gps 和gis 在智能交通系统中的应用

GPS 和GIS 在智能交通系统中的应用 摘 要: 通过对国内外现有GPS 和GIS 运用的分析, 用事例说明GPS 和GIS 在智能交通系 统中的应用情况, 阐明了GPS 和GIS 结合的重要性及其应用的便捷性、安全性和服务多样性, 同时也提出了 存在的问题, 并指出 了研究的方向. 关键词: GPS; GIS; 智能交通系 统 全球定位系统(GPS) 是一个基于卫星的导航、定位及计时系统. 接收器通 过GPS 卫星发送的数据计算二维(经度、纬度) 或三维(经度、纬度、高度) 位 置. 地理信息系统(G IS) 是计算机技术、图形学技术、数据库技术融合的产物, 这一系统用来描述现实世界中地物在空间上的分布及其属性. 采用G IS 能够快 速获取某一空间地物的基本特点(不随时间变化) , 而要想对空间行为(或过程) 进行实时观测, 则需要走GPS、通信、G IS 三者相结合的道路. 人们日常生活 及工作中, 有关空间方面最重要的应用是分布在空间上各地物间的位置(空间) 关系, 而这种空间关系的图形表达是任何数学或自然语言所无法胜任的. 因此, 可以肯定, 在G IS 的应用过程中, 不论是飞机还是船舶导航, 最终都离不开地 图这一空间信息的载体. 而G IS 的出现, 省去了繁琐、易错、费时的手工 量算过程, 使得两者之间的结合更为方便(数字方式与数字方式的结合). G IS 是存储和处理空间信息的高新技术, 它把地理位置和相关属性有机结合起来, 根据需要准确真实、图文并茂地输送给用户. GPS 与G IS 技术相结合, 能够实 时显示与管理运动目标, 并同时提供地理信息数据库的资料查询, 为智能交通 系统实现提供强有力的技术手段, 实现空间行为的实时动态观测通信技术间的 桥梁作用. 美国1994 年与1995 年在OLDSMOB IL E88车中采用GPS 处理器, 提供包括 驾驶员导航系统的硬件设备. 该系统仅要求驾驶员用车辆控制台上的按钮输入 其目的地, 系统即可计算出到达目的地的最短路径, 并用语音在车辆每次转弯 前提示驾驶员. 基于GPS 的智能G IS, 在欧洲已广泛运用于车辆导航中, 在中 国属于起步阶段, 随着GPS 卫星导航定位技术与无线电通信网络的发展, 基于 GPS 的车辆导航系统与车辆运营管理系统等也正在迅速发展. 1 应用前景及功能 目前正在发展中的以GPS 定位为主体的G IS 将大有前途. G IS 与GPS 系 统的结合, 可以建立综合交通规划空间信息管理分析系统, 不仅极大地增强了 交通网络处理的直观性和可操作性, 而且可提高交通规划的工作效率.以土地利 用和出行吸引模型为基础的交通规划目前仍有其不可替代的优点, 但是其前期 准备工作复杂且花费巨大, 其在精度上的不准确性和不确定性, 导致了规划结 果往往不尽人意. GPS系统可以全时、全天候、精密、适时、近乎连续地对交通 流进行交通观测与统计, 这个过程几乎是完全自动化, 省去了大量人力, 得出 的连续精密的结果是交通规划极为重要的基础数据. GPS 监控数据与G IS 系统 的结合, 可以描述每小时每条道路上的交通量, 如果能够取得连续若干天的路 网流量数据, 结合相应的预测模型, 比如神经网络模型, 就可以预测隔日的任 意小时的路网交通流量和负荷度, 这种短期交通预测有助于管理部门在交通拥 挤发生前及时采取措施. 如果能够获得连续数年的精确交通流量资料, 配合城 市的土地利用规划和城市经济发展, 甚至可以做长期的流量预测. 卫星定位车 辆管理系统实现了以下功能. a. 限制行车路 线和区域. 控制中心可根据任务需要预设车辆行驶路线和区 域, 当车辆偏离行车路线或限制区域时, 系统自动报警提示驾驶员和控制中心, 以便纠正. b. 限制车辆行驶速度. 系统能够设置车辆允许最大行驶速度并自动监管. 一旦超速, 系统立即提醒驾驶员并向控制中心报警. 通过以上功能可使车辆按照 指定的方向、路线、区域及速度行驶,并随机进行监 控或定时检查, 大大提高了监 控力度. c. 记录车辆实时 状态, 为 管理提供依据. 系统能提供历史行驶状态详细记 录, 每隔1 分钟自动记录并连续存储1 小时以内的详细行车资料, 如车辆位置、 运行速度、运行方向及时间 信息. 可据此在电子地图上回放车辆的实际行车过程, 也可在电子地图上快速再现车辆的行车路线轨迹及时间, 为事后处理投诉、路上 事故等提供有力证据. 08 智能交通 d. 指引行驶路线, 提高工作效率. 如车辆驾驶员不清楚目的地具体方位或 路线, 可向控制中心发出“服务请求”, 中心可根据 电子地图信息, 确定车辆所在 位置, 准确指引车辆行驶方向及路径, 用最短的时间、行驶最短的路程到达目的 地. e. 防抢、防盗、提供救援服务, 确保车辆及人身安全. 在驾驶过程中如遇抢 劫等紧急情况, 驾驶员可按下隐蔽的“紧急手动报警 键”, 系统将自动接通急救电 话, 并向控制中心发送紧急报警短信,在电子地图上自动标出车号、车型、颜色、 驾驶员信息、车辆位置、行驶方向、速度、时间等, 通过系统的遥控断油、断电、 制动等功能对车辆进行控制, 避免人身伤害和经济损失. 系统还具有以下功能: a. 未关好车门时 , 控制中心 显示报警, 及时通知驾驶员, 以确保车辆安全; b. 天气预报; c. 车钥匙锁在 车内时, 可与控制中心 联系将门锁打开; d. 提供信息服务, 中心控制系统具有丰富、全面的数据信息, 根据需要在确 认身份后可提供各种服务. 如车辆信息查询, 地理信息查询, 路况交通信息、酒 店住宿登记、航班和铁路时 刻查询及其它信息查询. 2 应用举例 作者设计的系统利用GPS, G IS 及通信技术,对在空间上移动的车辆进行实 时监控. 系统由车载部分和主控中心两大部分组成(图1) , 这两部分通过无线 通信相互联系. 图1 车辆实时监控系统总体结 构图 车载部分中GPS 接收机接收CA 码, 该码经差分技术处理后, 精度达20 m 左右; 调制解调器用来控制GPS 卡的数据采集工作并将数字信号转换成模拟信 号再通过电台发往主控中心. 系统采用的是125. SMHz 的VHF 电台, 电台有效 覆盖半径为30 km. 主控中心中电台用来接收汽车上电台发送的位置信息, 同时也可反控(即发 送命令) 汽车, 调制解调器负责反控命令和GPS 信息的数模转换工作, 微机在 接收到汽车的位置信息后, 进行简单的预处理, 然后按事先确定的通信协议, 包装该信息并通过RS2232 送往工作站, 工作站则在矢量G IS数据上显示汽车的 位置, 并提供空间查询功能. 主控中心与汽车的通信过程中由于多个汽车共用一个信道, 当有多个汽车 同时发送GPS 信息时, 将造成信道碰撞, 传输错误. 为此, 系统中主控中心与 各汽车采用主从结构. 主控中心维护整个通信网的操作, 它首先根据系统配置, 顺序地和每辆汽车建立联接关系并进行数据交换, 如果不成功则标记出错原因, 最后断开联接. 当每辆汽车被查询一次以后, 就完成一个周期, 这样整个系统 就避免了信道碰撞问题. 主控中心及车载电台的通信管理模块的流程图见图2, 3. 08 智能交通 图 2 主控中心通信控制流程图 图3 车辆通信控制流程图 仅有汽车的位置信号还无法表达汽车周围的地物, 更谈不上对汽车周围地 物特征的查询, 因此G IS 在本系统中起着画龙点睛的作用. 目前市场上与此类 似的系统, 大多采用扫描的图像数据作为显示汽车的背景, 无任何地物信息可 以查询. 之所以采取图像方法, 一是由于显示大量的G IS 图形数据速度较慢, 二是图形数据的输入, 编辑及拓扑关系的建立比较复杂, 本系统则充分利用工 作站强大的图形处理功能、UN IX 多任务处理功能及ARC IN FO 图形数据输入、 编辑、拓扑建立功能, 基本上解决了上述问题. ARC IN FO 作为最早的地理信 息系统软件之一, 它在各个领域得到了广泛的应用, 是一个优秀的以矢量数据 为基础的地理信息系统软件. 本系统用北京市125 000 地图进行数字化、编辑和建立拓扑关系. 根据 地形图将该图坐标转换成北京54 坐标, 并加入与有关地物相关的属性数据, 在 此基础上, 凭借多年使用ARC IN FO的经验, 开发了显示、查询ARC IN FO 空 间及属性数据的软件包, 并在此软件中嵌入了与汽车监控有关的功能, 如显示 窗口的选车功能(只有被选的车辆才能在此窗口内显示)、汽车轨迹的回放功能. 系统基本的图形显示功能包括中心放大或缩小、点放大或缩小、开窗及漫游. 查询功能包括距离量算、面积量算、半径量算、点搜索、线搜索、圆搜索、矩 形搜索以及多边形搜索, 从属性查询空间信息的功能正在完善之中. 汽车的位 置信息(经纬度) 经高斯一克吕格投影(中央经线为117. ) 变换后, 直接在G IS 图形数据上实时、动态显示. 车载导航系统还有如下功能. a. G IS 图形操作功能. 电子地图的放大、 缩小, 分 层显示, 移动, 属性显示, 模糊查询, 由图查找属性或由属性查图, 图上量距, 地图的多级显示, 分窗口显 示等功能都可完成. b. GPS 定位与组合定位功能. 为满足定位精度要求, 采用了GPS 与三个陀 螺仪和三个加速度计, 对它们的静态和动态进行定位测试. c. 车辆信息管理功能 . 实现 了驾驶员、车辆信息的 动态管理, 如信息入库、 删除、添加、查询 等. d. 地图匹配功能. 用位置精度较高并能表达充分路网的地图, 加上地图匹 配算法. 关于电子地图的制作方法和精度, 利用G IS 的功能和拓扑网层这两个 08 智能交通 条件. e. 最优路径规 划功能(图4). 一是静态最优路径规划, 它的路权主要是道路 长度、历 史交通信息或其它信息, 存储路权可以采用二维关系表, 这样数据的提 取非常方便, 可以使计算效率大大提高. 二是动态最优路径规划, 其特点是系统 能够实时接收和处理动态道路交通信息, 并且将其按时间先后存储到数据库中. 在规划路径时, 再将这些动态交通信息按某种方式分配到路网上, 作为最优路径 规划时的路权, 然后基于这种路权计算出满足旅客某种准则的最优路径. 当经过 一定时间后, 系统再对最优路径重新规划, 所用的交通信息总是最新的, 从而保 证在规划时刻, 所得结果是可靠的. 图4 基于综合路阻双向搜索的最优路径规划 基于动态最优路径规划的实际需要, 开发了一套最优路径规划算法(图4). 该算法通过综合路阻双向搜索技术, 使得其时间复杂度降低, 提高了搜索速度, 把时间留给动态交通分配和其它算法. 这种算法虽然有时得不到最优结果, 但 可以得到次优结果, 因此仍然具有一定的实用性. 另外, 还有车辆调度监控功能, 具体包括群呼、单呼、监听及通话功能. 通过GSM 数字蜂窝移动通信网实现监控中心与车辆间的信息交互,对车辆的调度 指令通过手机发出. 3 存在的问题 GPS 应用于车辆定位虽具有非常好的前景,但是GPS 系统也有缺陷需改进, 一些具体技术问题仍需解决. 例如城市的电磁干扰、信号反射、楼房遮挡、树 木对信号的减弱, 以及接收机的价格等. 卫星信号被遮挡而导致跟踪定位失准 是GPS的致命弱点, 尤其在城市高楼区. 然而在交通管理中, 车辆跟踪的多数用 途需要精确、连续的定位,这只能借助另外的传感器来补充GPS 的缺陷. 目前, 解决车辆在卫星信号被遮挡的“信号盲区”无法定位的问题主要采用相对推断 定位装置来完成, 比如罗盘、速度表及里程表等, 这些装置可以以所行距离的 1% 2% 的精确度确定水平坐标.惯性系统能用来更准确地确定相对平面坐标, 但目前其价格太昂贵, 因而难以应用于普通车辆的自动定位导航系统. 在系统 的实施过程中, 仍有一些问题有待于进一步研究. a. 主控中心与汽 车通信的效率不高 , 而且主从结构对被监控的车辆数目限 制较大. b. 矢量数据的显示速度仍希望提高, 造成图形显示速度较慢的原因一是Sun l 作站在图形显示硬件方面功能不是很强, 二是X Iib 图形剪裁的算法效率不高, 三是没有利用G IS 的空间索引. 4 结 论 GPS, G IS 及通信技术的联合应用, 使人类对空间信息的应用和理解进入 了前所未有的深度.目前, 我国GPS 产业尚处于起步阶段, 市场上的GPS 产品主 要来自美国、日本和中国的台湾地区. 根据统计资料显示, 西方发达国家由于 公路堵塞而造成的直接和间接经济损失十分惊人. 所以为了满足提高运输效率 和安全保障的需要, 开展对车载导航系统的研究, 以开发适合我国特点的ITS 系统, 将在技术和市场方面具有重要意义. 参考文献 1 福勒 芮. 实时管理R . 北京: 中国2西班牙智能交 通研讨会, 2003. 2 M ar J. 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