車輛導(dǎo)航及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

1、車輛導(dǎo)航及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究    摘  要 介紹了一個基于GPS/GIS/GSM的車輛定位導(dǎo)航監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、系統(tǒng)組成、功能。并針對系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)難點(diǎn)提出解決方案。利用ESRI地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)組件MapObject，在可視化的編程工具VC6.0中加以實(shí)現(xiàn)。     關(guān)鍵詞 全球定位系統(tǒng); 地理信息系統(tǒng)；全球移動通信系統(tǒng)；地圖匹配    1  前言   &

2、#160;建設(shè)較完善的智能交通系統(tǒng)(ITS)是當(dāng)下人們研究的重點(diǎn)。車輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)是ITS的重要組成部分，它借助于電子地圖為駕駛員實(shí)時提供車輛位置、速度、方向以及周圍地理環(huán)境等信息，以指導(dǎo)駕駛員快速、安全、準(zhǔn)確的到達(dá)目的地。本人及小組成員根據(jù)項(xiàng)目要求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于GPS/GIS以及借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有的GSM網(wǎng)通信平臺的車輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)了在GS網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)車輛的定位導(dǎo)航監(jiān)控及管理。    2  系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)    2.1  設(shè)計(jì)思路及結(jié)構(gòu)劃分 &

3、#160;  系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先從車輛的定位著眼，進(jìn)而完成對其進(jìn)行監(jiān)控導(dǎo)航等功能，因此需要結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用廣泛的GPS、GIS、GSM及計(jì)算機(jī)通信等方面的技術(shù)。在具體運(yùn)行中設(shè)置在車輛上的終端部件將從GPS接收坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并結(jié)合速度等信息通過GSM系統(tǒng)以SMS方式發(fā)送到控制中心，控制中心則要結(jié)合其后臺的GIS系統(tǒng)以圖像方式表現(xiàn)在屏幕上，同時又要根據(jù)需要對車輛通過GSM系統(tǒng)以SMS方式發(fā)送控制指令。另外為了方便用戶查詢用戶基本信息、交通信息、車輛行駛信息等，控制中心還要實(shí)時向WEBGIS服務(wù)器傳送相關(guān)信息。由此，我們對該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為了車載單元和監(jiān)控中心兩大部分。 

4、0;  2.2  控制中心端設(shè)計(jì)    控制中心端是我們整個系統(tǒng)的核心部分，它既要接收來自移動端的GPS信息并結(jié)合數(shù)據(jù)庫以圖形方式反映在GIS平臺上，同時又要根據(jù)監(jiān)控信息給車輛以相應(yīng)的信息反饋，以提供車輛的導(dǎo)航。其功能結(jié)構(gòu)如圖1。（1）數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的要求包括地理空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)，非空間數(shù)據(jù)又包括基本的屬性數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)，因此建立了三個數(shù)據(jù)庫分別是地理空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫和GPS消息數(shù)據(jù)庫。其中地理空間數(shù)據(jù)庫主要存儲GIS方面的空間圖形數(shù)據(jù)，此處以成都市電子交通地圖為主要部分，包括道路交通網(wǎng)圖形要素

5、的空間位置、幾何特征和拓?fù)潢P(guān)系以及其它一些附屬地物，如機(jī)關(guān)單位、綠地廣場、商店超市等。屬性數(shù)據(jù)庫主要包括車輛基本信息、用戶信息、服務(wù)信息等。GPS消息數(shù)據(jù)庫主要針對車輛位置信息的管理，以方便車輛導(dǎo)航及路徑回放等。后兩者均為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用一般的關(guān)系數(shù)據(jù)庫以表、視圖方式即可很好的表示。    （2）GPS分析管理模塊。此模塊主要從車輛的定位、跟蹤方面進(jìn)行處理，對被監(jiān)控車輛接收移動端發(fā)來的位置、速度等信息以圖形方式顯示在地圖上，并以文本方式做詳細(xì)記錄；依據(jù)記錄的數(shù)據(jù)在需要時進(jìn)行回放，回放功能的設(shè)計(jì)上包括開始、暫停、繼續(xù)、結(jié)束四個狀態(tài)。另外還包括基本的車輛信息

6、查詢處理功能，如車輛信息查詢、駕駛員信息查詢、車輛監(jiān)控查詢、車輛調(diào)度等。    （3）GIS分析管理模塊。此模塊主要在MapObject基礎(chǔ)上集成二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)GIS的基本功能，如地圖放大、縮小、漫游、查詢、距離測量等。另外根據(jù)項(xiàng)目需要實(shí)現(xiàn)了路段及區(qū)域范圍內(nèi)車輛密度分析功能。    2.3  移動端設(shè)計(jì)    移動端也就是我們的車載端系統(tǒng)，它包括GPS接收模塊、DR傳感器（Dead Reckoning）、車載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、通信控制器及外圍設(shè)備等組成

7、，其結(jié)構(gòu)如圖2。    GPS接收機(jī)主要用于接收衛(wèi)星信號，并解算出定位信息；DR傳感器用于航位推算，它是為了解決GPS無法定位而導(dǎo)致導(dǎo)航軟件無法工作的問題而特意在我們的系統(tǒng)中引入的；車載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)用于數(shù)據(jù)采集和處理；通信控制器用于向GSM短信中心發(fā)送車輛位置等數(shù)據(jù)，并接收控制中心通過GSM網(wǎng)發(fā)來的監(jiān)控指令等數(shù)據(jù)。其工作原理為：當(dāng)GPS接收模塊或DR傳感器取得數(shù)據(jù)后，通過通信控制器把數(shù)據(jù)以短信息的形式傳到GSM短信中心，再通過局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心，車載終端系統(tǒng)以中斷方式完成來自GPS模塊和DR傳感器的數(shù)據(jù)的接收，在硬件主程序中循環(huán)采集信號和控制

8、其它外圍設(shè)備。         3  系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)    3.1  通信        車載設(shè)備與監(jiān)控中心的通信方式采用GSM短信業(yè)務(wù)方式完成。發(fā)送端將數(shù)據(jù)加上目的地址按照通訊機(jī)協(xié)議進(jìn)行編碼發(fā)送給短消息服務(wù)中心，之后再由短消息服務(wù)中心發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心收到信息后同樣以相應(yīng)的通訊協(xié)議進(jìn)行解碼后分解為可識別的車輛經(jīng)緯度、狀態(tài)等信息。他們之間

9、是以RS232全雙工串口來通信的，可以同時接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。在此我們利用VC6.0下的CserialPortEx串口通行類來實(shí)現(xiàn)串口通信。CserialPortEx聲明如下class CSerialPortEx public:    BOOL        InitPort(CWnd* pPortOwner， UINT portnr = 1， UINT baud = 1

10、9200， char parity = 'N'， UINT databits = 8， UINT stopsbits = 1， DWORD dwCommEvents = EV_RXCHAR | EV_CTS， UINT nBufferSize = 512)；串口的配置對話框如圖3。    3.2  地圖

11、匹配    由于當(dāng)前使用的GPS定位精度為數(shù)十米，且美*方為*其它國家將GPS系統(tǒng)用于軍事領(lǐng)域，通過選擇可用性(SA)技術(shù)，人為地在衛(wèi)星信號中加入噪聲干擾。另外由于城市地物特征復(fù)雜，在高密集的建筑物、隧道、立交橋等處行駛時又會受其反射和遮蔽影響，使得在某些區(qū)域內(nèi)無法接收GPS信號而出現(xiàn)定位盲區(qū)。因此在GPS定位與航位推算的基礎(chǔ)上要將定位點(diǎn)與地圖道路進(jìn)行匹配，這樣才能真正實(shí)現(xiàn)車輛在地圖上的實(shí)時定位。    地圖匹配是通過車輛的GPS航跡與GIS地圖數(shù)據(jù)庫中的矢量化路段對象進(jìn)行匹配，尋找車輛當(dāng)前行使的實(shí)際道路，再將此定

12、位點(diǎn)投影到道路上。根據(jù)車輛行駛的情況和地圖匹配的需要，將匹配定位分成了3種不同狀態(tài)，即道路搜索、直線行駛、轉(zhuǎn)彎。針對每種狀態(tài)的特點(diǎn)和定位要求，采取了不同的處理方法。    （1）道路搜索。當(dāng)車輛啟動時，道路匹配可能不正確，所以應(yīng)先對起始時刻進(jìn)行道路匹配，以便建立正確的投影點(diǎn)，這就需要先進(jìn)行道路搜索。在進(jìn)行道路搜索時我們將道路連通性作為考慮要素，如圖4所示：p0是前一時刻匹配的位置點(diǎn)，p1是當(dāng)前時刻的GPS定位點(diǎn)，L1、L2、L3是待搜索的范圍內(nèi)的三條道路。虛線箭頭是p0 時刻車輛行使方向。根據(jù)前一時刻匹配結(jié)果認(rèn)為車輛在道路L1上，由于道路L1與

13、L2是連通的，所以車輛不可能直接進(jìn)入L3，只可能是在L1和L2中進(jìn)行搜索。    （2）直線行駛。在沒有接近道路交叉點(diǎn)時，可以一直認(rèn)為車輛是在此道路上行駛，可將定位點(diǎn)全部投影在此路段上，如圖5。    （3）轉(zhuǎn)彎。當(dāng)接近交叉點(diǎn)時進(jìn)行轉(zhuǎn)彎處理。此時可認(rèn)為是新一次的道路搜索，采用道路搜索的算法處理即可。    4  結(jié)束語    基于GPS/GIS/GSP車輛實(shí)時監(jiān)控導(dǎo)航管理系統(tǒng)涉及GPS技術(shù)、通信技術(shù)、地理信息學(xué)、數(shù)據(jù)庫、軟件工程等多個技術(shù)領(lǐng)域，系統(tǒng)較為復(fù)雜，本文從系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、原理、功能、關(guān)鍵技術(shù)算法等方面對車輛導(dǎo)航監(jiān)控系統(tǒng)做了一定分析研究。具體論述應(yīng)對車輛定位、導(dǎo)航、監(jiān)控等領(lǐng)域具有實(shí)用價值。    參考文獻(xiàn)1  譚國真，趙亦林. 車輛定位與導(dǎo)航系統(tǒng)M 北京：電子工業(yè)出版社，1999.2  劉光. 地理信息系統(tǒng)二次開