（机械设计及理论专业论文）基于无线网络的动态车载导航系统的设计.pdf

论文题目：基于无线网络的动态车载导航系统的设计 专业：机械设计及理论 硕士生：唐亮 指导教n - 马胜利 摘要 ( 签名) ( 签名 压毛 地理信息系统和基于位置的服务是当今两大热门的应用领域，而车载导航系统则是 这两大领域中最重要和最具市场前景的应用。传统的车载导航系统没有获取实时交通信 息的能力，对某些突发交通状况( 如：堵车、临时交通管制、交通事故等) 没有及时有 效的应对措施，这使得其实用性大打折扣。 针对传统的车载导航系统的不足，本文提出了一种基于c s 体系结构的新型的车载 导航系统的设计方案；对该方案下的软、硬件功能模块进行了设计；建立了一种可动态 标记交通信息的新型电子地图的数据模型，使之能实时标记出道路的交通状况；在以上 数据模型的基础上，提出了一种新型的智能路径搜索算法，该算法能自动绕开事故路段 并重新寻找最优路径，从而达到智能规划路径的目的；使用i a v a 语言开发了一套软件模 拟了这一新型动态车载导航系统的运行环境，并且搭建了这一模拟环境的运行平台，从 而验证了这一系统的可行性；讨论了随着第三代无线通信技术( 3 g ) 和传感与检测技术 的发展，该系统的扩展应用前景。 这一新型动态车载导航系统的开发与研究，解决了传统的车载导航系统的不足，提 高了系统的导航效率和准确性，使其实用价值得到进一步的提高，并且为系统的功能扩 展提供了良好的基础。 关键词：动态车载导航；动态路径规划；实时交通信息；分布式软件 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：ad e s i g no fd y n a m i cv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e mw h i c hb a s e d o ht h ew i r e l e s sn e t w o r k s s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：t a n gl i a n g i n s t r u c t o r ：m as h e n g l i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) g i sa n dl b sa r et h eh o ta p p l i c a t i o na r e a sb yn o w , a n dt h ev e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m w a st h eb e s ti m p o r t a n ta p p l i c a t i o nw i t hg o o dm a r k e t i n gf u t u r ei nt h i st w oa p p l i c a t i o na r e a s t h et r a d i t i o n a lv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e mw a sn o tt h ea b i l i t yt oc a p t u r et h er e a lt i m et r a f f i c i n f o r m a t i o n ，t h i ss y s t e md i dn o tm a n i p u l a t et h es u d d e n l y - h a p p e n e dt r a f f i ca d d i t i o n t h u s ，i t c a u s et h i ss y s t e m sp r a c t i c a b i l i t yw a sl i m i t e d a i ma tt h i ss h o r t c o m i n go ft h et r a d i t i o n a lv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e r p r o f f e r e d an e wd e s i g n p r o je c t o fv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e m b a s e do nc s a r c h i t e c t u r e ，d e s i g n e d t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r em o d u l e so fb a s e d o nt h i s d e s i g n p r o j e c t , c r e a t e an e wd a t am o d eo fe l e c t r o n i cm a pt h a tc a nm a r k e dt h er e a lt i m et r a f f i c i n f o r m a t i o n ，a n dt h e na c c o r d i n gt o t h i sd a t am o d e ，w ec r e a t ean e wi n t e l l i g e n t i z e d r o u t e s e 砌c ha r i t h m e t i ct os e a r c ht h eb e s tr o u t et h a te v a d et h er o a dw i t ha c c i d e n t t h e n ，w e d e v e l o p e das o f t w a r et os i m u l a t et h er u n n i n ge n v i r o n m e n to ft h i sn e ws y s t e m u s ej a v a p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dc r e a t ea r u np l a n ef o rt h i ss y s t e m ，a l lo ft h e s ew o r k sp r o v e dt h e f e a s i b i l i t yo ft h i sn e ws y s t e m a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，w ed i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d so ft h i sn e ws y s t e mw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft l l e 3gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y t h i sr e s e a r c ha b o u tn e wd y n a m i cv e h i c l en a v i g a t i o ns y s t e mo f f s e tt h es h o r t c o m i n go f t r a d i t i o n a ls y s t e m ，i m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo ft h i ss y s t e m ，m a k ei tb e c o m em o r e a p p l i e d ，a n ds u p p l ya f a v o u r a b l eb a s ef o rt h ee x p e n d i n go ft h i ss y s t e m sf u n c t i o n k e yw o r d s ：d y n a m i cv e h i c l en a v i g a t i o n d y n a m i cr o u t ep l a n n i n g r e a lt i m et r a f f i c i n f o r m a t i o nd i s t r i b u t es o f t w a r e t h e s i s ： a p p l i c a t i o ns t u d y 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 ) 学位论文作者签名：衙瑶) 日期：沙6 箩、旁 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：压衫指导撕硌另叫 力彬年珀狮 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 定位信息服务介绍 1 绪论 定位信息服务是从英文的l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e s 而来，又译成位置信息服务或基于 定位的服务。广义的定位信息服务包含的范围很广，只要与位置相关的内容均可以划分在 定位信息服务范围内。狭义的定位信息服务认为主要是指移动定位信息服务，即在移动设 备上提供的地理信息或位置信息等服务。定位信息服务没有一个很权威的具体定义，总体 来看，定位信息服务大致可以看作是一种电信的增值服务。它建立在移动通讯网络上，通 过移动通讯的定位手段以及地图数据库确定移动设备( 使用者) 的位置，并将各种与位置 相关的业务结合起来形成的一种综合性服务。定位信息服务能提供诸如地理信息查询、 定位信息查询、路径搜索、车辆导航与跟踪、紧急求助、兴趣点查询、物流配送、交通 路况报告、天气预报以及其他一些与位置相关的基本信息服务。人类8 0 的活动均与位 置相关，由位置而衍生的服务内容举不胜举。从现在的技术能力以及的已经拥有的移动通 讯设备终端用户群体来看，定位信息服务拥有很庞大的用户市场和巨大的发展前景。对于 这样大规模的一个服务领域，一个高性能的技术架构是实现其规模市场服务的基础。 一个完整的定位信息服务应该包含如下几个部分：数据平台，移动通讯网络，定位设备， 定位服务平台，运营服务平台以及移动信息终端。 ( 1 ) 数据平台。主要包含空间数据库、黄页数据库、交通数据库等其他数据库。它主 要为定位信息服务提供与位置相关的信息内容，包含地图、地名、地址、交通路况等各个 方面的信息，是整个定位信息服务的主体内容。 ( 2 ) 移动通讯网络。主要是移动信息终端与服务中心的连接链路，它可以是 g s m ，c d p d ，g p r s ，c d m a 以及将来出现3 g 等通讯网络。它是定位信息服务的信息载 体与通道，同时也是移动定位的关键组成部分。因为在基站定位方式中，主要是通过移动 通讯网络当中的蜂窝基站来对移动信息终端进行定位。 ( 3 ) 定位设备。主要是指基于各种移动通讯网络的定位设备，现在有n o k i a 的g m l c ， e r i c s s o n 的m p s 以及a l c a t e l 的i m l s 等。它主要解决从基站获取相关数据然后计算出 相关的位置信息，接受位置请求并返回位置信息结果。 ( 4 ) 定位服务平台。从定位设备获取定位信息，并将定位信息与其他相关信息相结合 提供一种基于位置的综合信息。对接入的服务提供商进行管理，同时，还包含计费包的计 算等。定位服务平台是整个定位信息服务的一个关键环节。 西安科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 运营服务平台。接入定位服务平台，获取地理信息与位置信息。运营服务平台将 这些信息与其他各种信息一起，通过各种表现手段提供到用户的移动信息终端上。 ( 6 ) 移动信息终端。各种能接入到移动通讯网络当中的信息终端，包含现在的部分个 人数字助理( p d a ) ，智能手机( s m a r t p h o n e ) ，通讯器( c o m m u n i c a t o r ) 。 o i l 1 1 2 智能交通系统介绍【0 2 】 智能交通系统( i t s ) 是新兴的交叉学科，其目的是提高交通效率、减少交通对环 境的污染和其他影响、增进交通安全。基于位置的服务使用户在任何时间、任何地点都 能够通过移动终端来获取与移动终端用户所在地理位置相关的服务。智能交通系统与基 于位置的服务都是当前世界最具活力的新的经济增长点，具有极大的市场潜力和应用前 景。 智能交通系统是在较完善的基础设施的条件下，利用信息化了的交通参与者的趋利 性和智能技术，通过大范围和密集的信息交换与集成，进行交通运输的组织管理。其目 标是在减少拥挤、污染和对环境影响的同时，使交通更安全有效的进行。它的本质是以 服务促进管理，让交通参与者知道周围发生的一切，在系统最优的条件下给他们更多的 ( 服务) 选择，通过交通运输系统与交通参与者的充分信息交互，达到人、车、设施、 环境和服务的“天人合一”。 i t s 是新兴的交叉学科研究领域，是先进的信息处理技术、数据通信技术、电子控 制技术以及计算机处理技术等在运输管理体系的综合运用，其目的是提高交通效率、减 少交通对环境的污染和其他影响、增进交通安全。形象的说，就是使车辆有“头脑”， 使道路“聪明”起来，使人、i 车、路密切结合，达到和谐的统一。智能车辆在道络上自 由行驶，智能公路能使交通流运转达到最佳状态；两者结合能使驾驶员对周围环境了如 指掌，使管理人员对交通状况和所有车辆的行踪一清二楚；两者相互通信，共同减少交 通阻塞。 1 1 3 车载导航系统介绍【0 2 】 车载自动导航系统是地理信息技术、定位技术、传感技术、信息处理技术、通信技 术的交叉和融合，就导航系统本身来说，由无线通讯装置、定位装置和导航仪构成，其 中导航仪是在导航数据库支撑下，通过人机接口实现地图匹配、路径规划、路径引导和 信息服务等功能。 汽车司机在驾车出行时，首先利用人机接口模块，以地名、电话号码、住址、图上 位置等方式查找目的地，并输入行驶路径要求，如行驶距离最短、交通情况最好、收费 最少等。路径规划模块根据驾驶员的要求，在导航数据库的支撑下计算出最佳行驶路径。 在车辆的行驶过程中，定位系统确定车辆的当前位置，这些位置信息通过地图匹配模块 2 1 绪论 与导航地理数据库结合起来，并通过人机接口在电子地图上动态的显示出来。与此同时， 路径引导系统根据预先计算好的最佳路径向驾驶员发出实时的行驶引导，提示前方距离 和转弯方向。如果驾驶员偏离了规划路径，地图匹配模块会迅速计算出这种偏差并重新 规划到达目的地的行驶路径。在某些地区，交通管理中心能够通过无线通讯的方式发出 车载导航系统能够自动接收的动态交通信息，如果规划路径前方发生了交通堵塞，导航 系统就会自动计算出一条替代路径，并提示驾驶员改变行驶路线。【0 1 】 早期的车载导航系统定位大多采用定位推算的方法( 如惯性传感器) ，目前车载导 航系统更多的是利用安装在车上的全球定位系统( g l o b a lp o s t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 来定 位。但是天气影响、隧道和建筑物遮挡、超宽带无限通讯干扰等都会影响g p s 定位的 效果和精度。因此人们采用组合方式，即利用惯性传感器或其他辅助方式作为g p s 信 号丢失时的补偿，以使导航系统功能连续。【0 2 】最初的车载导航系统只是简单的文字提示。 经过二十多年的发展，目前的车载导航系统大小厚薄同一本字典差不多，能够提供图形 化、语音化显示；能够模拟三维驾驶环境；能够与最新的多媒体设备、无线通信设备、 定位设备集成，为驾驶员提供多方位的服务，成为现代汽车的最新技术配备之一。 1 2 传统车载导航系统的局限性 传统的车载导航系统中，车载终端通过接受g p s 的定位信号来确定车辆当前位置， 并将这一位置映射在已经信息化的电子地图上，驾驶员通过人机交互界面选择想要到达 的目的地后，车载终端根据当前位置和目的地位置来搜索出最优路径，从而指导驾驶员 驾驶，达到导航目的。传统车载导航系统的这种运行机制决定了它在当今地理信息服务 的应用中的局限性。这种局限性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 传统车载导航系统中电子地图数据是固定在车载终端的，要对这一固化的数据 做更新是一件很困难的事情，但以我国目前的道路交通状况来看，道路交通状况的更新 速度是非常快的，这也就导致了很多情况下车载终端不能及时有效的得到最新的电子地 图数据，从而导致导航时给驾驶员错误的或不合实际的提示，影响导航的效果。 ( 2 ) 传统的车载导航系统没有实时的路况信息捕获能力，对于规划路径前方的意外 交通状况不能感知。而对道路交通状况的实时捕获能力在当今的车载导航系统中是很重 要的功能。 ( 3 ) 传统的车载导航系统只是单机运行的，系统所有软硬件资源都安装在车载终端 上，这样的结构使系统不具备联网运行的能力，不能与其他用户和控制中心实时通信， 这极大的限制了车载导航系统的功能，并且在分布式应用系统得到广泛应用的今天，车 载系统的联通需求也越来越强烈。 以上是传统的车载导航系统的应用局限性，正因为这些局限，使我们有理由去开 发新一代的车载导航系统。在本课题所论述的车载导航系统中很好的解决了以上传统车 西安科技大学硕士学位论文 载导航系统的缺陷。 1 3 动态车载导航系统的特点 基于1 2 节中提出的传统车载导航系统的局限，本课题论述了一种全新的动态车载 导航系统的设计方案；给出了这种车载导航系统的工作流程图；讨论了第三代移动通信 技术在动态车载导航系统的交通信息采集与传输上的应用。 在本课题所论述的动态车载导航系统的设计方案中，我们通过现有的城市交通监 控网络来获取实时的道路交通路况信息，并由控制中心将其中的异常交通状况信息通过 无线通信网络发送给有需要的车载客户终端。车载客户终端在接收到这一异常路况信息 后将其通知驾驶员，并同时修改规划的行车路线，使其能避开异常路况事故点，从而达 到动态导航的目的。我们通过在传统的车载导航系统上新增某些功能模块来实现这一功 能。总体来说，本课题所论述的动态车载导航系统不仅有效的弥补了1 2 节中所提出的 传统车载导航系统的局限性，而且还具有以下突出特点： ( 1 ) 采用分布式系统的构架方案，整个系统由各个分布的车载终端和固定位置的服 务器端组成。分布式的构架方案是目前构建大型的软硬件系统最主流的构架方案，这一 构架方案能使整个系统各部分功能明确，便于维护。 ( 2 ) 系统通过现有的无线通信网络将车载客户终端与服务器端连接起来，可以很方 便的实现车载终端与服务器端的数据交换，这些数据可以是实时更新的电子地图数据， 也可以是动态的路况信息数据。这样一来，车载终端可以及时的得到最新的电子地图和 实时的路况信息。这对提高导航系统的导航效率有很大的帮助。 ( 3 ) 系统采用g s 的体系结构，使服务器端很容易跟踪车载终端的状态( 包括车辆 当前位置、速度等信息) 。这为在本系统的基础上进一步开发扩展的功能提供了有力的 支持。本论文在7 2 节：前景展望中对这些扩展功能做了简单的介绍。 4 2 系统需求分析 2 1g p s 定位功能 2 系统需求分析 2 1 1g p s 卫星定位系统介绍 全球卫星定位系统( g p s ) 是美军7 0 年代初在“子午仪卫星导航定位 技术上发 展起来的具有全球性、全能性( 陆地、海洋、航空与航天) 、全天候优势的导航定位、 定时、测速系统，由空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统三大子系统构成，已 广泛应用于军事和民用等众多领域。在发达国家，g p s 技术已经开始应用于交通运输和 道路工程之中。目前，我国在这方面的应用也己开始起步。 2 1 2g p s 技术在车载导航系统中的应用 三维导航是g p s 的首要功能，飞机、船舶、地面车辆以及步行者都可利用g p s 导 航接收器进行导航。汽车导航系统是在g p s 的基础上发展起来的一门新技术。它由g p s 导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感器、c d r o m 驱动器、l c d 显示 器组成。 g p s 导航是由g p s 接收机接收g p s 卫星信号( 三颗以上) ，得到该点的经纬度坐标、 速度、时间等信息。为提高汽车导航定位的精度，通常采用差分g p s 技术。当汽车行 驶到地下隧道、高层楼群、高速公路等遮掩物而捕捉不到g p s 卫星信号时，系统可自 动导入自律导航系统，此时由车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数 据处理，从速度和时间中直接算出前进的距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀 螺仪还能自动存储各种数据，即使在更换轮胎暂时停车时，系统也可以重新设定。 由g p s 卫星导航和自律导航所测到的汽车位置坐标、前进的方向都与实际行驶的 路线轨迹存在一定误差，为修正这两者间的误差，使之与地图上的路线统一，需采用地 图匹配技术，加一个地图匹配电路，对汽车行驶的路线与电子地图上道路的误差进行实 时相关匹配，并做自动修正，此时，地图匹配电路通过微处理单元的整理程序进行快速 处理，得到汽车在电子地图上的正确位置，以指示出正确行驶路线。c d r o m 用于存储 道路数据等信息，l c d 显示器用于显示导航的相关信息。 g p s 导航系统与电子地图、无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可 以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能，例如： ( 1 ) 车辆跟踪利用g p s 和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并任意放大、 缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上：还可实现多窗口、多 西安科技大学硕士学位论文 车辆、多屏幕同时跟踪，利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。 ( 2 ) 提供出行路线的规划和导航规划出行路线是汽车导航系统的一项重要辅助功 能，如：自动线路规划和人工线路设计等。 ( 3 ) 信息查询为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户能够 在电子地图上根据需要进行查询。查询资料可以文字、语言及图像的形式显示，并在电 子地图上显示其位置。同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内任意目标的所在位 置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。 ( 4 ) 话务指挥指挥中心可以监测区域内车辆的运行状况，对被监控车辆进行合理调 度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话，实行管理。 ( 5 ) 紧急援助通过g p s 定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行 紧急援助。监控台的电子地图可显示求助信息和报警目标，规划出最优援助方案，并以 报警声、光提醒值班人员进行应急处理。 g p s 技术在汽车导航和交通管理工程中的研究与应用目前在中国刚刚起步，而国外 在这方面的研究早已开始并已取得了一定的成果美国研制了应用于城市的道路交通管 理系统，该系统利用g p s 和g i s 建立道路数据库，数据库中包含有各种现时的数据资 料，如道路的准确位置、路面状况、沿路设施等，该系统于1 9 9 5 年正式运行，为城市 道路交通管理起到了重要作用。 近些年来，国外研制了各种用于车辆诱导的系统，其中对车辆位置的实时确定主要 依靠惯性测量系统以及车轮传感器。随着技术的发展，g p s 大有取代前两种方法的趋势。 用于城市车辆诱导的g p s 定位一般是在城市中设立一个基准站，车载g p s 实时接收基 准站发射的信息，经过差分处理便可计算出实时位置，把目前所处位置与所要到达的目 标在道路网中进行优化计算，便可在道路电子地图上显示出到达目标的最优化路线，为 公安、消防、抢修、急救等车辆服务。 g p s 是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一，必然会在诸多领域中得到越 来越广泛的应用。相信随着我国经济的发展，以及高等级公路的快速修建和g p s 技术 应用研究的逐步深入，其在道路工程和交通运输中的应用也会更加广泛和深入，并发挥 出更大的作用。m j 2 1 3 本系统对g p s 技术的需求 在本文所描述的车载导航系统中，车载终端首先需要启动本地的g p s 接收机接收 卫星定位信号，来定位出车辆当前的绝对位置坐标，然后将这一位置坐标发送给服务器 端，服务器端接收到这一位置信息后在地图数据库中查找该位置点附近的地图数据，将 这些地图数据发送给车载终端，车载终端在接收到这些数据后将其解析并显示出来。在 以后的正常导航过程中，车载终端也必须不断依靠g p s 接收机接收的定位数据来确定 6 2 系统需求分析 车辆当前位置。所以，g p s 定位模块是整个车载导航系统的基础模块，它为其他的高级 功能模块提供数据支持。目前g p s 卫星定位和导航系统已经有比较成熟的技术实现， 在本课题中选用已有的g p s 接收机来实现卫星定位。 2 2 电子地图数据和动态路径规划 在本课题所论述的车载导航系统中，我们需要在车载终端和服务器端共享最新的电 子地图数据，这样才能保证这一数据的实时性。为了方便电子地图数据在服务器端与车 载终端之间的无线传输，我们希望这一电子地图数据具有高效、简洁、体积小等优点。 同时，为了能在电子地图数据中插入实时路况的信息点数据，以便于系统在接受到异常 路况信息后能及时的将这一信息点反映在电子地图数据上，我们也要求本系统中的电子 地图数据具有可扩展性。 本系统对路径规划算法也提出了新的要求，传统的路径规划算法仅仅根据给定的搜 索条件求出到目的地的最优路径，一旦搜索过程完成，这一最优路径就固定下来了，除 非人为的执行新的搜索，否则系统会一直将这条路径当作当前最优路径来指导驾驶员驾 驶，即使有某些意外情况出现，系统也不具备自动纠错的能力。在本论文所论述的车载 导航系统中，我们要求系统能在接收到某些意外的交通状况信息后能自动的重新规划路 径，这就要求系统中的路径规划算法具有绕开事故路段的能力。 2 3 实时路况信息采集和传输 在本文所论述的系统中，最突出的优点就是能在车载终端直接接收到前方道路交通 的实时信息，这样才能最大程度的避免堵车，提高导航的效率。因此，我们的系统必须 实现城市道路交通状况信息采集的功能，城市道路交通因其复杂性不能使用传统的交通 流量预测模型来解决道路交通状况信息的采集问题，这就使我们必须借助一系列的移动 监控手段来实现城市道路交通信息的采集，这些监控手段主要有：监控摄像头、移动监 控车、交通信息员等。目前我国大多数的大中城市都建立了自己的交通状况实时监控体 系，在这一监控体系里，交通管理人员只需在城市交通控制中心就可以通过个主要路口 的电子监控设备实时的了解到各主要路段的交通状况。在我们的系统中可以借用现有的 交通状况监控系统的人员和设备来进行实时路况信息的采集与发布。 在系统采集到有价值的交通信息后，将这一交通信息发送出去也是设计本系统时需 要考虑的问题，我们不能将所有的信息发送到所有的车载终端，这样不加区分的发送会 造成无线通讯资源的浪费，并且大量的对无用的信息发送到终端将会影响驾驶员的注意 力，可能导致交通安全事故的发生，这样会得不偿失。因此，发送交通信息的时候就涉 及到两个技术问题：发送给谁? 怎样发送? 这与整个系统的构架方案是密切相关的。因 此，在我们的系统中将要很好的解决这样的问题，即：怎样将有价值的信息发送到有需 西安科技大学硕士学位论文 要的用户手中? 2 4 无线通信实现车辆监控和管理 在本文所论述的系统中，我们希望服务器端能完成对每一个客户端的状态跟踪， 这一状态包括客户端当前位置，车速，剩余油料等信息。如果有需求，我们在服务器端 就可以获知每个车辆的运行状况信息。这样一来，我们就可以在现有系统的基础上很方 便的扩展出新的功能，如：车辆的防盗、特种运输车辆的监控、物流车辆的调配等。这 些新的功能模块可以和现有系统共享数据和系统资源，而无须添加额外的系统资源，这 样可极大的节省整个系统的费用，提高系统的可利用率。这对降低整体成本，提高系统 的整合度是非常有意义的。因此，在本文中我们也提出这一功能的实现方案，请参考第 3 2 节。 3 方案的提出 3 方案的提出 3 1 实时路况信息采集与传输方案 实时路况信息的采集可以使用交通管理部门现有的路况信息采集系统完成，该系 统主要由各主要路口实时监控设备，交通流量统计站，流动交通信息采集点等构成。目 前在我国各大中城市都已经建立或正在建立比较完善的交通信息采集系统。大多数城市 都已经建立了自己的交通信息指挥中心，在指挥中心可以了解到各主要路段的实时交通 信息，在我们的系统中，假设交通信息的采集已经由政府相关部门完成。 交通信息采集完成后，重要的工作是将采集到的有价值的信息传送给有需要的车载 用户。在路况信息的传输过程中有两个技术问题需要解决：有价值路况信息的判读和有 需要的用户的跟踪。有价值的路况信息的判读方案主要有人工判读和自动判读两种，前 者是在指挥中心安排专门的工作人员通过采集到的交通信息来判断某一路段的交通状 况，并实时发布。人工判读的优点是判读的准确率高，还可以给出路况的分析信息；缺 点是判读信息的随意性大，主观性强。自动判读采用图象识别软件自动识别异常的路况 信息，然后自动发布，自动判读的优点是不需人工干预，判读效率高；缺点是准确率不 高，需要开发或购买专用图象识别软件，开发成本高。在本课题所描述的系统中采用人 工判读交通信息的方式。 另一个技术问题是判读出一条路况信息后怎样判断哪些车载用户对该路况信息有 需求，这样才能有选择的将路况信息发送给有需求的用户，从而节省有限的无线网络带 宽资源。在本课题中，我们采用以下方案来确定有需要的客户端，当每一个车载用户选 定好一条规划路径后都将规划路径发送到服务器端保存下来，服务器端通过一个动态链 表来跟踪每一个活动客户端的状态，当有异常路况信息需要发布时，首先在链表中搜索 规划路径正好要通过路况信息发生的异常路段的那些客户端，然后将异常的路况信息发 往这些客户端。这样我们就可以实现将路况信息发送给有需要的车载用户的功能。 3 2 车载终端与控制中心连接方案 我们通过在服务器端维护一个存储活动客户端状态信息的链表来实现对车载用户 的监控和管理。这一链表存储的信息有：活动客户端i d ，客户端当前规划的路径等信息。 服务器端可以周期性的发送查询命令给客户端，要求客户端返回当前所在位置坐标，这 样服务器端就可以实时监控客户端的位置，这对某些特种运输车辆( 运钞车，消防车， 救护车) 的监控是非常有意义的。这部分的内容将在本课题的7 2 节：前景展望部分详 细描述。 9 西安科技大学硕士学位论文 3 3 分布式客户端服务器程序的构架方案 3 3 1 分布式软件体系结构介绍 作为一个分布式应用，我们必须建立起适应分布式环境构架的软件体系结构。目前 主流的分布式应用程序的体系结构方案有两种模式：c s 结构和b s 结构，下面分别予 以介绍。 ( 1 ) c s 结构 c l i e n t s e r v e r ( c s ) 结构即客户机和服务器结构，是美国b o r l a n d 公司最早研发， c l i e n t s e r v e r 模式是一种两层结构，分别是客户应用程序和数据库服务器，如图3 1 所 示：其中显示逻辑( 表示层) 和事务处理逻辑( 功能层) 均被放在客户端实现，数据处理逻 辑( 数据层) 在数据库服务器端实现，从而形成了所谓的“胖”客户。这种典型的二层结 构，通过消息传递机制进行对话，客户向服务器发出请求，服务器进行相应的处理后将 结果返回给客户。客户端需要操作系统、网络协议、客户机软件、应用软件等好几层软 件，而在服务器端则是单纯的数据库服务器。 客户机服务器 图3 1 两层c s 体系结构 c s 结构比较适合小规模的、用户较少，单一数据库的局域网下使用，在企业级的 信息共享中得到了广泛的应用，但随着企业间合作的需求的增多，应用系统的大型话， 两层c l i e n t s e r v e r 越来越满足不了用户更高的需求，对于企业间的本系统设计来 说，它存在着以下的局限： ( 1 ) 它是单一服务器且以局域网为中心的，由于本地网络环境的限制，在同一企业 内部的工程设计人员可以共享设计信息，而其他企业或处于异地的设计人员就不能访问 到这些信息，这样造成不便于在异地环境下进行信息的无缝集成和设计合作。 ( 2 ) 软件的可维护性和重用性差：一旦系统程序要进行修改和升级，则需要更新所 3 方案的提出 有的程序，系统的正常升级维护工作很难进行。 ( 3 ) 软、硬件的组合及集成能力有限：需要根据不同的软硬件进行相关开发，适用 范围不广。 ( 4 ) 客户端需要专门的软件，并且负载过重，难以管理大量的客户机。 ( 2 ) b s 结构 随着w e b 技术的发展，以及三层c s 结构应用于w e b 数据库应用的开发中， 出现了浏览器和服务器结构( b r o w s e r s e r v e r ，b s ) ，它是由美国微软公司研发，对c s 结构的一种变化或者改进的结构，如图2 5 所示，客户机上只要安装一个浏览器 ( b r o w s e r ) ，如n e t s c a p en a v i g a t o r 或i n t e m e te x p l o r e r ，服务器安装o r a c l e 、s y b a s e 、 i n f o r m i x 或s q ls e r v e r 等数据库。 一一一一、 h t t p 请求服务协议请求 、 一一 客 l rw e br 数据 户 h t m l 文本响应请求响应 l 应用服 库服 r 机服务器 务器 _ 一一、 l 图3 2 三层b s 体系结构 在这种结构下，浏览器是应用程序的用户接口，是用户与系统之间进行信息交互的 界面，接受用户输入，并响应用服务器发送服务请求，显示处理结果；w e b 服务器主 要完成接受用户的请求、执行相关的应用程序、进行数据库的连接等：数据库服务器主 要完成接受w e b 服务器对数据库的操纵请求，用于执行数据逻辑，实现相应的数据操 纵，并将处理结果返回给w e b 服务器。 b s 结构简化了客户机的工作，客户机上只需配置少量的客户端软件。服务器将担 负更多的工作，对数据库的访问和应用程序的执行将在服务器上完成。浏览器发出请求， 而其余如数据请求、加工、结果返回以及动态网页生成等工作全部由w e b 服务器完成。 实际上b s 体系结构是把二层c s 结构的事务处理逻辑模块从客户机的任务中分离 出来，简化了客户端软件，由w e b 服务器单独组成一层来负担其任务，从而减轻了客 户机的压力，把负荷均衡地分配给了w e b 服务器。 3 3 2 软件体系结构方案的比较和选用 总体来说，在适合本系统开发需求的分布式体系结构的方案中有三种方案可供选 择，分别是：胖客户端方案、中客户端方案和瘦客户端方案。本节将对这三种方案作- 二 西安科技大学硕士学位论文 简单介绍，并比较这三种方案各自的优缺点，并在此基础上选择出适合本系统需求的分 布式构架解决方案。 ( 1 ) 胖客户端方案 所谓胖客户机方案是指客户端安装大量软件，系统应用的主要程序都在客户端运行 的分布式系统构架方案。在这种体系结构中，客户端( 车载终端) 将安装下列软件： 电子地图数据；电子地图解析软件；路径搜索算法。下图描述了这种分 布式体系结构的构架图： 车载终端( 客户端) 控制中心( h e 务器)企业信息系统( e i s ) 互一囝 帅- - _l - 电子地图数据路况信息采集和传送系统客户验证信息数据库 电子地图解析软件 d 二天柏未；色争+ 图3 3 胖客户端构架方案 依据以上对这种胖客户端构架方案的描述，我们可以推导出这一方案的优缺点，从 而方便我们进行方案的选择。 优点：充分利用终端资源，运行效率快，无须通过网络传输大量数据。 缺点：系统维护性差。 ( 2 ) 中客户端方案 在中客户端方案中，客户端和服务器端都安装部分软件，其中数据需要定期更新的 代码安装在服务器端，而不需经常更新且有较大运算工作量的代码安装在客户端。这一 构架方案有利于缓解服务器端的压力，同时也保证了较好的系统可维护性。 在中客户端构架方案中，客户端( 车载终端) 安装下列软件： 电子地图解析软件；路径搜索算法。以下是中客户端方案的构架图： 车载终端( 客户端)控制中心( 服务器)企业信息系统( e i s ) 互魍屯匣 一一一一 i 电子地图解析软件 路径搜索算法路况信息采集和传送系统喜拿嚣瓣据库 图3 4 中客户端构架方案 依据以上对这种中客户端构架方案的描述，我们可以推导出这一方案的优缺点： 3 方案的提出 优点：系统维护性较好。 缺点：通过网络传输大量数据( 电子地图数据) ，要求较大的网络带宽。 ( 3 ) 瘦客户端方案 在瘦客户端方案中，客户端安装少量软件，大部分工作放在服务器端完成。在瘦客 户端方案中客户端( 车载终端) 只需安装电子地图解析软件。以下是瘦客户端方案的构 架图： 车载终端( 客户端) 控制中心( 服务器)企业信息系统( e i s ) l 磁l l1 雌11 1 囝 i i 电子地图解析软件 路况信息采集和传送系统 路径搜索算法 警 客户验证信息数据库 电子地图数据库 图3 5 瘦客户端构架方案 依据以上对这种瘦客户端构架方案的描述，我们可以推导出这一方案的优缺点： 优点：系统维护性很好。 缺点：服务器端负荷大，对硬件性能要求高。 ( 4 ) 方案的选定 比较上述三种方案优劣，最后本系统决定选用c s 体系结构的中客户端模式。一方 面该模式能达到较好的软件可维护性，当电子地图数据发生变化时只需更新服务器端的 电子地图数据库，而客户端的程序不需做任何更改。这对于大型的分布式系统是尤为重 要的，因为在大型分布式系统中客户往往分布地理范围很广，客户端的软件更新非常困 难，因此我们尽量在客户端安装少量不必经常更新的软件。另一方面，该模式也兼顾了 服务器端的载荷，将路径搜索这一消耗系统资源最大的工作放到每一个客户端去做，而 路径搜索算法一般是不需经常更新的，这样一来即保证整个系统的运行效率，又保证了 软件的可维护性。 西安科技大学硕士学位论文 4 1 系统功能模块图 4 1 1 系统功能模块的划分 4 技术实现 本课题所述车载导航系统由两大部分构成车载终端和控制中心。车载终端包 括以下功能模块：g p s 模块、路径规划算法、电子地图解析和显示设备、无线通信模块、 车载计算机等。各功能模块完成的功能如下： ( 1 ) g p s 模块，采用通用g p s 接收机，接收全球卫星定位信号，定位出当前车辆所 在的绝对位置( 精度、纬度、海拔高度) 。然后将这一位置映射在电子地图上。 ( 2 ) 路径规划算法，通过给定的起始位置和目的位置在地图上搜索出一条最优路径， 并将这一路径随请求一并发送到服务器端。 ( 3 ) 电子地图解析和显示设备，接收从服务器发送过来的电子地图数据，将这一数据 解析出来并显示在车载显示屏上，从而引导驾驶员驾驶。 ( 4 ) 无线通信模块，实现与服务器端的通信，主要功能为：接收从服务器端发送过来 的电子地图数据以及路况信息；发送本地终端搜索出的规划路径至服务器端。 ( 5 ) 车载计算机，执行路径搜索算法以及其他业务逻辑代码，实现车载终端的管理， 协调各功能模块的工作。 控制中心是整个系统的中枢，它通过接收客户端的请求来跟踪每个客户的 状态，并通过实时路况信息采集系统得到的信息发送到相关客户端。控制中一t l , 在客户机 一服务器的体系结构中扮演服务器的角色。其功能组成分以下几个部分：路况信息采集 系统、无线通信模块、城市电子地图数据库、客户信息验证系统、客户信息管理数据库。 ( 1 ) 路况信息采集系统，与交通管理部门的路况信息采集系统相连，通过人工判读路 况信息，并将异常路况信息发布到系统。 ( 2 ) 无线通信模块，实现与各客户端的通信，主要业务功能为：发送电子地图数据到 客户端，接受客户的验证请求，发送异常路况信息到客户端等。 ( 3 ) 城市电子地图数据库，用来存储城市电子地图数据，能实现数据的存储、查找， 定位等功能。其扩展接口能实现地图的表示。 ( 4 ) 客户信息验证系统，用来验证客户信息的有效性，当有请求到达时，验证系统从 客户信息管理数据库中检索符合条件的记录，若能检索到相关记录，则表示客户有效， 此时系统向客户端发送欢迎信息，并将客户的规划路径存入链表中；若没有检索到相应 记录，则表示客户无效，向客户端发送一个错误信息。 4 技术实现 ( 5 ) 客户信息管理数据库，用来存储所有注册的客户信息，以便于客户状态的维护和 客户管理。 4 1 2 客户端和服务器端的功能模块图 根据以上对系统功能模块的划分，我们提出如下系统功能模块图： 4 2 软件构架模块图 图4 1 系统功能模块图 基于以上功能模块图，本节提出了系统的软件模块体系结构。在本课题所描述的系 统中，我们采用客户机服务器体系的三层架构。在本系统中，我们采用前面所介绍 的中客户端模式。在这一模式下，车载终端( 客户端) 安装电子地图解析软件和路径搜 索软件；在控制中心( 服务器端) 安装路况信息采集和传送系统、客户端信息验证系统、 电子地图匹配检索系统和多线程服务程序；同时，控制中心还包括有企业信息系统 ( e i s ) ，而在企业信息系统中包含有客户验证信息数据库和电子地图数据库。系统架构 模块图如图4 2 所示。 车载终端( 客户端)控制中心( 服务器)企业信息系统( e i s ) 地也囝 帅- 一 i l 电子地图解析软件路况信息采集和传送系统 路径搜索算法客户信息验证系统 电子地图匹配检索系统 多线程服务程序 童 客户验证信息数据库 电子地图数据库 图4 2 系统构架模块