（计算机应用技术专业论文）基于webgis的公交车辆监控系统软件设计与实现.pdf

河北工业大学硕士学位论文 i 基于基于 webgis 的公交车辆监控系统软件设计与实现的公交车辆监控系统软件设计与实现 摘摘 要要 随着城市现代化进程的加速发展及人们对交通需求的日益扩大，城市交通问题日益突 出。由于公共交通相对于其他交通方式具有无可比拟的优势，大力发展公共交通，实现数 字化、智能化城市公交管理，努力提高公共交通运营管理效率和提升社会服务水平成为解 决城市交通问题的首要选择。公交车辆监控系统作为智能公交系统的核心部分，在智能公 交系统中占据十分重要的位置。 论文的研究目标是实现一个基于 webgis 的公交车辆监控系统软件， 它利用了 webgis 在提供地理相关服务方面所具有的优势，向公交管理者提供一个集公交车辆远程监控、实 时调度及管理信息化的多功能应用平台。 在对 webgis 技术进行深入研究的基础上，实现了公交车辆监控系统的 gis 平台，能 够很好的完成电子地图的各项基本操作、公交车辆监控及轨迹回放功能，并且相对于传统 的 gis 实现方式，具有开发周期短，开发、部署和维护费用低及较强的实用性和跨平台性 等优点；针对监控界面显示误差的问题，在研究目前存在的地图匹配方法的基础上，提出 改进的地图匹配算法，该算法相对简单且经过验证，可以取得满意的匹配效果；结合调度 员实际操作需要，提出虚拟线路监控方式，并分三步来说明了此种方式的实现步骤。 在对系统所涉及到的关键技术的研究基础上，论文实现了基于 webgis 的公交车辆监 控系统软件部分。目前系统已在国内五个城市的公交公司投入使用，经过现场测试，取得 了预期的效果，深受公交公司好评，取得了良好的经济和社会效益，从而验证了论文所作 研究是有价值的，是具有实用性的。 关键字：关键字：webgis，车辆监控，轨迹回放，地图匹配，虚拟线路 基于 webgis 的公交车辆监控系统设计与实现 ii design and implementation of software for public transport monitoring system based on webgis abstract with the accelerated development of the process of urban modernization and peoples increasing demand for transport, urban transport problems has become increasing prominent, and intelligent transportation system(its) came into being. because public transport has unparalleled advantages compared to other modes of transport, to develop public transport, realize digital and intelligent urban public transport management and strive to improve the public transport operation and management efficiency and social services has become a strategic choice to improve urban transport. the public transport monitoring system, as a core part of advanced public transportation system, occupies a very important position. this study aims to realize a webgis-based public transportation monitoring system software part. it makes use of the advantages of webgis in providing geographic-related services to provide public transport managers a multi-applicaton platform with remote monitoring, scheduling and information management. implementde the gis platform for public transport monitoring system based on the in-depth study of webgis technology. this platform can well realize all kinds of basic operations of electronic map and has advantages such as short development cycle, low development, deployment and maintenance cost, strong practicality and cross-platform compatibility compared to conventional gis mode; aiming at the display error problem of monitoring interface, proposed an improved map-matching algorithm bease on the research to the existing map-matching methods. the new algorithm is relatively simple and can obtain satisfactory matching results after some tests; aiming at the dispatchers practical operational need, proposed virtual-road monitoring mode and illustrated its implementation through three steps. this study finally completed the public transport monitoring systems software based on webgis after the study of the key technologies involved in this system. at present, the system has been used in five domestic cities bus company, obtained expected results after spot tests and been welcome in bus companies. it helps achieve good economic and social benefits and thus verified the studies done in this paper are worthy and practical. key words: webgis, vehicle monitoring, track playback, map-mapching, virtual-road 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公 开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内 容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的 部分或全部内容用于学术活动。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-1 公交车辆监控的研究背景公交车辆监控的研究背景 随着城市规模和经济建设的加速发展， 人们物质文化生活水平的提高和对外交流的日益频繁， 人们 对交通的需求越来越大， 尤其是作为道路交通主要运输工具的汽车数量增加迅速， 这就要求修筑更多的 道路。 但是由于受到修道所占空间和资金等很多条件的制约， 车辆增长速度远远高于道路和其他交通设 施的增长速度。据统计1，世界上各种车辆的增长速度约为道路增长速度的 23 倍。而我国自改革开放 以来，车辆年增长速率高达 21.7%，而道路年平均增长率才达到 1.55%。由此可见，我国车多路少的情 况就更为严重，交通阻塞必然出现。这会导致道路拥挤、事故增多(包括犯罪)、运输效率低下以及环境 污染等问题，给我国的城市交通带来巨大的压力，给社会造成了巨大的经济损失。尽管各相关主管部门 投入了大量的人力、财力和物力，采取了很多方法和手段去解决上述问题，但由于情况千变万化，采取 的方法和手段与当今的先进技术不能有效地结合，往往缺乏系统的、实时的、长期的监控和管理，使得 交通问题和环境问题不能得到有效的根治， 犯罪问题不能得到有效的遏制。 如果不能采取有效的措施来 解决城市交通存在的问题，随着我国经济的发展，现有的堵车、低效、环境污染、事故频繁等问题必然 会进一步恶化。据调查2，美国 39 个主要城市因为交通问题，每年造成的经济损失就高达 410 亿美元， 还造成大量的能源浪费。在世界其他各大城市，尤其是我国的大中型城市，交通问题造成的损失和后果 也相当严重。 并且交通污染已成为城市环境乃至全球大气环境和声环境的主要污染源之一， 也是造成温 室效应的“罪魁祸首”。 为有效改善城市交通状况，缓解城市运输压力，提高交通服务水平，减少能源消耗和对环境的不利 影响，并在打击车辆犯罪活动，处理车辆运行过程中的突发事件时，做到信息灵敏、指挥有利，快速高 效，通过不断地探索和总结经验，近年来各国都开始重视对交通系统管理和控制技术的研究和开发，致 力于计算机技术、通信技术、自动化技术及其他相关高新技术来系统的解决城市交通问题。its（智能 交通系统）由此产生。 its 是将先进的信息技术、定位技术、数据传输技术、自动控制技术、地理信息系统技术以及计算 机网络和信息处理技术等有效地综合运用于整个交通管理体系， 将人、 车、 路三者紧密协调、 和谐统一， 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3。its 通过对有关交通 信息的实时采集、传输和处理，把握当前交通运行状况以及预测未来的交通状况，借助于多种手段和设 备对各种交通情况进行处理。通过有效的信息交流手段，使用户快速获知交通信息，从而将有效地利用 现有交通设施、减少交通负荷和环境污染、保证交通安全、提高运输效率、促进社会经济发展、提高人 民生活质量，并以推动社会信息化及形成新产业而受到各国的重视。 针对目前唐山城市公共交通存在的普遍问题，例如车辆情况不能及时、准确的掌握，因而造成应变 能力差， 工作效率低下，调度指挥只靠经验， 科学性和有效性不强，单位运输成本高，乘客满意度低等， 我们和天津市某公司合作研发了公交 gps 智能调度与运营管理系统。该系统整合全球卫星定位技术、 通用分组无线业务、地理信息技术及 internet 等其他技术，以实现对公交车辆的实时监控、调度指挥和 运营管理。 论文以此项目为基础，深入研究了项目中设计到的一些关键技术。 1-2 公交车辆监控的研究意义公交车辆监控的研究意义 公共交通与其它交通方式相比，具有人均占用道路少、能源消耗低、运输成本低、污染相对较小、 基于 webgis 的公交车辆监控系统设计与实现 2 客运量大，运送效率高等优点5。据有关专家测算： “城市中公共交通的载客量为小汽车的 30 倍，承载 着城市 80%以上的客运量” ； “按单位载客量计，它的公里耗油量、尾汽排放量等指标与小汽车相比， 均优于小汽车 10 倍左右”6。发展公共交通体现构建和谐社会、关爱市民的思路，公交优先也就是市 民优先。 通过优先发展公共交通来解决大中城市普遍存在的交通拥挤、 事故频发和环境污染的问题已经 成为一种共识。 然而单纯增加公交车数量或开辟新的公交线路并不能从根本上解决问题， 反而单纯的数 量增加会加大城市交通的压力。而要达到这一目的，就必须提高公共交通的服务质量，让出行的人真正 感觉到公共交通的方便、省钱、可靠甚至快捷等优点。因此，大力发展公共交通，实现数字化、智能化 城市公交管理，努力提高公共交通运营管理效率和社会服务水平是改善城市交通的战略选择。 公交车辆监控系统作为智能公交系统的主要组成部分， 对我国经济建设和城市的可持续发展具有重 要的理论和现实意义，主要表现在以下几方面： 1) 有利于提高经济效益。 通过对公交车辆的监控定位，有效实施实时调度，可以充分的使用现有的公共交通资源，从而降低 能源消耗，降低运营成本，并且可以减少交通事故及降低交通事故造成的生命财产损失；可以极大的降 低乘客的平均等车时间和乘车时间，方便乘客日常出行，并提高满意度和舒适度。 2) 有利于改善环境。 通过提高乘坐公共交通工具的方便性和舒适性， 引导人们尽量使用公共交通工具， 减少小汽车的使 用量，从而减少有害气体的排放量，减少对环境的污染。 3) 有利于城市建设。 公共交通的便利性， 促进了城市人口的流动， 可以加快城市化进程， 一定程度上也拉动了城市消费， 还可以促进城市的辐射力和影响力。 4) 有利于高新技术发展。 公交车辆监控系统集合应用了大量的先进技术，反过来，也可促进这些先进技术的改革和发展。 1-3 国内外主要研究现状国内外主要研究现状 上世纪 60 年代末，美国公路局（现联邦公路局）提出并研究了电子路径引导系统(electronic route guidance system，简称 ergs)。这是一种用于交通控制和疏导的中央无线路径引导系统，它利用短距 离信标网络作为通信媒介。70 年代，美国又开发出一种自主式路径导航系统，它能够利用航位推算技 术(dead reckoning，简称 dr)和地图匹配技术(map matching，简称 mm)来进行定位。此时的汽车定位 导航与监控系统存在很多缺点，主要是因为传统的定位系统结构复杂，设备昂贵且定位不够精确等，因 而无法得到广泛的推广和应用7-9。到了 90 年代，随着计算机技术和通信技术的飞速发展，车辆定位监 控系统开始进入真正的实用阶段，特别是全球卫星定位系统 gps 的建成和全面使用，使得车辆定位监 控系统的发展菜开始进入高潮10。作为新一代卫星导航和定位系统，gps 不仅由于具有结构简单、设 备价格低廉、 定位精度高及速度快等优点， 还具有良好的抗干扰性和保密性， 并可提供全球性、 全天候、 连续性、实时性三维位置和三维速度导航定位功能。近年来，并且随着各种技术的发展，尤其是 gis 技术的飞速发展，监控管理系统已经演变成集交通基础设施智能化、交通工具智能化、交通管理智能化 概念为一体的智能交通系统 its。 而作为智能交通系统的核心组成部分的智能公交系统正在受到越来越 多的重视。 从上世纪 80 年代开始，很多国家开始研究利用先进的定位技术、数据传输技术及信息处理和显示 技术等来管理公共交通，从而实现公交车辆的实时监控和定位、辅助调度、报表统计及向乘客提供各种 交通信息，以此提高管理水平和服务质量。美国、欧洲及日韩等发达国家和地区都在公共交通上投入了 大量的人力、财力来来研究实施智能公交系统，并且已经取得不错的效果，其成就在国际上处于领导地 位。下面介绍一下几个主要国家，包括我国在智能公交系统方面的研究现状11-13。 河北工业大学硕士学位论文 3 1-3-1 美国的美国的 apts 美国的城市公共交通管理局(umta)已经启动了智能公共交通项目(apts)。该系统用以提高公共交 通的生产效率、可靠性和安全性，从而对潜在乘客产生更大的吸引力。该系统将公共交通管理部门和驾 驶员紧密联系，进行实施监控和调度，提高乘客运输量率，降低运营成本， 提高运营效能， 降低污染等。 该系统在车队管理、车辆定位、调度管理和公交出行信息等方面大力提倡信息化，积极采用高科技，并 取得良好的效果。根据 1998 年美国运输部的联邦公共交通管理局(fta)出版的“apts 发展现状”，美国 的 apts 主要研究基于动态公共交通信息的实时调度理论和实时信息发布理论以及使用先进的电子、 通 讯技术来提高公交效率和服务水平的实施技术。经过现场评测，umta 对 apts 的的评价是： “apts 可以显著提高公交运营服务水平，吸引更多乘客采用公交出行模式，从而带来了减少交通拥挤，空气污 染和能源消耗等一系列社会效益” 。 1-3-2 巴西库里蒂巴市的巴西库里蒂巴市的 metrobus 系统系统 联合国的专家认为， 巴西库里蒂巴市是国际公认的公共交通模范城市， 而世界银行中的交通专家也 认为库里蒂巴的公共交通系统metrobus 系统是世界城市公交系统中最好和最实际的。metrobus 系 统是经过二十多年的不断发展和完善才逐渐形成的独具特色的先进的公共交通系统。 该系统结合公交汽 车方便灵活的特点及先进的信息管理技术，充分体现了公交优先的理念，是一种耗资低、建设期短、速 度快、准时性好的新型高效率公共交通解决方式，并且因其大容量而被称为“路面地铁”。 总体来看，该系统主要包括 7 项核心内容：专有道路、现代化的公交车辆、水平登车、车外售票、 交叉路口处的优先、乘客信息和车队管理系统。该系统具有以下一些优点：容量大、 投资低、灵活性好、 对用户友好、速度快、可靠性和安全性高、无人小、能耗少等。 鉴于库里蒂巴市公共交通系统所取得的成就和其具有的示范性，世界很多大城市，例如纽约、温哥 华和里昂等，都开始效仿库里蒂巴市建立大运量的公共交通系统。 1-3-3 我国的研究现状我国的研究现状 与欧美、日本等国家相比，我国的公共交通事业起步较晚，而且还比较落后。不仅人均拥有公交车 少，而且公交智能化水平还较低。截至 2008 年，每万人(城市人口和城市流动人口)拥有的公交车辆数 将达 10 台，距离发达国家每 800 人拥有一辆公交车的水平还有一定差距。 但是，近几年，由于科学技术的进步和政府开始积极实施公交优先发展策略，对公交投入力度的加 大， 对于引入先进技术等都给予大力的支持， 这些都为我国先进的公共交通系统的实施提供了有利的条 件，我国先进公共交通系统已初现端倪。比如：上海的地铁安装了自动检票系统，可实现乘客的自动计 数，统计客流变化情况。还有一些城市正在着手或已经实施公交“一卡通”，实现公交电子收费。北京、 上海、杭州等几座大城市已在部分公交线路上安装了电子站牌，在公交车上安装了车载 gps 定位设备， 建成了公交车辆跟踪调度系统，实现了对车辆的实时跟踪和定位、公交车与调度室的双向通讯、以及电 子站牌上实时显示下班车位置及到达时间信息等功能。由于上述功能，使得调度过程有据可依，并实现 了计算机辅助管理，节约了劳动力，减轻了劳动负担，同时，提高了车辆运行正步率和服务水平，吸引 了大量客流。 虽然我国的公交行业有了很大的进步，但从整体上看，我国公交的智能化水平，尤其是监控管理部 分，还处于一个较低的层次。多数产品属于重复开发，没有良好的可扩展性及兼容性；软件多采用 c/s 结构开发，不但开发周期长，而且开发、部署和维护的成本也比较高。还存在系统容量不大、覆盖面较 窄，控制软件也跟不上步伐。总之就是，我国的公交智能化水平还有很多发展余地。如何采用 b/s 结构 实现基于 webgis 的智能公交系统中的智能监控部分，实现对公交车辆的有效远程监控和调度， 成为智 能公交系统发展的主要趋势之一，这也是本课题研究的主要内容。 基于 webgis 的公交车辆监控系统设计与实现 4 1-4 论文主要内容及章节安排论文主要内容及章节安排 在唐山等城市的公交 gps 智能调度与运营管理系统研制成功的基础之上，本文围绕如何建立一套 基于 webgis 的公交车辆监控系统，展开了多方面的研究。结合课题的研究内容，本文的主要内容安排 如下： 第一章 绪论。介绍了本课题研究的背景，分析了实现公交监控系统的社会和经济效益，然后对国 内外智能公交系统的研究动态和发展状况进行了讨论， 最后对论文的主要内容和章节安排进行了简单的 介绍。 第二章 公共交通车辆监控研究。首先分析了国内城市公交运营现状和存在问题，然后研究了公交 调度理论，着重对公交车辆监控的实现方法进行了研究，最后分析了公交监控系统的工作原理。 第三章 公交车辆监控系统的总体设计。首先对系统的功能进行了设计，接着对系统的整体架构进 行了分析设计，最后经分析比较 c/s 和 b/s 两种开发模式后，设计了 b/s 模式作为本系统的开发模式。 第四章 公交监控系统软件关键技术研究。本章针对系统软件研发过程中涉及到的一些关键技术及 其在系统中的应用进行了一一分析和研究，这些关键技术包括：webgis、ajax、数据库连接池、地图 匹配算法和虚拟线路技术。 第五章 公交监控软件的实现。首先介绍了本系统软件的开发运行环境及数据资料，然后总结了系 统所实现的众多功能，并辅以图片的形式给出了部分相关功能的介绍。 第六章 全文总结与展望。总结全文内容，对今后进一步研究工作进行了探讨和展望。 河北工业大学硕士学位论文 5 第二章第二章 公共交通车辆监控研究公共交通车辆监控研究 2-1 公交运营现状与存在问题公交运营现状与存在问题 公共交通作为城市交通的重要著称部分， 对解决城市交通问题具有重要的作用， 其运营效率的高低 和运营质量的优劣将直接影响社会经济的发展和人民生活水平质量的高低。因此，优先发展公共交通， 提升公共交通的运营效率和运营质量，吸引更多的乘客选择公共交通作为其出行的优先选择交通方式， 对解决城市交通问题具有重要的意义。 但是就目前情况来看， 我国的公共交通系统并没能充分发挥其应 有的功效。 我国大多数城市的公交公司还是沿袭旧的运营模式，基本上还是采用“定点发车、两头卡点”的手工 作业的调度方式，导致公交车辆的行车速度下降，行车间隔不均衡，时常出现“串车”、“大车隔”现象， 严重影响了公交客运的服务质量。尤其是缺乏现代化通信手段，调度人员无法实时了解运营车辆情况， 难以及时有效地采取调度措施。公交车辆调度处于“看不见，听不着”的现状，具有较大的盲目性和滞后 性14。因此，有必要对传统的运营模式进行改进，以提升公交运营的效率和质量，这对我国城市的可 持续发展具有重要的意义。 2-2 调度理论研究调度理论研究 公交调度是指，为了使车辆运行与客流状况相适应，根据线路拥有的车辆、司乘人员和线路情况， 制定行车计划和排班计划，并且根据实时的客流和道路或天气等状况对行车计划或排班计划作出变更。 简单的说，就是根据各种条件和状况，制定或修改运营计划，使得车辆和其他资源得到充分利用，获得 经济和社会效益的最大化15。 公交调度可以分为两种，一种是行车时刻表的制定，也成为静态调度或原始调度；另外一种便是实 时的修改原始调度，称为实时调度或动态调度。 2-2-1 原始调度原始调度 原始调度是在既定线网布局的基础上， 根据企业的运输生产计划要求和基本客流变化规律编制的生 产作用性质的计划。它具体规定了企业各基层运输生产单位和车组在计划期内完成的一系列工作指标， 从而为线路运营管理提供依据，并为乘客乘车创造良好条件。 虽然行车时刻表是公交日常运营最根本的依据， 是经过一次全局最优化处理后得到的最优或接近最 优解， 但其制定主要依据的是以往的客流规律和正常的道路情况， 无法反应和适应车辆运行的复杂多变 的环境，包括客流的随机性和道路事故施工等情况，如果仍然死板的依照行车时刻表来执行计划，将失 去最优化的意义，带来的后果是运营效率和质量及乘客满意度的下降。因此，有必要根据实时的情况， 对原有行车计划作出合理的调整，这就是实时调度。 2-2-2 实时调度实时调度 实时调度是根据掌握的实时的交通相关信息，包括客流状况、车辆状况、天气状况、交通环境等因 素，根据需要对原始调度制定的行车时刻表进行调整和变更，甚至是紧急制定新的行车时刻表，以尽量 适应各种情况的变化。 常见的实时调度措施有：派维护人员赶往事故点维修车辆，调整中途停站次数，调整车辆行驶区段 （区间车） 、调整行车间隔、改变行驶路线、调整四级排班、调整行车顺序、临时制定新的行车计划等。 基于 webgis 的公交车辆监控系统设计与实现 6 在实时调度中，需要针对不同的异常情况，做出不同的调度措施。常见的异常情况有如下这些： 1) 车辆故障(包括事故、报警灯状况) 2) 道路严重阻塞 3) 车辆脱线 4) 车辆早晚点情况 5) 车行过快过慢 6) 车辆在线路上不均匀 7) 客流突变 8) 其他一些情况 目前的公交实时调度中，由于调度员只能通过原始的手段（司机回场后报告）来获取线路和线路上 车辆的状况，不但不及时，还可能不准确，因此调度员在进行实时调度时没有有力的依据，称为“瞎子 调度”，严重影响了实时调度的科学性和高效性，造成运能下降，乘客不满意等。 因此，利用各项相关先进技术来来实现对公交车辆的监控，直接的是有利于实施动态调度，更重要 的是具有重要的社会和经济意义。 2-3 公交车辆监控研究公交车辆监控研究 2-3-1 公交车辆监控目标公交车辆监控目标 公交监控的总体目标是：有效的对公交车辆进行实时监控和调度指挥，从而加强运营管理，提高运 能使用效率，降低运输成本，增强企业的竞争能力。 结合公交运营特点，公交监控应该实现以下的具体目标： 1) 可以及时地、准确地了解公交车辆的当前位置和状态等各种信息； 2) 通过对公交车辆的实时定位监控， 结合公交车辆的运营特点， 动态地对公交车辆进行管理和调 度，可以有效地减少空载和运能不足的情况，避免交通阻塞， 节约时间，提高运输效率，降低能源消耗， 从而降低运营成本，提高公司运营效益； 3) 当公交车辆发生故障或意外时， 可以及时地调度车辆和人员实施维修和接驳运输， 从而高公交 运输系统的机动性，提高乘客的满意度； 4) 当公交车辆发生被抢被盗及火灾等恶性事故时， 可以及时手动报警或自动报警， 以提高公交运 输系统的安全性，尽量减小经济损失和人员伤亡； 5) 实现对公交车辆运营的监控和考核，包括是否超速驾驶、是否按照计划路线行驶、是否准班准 点等，并可以通过事后的轨迹回放功能，进行事后抽查或调查； 6) 通过采集公交车辆执行运营计划的相关数据，为运营计划优化和运营路线优化提供基础数据。 综上所述，实现公交监控，可以提高公交车辆运营的安全性、可靠性，改善服务质量，提高运输管 理水平， 还可以引导人们使用公共交通工具从而间接地减少交通工具对环境的污染及提高道路网的通行 能力，对社会和经济建设都具有重要意义，有着巨大的社会和市场应用价值。 2-3-2 公交车辆监控实现研究公交车辆监控实现研究 如图 2。1 所示，实现对公交车辆的监控，需要依次经过“获取定位信息”、“传输定位信息”和“显示 定位信息”三个步骤。下面对这三个步骤的实现分别作深入的研究。 图 2.1 公交车辆监控实现步骤 fig.2.1 implementation steps of public transport vehicle monitoring 获得定位信息 传输定位信息 显示定位信息 河北工业大学硕士学位论文 7 2-3-2-1 获得定位信息获得定位信息 最古老、 最简单的定位方法称为星历导航， 通过观察天空星星位置的变化来确定自己的位置和方向； 而我国也很早就发明了指南针来辨识方向；1761 年，航海表的问世后，使得 20 世纪前，人们几乎一直 依靠综合利用星历知识、指南针和航海表来进行定位和导航。 进入 20 世纪后，随着科学技术的发展和各种探险活动的日益频繁，人们对定位技术的需求越来越 广泛，而且要求也越来越高了。地基电子导航系统的问世，具有划时代的意义，标志着人类进入了电子 导航时代。 该系统主要由在世界各地建立的无线电发射参考站组成。 接收机通过接收发射参考站发送的 无线电信号，然后计算自己距离发射参考站的距离来确定自己的位置。第二次世界大战中，该技术就被 使用，战后更是得到快速发展。然而，地基电子导航系统的无线电发射参考站都是建立在地球表面，因 此只能确定海平面和地平面上移动物体的水平位置， 即只能进行二维定位。 这一缺陷使得该系统不能用 于空间移动物体，例如飞机、导弹等。因此，人们的思维由地球表面扩展到了宇宙空间。 1957 年，随着第一颗人造卫星的成功发射，天基（卫星）电子导航系统应运产生。 1964 年，美国海军武器实验室研制出海军导航卫星系统，也称子午卫星系统。事实证明，海军导 航卫星系统具有精度均匀、不受天气和时间限制等优点，只要能观测到子午卫星，就可以在地球表面的 任何地方进行单点定位或连测定位。 子午卫星导航系统虽然较以前的导航系统具有很多优势， 但是也存 在严重的缺点：由于组成系统的卫星数目少，不能进行实时定位；卫星运行轨道低，不能精确定规；卫 星发射的信号频率低，不能有效补偿电离层效应的影响。因此，此系统定位速度特别慢（大概需要 1 到 2 天的观测时间） ，并且定位精度低，不能满足军事需求和高精度定位用户的要求。 后来，美国海陆空三军联合研制出第二代卫星导航系统，即我们熟知的全球卫星定位系统 gps。 gps 具有以下特点16： 1) 全球地面连续覆盖。gps 由 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星组成，且分布合理，地球上任意一 点同时最少可以接受 4 颗卫星信号，因此可以全球、全天候连续的三维定位。 2) 功能多，精度高。gps 不但可以提供空间位置，还可以提供三维速度和时间信息。在美国政 府取消 sa 政策后，单点定位精度最好可以达到 20 米，而速度精度可以达到 0.3 米/秒。 3) 实时定位。可以实时的确定运动物体的三位位置和三维速度。 另外一个比较优秀的定位系统是 glonass（全球轨道卫星定位系统） ，它由前苏联研制，并由俄 罗斯继续发展。glonass 在系统组成、定位原理和系统功能等方面与 gps 很相似，主要的区别在于 信号分割体制的不同。由于 gps 系统伪码速率比 glonass 伪码速率高一倍，分辨率也高一倍，因此 从理论上讲 gps 定位精度比 glonass 也要高。并且，glonass 信号的接受技术比较复杂，开发接 收机难度相应就大，因此生产 glonass 接受机的厂家很少，造成 glonass 市场占有率低，技术支 持也不成熟，因此没有 gps 使用广泛。 随着全球定位系统 gps 的发展和普及，有关 gps 应用的研究得到了前所未有的繁荣发展，这为获 得车辆定位信息提供了强有力的技术支持。可以通过在公交车辆上安装 gps 接收机，来实时的获得其 定位等信息。 2-3-2-2 传输定位信息传输定位信息 获得车辆的定位信息后，要将这些信息发送到相应服务器。在车车辆监控系统中，经常用到的信息 船速传输方式有：常规通信、集群通信、蜂窝通信、广播无线通信和卫星无线通信17。 1) 常规通信。建立一个管理中心，n 个用户公用一个或多个信道，各用户仅能利用自己的信道进 行传输。基于常规通信的车辆监控系统因为受到信道波段、管理中心天线高度和发射功率等限制，作用 范围很有限。 2) 集群通信。集群通信是专用调度通信系统，主要特点是“频率共用”，即系统内所有用户公用一 组频率，用户每次建立通话前必须先向调度台提出申请，然后调度台搜索空闲信道分配给该用户。 3) 蜂窝通信。由于常规通信和集群通信都是由某一部门单独建立和使用，属于专用通信网，所以 基于 webgis 的公交车辆监控系统设计与实现 8 一般只能在特定地区或特定部门内使用，覆盖范围很小，严重限制了车辆可监控地域范围，并且容量较 小，在有些专业频率比较拥挤的地区，已没有多余的频率去建设新网。而蜂窝通信利用频率复用技术， 充分利用频率资源。而且蜂窝通信网络由国家的电信部门来建立和维护，几乎可以覆盖中国全部地区。 4) 广播无线通信。此种通信方式适用于只需单向传输数据的场合。 5) 卫星无线通信。 采用卫星通信作为车辆监控的数据传输方式， 非常适用于需要覆盖全国乃至全 球的车辆监控系统。因此对于只需覆盖一个城市的公交监控系统来说，如果采用卫星无线通信方式，一 则车载终端价格昂贵，二是通信费用也较高，并且实时性也不高。 随着蜂窝无线通讯技术的发展，尤其是 gsm 和 gprs，在近年来得到较快的发展，并且深入到生 活和工作的各个方面， 越来越多的系统中也应用到了无线通信技术。 这为公交监控中的定位信息的传输 提供了技术支持。可以在公交车辆上安装蜂窝无线通信模块来负责公交车辆和调度中心之间的信息传 输。 2-3-2-3 显示定位信息显示定位信息 当服务器接收到定位信息后，应该将定位信息显示给用户。可以以列表的形式，直接列出各个被监 控公交车辆的车号、经度、纬度、速度、方向、状态等信息，但是这种显示方式对于用户来说，并没有 太大的意义， 因为用户仅凭经度和纬度， 无法知道车辆在城市中哪条道路上、 哪个重要的单位 （或建筑） 旁行驶，经纬度对用户来说只是两个数字。因此，根据车辆的经纬度，将其与地图比较，在地图上标出 车辆的位置，从而形象的显示车辆的定位信息，这才是实用的，有效的监控。这时候，电子地图就是公 交监控的必须构成元素了。 电子地图中的数据可分为空间数据类型和非空间数据类型。 空间数据类型用来表示物体的位置、 形 态、大小和分布等几何特征；非空间数据是空间数据的属性描述，反应了空间对象的本质特征。 gis（地理信息系统）是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，对空间数据 采集、存储、管理、分析、显示和描述的一种技术系统。gis 以空间对象及其属性数据为处理和 管理的对象。简单的说，gis 就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。 目前，已经有多家公司推出了自己的 gis 平台，例如国外的 mapinfo、arcgis 在国内外都是主流 的 gis 平台，而国内的 supermap、topmap 等在国内也有不少用户。gis 平台的成熟，为显示定位信息 提供了支持。可以将 gis 应用到车辆监控，以提供形象的监控界面。 2-3-3 公交监控工作原理公交监控工作原理 我们可以利用日益发达的计算机技术，以 its 为基础，将 gps(全球定位系统)、gprs(通用分组无 线业务)、gis(地理信息技术)和计算机网络技术等高技术结合起来共同构建高效率、高质量的公交车辆 监控系统。 公交监控作为 apts 的重要组成部分， 目前正成为世界各国研究的热点。 它是在充分利用地理信息 系统(gis)、卫星定位系统(gps)和无线数据通信等相关技术的基础上，开发的用以对公交车辆目标进行 实时监控的系统。该系统将车辆、驾驶员、调度员、道路及其相关的其他部门相互结合起来，以降低运 营成本、 提高运输效率和乘客满意度， 降低能源消耗和对环境的污染， 促使对现有的交通资源充分利用。 具体而言，将车载 gps 接收机采集到的各种车辆运行信息，如 gps 定位数据，速度、方向以及道路交 通状况及各种报警信息等通过无线数据通信网络传输到相应服务器， 经过处理后， 将车辆的位置显示在 客户端的电子地图上，并且当有报警信息时，以醒目方式显示在客户端18。调度员通过电子地图对车 辆的状态进行监控，并根据实际情况做出调度计划的动态变更，根据需要向车辆（或驾驶员）发送诸如 返回、减速、越站等各种调度指令。如果某车有火警或匪警等报警信息，将以语音提示并以某种醒目方 式将报警车辆显示在电子地图上，以便于调度员可以迅速向有关部门报警以最大程度减小生命财产损 失。 河北工业大学硕士学位论文 9 2-4 本章小结本章小结 本章首先从整体上分析了我国城市公交运营现状和存在问题， 然后研究了公交调度理论， 并着重对 动态调度及存在问题进行分析，接着对公交车辆监控的目标、公交监控的实现方法做了系统的研究，最 后分析了公交车辆监控的工作原理。 基于 webgis 的公交车辆监控系统设计与实现 10 第三章第三章 公交车辆监控系统总体设计公交车辆监控系统总体设计 3-1 系统功能设计系统功能设计 论文的研究目标是构建一个基于 webgis 的具有较好的通用性和扩展性的公交车辆监控系统。结合 公交实际运营情况和需求分析，现对本系统的功能进行如下设计，如图 3.1 所示： 1）基础信息管理功能：基本信息是系统运行的基础，系统可以对基础信息数据进行管理和维护， 包括信息的添加、查询、修改及删除。管理的内容包括公交总公司、公交分公司、线路、站点、场站、 车辆、员工等基本信息。 2）报表统计管理：管理的报表主要有车辆排班报表、司机运营统计报表、车辆行驶统计报表、运 营趟次日统计报表、司机签到报表等公交运营管理中涉及到的各种报表。 3）调度计划管理：包括车辆排班管理、特殊计划管理、线路节假日休班管理等。 4）电子地图功能：合法用户可以实现对地图进行多级放大、缩小、漫游、图层控制、恢复原始状 态以及鹰眼等操作，还可以测量地图上任意两点间或多点间距离之和及查询地图相关信息等功能。 5）实时监控功能：系统实时接受车辆发来的经纬度等定位相关信息，并且可以在同一屏幕的电子 地图（此地图可以是实际的真实地图，也可以是用两条平行线表示线路上下行的虚拟线路的电子地图） 上显示一辆或多辆车辆的位置、 方向、 速度等信息， 从而实现对车辆的实时监控。 当车辆有异常状态时， 例如脱线、遇到紧急情况时，也会向服务器发送信息，系统会以不同颜色来显示其位置。监控者可以及 时的通过在地图上单击车辆向驾驶员发送某指令（调度功能）或者向有关部门报警（处警功能） 。 6）历史轨迹回放：对于监控得到的历史数据，系统都进行了保存处理。在需要时可以打开历史轨 迹回放功能，选择回放时间段和回放车辆号(或线路号)，并选择回放的速度，然后相应的轨迹便可显示 在地图上，并且以不同的颜色标绘出其当时所处状态。 7）系统管理：包括权限角色管理、系统使用用户的管理、密码维护，及用户权限管理。系统赋予 不同使用用户不同的权限角色，用户进入系统界面后，只能看到其同级别或以下级别的各种信息，而无 法看到比他级别高的用户信息。 同时， 系统会根据用户的不同权限控制其对系统的各应用功能的访问和 数据操作。 图 3.1 系统功能 fig.3.1 system functions 基于 webgis 的公交监控系统 基 础 信 息 管 理 报 表 统 计 管 理 调 度 计 划 管 理 电 子 地 图 操 作 实 时 车 辆 监 控 历 史 轨 迹 回 放 系 统 管 理 河北工业大学硕士学位论文 11 3-2 系统架构设计系统架构设计 公交车辆监控系统集合了全球卫星定位技术、无线通信技术、地理信息系统技术及 internet 等先进 技术，该系统主要由车载终端、无线通信网络和监控服务中心等三部分组成，这三大部分是相对独立而 又相互联系的三部分19-20。系统总体架构如图 3.2 所示。 图 3.2 公交车辆监控系统总体架构 fig.3.2 overall structure of public transport vehicle monitoring 3-2-1 车载终端车载终端 车载终端是建立实时准确、 高效的公交车辆监控系统的硬件基础。 车载终端的最主要的功能包括实 时的获取车辆的位置等定位信息； 将所需信息发送到监控中心的指定服务器； 从服务器获得相关指令信 息；在车辆出现异常情况时方便驾驶员向相关部门报警；还可以自动报站和温馨提示等。 车载终端中最主要的设备包括 gps 定位模块和无线通信模块： 1） gps 定位模块 定位模块是活的车辆经纬度等定位信息的来源，它主要有 gps 接收机构成。gps 接收机通过天线 接收卫星信号，当捕获到大于等于 4 颗卫星的信号时，就能教准确的计算出车辆的经纬度、速度、方向 等定位信息。 2）无线通信模块 通信模块主要负责车辆（包括驾驶员）与监控中心之间的数据传输，主要由 gprs 通讯器组成。车 辆的定位信息等通过该模块传送到监控服务中心的数据库服务器上， 而监控中心发出的应答和控制信息 也是通过该模块接收的。所以，gprs 通讯器能使得车辆与监控中心时刻保持“联系”，而后期系统使用 开销也主要体现在向移动公司支付的 gprs 流量费上。 3-2-2 无线通信网络无线通信网络 通信网络作为公交车辆与监控中心之间进行信息交换的枢纽，是公交车辆监控系统的重要组成部 分。 由于车辆具有移动性， 所以无线通信网络是必然选择。 目前监控系统中常用的无线通信方式主要有： 无线电台、gsm 网络、gprs 网络、卫星通讯等方式。综合通讯质量、覆盖范围、抗干扰性和通信费 基于 webgis 的公交车辆监控系统设计与实现 12 用等诸多方面因素的考虑，我们选择了 gprs(通用无线分组业务)作为本系统中的无线通信网络。 gprs 有时也被称为“2.5g”，也就是说该技术是介于第二代和第三代通信技术之间的技术。它是一 种以 gsm(全球移动通讯系统)为基础的数据传输技术，可以说是对 gsm 的延续和发展。gprs 突破了 gsm 只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有移动基站系统进行部分改造 和升级，来实现高效的分组数据交换。 gprs 克服了电路交换速率低、资源利