北京公交GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)研究

隨著首都經(jīng)濟的迅速發(fā)展,公交車輛增加、線路延長、車次增多的狀況日益突出,同時,道路的擴建又受土地的限制而無法實現(xiàn),因此交通擁擠時有發(fā)生,給首都人民帶來了極大的生活不便并嚴(yán)重阻礙了社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

　　目前世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家均面臨同樣的問題,由此出現(xiàn)了利用高新技術(shù)改善道路利用率、減少阻塞、節(jié)約能源的智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transport Systems,簡稱ITS)的研究及試驗熱潮,在國內(nèi)外也有許多應(yīng)用系統(tǒng)誕生。其中先進的公共交通系統(tǒng)(Advanced Public Transport System,簡稱APTS)就是針對公共交通系統(tǒng)中出現(xiàn)的時延問題、堵塞問題等設(shè)計的。北京公交擬建立的ITS示范工程系統(tǒng)正是在這種前提和背景下進行的,實際上是一個APTS的具體應(yīng)用實例。該系統(tǒng)包括:計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、固定通信系統(tǒng)、調(diào)度平臺系統(tǒng)、GPS公共車輛監(jiān)控系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)。本文主要就GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)進行說明,介紹其系統(tǒng)構(gòu)成、各種關(guān)鍵技術(shù)及具體實現(xiàn)方法。

1 GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

　　GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成見圖1,共分4部分:GPS差分站、GPS監(jiān)控站、區(qū)調(diào)控制器、車載設(shè)備,集群網(wǎng)的基站、復(fù)用器、區(qū)調(diào)平臺都是和GPS系統(tǒng)相關(guān)、用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及其它輔助功能的內(nèi)容。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸分兩部分,一是無線傳輸,一是有線傳輸。無線傳輸是利用MOTOROLA公司的SMARTNET-II+模擬集群網(wǎng)。有線傳輸利用幀中繼和計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn),其中差分?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸利用RS485串行口和專用的9.6kHz幀中繼帶寬完成;車輛信息上行傳輸?shù)絽^(qū)調(diào)平臺以及調(diào)度命令下行到GPS監(jiān)控站均由計算機網(wǎng)絡(luò)完成。

　　系統(tǒng)中基本的數(shù)據(jù)傳輸流向為:差分信息由差分站下發(fā),通過RS232串行口擴展為485接口再傳輸?shù)絻蓚€客運中心(客三和客六),到客六的傳輸直接由485模塊到485模塊完成(距離約100m),到客三的傳輸利用幀中繼和485串行口來共同實現(xiàn)(距離約為5km)。存儲在GPS監(jiān)控站的差分信息由區(qū)調(diào)控制器定時來讀取下發(fā)到各運營車輛。車輛信息通過集群網(wǎng)傳輸?shù)絽^(qū)調(diào)中心,由區(qū)調(diào)控制器解調(diào)后傳送到GPS監(jiān)控站。調(diào)度平臺向各運營車輛下發(fā)調(diào)度命令是通過GPS監(jiān)控站進行的,兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行。

2 車載設(shè)備的構(gòu)成

　　GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)的車載設(shè)備包括定位裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置、控制電路、電源、顯示、短信息輸入、語音接口等,其功能主要是傳輸車輛的位置、時間、速度、狀態(tài)(短信息)、車號、路號,并提示司機與區(qū)調(diào)中心進行通話聯(lián)系以及顯示快慢點或時鐘。不同的車輛采取時分多路(Time Divided Multi-Address，TDMA)的方式,每一車載設(shè)備分配一個固定的時隙,而各車輛的同步利用區(qū)調(diào)中心的廣播同步碼來進行。設(shè)備組成如圖2所示。

　　定位裝置采用DGPS(Differential Global Positioning System)和INU(Initial Navigating Unit)組合的方法。DGPS的精度能夠達(dá)到±10m,由車載設(shè)備接收區(qū)調(diào)的差分信息寫入GPS接收機實現(xiàn)。INU(此處為角速度傳感器和汽車?yán)锍虄x)的信號能夠保證定位的連續(xù)性,使得GPS接收機因衛(wèi)星跟蹤不到或衛(wèi)星數(shù)不夠時系統(tǒng)仍能定位。GPS接收機和INU的工作完全是自動切換,利用INU進行航位推算以GPS的定位數(shù)據(jù)作為起始位置。航位推算的基本原理如圖3所示。

　　由于車輛的運動可以看作是在二維平面(X,Y)上的運動,如果已知車輛的起始位置和初始方位角(與北向的夾角,順時針為正),再通過實時測量車輛行駛的距離和方位角的變化,就可以推算出車輛下一時刻的位置。航位推算的具體算法如下:

數(shù)據(jù)傳輸裝置利用公交已有的無線模擬集群電臺和MODEM組合的方式,對模擬信號和數(shù)字信號進行相互轉(zhuǎn)換,使數(shù)字信號能夠在模擬信道中可靠地傳輸,波特率為1200bps。無線電臺傳輸數(shù)據(jù)時工作在數(shù)據(jù)組,當(dāng)接收到區(qū)調(diào)中心的“請速通話”命令時,CPU將控制電臺由數(shù)據(jù)組切換到通話組,通話任務(wù)(規(guī)定在30s以內(nèi)完成)結(jié)束后再自動切換到數(shù)據(jù)組。

　　短信息指的是車輛狀態(tài),由司機根據(jù)實際情況進行輸入,和車輛的位置等其它信息一起傳送到區(qū)調(diào)中心。短信息共含7種:道路堵塞、車輛故障、交通事故、乘客滯留、服務(wù)糾紛、安全報警、通話請求。

　　顯示接口為時鐘和公交車輛快慢點顯示的接口,驅(qū)動5個數(shù)碼管顯示該車輛整體運行時間比預(yù)計時間的快慢情況。語音接口與司機進行通話以及系統(tǒng)自檢正常與否的語音提示。

　　控制電路提供系統(tǒng)所需要的時序和相關(guān)的控制信號,包括時隙產(chǎn)生、時間延遲、電臺工作組轉(zhuǎn)換等,其實現(xiàn)利用先進的FPGA(Field Programmable Gate Array)技術(shù),增強了系統(tǒng)的靈活和保密性,同時也大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)和研制周期。

　　電源部分直接將汽車電瓶的24V直接電壓進行轉(zhuǎn)換,提供電臺需用的13.8V/8A和GPS控制盒所需用的5V/500mA雙路電源。由于汽車點火時電瓶的電壓具有較大的波動,因此電源部分也包含了相應(yīng)的濾波、控制和保護電路。

3 區(qū)調(diào)控制器的構(gòu)成

　　區(qū)調(diào)控制器在整個系統(tǒng)中主要完成車輛信息的接收及上行傳輸、差分?jǐn)?shù)據(jù)及調(diào)度命令的下發(fā)、廣播同步信號的下發(fā)等。其組成如圖4所示。

　　區(qū)調(diào)控制器由MODEM、CPU、GPS接收機、控制電路組成,MODEM實現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號的相互轉(zhuǎn)換,控制電路提供嚴(yán)格的時序和相關(guān)的控制信號,GPS接收機提供時間基準(zhǔn),CPU完成所有操作的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)。

　　區(qū)調(diào)控制器每隔5s(用于1路)或10.6s(用于44路)讀取1次GPS監(jiān)控站中的差分信息和調(diào)度命令,而后對該數(shù)據(jù)進行重新打包,插入同步碼,由工作在數(shù)據(jù)組專用集群信道的電臺廣播出去,收到同步碼后不同的車輛延遲不同的時間生成相應(yīng)的時隙。其后的時間等待接收所有的車輛信息并轉(zhuǎn)發(fā)給GPS監(jiān)控站,即區(qū)調(diào)控制器和車載設(shè)備也是分時工作的。圖5(a)、(b)分別表示出了區(qū)調(diào)中心和車載設(shè)備的工作時序。

4 GPS監(jiān)控站監(jiān)控軟件

　　GPS監(jiān)控軟件的主要功能是對轄區(qū)內(nèi)所有的公交運營車輛進行監(jiān)視,統(tǒng)計車輛的正點、狀態(tài)(含報警)等情況,且能夠?qū)崿F(xiàn)多條線路的同時跟蹤;儲存差分信息,并轉(zhuǎn)發(fā)來自調(diào)度平臺的調(diào)度命令,將車輛信息轉(zhuǎn)發(fā)給區(qū)調(diào)平臺。其監(jiān)視方法有多種,主要是以電子地圖為背景為車輛調(diào)度提供可視化依據(jù)。其中全區(qū)、線路、單車、報警、短信息、正點為6種不同的顯示方式,可以根據(jù)不同情況對需要了解的公交車輛進行查看,從而可以為調(diào)度平臺提供更加詳實的車輛狀況。同時,監(jiān)控終端還具有數(shù)據(jù)存儲、軌跡重放、信息查詢等功能。

5 GPS差分站及其工作原理

　　該系統(tǒng)中的差分站工作于偽距差分模式,為整個北京地區(qū)的所有公交車輛提供偽距修正信息,使得定位精度比SA影響時提高一個數(shù)量級。其構(gòu)成如圖6所示。DGPS接收機的差分輸出信息經(jīng)過控制電路傳輸?shù)讲罘终竟芾砦C,由差分站軟件讀取并經(jīng)RS232串行口發(fā)送到兩個區(qū)調(diào)的GPS監(jiān)控站。

　　差分GPS的工作原理如下所述。

　　假定衛(wèi)星j發(fā)信號時的理想GPS時為tjg,接收機接收到該信號時的理想GPS時為tg,tj為衛(wèi)星j發(fā)信號時的衛(wèi)星鐘時刻,t為接收機收到信號時的接收機時刻。則衛(wèi)星鐘具有鐘差δtj=tj-tjg,接收機具有鐘差δt=t-tg ,由此可以得出衛(wèi)星j和接收機之間的偽距為:
　　

　　其中c為光速,Rj=c(tg-tjg)為衛(wèi)星j和接收機之間的真距,(2)中包含接收機鐘差與三維坐標(biāo)共4個未知量。因此觀測至少4顆衛(wèi)星的偽距即可解算出接收機的實際位置。

　　根據(jù)偽距定位模型,在基準(zhǔn)站設(shè)置一個基準(zhǔn)GPS接收機,利用多次平均法、聯(lián)測法或軟件法精確求得基準(zhǔn)站的地心坐標(biāo),再利用每一時刻的衛(wèi)星地心坐標(biāo)和已知的基準(zhǔn)站地心坐標(biāo)反求出各個時刻的真距Rjo?；鶞?zhǔn)站測量的偽距與其真距的差值即為偽距改正數(shù):

　　利用改正后的偽距進行定位可以獲得精度有所提高的差分定位解。

理論分析和試驗均表明,差分改正數(shù)(含偽距改正數(shù)及偽距改正數(shù)變化率)的發(fā)送間隔為5s或10s都能夠使定位精度達(dá)到±10m。

6 集群通信的應(yīng)用

集群通信是一種專用通信方式,它將多個無線信道組合在一起由系統(tǒng)內(nèi)的所有用戶共同使用,其特點是“資源共享”。用戶如果需要通信,必須首先申請信道,如果系統(tǒng)內(nèi)的信道均為其它用戶所占用,則該用戶等待信道空閑后才能發(fā)起呼叫。系統(tǒng)內(nèi)的信道管理以及用戶接續(xù)均由集群控制器完成,信號的傳輸由集群網(wǎng)的基站進行轉(zhuǎn)發(fā),增大了系統(tǒng)的覆蓋范圍并改善了通信質(zhì)量。另外,集群系統(tǒng)內(nèi)的用戶可以進行分組,同一組內(nèi)的用戶可以不需撥號就能相互呼叫。目前的集群系統(tǒng)主要是模擬制式。但數(shù)字集群系統(tǒng)已經(jīng)誕生,也是未來的發(fā)展趨勢。

　　綜上所述,利用模擬集群通信網(wǎng)進行公交車輛的實時數(shù)據(jù)傳輸,需要采取特殊的措施以避免由于信道申請造成的時間延遲或者申請不到信道導(dǎo)致的信息丟失。首先,對公交車輛進行分組,同一區(qū)域調(diào)度中心所屬的車輛分配在同一組內(nèi);為一個區(qū)域調(diào)度中心設(shè)置一個專用信道,該信道僅供此中心的車輛傳輸數(shù)據(jù),只要該中心的車輛發(fā)起呼叫,集群控制器就指定該信道為其所用。

　　北京市公共交通總公司智能調(diào)度指揮系統(tǒng)中的GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)目前主要用于1路和44路的所有車輛,另外2輛指揮車相當(dāng)于移動的區(qū)域調(diào)度中心,既有普通車輛傳輸數(shù)據(jù)到區(qū)調(diào)的功能,又可以接收所有運營車輛的信息顯示在電子地圖中,為動態(tài)調(diào)度公交車輛提供可視化依據(jù)。系統(tǒng)還包括1輛搶修車,實現(xiàn)移動的公交車輛維護管理。