摘? 要: 介紹了北京市公共交通總公司智能化調(diào)度指揮系統(tǒng)中的GPS車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)的組成及其所采用的一些關(guān)鍵技術(shù):DGPS、組合定位、集群通信、電子地圖等,描述了系統(tǒng)中采用的具體工作方式:TDMA、專(zhuān)用信道、廣播同步等,闡述了硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)中的FPGA技術(shù)。最后說(shuō)明了系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。
關(guān)鍵詞: 車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)? GPS 集群通信? FPGA
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隨著首都經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,公交車(chē)輛增加、線(xiàn)路延長(zhǎng)、車(chē)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(wú)法實(shí)現(xiàn),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(yán)重阻礙了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。
目前世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家均面臨同樣的問(wèn)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(jiǎn)稱(chēng)ITS)的研究及試驗(yàn)熱潮,在國(guó)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(jiǎn)稱(chēng)APTS)就是針對(duì)公共交通系統(tǒng)中出現(xiàn)的時(shí)延問(wèn)題、堵塞問(wèn)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(tái)系統(tǒng)、GPS公共車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)。本文主要就GPS車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)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(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成
GPS車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1,共分4部分:GPS差分站、GPS監(jiān)控站、區(qū)調(diào)控制器、車(chē)載設(shè)備,集群網(wǎng)的基站、復(fù)用器、區(qū)調(diào)平臺(tái)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(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(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(zhuān)用的9.6kHz幀中繼帶寬完成;車(chē)輛信息上行傳輸?shù)絽^(qū)調(diào)平臺(tái)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。
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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(guò)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(lái)共同實(shí)現(xiàn)(距離約為5km)。存儲(chǔ)在GPS監(jiān)控站的差分信息由區(qū)調(diào)控制器定時(shí)來(lái)讀取下發(fā)到各運(yùn)營(yíng)車(chē)輛。車(chē)輛信息通過(guò)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(tái)向各運(yùn)營(yíng)車(chē)輛下發(fā)調(diào)度命令是通過(guò)GPS監(jiān)控站進(jìn)行的,兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。
2 車(chē)載設(shè)備的構(gòu)成
GPS車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)的車(chē)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(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(hào)、路號(hào),并提示司機(jī)與區(qū)調(diào)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(shè)備分配一個(gè)固定的時(shí)隙,而各車(chē)輛的同步利用區(qū)調(diào)中心的廣播同步碼來(lái)進(jìn)行。設(shè)備組成如圖2所示。
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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(chē)載設(shè)備接收區(qū)調(diào)的差分信息寫(xiě)入GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)。INU(此處為角速度傳感器和汽車(chē)?yán)锍虄x)的信號(hào)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(dòng)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。
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由于車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)可以看作是在二維平面(X,Y)上的運(yùn)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(cè)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(shù)據(jù)傳輸裝置利用公交已有的無(wú)線(xiàn)模擬集群電臺(tái)和MODEM組合的方式,對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換,使數(shù)字信號(hào)能夠在模擬信道中可靠地傳輸,波特率為1200bps。無(wú)線(xiàn)電臺(tái)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(qǐng)速通話(huà)”命令時(shí),CPU將控制電臺(tái)由數(shù)據(jù)組切換到通話(huà)組,通話(huà)任務(wù)(規(guī)定在30s以?xún)?nèi)完成)結(jié)束后再自動(dòng)切換到數(shù)據(jù)組。
短信息指的是車(chē)輛狀態(tài),由司機(jī)根據(jù)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(qū)調(diào)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(bào)警、通話(huà)請(qǐng)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(qū)動(dòng)5個(gè)數(shù)碼管顯示該車(chē)輛整體運(yùn)行時(shí)間比預(yù)計(jì)時(shí)間的快慢情況。語(yǔ)音接口與司機(jī)進(jìn)行通話(huà)以及系統(tǒng)自檢正常與否的語(yǔ)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(hào),包括時(shí)隙產(chǎn)生、時(shí)間延遲、電臺(tái)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(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(zhuǎn)換,提供電臺(tái)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(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(chē)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(hào)的下發(fā)等。其組成如圖4所示。
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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(hào)和模擬信號(hào)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(hào),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(duì)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(zhuān)用集群信道的電臺(tái)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(yīng)的時(shí)隙。其后的時(shí)間等待接收所有的車(chē)輛信息并轉(zhuǎn)發(fā)給GPS監(jiān)控站,即區(qū)調(diào)控制器和車(chē)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(chē)載設(shè)備的工作時(shí)序。
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4 GPS監(jiān)控站監(jiān)控軟件
GPS監(jiān)控軟件的主要功能是對(duì)轄區(qū)內(nèi)所有的公交運(yùn)營(yíng)車(chē)輛進(jìn)行監(jiān)視,統(tǒng)計(jì)車(chē)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(xiàn)路的同時(shí)跟蹤;儲(chǔ)存差分信息,并轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自調(diào)度平臺(tái)的調(diào)度命令,將車(chē)輛信息轉(zhuǎn)發(fā)給區(qū)調(diào)平臺(tái)。其監(jiān)視方法有多種,主要是以電子地圖為背景為車(chē)輛調(diào)度提供可視化依據(jù)。其中全區(qū)、線(xiàn)路、單車(chē)、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(duì)需要了解的公交車(chē)輛進(jìn)行查看,從而可以為調(diào)度平臺(tái)提供更加詳實(shí)的車(chē)輛狀況。同時(shí),監(jiān)控終端還具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(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(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(shù)量級(jí)。其構(gòu)成如圖6所示。DGPS接收機(jī)的差分輸出信息經(jīng)過(guò)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。
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差分GPS的工作原理如下所述。
假定衛(wèi)星j發(fā)信號(hào)時(shí)的理想GPS時(shí)為tjg,接收機(jī)接收到該信號(hào)時(shí)的理想GPS時(shí)為tg,tj為衛(wèi)星j發(fā)信號(hào)時(shí)的衛(wèi)星鐘時(shí)刻,t為接收機(jī)收到信號(hào)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(cè)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(cè)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。基準(zhǔn)站測(cè)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(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(tǒng)內(nèi)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(qǐng)信道,如果系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)內(nèi)的信道管理以及用戶(hù)接續(xù)均由集群控制器完成,信號(hào)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(hù)可以進(jìn)行分組,同一組內(nèi)的用戶(hù)可以不需撥號(hào)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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
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(shù)據(jù)傳輸,需要采取特殊的措施以避免由于信道申請(qǐng)?jiān)斐傻臅r(shí)間延遲或者申請(qǐng)不到信道導(dǎo)致的信息丟失。首先,對(duì)公交車(chē)輛進(jìn)行分組,同一區(qū)域調(diào)度中心所屬的車(chē)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(zhuān)用信道,該信道僅供此中心的車(chē)輛傳輸數(shù)據(jù),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(diào)度指揮系統(tǒng)中的GPS車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)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(dāng)于移動(dòng)的區(qū)域調(diào)度中心,既有普通車(chē)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(yíng)車(chē)輛的信息顯示在電子地圖中,為動(dòng)態(tài)調(diào)度公交車(chē)輛提供可視化依據(jù)。系統(tǒng)還包括1輛搶修車(chē),實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的公交車(chē)輛維護(hù)管理。
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參考文獻(xiàn)
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