北京公交GPS車(chē)輛監控系統研究

隨著(zhù)首都經(jīng)濟的迅速發(fā)展,公交車(chē)輛增加、線(xiàn)路延長(cháng)、車(chē)次增多的狀況日益突出,同時(shí),道路的擴建又受土地的限制而無(wú)法實(shí)現,因此交通擁擠時(shí)有發(fā)生,給首都人民帶來(lái)了極大的生活不便并嚴重阻礙了社會(huì )經(jīng)濟的可持續發(fā)展。

　　目前世界各國尤其是發(fā)達國家均面臨同樣的問(wèn)題,由此出現了利用高新技術(shù)改善道路利用率、減少阻塞、節約能源的智能交通系統(Intelligent Transport Systems,簡(jiǎn)稱(chēng)ITS)的研究及試驗熱潮,在國內外也有許多應用系統誕生。其中先進(jìn)的公共交通系統(Advanced Public Transport System,簡(jiǎn)稱(chēng)APTS)就是針對公共交通系統中出現的時(shí)延問(wèn)題、堵塞問(wèn)題等設計的。北京公交擬建立的ITS示范工程系統正是在這種前提和背景下進(jìn)行的,實(shí)際上是一個(gè)APTS的具體應用實(shí)例。該系統包括:計算機網(wǎng)絡(luò )系統、固定通信系統、調度平臺系統、GPS公共車(chē)輛監控系統、大屏幕顯示系統。本文主要就GPS車(chē)輛監控系統進(jìn)行說(shuō)明,介紹其系統構成、各種關(guān)鍵技術(shù)及具體實(shí)現方法。

1 GPS車(chē)輛監控系統的構成

　　GPS車(chē)輛監控系統的系統構成見(jiàn)圖1,共分4部分:GPS差分站、GPS監控站、區調控制器、車(chē)載設備,集群網(wǎng)的基站、復用器、區調平臺都是和GPS系統相關(guān)、用于實(shí)現數據傳輸及其它輔助功能的內容。系統中的數據傳輸分兩部分,一是無(wú)線(xiàn)傳輸,一是有線(xiàn)傳輸。無(wú)線(xiàn)傳輸是利用MOTOROLA公司的SMARTNET-II+模擬集群網(wǎng)。有線(xiàn)傳輸利用幀中繼和計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)現,其中差分數據的傳輸利用RS485串行口和專(zhuān)用的9.6kHz幀中繼帶寬完成;車(chē)輛信息上行傳輸到區調平臺以及調度命令下行到GPS監控站均由計算機網(wǎng)絡(luò )完成。

　　系統中基本的數據傳輸流向為:差分信息由差分站下發(fā),通過(guò)RS232串行口擴展為485接口再傳輸到兩個(gè)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(lái)共同實(shí)現(距離約為5km)。存儲在GPS監控站的差分信息由區調控制器定時(shí)來(lái)讀取下發(fā)到各運營(yíng)車(chē)輛。車(chē)輛信息通過(guò)集群網(wǎng)傳輸到區調中心,由區調控制器解調后傳送到GPS監控站。調度平臺向各運營(yíng)車(chē)輛下發(fā)調度命令是通過(guò)GPS監控站進(jìn)行的,兩者之間的數據傳輸通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行。

2 車(chē)載設備的構成

　　GPS車(chē)輛監控系統的車(chē)載設備包括定位裝置、數據傳輸裝置、控制電路、電源、顯示、短信息輸入、語(yǔ)音接口等,其功能主要是傳輸車(chē)輛的位置、時(shí)間、速度、狀態(tài)(短信息)、車(chē)號、路號,并提示司機與區調中心進(jìn)行通話(huà)聯(lián)系以及顯示快慢點(diǎn)或時(shí)鐘。不同的車(chē)輛采取時(shí)分多路(Time Divided Multi-Address，TDMA)的方式,每一車(chē)載設備分配一個(gè)固定的時(shí)隙,而各車(chē)輛的同步利用區調中心的廣播同步碼來(lái)進(jìn)行。設備組成如圖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的精度能夠達到±10m,由車(chē)載設備接收區調的差分信息寫(xiě)入GPS接收機實(shí)現。INU(此處為角速度傳感器和汽車(chē)里程儀)的信號能夠保證定位的連續性,使得GPS接收機因衛星跟蹤不到或衛星數不夠時(shí)系統仍能定位。GPS接收機和INU的工作完全是自動(dòng)切換,利用INU進(jìn)行航位推算以GPS的定位數據作為起始位置。航位推算的基本原理如圖3所示。

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

數據傳輸裝置利用公交已有的無(wú)線(xiàn)模擬集群電臺和MODEM組合的方式,對模擬信號和數字信號進(jìn)行相互轉換,使數字信號能夠在模擬信道中可靠地傳輸,波特率為1200bps。無(wú)線(xiàn)電臺傳輸數據時(shí)工作在數據組,當接收到區調中心的“請速通話(huà)”命令時(shí),CPU將控制電臺由數據組切換到通話(huà)組,通話(huà)任務(wù)(規定在30s以?xún)韧瓿?結束后再自動(dòng)切換到數據組。

　　短信息指的是車(chē)輛狀態(tài),由司機根據實(shí)際情況進(jìn)行輸入,和車(chē)輛的位置等其它信息一起傳送到區調中心。短信息共含7種:道路堵塞、車(chē)輛故障、交通事故、乘客滯留、服務(wù)糾紛、安全報警、通話(huà)請求。

　　顯示接口為時(shí)鐘和公交車(chē)輛快慢點(diǎn)顯示的接口,驅動(dòng)5個(gè)數碼管顯示該車(chē)輛整體運行時(shí)間比預計時(shí)間的快慢情況。語(yǔ)音接口與司機進(jìn)行通話(huà)以及系統自檢正常與否的語(yǔ)音提示。

　　控制電路提供系統所需要的時(shí)序和相關(guān)的控制信號,包括時(shí)隙產(chǎn)生、時(shí)間延遲、電臺工作組轉換等,其實(shí)現利用先進(jìn)的FPGA(Field Programmable Gate Array)技術(shù),增強了系統的靈活和保密性,同時(shí)也大大縮短了系統的開(kāi)發(fā)和研制周期。

　　電源部分直接將汽車(chē)電瓶的24V直接電壓進(jìn)行轉換,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(chē)點(diǎn)火時(shí)電瓶的電壓具有較大的波動(dòng),因此電源部分也包含了相應的濾波、控制和保護電路。

3 區調控制器的構成

　　區調控制器在整個(gè)系統中主要完成車(chē)輛信息的接收及上行傳輸、差分數據及調度命令的下發(fā)、廣播同步信號的下發(fā)等。其組成如圖4所示。

　　區調控制器由MODEM、CPU、GPS接收機、控制電路組成,MODEM實(shí)現數字信號和模擬信號的相互轉換,控制電路提供嚴格的時(shí)序和相關(guān)的控制信號,GPS接收機提供時(shí)間基準,CPU完成所有操作的統一和協(xié)調。

　　區調控制器每隔5s(用于1路)或10.6s(用于44路)讀取1次GPS監控站中的差分信息和調度命令,而后對該數據進(jìn)行重新打包,插入同步碼,由工作在數據組專(zhuān)用集群信道的電臺廣播出去,收到同步碼后不同的車(chē)輛延遲不同的時(shí)間生成相應的時(shí)隙。其后的時(shí)間等待接收所有的車(chē)輛信息并轉發(fā)給GPS監控站,即區調控制器和車(chē)載設備也是分時(shí)工作的。圖5(a)、(b)分別表示出了區調中心和車(chē)載設備的工作時(shí)序。

4 GPS監控站監控軟件

　　GPS監控軟件的主要功能是對轄區內所有的公交運營(yíng)車(chē)輛進(jìn)行監視,統計車(chē)輛的正點(diǎn)、狀態(tài)(含報警)等情況,且能夠實(shí)現多條線(xiàn)路的同時(shí)跟蹤;儲存差分信息,并轉發(fā)來(lái)自調度平臺的調度命令,將車(chē)輛信息轉發(fā)給區調平臺。其監視方法有多種,主要是以電子地圖為背景為車(chē)輛調度提供可視化依據。其中全區、線(xiàn)路、單車(chē)、報警、短信息、正點(diǎn)為6種不同的顯示方式,可以根據不同情況對需要了解的公交車(chē)輛進(jìn)行查看,從而可以為調度平臺提供更加詳實(shí)的車(chē)輛狀況。同時(shí),監控終端還具有數據存儲、軌跡重放、信息查詢(xún)等功能。

5 GPS差分站及其工作原理

　　該系統中的差分站工作于偽距差分模式,為整個(gè)北京地區的所有公交車(chē)輛提供偽距修正信息,使得定位精度比SA影響時(shí)提高一個(gè)數量級。其構成如圖6所示。DGPS接收機的差分輸出信息經(jīng)過(guò)控制電路傳輸到差分站管理微機,由差分站軟件讀取并經(jīng)RS232串行口發(fā)送到兩個(gè)區調的GPS監控站。

　　差分GPS的工作原理如下所述。

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

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

　　根據偽距定位模型,在基準站設置一個(gè)基準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站的地心坐標,再利用每一時(shí)刻的衛星地心坐標和已知的基準站地心坐標反求出各個(gè)時(shí)刻的真距Rjo?；鶞收緶y量的偽距與其真距的差值即為偽距改正數:

　　利用改正后的偽距進(jìn)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(含偽距改正數及偽距改正數變化率)的發(fā)送間隔為5s或10s都能夠使定位精度達到±10m。

6 集群通信的應用

集群通信是一種專(zhuān)用通信方式,它將多個(gè)無(wú)線(xiàn)信道組合在一起由系統內的所有用戶(hù)共同使用,其特點(diǎn)是“資源共享”。用戶(hù)如果需要通信,必須首先申請信道,如果系統內的信道均為其它用戶(hù)所占用,則該用戶(hù)等待信道空閑后才能發(fā)起呼叫。系統內的信道管理以及用戶(hù)接續均由集群控制器完成,信號的傳輸由集群網(wǎng)的基站進(jìn)行轉發(fā),增大了系統的覆蓋范圍并改善了通信質(zhì)量。另外,集群系統內的用戶(hù)可以進(jìn)行分組,同一組內的用戶(hù)可以不需撥號就能相互呼叫。目前的集群系統主要是模擬制式。但數字集群系統已經(jīng)誕生,也是未來(lái)的發(fā)展趨勢。

　　綜上所述,利用模擬集群通信網(wǎng)進(jìn)行公交車(chē)輛的實(shí)時(shí)數據傳輸,需要采取特殊的措施以避免由于信道申請造成的時(shí)間延遲或者申請不到信道導致的信息丟失。首先,對公交車(chē)輛進(jìn)行分組,同一區域調度中心所屬的車(chē)輛分配在同一組內;為一個(gè)區域調度中心設置一個(gè)專(zhuān)用信道,該信道僅供此中心的車(chē)輛傳輸數據,只要該中心的車(chē)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度指揮系統中的GPS車(chē)輛監控系統目前主要用于1路和44路的所有車(chē)輛,另外2輛指揮車(chē)相當于移動(dòng)的區域調度中心,既有普通車(chē)輛傳輸數據到區調的功能,又可以接收所有運營(yíng)車(chē)輛的信息顯示在電子地圖中,為動(dòng)態(tài)調度公交車(chē)輛提供可視化依據。系統還包括1輛搶修車(chē),實(shí)現移動(dòng)的公交車(chē)輛維護管理。