（通信与信息系统专业论文）智能交通系统的车载终端设计与开发.pdf

重庆邮电大学研究生论文 摘要 智能交通系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 是当前交通运输 发展的热门话题。它是将先进的信息处理技术、定位导航技术、数据通信 传输技术、自动控制技术、图像分析技术以及计算机网络等有效地综合运 用于整个交通管理体系，从而建立起的大范围内、全方位发挥作用的实时、 准确、高效的运输管理系统。 我的研究课题“车载终端自主式车辆综合智能管理系统”是2 0 0 4 年 国家建设部支持项目( 编号：0 4 c 2 6 2 2 5 1 1 0 2 2 0 ) “车载终端自主型智能公 交管理系统”的重要组成部分，其核心是车载终端和智能里程表技术。它 基于一种新型的定位方式一一o p s 车辆跟踪定位系统( 国家创新基金支持 项目) ，起到实时行车数据采集、分析处理的作用。目标是要能够准确提 供实时的车辆行驶状况信息，包括当前车辆行驶的位置、速度、站停情况 以及其他一些紧急事件，同时运营成本要尽量低。 本文从智能公交系统概念出发，提出了基于车载终端的自主式车辆综 合智能管理系，接下来的内容详细描述了车载终端的硬软件设计与开发状 况，包括系统总体方案制定，模块功能划分及实现方法，各部件设计要求 的制定，元件的选择及电路设计，软件系统的工作流程设计和代码编写及 功能实现等。之后本文介绍了车载终端系统的测试状况，包括一系列的模 拟和现场测试工作情况及改进方案。 在本项目中研发的车载终端子系统已经与项目中其它子系统完成集 成测试，现已应用与重庆市冠忠公交公司，并通过了国家建设部组织的专 家组的功能验收。鉴定报告指出：该项目实用性强，为公交运营实现科学 管理奠定了基础，达到国内领先水平。 关键词：i t s ，o p s ，g p r s ，车载终端，p i c ，r f i d 重庆邮电大学研究生论文 a b s tr a c t i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) i sah o ts u b j e c to ft h et r a f f i ca n d t r a n s p o r t a t i o nd e v e l o p m e n t ，t h a ti s ，t oi n t e g r a t ea d v a n c e d i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , o r i e n t a t i o n n a v i g a t i n gt e c h n o l o g y , d a t a t e l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , a u t o m a t i cc o n t r o l t e c h n o l o g y , i m a g e a n a l y z i n gt e c h n o l o g y a n d c o m p u t e r n e t w o r ki n t ot h ew h o l et r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e mi no r d e rt oc o o r d i n a t ea n du n i f yp e r s o n ，v e h i c l ea n d r o a d t h e r e f o r eat r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e mc o u l db es e tu pa sr e a l t i m e ，e f f i c i e n t a n da c c u r a t ea n db et a k e ni n t ou s ei nl a r g es c o p ea n da l l - d i r e c t i o n s m yr e s e a r c hs u b j e c t t h ev e h i c l et e r m i n a ls y s t e m ”i sa ni m p o r t a n tp a r t o ft h ei n t e l l i g e n tp u b l i ct r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo fv e h i c l et e r m i n a l a u t o p o s i t i o n i n g ，w h i c hi ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lt e c h n i c a li n n o v a t i o nf u n d ( n o ：0 4 c 2 6 2 2 5110 2 2 0 ) i ti sb a s e do nan e wp o s i t i o n i n gm o d e - - - - o d o m e t e r p o s i t i o n i n gs y s t e m 。t h r o u g h i n f o r m a t i o nr e c o n s t r u c t i o no fc o m m a n d s y s t e mt om a k e i to p e r a t es c i e n t i f i c a l l y t h ev e h i c l et e r m i n a ls u b s y s t e m ，w h i c hh a sc o m p l e t e di n t e g r a t i o nt e s t w i t ho t h e rs u b s y s t e m si nt h ep r o j e c t ，h a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di na c h o n g q i n gb u sc o m p a n ya n df i n i s h e dp e r f o r m a n c ea c c e p t a n c eo fe x p e r t i s e t e a ms e tu pb ym i n i s t r yo fc o n s t r u c t i o np rc h i n a t h ea p p r a i s a lr e p o r tp o i n t s o u tt h a tt h ep r o j e c tw h i c hh a sg r e a tp r a c t i c a l i t y a n de s t a b l i s hs t e a d y f o u n d a t i o nf o rt h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n to fp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i s n o wi nn a t i o n a la d v a n c e dl e v e l k e yw o r d s ：i t s ，o p s ，g p r s ，v e h i c l et e r m i n a l ，r f i d ，p i c i i - 重庆邮电大学研究生论文 缩略语 a d s l非对称数字用户环线 a p t s先进的公共交通系统 f r g i s g t p g p r s g g s n g p s 1 2 c i t s i p 0 p s p c u p c u r f i d s g s n s p i t c p u d p v p n w d t u a r t 帧中继 地理信息系统 隧道协议 通用分组无线业务 g p r s 网关支持节点 全球卫星定位系统 内部集成电路总线 智能交通系统 网际协议 里程定位系统 分组控制单元 分组控制单元 射频卡 g p r s 服务支持节点 串行外围接口总线 传输控制协议 用户数据报协议 虚拟专用网 看门狗定时器 通用异步收发器 6 0 a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e r l o o p a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o n s y s t e m f r a m er e l a y g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m g p r st u n n e lp r o t o c o l g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m i n t e r i n t e g r a t e dc i r c u i t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m i n t e r n e tp r o t o c o l o d o m e t e rp o s i t i o n i n gs y s t e m p a c k e tc o n t r o lu n i t p a c k e tc o n t r o lu n i t r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l v i s u a ip r i v a t en e t w o r k w a t c hd o gt i m e r u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s r e c e i v e rt r a n s m i t t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废 邮虫太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：黝力签字日期：二，7 年月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废邮电盍堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重庞整电太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：多匕暂为 导师签名： 签字日期：夕印7 ，年月i i 日 签字日期： p 7 年6 月1 f 日 重庆邮电大学研究生论文第一章绪论 第一章绪论 本项目是根据国家发明专利“公交智能管理系统”的设计要求自主研 发，其核心部件车载终端及智能里程表的技术原理均来自该专利，整个设 计过程严格按照专利要求并体现了许多创新之处。 公交智能管理系统( 国家发明专利) 【1 】【2 1 申请号：2 0 0 5 1 0 0 2 0 5 9 2 4 申请日：2 0 0 53 2 4( 于2 0 0 5 1 2 已公开) 申请人：陈继努 发明名称：车载终端自主式车辆综合智能管理系统 1 1 智能交通系统( it s ) 概述 智能交通系统( i t s 一一i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 1 3 】是目前世 界交通运输领域的前沿研究课题，其核心是利用先进的通信技术，计算机 技术，自动控制技术以及微电子技术，并结合系统工程的思想，对传统交 通运输系统进行深入的改造，旨在提高既有道路交通系统的运行效率、减 少资源的消耗和环境污染、减少事故发生率、提高安全性。这也是本项目 研究的出发点p 】。 智能交通管理系统在市内公共交通，长途客货运，物流管理等领域均 有广泛用途，本文着重于它在公交系统管理中的应用。 1 2 发展智能交通系统的必要性 我国的国情决定了我国只能采用密集型城市的发展模式，以公共交通 系统促进城市紧凑发展和节约土地资源，以合理的土地开发形成和保持公 共交通的主导地位。城市公交是城市公共交通系统的主体。特别在我国人 口众多，道路资源贫乏，城市公共交通是解决交通问题与经济发展矛盾日 益尖锐的主要方法。因此，如何管理好城市公共交通已成当前十分重要的 课题。我国智能交通技术的发展是近几年的事，起步晚、进展慢，虽然国 重庆邮电大学研究生论文第一章绪论 家己将重庆等五城市列为智能交通示范城市，在发展智能交通方面也作了 大量工作，但工作进展远远适应不了当前城市建设发展的要求【4 】【”。 据我们调查，现在交通矛盾突出的原因并不完全在于路少道窄以及车 辆的增加，另一个更重要的原因就是交通管理水平较低，管理手段落后， 对城市交通缺乏有效的动态监控管理手段，使现有的道路交通资源得不到 有效的使用。而国内也缺乏符合国情需求并具有自主知识产权的智能交通 产品。具体地说，我国的公交公司已经使用了具有部分智能交通功能的产 品并在服务乘客方面取得了一些进展，如先后推出的无人售票、语音报站、 i c 卡付费、摄像头监控等设备。然而公交公司的管理核心一一公交车辆的 实时动态监控管理和路况管理，却显得很薄弱，一直没有物美价廉的方案 可实施1 6 j 。 行车安全是公交企业管理的核心内容，目前由于企业安全管理方式十 分落后，车辆被盗、车辆损坏、车辆事故等事件时有发生，但公交中心无 法及时获知和处理上述特殊事件，也不能对车辆超速或赖站等驾驶员违规 行为进行很好的监控。国家公安部分析了当前影响交通安全的五大因素， 其中超速行车、疲劳驾驶是客运车辆发生交通事故的最主要原因。长期以 来之所以一直难以杜绝超速行车、疲劳驾驶等违规行为，是因为企业对影 响行车安全的因素难以实现实时动态监控。我国每年出现交通事故达数十 万起，给社会及人民生命财产造成巨大损失。但如果出现安全事故能及时 救助，则可以大大降低因车祸带来的损失，据统计只要救助及时，因车祸 导致的人员死亡率可下降6 0 。但目前落后的管理方式难以及时发现和掌 握交通事故情况l j ”。 服务质量也是公交企业管理的重要方面，服务质量的主要指标是保证 每班车的运行时间，其往返时长一般有严格的规定。而每辆车运行班次及 里程又是企业运行中成本核算的基础数据，按目前这种传统的调度方式， 这些重要数据均由调度人员通过人工方式填写和统计，很难保证这些重要 数据的公正性及准确性，企业的科学管理也就无从谈起。而且目前这种调 度方式无法了解线路上车辆运行状况及道路交通状态，这就很难实现根据 路况及沿线乘客情况实现动态调度p j 【”】。 因此目前公交系统面临的实际问题是：管理水平低，交通资源不能得 到充分合理的使用。主要表现在： 车辆故障、交通事故等时有发生，但公交中心无法及时获知处理 交通事故多由超速引起，但目前公交中心无法实时监控车辆运行情况 车辆堵塞现象有时发生，公交中心无法及时了解道路信息 重庆邮电大学研究生论文第一章绪论 驾乘人员规范意识差，如赖站、到站不停等，但公交中心对其违规行 为缺乏处理依据 公交运营管理落后，自动化水平差，人为因素多 有效解决以上难题将是公交管理和城市发展的一场革命，不仅能为公 交公司极大提高公司的管理效率和信息化水平，而且对改善城市生活质量 和投资环境创造有利条件。因此一个能够满足各种管理要求并稳定运行的 智能交通管理系统是非常必要的u o l 】。 1 3 车载终端自主式车辆综合智能管理系统 1 3 1 设计目标 为改善目前公交系统的管理状况，本文提出了以车载终端为核心的自 主式车辆综合智能管理系统。其设计目的在于达到： 安全行车 道路畅通 科学化管理 服务质量提高 1 3 2 系统概述 本项目按“公交智能管理系统”专利的要求，以智能里程表定线行驶 车辆智能管理系统作为核心设备，它起到一个实时行车数据采集、分析处 理的作用。它的主要工作包括里程信号采集和运算、状态判断、数据帧格 式的形成、数据的接收、存储和转发、控制指令的处理，并能控制语音报 站和终端显示器。在它的基础上开发的车载终端系统为了满足智能化公交 管理的需要，必须要能够准确提供实时的车辆行驶状况信息，包括当前车 辆行驶的位置、速度、站停情况以及其他一些紧急事件，同时运营成本要 尽量低。 基于o p s 技术的智能公交管理系统主要包括车速传感器，车载数据分 析处理器，移动通信终端，分组数据网络，公交系统计算中心和g i s 电子 地图。安装在车上的传感器采集到信息，并将信息传送到车载数据分析处 重庆邮电大学研究生论文第一章绪论 理器，信息经过分析处理成规定的代码格式再通用分组无线业务( g p r s ) 经互联网( i n t e r n e tn e t w o r k ) 传送到计算中心以实现交通信息汇集系统、 应急系统、调度系统、营运管理系统和g i s 电子地图等重要功能。 b 鹦基站子系统s g s n 业务支持节点g g s n 罔关支持节点 图1 1 ：公交智能管理系统结构示意图 1 3 3 车载终端子系统 车载终端( 智能里程表) 是智能公交管理系统的核心部件。它由车载 数据分析处理器和移动通信终端两部分组成。其中车载数据分析处理器包 括c p u ，接口电路，存储器，是o p s 车载终端的核心。其工作原理是， 由里程传感器获取汽车行驶的里程，并由微处理器计算出车辆的速度。储 存器内先预存下每个站点对应的里程数，当车辆的当前的里程数与对应站 点的里程数相当时，微处理器控制启动对应站的语音报站。另外，每隔5 秒钟( 这个时间可以根据要求进行设置) 微处理器会通过g p r sm o d e m 向数据中心发送一条信息，通报车辆的行驶状况。由于采用了g p r s m o d e m 无线上网进行数据传输，而不是短消息方式，使信息的实时性得 到了保证。实现了如下的主要开发目标： 公交车辆实时运行跟踪定位及状态查询 公交车辆规范运行和紧急状况监控 公交车辆站内发车控制和沿途自动报站 重庆邮电大学研究生论文第一章绪论 公交车辆运行记录和公交公司信息化管理 乘客服务质量提升 道路拥塞状况反映 1 4 智能公交系统的其它方案及比较 要实现车辆动态管理，定位技术是关键。目前的i t s 系统依据其定位 方式的不同主要有卫星定位系统( g p s ) ，移动蜂窝网系统，车载t a g ( 电 子标签) 系统，智能里程表( o p s ) 系统，下面将对以上系统的技术原理 及应用特点分别讨论和比较”1 并阐述本项目采用智能里程表( o p s ) 技术 的原因。 1 4 1 卫星定位系统( 6 p 8 ) 这一系统是通过安装在车辆上的卫星定位信号接收器取得定位信息， 过经分析处理后用于g i s ( 电子地图) 系统对运行车辆进行跟踪和定位。 这一系统技术成熟，已广泛用于一些特种车辆的定位跟踪，也可以实现对 车辆的管理及调度，但这一系统也存在一些不足，主要表现在：车辆定位 精度不够高，公交车辆站与站之间距离一般只有1 2 k m ，有的甚至更短， 采用这一系统很难精确定位运行车辆位置【”】。另外，它的投资成本也较 高，车载设备一般在3 0 0 0 5 0 0 0 元之间，且功能单一，只能用于车辆定位 跟踪和调度监控。另外系统运行和维护成本也较高。因此，用于一些特种 车辆的跟踪定位较好，但大量用于定线行驶的公交车辆意义不大。 1 4 2 移动蜂窝网系统 利用移动蜂窝网络对移动台定位的方法主要有三类，基于电波场强的 定位技术；基于电波到达入射角( a o a ) 的定位技术；基于电波到达时间 ( t o a ) 或到达时间差( t d o a ) 的定位技术。以它为基础的各种定位技术和定 位解决方案不断涌现，但移动通信系统网络结构的复杂性、多种空中接口 标准并存的现状及无线电波传播环境的复杂性都增加了实现高精度定位 的难度【1 4 1 【l 纠。目前，移动蜂窝网定位技术仍有一些不足，并且依赖运营 商的服务普及率，因此该方案还有待发展。 重庆邮电大学研究生论文第一章绪论 1 4 3 车载t a g ( 电子标签) 系统 采用车载t a g ( 电子标签) ，亦可简称电子车牌，用来采集车辆信息， 其基本原理是在每一辆公交车上装上t a g ( 电子标签) ，在t a g 内存储有车 辆的基本信息，包括公交线路编号，每条线路的站台编号，车辆编号及牌 照号等。在公交行进的线路站台安装检测器( 也可是手持流动检测量) ， 对路过车辆进行数据时实采集，以此实现车辆的定位。【1 6 】【1 。7 】该方案在国 内已有应用，但也存在如站台检测器设备费用昂贵( 路边采集设备一个站 点约8 1 0 万) ，定位实时性差的问题。目前多用于不停车收费、车辆费税 征收稽查，车辆行进轨迹跟踪等领域。 1 4 4 本项目采用智能里程表( 0 p s ) 技术的原因 o p s 测量里程的原理与出租车的计程器相同，即利用车辆转速传感器 采集车轮转动原始数据。传感器与车辆转动轴相连，每转动一周输出八个 脉冲。转动轴与车轮之间有对应的比例系数，不同车型的比值会有所不同。 由于公交车辆车型有限，可以通过测量脉冲数和里程，计算得到各种车型 转动轴和车轮间的比例系数。此后就可根据脉冲数和比例关系得到车辆行 驶里程。传统的电子地图是由车辆的经纬度信息来定位的，而o p s 是根据 里程信息将公交线路沿线站点及站间抽样点的地理坐标映射为与起点站 的距离。车辆在固定线路上行驶，根据车辆行驶的方向和里程就可知车辆 的地理坐标，进而在电子地图上定位车辆【”l 。该方案贴近公交系统的实际 特点，能很好的的满足公交智能管理的要求，并且在成本和运行稳定性上 具有优势，因此本项目选择智能里程表( o p s ) 技术来研发公交智能管理 系统。 重庆邮电大学研究生论文第二章公交智能管理系统解析 第二章公交智能管理系统解析 “公交智能管理系统”专利中定义了系统的组成结构1 1 1 ，它由车载终 端、计算机中心及多个软件模块组成。具体的功能模块有： 车辆动态实时监控系统( g i s 电子地图) 运营报表自动生成系统 线路发车调度系统 应急事件处理系统 车载终端系统 电子站牌( 可选) 交通信息汇总集系统 该系统重要组件的结构图如下： 图2 1 ：公交智能管理系统结构 2 1 公交智能管理系统的组成结构 该系统由六大部份构成，按专利的要求该系统各部分的设计要求和主 要功能在设计时细化如下： 重庆邮电大学研究生论文第二章公交智能管理系统解析 2 1 1 车辆动态监控管理系统 车辆动态监控管理系统主要用于对车辆的动态运行状况进行监控管 理。它通过收集车辆运行的实时数据，并将状况其反映到g i s 电子地图上。 电子地图显示主要内容： 公交线路号、车辆编号、运行线路图、线路站点及站名 车辆运行过程中运行区间、到站、离站及赖站时间显示，赖站警告显 示 车辆运行速度显示，车辆超速自动提示、告警，超速发生时间及路段， 超速的实际车速，车辆行驶里程显示 堵车及堵车路段、时间显示 特殊信息显示：治安事件、车辆事故、交通事故等事件及其发生路段、 时间的显示 电子地图可以实现对运行线路的所有车辆进行动态监控，如遇特殊事 件也可对单个车辆实现动态监控 2 1 2 车载终端及自动报站系统 该系统的核心是专利技术“智能里程表”( 专利号：z l 0 3 2 5 2 8 4 2 6 ) 。 车载终端由智能里程表、g p r s 模块、自动报站器组成。 主要功能： 将采集的车辆运行数据转变为车辆运行速度，并自动记录车辆行驶里 程 根据预设的门限值( 超速、堵车、赖站) 并结合其他因素进行判决， 形成超速、堵车、赖站等数据 通过人工按键形成治安、车辆事故、交通事故等数据 其它接口输入数据的处理( g p s 数据、图象数据、人数统计、i c 卡读 卡机数据等) 沿线站点数据形成及存储。按一定规律形成数据包，将信息数据包自 动向监控管理中心实时上传 ， 自动报站并提供语音信息服务 根据调度指令向驾乘人员发出发车自动提示，向驾乘人员发出超速、 赖站告警提示 重庆邮电大学研究生论文第二章公交智能管理系统解析 2 1 3 线路发车调度系统 车场调度系统主要用于每条线路调度人员通过计算机对车辆进行调 度，以确保准点发车和线路调控。 主要功能： 显示车辆运行排班表 显示车辆状态示：在计算机屏幕调度框内可显示本线路车辆当前所处 的状况，包括待发车辆编号及数量，己启动车辆编号及数量，上路运 行车辆编号及数量，未受到监控的车辆编号及数量 发送调度发车指令：线路调度只需根据排班表，在发车指令框内键入 车辆编号并按回车键，待发车辆车载终端即发出“发车”提示音，通 知驾乘人员发车离站，自动报站器开始自动报站 2 1 4 计算机运营管理系统( 报表系统) 计算机运营管理系统是公交企业十分重要的管理平台。公交企业管理 的一个特点是报表较多，通过这些复杂的报表能充分反映出车辆的运行状 态，从而核算出运行成本及利润。传统的管理模式中所有报表均是人工填 写，不仅效率低而且缺乏准确客观性。计算机运营管理系统能根据车载终 端采集的各类数据，自动按公交系统要求生成各类报表。 其主要功能： 对车载终端上传数据的分析、处理及存储 对数据进行统计、自动生成各类报表( 日报表、月报表、单车线路运 行报表) 运行时间报表：车号、发车时间、到终点站时间 运行数据报表：车号、当日运行趟次，当日运行公里数 事件报表：车号、超速路段及时间、速度；车号、赖站地点、时间 2 1 5 应急事件处理系统 该系统和公司维护中心、安全管理中心、城市交通管理中心、l i o 、1 2 0 等构成紧急事件处理系统，以保证能准确、实时对应急事件的处理。应急 事件包括：治安事件( 车上出现盗窃、抢劫、暴力等) ，车辆事故( 机械 重庆邮电大学研究生论文第二章公交智能管理系统解析 事故、火灾) ，交通事故等。 主要功能： 应急事件显示及告警( 在电子地图特殊显示并告警) 应急事件发生后自动通知相关部门，包括事件性质、发生路段、车号、 发生时间 事件处理记录 2 1 6 道路交通信息采集系统 道路交通信息是城市对交通进行科学管理的重要信息，本系统可以将 公交车辆自动采集的各条道路的交通信息进行汇总、综合形成城市实时的 交通信息，公交车辆可根据人们预设的道路交通状况门限值，自动采集道 路交通信息，包括：堵车、车辆拥堵( 可定义车速低于某门限即意味着车 辆拥堵) ，道路畅通( 车速高于某一门限) 。 主要功能： 汇总各条公交线车辆采集传回的交通信息 在全市交通信息显示图上显示城市道路交通信息状况 2 2 公交智能管理系统的通信平台 公交智能管理系统中，大量动态交通信息与监控中心的交互正是由通 信平台实现的。而通信技术的选择，必须考虑到用户的实际需求和经济承 受能力。近年来，g p r s 以其快速高效、运营成本较低的优势，为实现远 距离的数据传输和实时监控提供了一种新的技术手段。 2 2 1g p r s 技术简介及选择原因 g p r s 的网络结构 g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，它是 通过在现有g s m 网络中增加g p r s 网关支持节点( g g s n ) 和g p r s 服务 支持节点( s g s n ) 来实现在分组方式下数据的发送和接收。是在现有的 第二代移动通信g s m 系统的基础上发展出来的一种基于分组交换传输数 据的高效率通信方式【2 2 】。 重庆邮电大学研究生论文 第二章公交智能管理系统解析 g p r s 在传统的g s m 网络中引入了3 个新的组件： p c u ( 分组控制单元，p a c k e tc o n t r o lu n i t ) ，s g s n ( g p r s 服务支 持节点，s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ) 和g g s n ( g p r s 网关支持节点， g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 。 s g s n 是为移动终端( m s ) 提供业务的节点。在激活g p r s 业务时， s g s n 建立起一个移动性管理环境，包含关于这个移动终端( m s ) 的移动性 和安全性方面的信息。s g s n 的主要作用就是记录移动台的当前位置信息， 并且在移动台和s g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。 g g s n 主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如 i s d n 和l a n 等。g g s n 通过配置一个p d p 地址被分组数据网接入。它存 储属于这个节点的g p r s 业务用户的路由信息，并根据该信息将p d u 利用 隧道技术发送到m s 的当前的业务接入点，即s g s n 。g g s n 可以经g c 接 口从h l r 查询该移动用户当前的地址信息。另外，g g s n 也又被称作g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转换，从 而可以把这些分组数据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。 s g s n 和g g s n 利用g p r s 隧道协议( g t p ) 对i p 或x 2 5 分组进行封装， 实现二者之间的数据传输【2 3 】。 g p r s 的技术优势 通信速率高，每个用户可以同时占有多个无线信道，最高可达1 1 5 2 k b s 资源利用率高。在g s m 网络中，g p r s 首先引入了分组交换的传输模 式，使得原来采用电路交换模式的g s m 传输数据方式发生了根本性的 变化，这在无线资源稀缺的情况下显得尤为重要 实时性好，采用“统计复用”的方式，多个用户可以动态共享一个信 道，大大提高了带宽资源的利用率。“永远在线”，用户随时与网络保 持联系，保证数据传输的实时性 接入速度快，只需2 3 秒钟即可接入网络 兼容性强，g p r s 支持i n t e r n e t 上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协议， 能提供i n t e r n e t 和其它分组网络的全球性无线接入 可用性好，g p r s 利用现有的g s m 网络资源，覆盖面广，没有空间与 视距限制 成本低廉，按量计费，节省资源 重庆邮电大学研究生论文第二章公交智能管理系统解析 选择6 p r s 技术的原因 车载终端和监控中心之间的通信突发性较强、使用频繁并且每次数据 量较小，基于g p r s 的智能公交通信平台通信速度快，数据延迟小，按量 计费，运营成本很低，数据传输和语音通话可以同时进行，并且可以自由 进行切换，非常适合应用于智能公交管理系统的数据传输。所以使用g p r s 网络作为系统的传输载体是目前最佳的解决方案。 2 2 2 智能公交系统通信平台的组成 智能公交系统的通信平台主要由三大部分组成：车载终端通信模块( 包 括通信控制器、g p r sm o d e m ) 、g p r s 通信部分( 包括m s c 、基站控制器、 s g s n 业务支持节点、g g s n 网关支持节点) 、监控中心( 包括网关、信息 服务器等) 。车载终端和g p r s 网关支持节点( g g s n ) 之间利用g p r s 网络 无线传输：在g g s n 和监控中心之间采用有线( i n t e m e t ) 传输。 车载终端和中心服务器建立面向连接的专用s o c k e t 接口，将位置和其 它信息封装在数据包中，通过s o c k e t 连接发送到对方。收发双方按统一 的数据包结构进行封装。在通信过程中车载终端和计算机中心通过g p r s 网络相互传送数据【“】i ”l 。 图2 2 ：公交智能管理系统的通信平台 2 2 3 公交系统组网方式 对于公司内各个层次机构，须通过权衡费用和带宽需求等选择出合适 的广域网接入方案。目前i s p 提供的广域网服务类型包括：d d n ( d i g i t a l 重庆邮电大学研究生论文 第二章公交智能管理系统解析 d a t an e t w o r k 。数字数据网) ，v p n ( v i s u a lp r i v a t en e t w o r k ，虚拟专用 网) ，f r ( f r a m er e l a y ，帧中继) 。a d s l ( a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e r l o o p ，非对称数字用户环线) 等。规模较大的公交公司可以在总公司和分 公司间采用v p n 或f r 实现广域网的接入，各路队和调度室采用a d s l 拨 号方式接入。专线的私有性允许租用公司最大程度的利用自己的广域网连 接【27 1 。 考虑到本系统需要提供准确、实时的数据流，且目前仅开通一条公交 示范线路，因此，监控中心和路队调度室由路由器组成局域网后采用专线 接入广域网。 2 3 本章小结 本系统采用了一种创新型技术来实现对定线行驶的公交车辆的跟踪定 位功能。创新点则是根据公交车运行的特点，用车辆行驶里程定位，不仅 定位精度高、使用效果与环境及气侯无关，性能稳定，而且功能非常丰富 并便于扩展。这正是公交企业所期望的。将车载单元中的里程表采集的车 辆行驶里程数据通过电子地图实现对车辆的跟踪定位。每个公交车辆配备 一个车载单元，每个单元里的里程表有唯一识别的i d 号，电子地图将公 交车行驶线路、站点及线路里程数据编制在图上。车辆从起点站出发时将 里程参考点设为零，车辆行进后车载终端将根据需要不断把行进的里程数 通过g p r s 网络发送到计算机中心，经处理后即可在电子地图上根据车辆 行进里程数确定车辆对应的地理位置，同时中心可以通过g p r s 网络对车 辆发出指令，以达到实时的监控管理的目的从而实现了对车辆的智能管 理。 重庆邮电大学研究生论文第三章车载终端系统的硬件设计 第三章车载终端系统的硬件设计 车载终端系统是公交智能管理系统的核心部件。在专利中被定义为车 载信息采集和处理系统，完成实时行车数据分析、判决、存储，驾驶员提 示、自动报站和与控制中心通信等功能。本章描述了车载终端的硬件系统 设计，包括模块功能划分和实现方法，各部件设计要求的制定，主要元件 的选择及电路设计方案等。 3 1 车载终端的组成结构 车载终端包含以下功能模块：智能里程表、报站器、g p r s 模块、g p s 模块( 选配) 、r f i d 卡读卡器( 选配) 智能里程表：车载终端核心部件，其主要作用是将里程传感器采集的 脉冲信号进行变换，转换成车辆行驶里程和速度，再根据各预设条件 进行运算、判决，形成对车辆进行动态监控的各类数据。并融合人工 键入信息经打包处理后传到计算中心 报站器：按公交系统报站规范实现自动报站 g p r s 模块：实现数据双向传输及通话 g p s 模块：获取车辆实时位置信息作为辅助定位方式( 选配) r f i d 卡读卡器：确认驾驶员身份信息作为人员管理依据( 选配) 报站器里程传感器 r f i d 卡读卡 g p s 模块智能里程表 器 g p r s 模块汽车电源 图3 1 ：车载终端的组成结构组成结构 重庆邮电大学研究生论文第三章车载终端系统的硬件设计 车载终端安装在车上，由车上蓄电池或锂电池直接供电。车载终端必 须满足系统功能要求，电气性能要求及使用环境要求。锂电池作为后备电 池，当车上蓄电池不能正常供电时，锂电池能保证供电3 0 分钟以上，以 确保该段时间车辆不会脱离监控。 3 2 车载终端的设计细则 3 2 1 车载终端实现的功能 对传感器采集的里程信息进行处理、分析、计算、判决，形成对车辆 进行跟踪定位的信息及交通道路状况信息 人工预设站点并存储站点信息 对由人工键入的特殊信息及其他方式采集的信息进行处理，形成车辆 在运行过程中的特殊事件信息 将各类信息形成代码并构成数据包，将数据包按预定的协议发送 接收下传指令并执行 通过r s 2 3 2 口和g p s 终端连接。通过数据包发送g p s 车辆定位参数 发送的信息包中应包括公交线路号、车辆编号、行驶里程、车速、运 行状态、特殊信息、时间等信息内容 控制语声报站器实现全自动语音报站 功能扩展，如提供公交信息服务功能 3 2 2 各具体功能的实现方法 a 处理传感器信息转换为里程数据： 位于车轴的里程传感器经传输线与车载终端连接。处理器将传感器采 集的车辆传动轴的转动脉冲( 每转动一周将产生1 个或几个脉冲) 进行模 数转换，转变成数字信息后结合车辆特征系数转换为距离，即得出车辆 车轮每转一周车辆前进的距离进而得到里程数据。 b 对里程数据进行分析，并形成新的有用信息： 计算行车速度，车辆平均速度= 车辆行驶距离除以时间。( 建议时间取 值3 至5 秒) 。根据预设速度门限进行超速( 可分路段设置不同的超速门 重庆邮电大学研究生论文 第三章车载终端系统的硬件设计 限，目前的设置为大于4 0 k m ，h ) 或缓行判决( 小于1 0 k m z h ) 。根据预设 堵车门限进行堵车判决( 一段时间内里程无变化) 。 终端发送回数据中心( 公交公司管理系统) 的信息：超速告警信息、 堵车信息、车速信息、线路编号、车辆自编号、里程、时间、速度。 c 人工预设站点并存储站点信息： 车辆在运行中应能自动识别沿线站点，车辆对站点的识别必须通过车 载终端上的站点预设按键完成。预设方式是：车辆从起点站出发沿线每到 一站按一次站点设置键并存储在车载终端内。从终点返回起点以同样方式 设置站点并存储。车辆以此设置为依据判决车辆到站、离站。如果站点改 变应重设一次。为了适应公交车实际运行需要，车辆到、离站的判决范围 是预设站点正负2 0 米。( 可根据不同的线路及站点确定正负范围) 终端应发送的信息：到、离站信息、线路号、车号、里程、时间、速 度。 d 处理按键信息及特殊事件： 对人工键入的特殊信息及其他类型信息进行处理，形成在车辆运行过 程中的特殊事件信息。特殊信息在数据包中占有专门的字段。按键六个： 启动确认键、治安告警、车辆故障告警、交通事故告警、+ 键、方向键。 每个特殊信息均有代码，人工按键后在电子地图上均能实时进行显示： 治安键：按下治安键( ”电子地图上车辆显示治安告警。 车辆故障键：按下故障键，电子地图上车辆显示“故障”告警。 交通事故键：按下事故键电子地图上车辆显示“事”告警。 方向键：车辆进行手动位置调整用。 + 号键：车辆进行手动位置调整用( 站序) 。 启动确认键：启动终端开始工作，公交车辆开始正常运行 e 其他输入数据： g p s 定位数据( 经纬度) r f i d 卡读出的驾驶员数据通过r s 2 3 2 口输 入，直接进入终端行成上传数据包。 f 信息发送： 通过g p r s 模块向数据中心发送信息。智能里程表发送信息分以下几 种情况： 固定规律发送：主要有车辆到站信息、离站信息、自动报站指令。信 息发送频率可任意设定，目前确定为每1 5 秒钟发送一条信息。 特种信息发送。这类信息通过驾乘人员控制进行信息发送，包括车辆 事故信息、安全信息等 重庆邮电大学研究生论文 第三章车载终端系统的硬件设计 随机发送信息。如堵车信息，车辆行进速度信息等。这类信息按预设 的门限发送。如：缓行信息，平均车速( 每分钟) 小于1 0 k m 以下即 自动发送；超速信息，车速( 每分钟) 超过4 0 k m ，即自动发送。 g 自动报站控制： 车载终端和报站器连接，由车载终端通过语音芯片发出控制信号实现 全自动报站。智能里程表临到站前( 2 0 0 m 左右) 应自动发出到站指令给 报站器，报站器自动报站；当车离站( 2 0 0 m 3 0 0 m ) 后应发出下一站预报 指令给自动报站器预报下一达到站。 h 能接收下传指令并执行： 车辆起点站的发车指令：由调度员通过计算机对运行班次发出开车指 令( 指令为车辆编号) ，车载终端收到发车指令后向驾驶员发出发车提示 音，并同时完成里程自动清零( 自动确认，驾驶员可不再按确认键) 。 为了保证系统的实时性，避免因车辆起动或突然断电导致g p r s 传输 中断，系统设置中断自恢复功能。中心机房将以广播方式每两分钟向各车 发一条询问信息，g p r s 模块如未收到此信息就意味着传输信道中断， g p r s 模块将自动进行重连，以保证传输链路的可靠性。 i 接收参数修改指令： 该功能是由上位机( 如笔记本电脑) 通过数据接口修改车载终端存储 器内的数据，包括：堵车、超速门限值、特殊事件显示及告警等 j g p s 接口( 可根据需要选装) ： 装有g p s 模块的车载终端，g p s 模块通过r s 2 3 2 与终端c p u 接口， g p s 测得的经纬度数据经r s 2 3 2 接口传送到终端c p u ，并将输入的经纬 度数据嵌入数据包专用字节中。根据需要在发送车载终端数据时同时将 g p s 数据发送到计算中心。 k 通话功能( 可根据需要选装) ： 在车辆发生特殊情况时，中心需要和