隨著首都經(jīng)濟(jì)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(shí),道路的擴(kuò)建又受土地的限制而無法實(shí)現(xiàn),因此交通擁擠時(shí)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(jì)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(yàn)熱潮,在國內(nèi)外也有許多應(yīng)用系統(tǒng)誕生。其中先進(jìn)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(shí)延問題、堵塞問題等設(shè)計(jì)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(jìn)行的,實(shí)際上是一個(gè)APTS的具體應(yīng)用實(shí)例。該系統(tǒng)包括:計(jì)算機(jī)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(jìn)行說明,介紹其系統(tǒng)構(gòu)成、各種關(guān)鍵技術(shù)及具體實(shí)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(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)完成。

　　系統(tǒng)中基本的數(shù)據(jù)傳輸流向?yàn)?差分信息由差分站下發(fā),通過RS232串行口擴(kuò)展為485接口再傳輸?shù)絻蓚€(gè)客運(yùn)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(shí)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(shí)來讀取下發(fā)到各運(yùn)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(yùn)營車輛下發(fā)調(diào)度命令是通過GPS監(jiān)控站進(jìn)行的,兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shí)間、速度、狀態(tài)(短信息)、車號、路號,并提示司機(jī)與區(qū)調(diào)中心進(jìn)行通話聯(lián)系以及顯示快慢點(diǎn)或時(shí)鐘。不同的車輛采取時(shí)分多路(Time Divided Multi-Address，TDMA)的方式,每一車載設(shè)備分配一個(gè)固定的時(shí)隙,而各車輛的同步利用區(qū)調(diào)中心的廣播同步碼來進(jìn)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(jī)實(shí)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(jī)因衛(wèi)星跟蹤不到或衛(wèi)星數(shù)不夠時(shí)系統(tǒng)仍能定位。GPS接收機(jī)和INU的工作完全是自動切換,利用INU進(jìn)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(yùn)動可以看作是在二維平面(X,Y)上的運(yùn)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(shí)針為正),再通過實(shí)時(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)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(shí),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(jī)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)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(bào)警、通話請求。

　　顯示接口為時(shí)鐘和公交車輛快慢點(diǎn)顯示的接口,驅(qū)動5個(gè)數(shù)碼管顯示該車輛整體運(yùn)行時(shí)間比預(yù)計(jì)時(shí)間的快慢情況。語音接口與司機(jī)進(jìn)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(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(zhuǎn)換等,其實(shí)現(xiàn)利用先進(jìn)的FPGA(Field Programmable Gate Array)技術(shù),增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活和保密性,同時(shí)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(jìn)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(diǎn)火時(shí)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(hù)電路。

3 區(qū)調(diào)控制器的構(gòu)成

　　區(qū)調(diào)控制器在整個(gè)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(jī)、控制電路組成,MODEM實(shí)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(shí)序和相關(guān)的控制信號,GPS接收機(jī)提供時(shí)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(jìn)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(shí)間生成相應(yīng)的時(shí)隙。其后的時(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)營車輛進(jìn)行監(jiān)視,統(tǒng)計(jì)車輛的正點(diǎn)、狀態(tài)(含報(bào)警)等情況,且能夠?qū)崿F(xiàn)多條線路的同時(shí)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(bào)警、短信息、正點(diǎn)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(jìn)行查看,從而可以為調(diào)度平臺提供更加詳實(shí)的車輛狀況。同時(shí),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(gè)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(shí)提高一個(gè)數(shù)量級。其構(gòu)成如圖6所示。DGPS接收機(jī)的差分輸出信息經(jīng)過控制電路傳輸?shù)讲罘终竟芾砦C(jī),由差分站軟件讀取并經(jīng)RS232串行口發(fā)送到兩個(gè)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(shí)的理想GPS時(shí)為tjg,接收機(jī)接收到該信號時(shí)的理想GPS時(shí)為tg,tj為衛(wèi)星j發(fā)信號時(shí)的衛(wèi)星鐘時(shí)刻,t為接收機(jī)收到信號時(shí)的接收機(jī)時(shí)刻。則衛(wèi)星鐘具有鐘差δtj=tj-tjg,接收機(jī)具有鐘差δt=t-tg ,由此可以得出衛(wèi)星j和接收機(jī)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(jī)之間的真距,(2)中包含接收機(jī)鐘差與三維坐標(biāo)共4個(gè)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(jī)的實(shí)際位置。

　　根據(jù)偽距定位模型,在基準(zhǔn)站設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)GPS接收機(jī),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(shí)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(gè)時(shí)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(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(yàn)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(gè)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行公交車輛的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸,需要采取特殊的措施以避免由于信道申請?jiān)斐傻臅r(shí)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(jìn)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(gè)區(qū)域調(diào)度中心設(shè)置一個(gè)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(yùn)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(shí)現(xiàn)移動的公交車輛維護(hù)管理。