公路運輸車輛跟蹤技術研究

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1公路建設

隨著我國公路建設的加快和國民經濟的迅速發展，對公路客貨運輸的需求不斷增加，公路運輸也日益繁忙，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，其安全狀況難以監督控制。采用車輛動態安全監控系統對車輛尤其是長途車輛進行安全監控，是保障公路運輸安全的重要措施。

2國內外發展概況

2.1交通運輸與車輛定位系統的發展

隨著電子信息技術越來越多地進人交通運輸部門，逐步生成一個新的工程領域，即智能運輸系統(功telligentTransPortationSystem，簡稱仃S)。所謂智能運輸系統，就是通過采用先進的電子技術、信息技術、通信技術等高新技術，形成的一種信息化、智能化、社會化的新型現代交通系統。GPS車輛定位技術是仃S的核心技術之一。GPS(GlobalPositioningSystem)即全球定位系統，是美國在20世紀70年代開始研制第二代衛星導航系統。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系統大致可分為兩類，一類如日本的車輛自主導航系統，另一類為車輛跟蹤系統，如美國的緊急救援系統、中國的調度指揮系統。

2.2國外車輛跟蹤系統現狀

國外車輛定位跟蹤系統的發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絡，如常規(VHF/L舊F)、集群(T扭吐edRadio)、衛星系統和標準的蜂窩網，以及其他可利用的手段;歐洲派則主推GPS/GSM系統。GPS車輛定位跟蹤系統通常由車載子系統、數據通信子系統和控制中心子系統三大部分組成。目前GPS車輛定位跟蹤系統主要有五種通用類型:l)無源跟蹤系統:這是一種最廉價的車輛跟蹤方式，無需實時傳送數據，因而一次購置設備以后不用再支付其它無線網絡的運行服務費用。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據庫系統。這種系統也可用于其它的野外采集數據后人工回復數據的場合。2)有源跟蹤系統:這是最典型的一種車輛跟蹤方式，必須配有無線網絡系統，無線網絡可以用衛星通信系統、蜂窩電話系統等。3)點名應答系統:許多情況下系統無需連續跟蹤，但要保證在任何需要的時候能隨時找到這一車輛。由于系統中使用了微控器，所以系統兼備了有源跟蹤和點名應答雙重功能。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兩種模式的相互切換。4)失竊車輛尋找系統:這是點名應答系統的一種變形系統。5)車載監控系統:該系統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控軟件。

2.3國內車輛跟蹤系統現狀

我國GPS車輛跟蹤系統的開發應用，是從九十年代初開始的。從1999年開始，GPS車輛定位跟蹤系統的市場出現了快速增長勢頭，相應的技術也有了提高和發展。國家信息產業部為推動我國衛星定位系統的應用發展，成立了衛星定位系統應用標準工作組，以便創造一個有利于提高產品質量水平和技術的政策環境和經營環境。目前我國GPS車輛定位跟蹤系統在城市交通車輛安全動態監管方面得到了應用，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動指揮，這對加速貨運周轉、縮短空駛里程、保障安全都將十分有效。

3主要技術方案設計

3.1關健方案選擇

目前常用的幾種無線電通信方式有:l)常規無線電臺通信系統根據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(數據傳輸用)，900MHz等幾個工作頻段，而900MF匕作為GSM公用移動通信頻段，實際留給常規無線電臺的頻率資源非常有限。此外，限制在車輛動態監控系統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)集群電臺通信系統集群系統是移動通信專用網，它采用大區聯網方式工作。集群系統的主要優點是共用頻率資源，共享覆蓋區。由于采用大區聯網方式，因而可得到較寬的業務覆蓋區，適合于已經建有集群通信網的地區和業務覆蓋范圍較大的GPS車輛定位跟蹤系統。由于集群系統不是專為GPS系統而建，就有一個業務分配的問題。如果所有信道都隨機分配給GPS業務和非CPS業務，在兩者業務都繁忙時，就會發生相互影響;如果撥出一部分信道給GPS信息傳輸專用，那本身和常規無線電臺無多大差別。而且集群系統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無線電臺。實踐證明，在集群系統留給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定位傳輸系統應用。3)短波電臺通信方式對于丘陵、山區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。因而每個頻點內允許使用的車輛數較少。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。4)衛星通信方式采用通信衛星系統，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，這是一種非常好的通信方式，但這種通信系統目前的主要缺點是通信費用較高，因而也不適于車輛動態監控系統采用。5)GSM公用移動通信網通信系統采用GSM公用移動通信網進行傳輸GPS信息的應用系統，就是利用移動通信的短消息服務功能來實現GPS信息傳輸。短消息服務是GSM中唯一不要求建立端—端路徑的業務，而且它是通過信令控制信道進行信息傳輸的，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，真正做到了數話兼容的目的，從而為GPS定位跟蹤系統增加了許多為用戶服務功能的可能。由于GSM數字公用移動通信網班蓋范圍廣，系統可靠性好，這種通信方式非常適合在長距離GPS車輛定位跟蹤系統的推廣應用。由于“車輛動態安全監控系統”在長途車輛上使用，要求有連續的長距離班蓋范圍的通信環境，其所應用的系統也應具有一定的穩定性和經濟適用性。采用GSM公用移動通信網通信系統作為通信平臺，是目前比較好的解決方案。

3.2Gls開發方式選擇

地理信息系統根據其內容可分為兩大基本類型:應用型地理信息系統和工具型地理信息系統。目前應用型Gls開發的有三種實現方式。3.2.1獨立開發指不依賴于任何GIS工具軟件，從空間數據的采集、編輯到數據的處理分析及結果輸出，所有的算法都由開發者獨立設計，然后選用某種程序設計語言，如VisualC料、Delphi等，在一定的操作系統平臺上編程實現。這種方式的好處在于無須依賴任何商業Gls工具軟件，減少了開發成本，但一方面對于大多數開發者來說，能力、時間、財力方面的限制使其開發出來的產品很難在功能上與商業化GIS工具軟件相比。3.2.2單獨二次開發指完全借助于Gls工具軟件提供的開發語言進行應用系統開發。Gls工具軟件大多提供了可供用戶進行二次開發的宏語言，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工具軟件為開發平臺，開發出自己的針對不同應用對象的應用程序。進行二次開發的宏語言功能較弱，用它們來開發應用程序仍然不盡如人意。3.2.3集成二次開發集成二次開發是指利用專業的GIS工具軟件，如戶JcView、M叩hifo等，實現Gls的基本功能，以通用軟件開發工具尤其是可視化開發工具，如Delphi、Visua1C抖、VisualBasic、powerBuilder等為開發平臺，進行二者的集成開發。車輛動態監控系統軟件采用了集成二次開發形式，它的優點是既可以充分利用GIS工具軟件對空間數據庫的管理、分析功能，又可以利用其它可視化開發語言具有的高效、方便等編程優點。

3.3地圖的獲取

3.3.1空間地理數據的獲取方式l)使用數字化儀:使用手扶跟蹤數字化儀，通過人工選點或跟蹤線段產生坐標數據。2)利用掃描儀:利用掃描儀把圖紙信息掃描后以柵格數據結構形式存儲，再經其它圖象處理軟件進一步處理改善圖象質量，并把柵格數據轉換為矢量數據格式。鍵盤鍵入:在計算機終端上輸人地圖數據。購買商業性數據:目前常見的電子地圖產品有:衛星影象圖—地球資源衛星獲得、.產、‘產內、︸4的地表景觀影象數據;電子地形圖—通過分層技術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)從其它部門獲得數字拷貝:根據某些部門標準的原始數據文件，進行數據格式轉換，最終形成Maplnfo可以識別的數據格式。

3.3.2應用分析

在上述各種方式中，前兩種方式獲取數據比較精確，也十分專業，但是均需要購買昂貴的專用設備及數字化軟件包(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，已無法滿足現時的需要。因此車輛動態監控系統采用購買地圖數據文件，在M叩hifo中調人，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地理對象。

4系統試驗

4.1系統設備構成

測試系統主要由監控中心驗設備主要由車載終端、GSM、GSM無線網絡、車載設備三部分組成。系統試通信系統、監控中心及相應的實驗車輛等組成。

4.2系統主要功能

系統軟件由主控程序調用各功能模塊，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，接收定位數據等。2)定位數據和其它信息的處理。3)實時記錄GPS定位數據，保存軌跡。

4.2.3地圖顯示功能模塊功能

監控系統軟件為地圖處理提供了極大的靈活性和一致性。可以同時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域以及同一地圖的不同部分。根據定位數據或用戶的要求，顯示相應地區的數字地圖，并做到對數字地圖進行放大、縮小、漫游顯示。當車輛移動位置發生變化時，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

移動目標可向監控中心發送報警信號，并采取相應措施。這些措施包括:對于報警區域及性質進行控制，通過在地圖上顯示報警區域的形狀及其填充模式，對報警進行直觀的監視和控制，同時可以改變報警的性質。例如:為了對某條固定線路上運行的車輛進行監控，可將報警由駛人報警變為對其固定線路進行駛出報警。另外針對車輛超速而引發事故的不安全因素，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信號轉變為軟件系統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，將存儲的軌跡數據進行仿真處理，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對車輛進行實時監控和管理。配合通訊網路可以進行車輛報位，可以發送信息。在主控制窗口的底部，有一狀態欄，該欄可以標識車輛的各種常用的狀態。可以標識目標車輛的經度、緯度、速度和方向等參數，可以精確地了解車輛的基本行駛狀態，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不斷的報位信息，這樣該模塊就可以實現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、設置報警顯示等操作，并將操作修改的結果予以保存。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系統測試與應用

系統前期研究側試分別在北京市區道路和京滬高速路上進行，以保持研究測試環境與實際車輛運行環境一致性。同時將此技術成果應于公路運輸企業中，在京滬高速路上完成“車輛動態安全監控系統”項目技術的實際應用。

5.1環婉試驗

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

5.2技術的應用實施

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，由此產生大量的車輛、客、貨信息流。基于GSM、GPS技術開發的“車輛動態安全監控系統”的實施，實現了對車輛的超速檢測、安全報警、調度指揮等的長途車輛運輸安全生產的監督管理目的，同時促進了企業營運客車的運輸安全規范化管理。

6結論

基于示范工程的特點而建立的車輛動態安全監控系統設計方案采用的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。車輛動態監控系統的應用極大地提高了公路長途運輸的安全生產管理水平。該項技術不僅可廣泛應用于公路運輸，而且可推廣到城市道路運輸、水上運輸等諸多領域。