和“指令信息與報位信息處理模塊”中的部分有所重合，要求目標車輛輸人連續(xù)不斷的報位信息，這樣該模塊就可以實現(xiàn)對目標車輛行駛軌跡的仿真處理。

4.2.8地圖維護模塊

該模塊的主要功能是針對地圖進行諸如添加、刪除、設(shè)置報警顯示等操作，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“層”中“對象”的進行修改。如果要修改必須調(diào)出相應的層，因此地圖維護模塊還涉及到地圖“層”的維護。

5系統(tǒng)測試與應用

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行，以保持研究測試環(huán)境與實際車輛運行環(huán)境一致性。同時將此技術(shù)成果應于公路運輸企業(yè)中，在京滬高速路上完成“車輛動態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)”項目技術(shù)的實際應用。

5.1環(huán)婉試驗

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

5.2技術(shù)的應用實施

京護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)點運輸方式，在沿線一些城市站點允許旅客乘降和小件快運貨物的收發(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“車輛動態(tài)安全監(jiān)控系統(tǒng)”的實施，實現(xiàn)了對車輛的超速檢測、安全報警、調(diào)度指揮等的長途車輛運輸安全生產(chǎn)的監(jiān)督管理目的，同時促進了企業(yè)營運客車的運輸安全規(guī)范化管理。

6結(jié)論

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