（电路与系统专业论文）基于ITS的APTS的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：奎叠型日期：递主：生泣 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：金型导师签名： 1 _ 、一1 日期：兰竺圭生! 型。 捅要 据有关资料，我国在未来的十年内，随着小城镇建设的发展，城市化水平将接近 5 0 。城市化进程的加快，必将造成城市居民出行量的逐年递增，预计到2 0 1 4 年城市 居民的交通总量将达2 5 0 0 亿人次。然而，由于多种原因致使公交车辆运营速度由每小 时1 2 1 4 公里下降至每小时4 1 0 公里，新增的运输能力被运输效率下降所抵消，公 交承担的客运量不断减退，居民出行方式逐年由公交向自行车等个体交通方式转移， 这无疑加剧了交通需求的不断增加与公共交通发展相对滞后的矛盾，这也成为摆在我 们面前的一项急需解决的问题。优先发展城市公共交通，改善公交服务水平，吸引更 多乘客选择公交出行无疑是解决这一矛盾的首选途径 3 7 。 本论文根据国外i t s 特别是a p t s 的发展情况，结合我国城市公共交通的现状，利 用现有的g p s 技术、无线通信技术、6 i s 技术、电子技术、计算机网络技术、数据库技 术等一系列逐渐成熟的技术，初步构建了智能公共交通系统( a p t s ) 的基本框架，该 系统能够采用全球卫星定位系统( g p s ) 进行车辆定位，结合公交出行调查，以地理信 息系统( g i s ) 为操作平台，在对公交线网布局、线路配置、站点布置、发车间隔确定、 票价的制定等方面进行优化和设计的基础上，方便了公交车辆的调度和指挥，保证车 辆的准点运行，并使出行者能够通过方便的查询获得最佳出行路线，在出行中动态了 解交通信息，使出行更加方便而快捷，提高了公交系统的智能性。 通过建立智能公共交通系统，可以在很大程度上方便乘客出行，从而吸引更多出 行者选择公交的出行方式，极大地缓解交通压力的同时也提高了整个公共交通系统的 社会效益、经济效益和服务水平。公交系统的智能化也是我国整个交通系统智能化的 重要组成部分，是建设我国智能交通系统( i t s ) 的出发点和突破口。 作者在构建智能公交系统的过程中，对g p s 定位系统误差的处理、道路匹配、无 线数据传输、公交换乘等智能公共交通系统中的关键技术作了探索性的研究，并结合 国内外的现有技术，提出了自己的解决方案。通过在数十条公交线路上实际运行证明， 本系统达到了设计要求，大大提高了城市公共交通系统的服务质量，对我国i t s 的发 展有一定的促进作用。 目前本论文的工作只是初步构建了我国智能公交系统的基本框架，对其中必需的 一些基本技术进行了探讨，还有很多方面需要进一步的完善。随着电子技术、通信技 术等各项技术的发展，系统中也还有很多可以改进的地方，这是今后工作努力的方向。 关键词i t s a p t s6 p sg p r sg i s 公交换乘 第1页 出奎丕堂堡主芏丝丝塞 a b s t r a c t a c c o r d i n gt or e l a t e di n f o r m a t i o n ， b en e a r l y5 0 w i t ht h ed e v e l o p m e n t t h eu r b a n i z a t i o nl e v e lo fo u rc o u n t r yw i l l o fs m a l lt o w nc o n s t r u c t i o ni nt h ec o m i n g t e ny e a r s a 1 0 n gw i t ht h ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o no fo u rc o u n t r y ，r e s l d e n t t r i p a m o u n tw i l li n c r e a s e y e a rb yy e a r t h e2 0 1 4 一y e a r 7 s t r i p a m o u n tl s e s t i m a t e dt ob e2 5 0b i l l i o np e r s o n t i m e s h o w e v e r ，t h ev e h i c l es p e e dd e c r e a s e d f r o m1 2 1 4k m ht o4 i 0k m hf o ral o to fr e a s o n s t h ea d d e dt r a n s p o r t a t l o n c a p a b i l i t yi sc a n c e l e do u tb yt h ed e c r e a s eo ft r a f f i ce f f i c i e n c ya n dt h et r i p m o d ew i l lc h a n g ef r o mp u b l i ct r a n s p o r tm o d et op r i v a t et r a n s p o r tm o d e ，w h i c h w i l l c e r t a i n l ym a k e w o r s et h ec o n f l i c tb e t w e e nt h ei n c r e a s e o f t r a n s p o r t r e q u i r e m e n ta n dt h es l o wd e v e l o p m e n to fp u b l i ct r a n s p o r t a d o p tt h ep o l i c yo f “b u sp r i o r i t y ”i m p r o v et h es e r v i c eq u a l i t yo fp u b l i ct r a n s p o r t ，i n c r e a s e t h ep r o p o r t i o no ft h et r i pb yp u b li ct r a n s p o r ti so n eo ft h eb e s ts o l u t i o nt o t h i sc o n f l i c t t h i sp a p e rb u i i d st h ef r a m e w o r ko fa p t s ( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m ) a c c o r d i n g t ot h ed e v e l o p m e n to fi t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ) a n do u r c o u n t r y sp u b l i ct r a n s p o r ts i t u a t i o n al o to ft e c h n o l o g y 1 sb e i n gu s e di n t h i ss y s t e m 。s u c ha sg p st e c h n o l o g y ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，g i s t e c h n o l o g y ，e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dd a t a b a s e t e c h n o l o g y b a s e do ng i so p e r a t i n gs y s t e m ，g p sd a t ac o l l e c t i n gs y s t e ma n dt h e r e s u l to fp u b l i ct r a n s p o r tt r i ps u r v e y ，ac o m p l e t es e to fs c h e m ei sa d v o c a t e d t h iss y s t e mh a sb e e no p ti m iz e di nm a n ya s p e c t ss u c ha sp u b l i ct r a n s p o r tn e t w o r k d i s t r i b u t i o n ，t r i pm o d ec o n f i g u r a t i o n ，y a r da n ds t a t i o na r r a n g e m e n t ，d e p a r t u r e i n t e r v a l ，f a r ep o l i c y t h es y s t e mc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c y o f p u b l i ct r a n s p o r t s c h e d u l i n ga n de n s u r et h ev e h i c l ew i l lr u no nt i m e p a s s e n g e r s w i l lb ea b l e t og e tt h et r i p1 i n ei n f o r m a t i o na n dt r a f f i ci n f o r m a t i o nd y n a m i c a l l y w i t ht h ee s t a b l i s h m e n to fa p t s t h ep r o p o r t i o no ft h et r i pb yp u b l i ct r a n s p o r t w i l lb ei n c r e a s e d t h ee c o n o m i cb e n e f i t 。s o c i a lb e n e f i ta n dt h es e r v i c eq u a l i t y o ft h ep u b l i ct r a n s p o r tw i l lb ei m p r o v e d a p t si sa l s oo n eo ft h ei m p o r t a n t p a r to ft h eo u rc o u n t r y si t s t h ek e yt e c h n o l o g ys u c ha sg p se r r o rh a n d l i n g t e c h n o l o g y ，m a pm a t c h i n gt e c h n o l o g y ，p u b l i ct r a n s p o r ti n t e r c h a n g et e c h n o l o g y i sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h es o l u t i o n i sa l s og i y e nb a s e do nc u r r e n t t e c h n o l o g y t h ep r a c t i c a lr u n n i n gi nt e n so fb u s1 i n e sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e m m e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n ta n dt h es e r v i c eq u a l i t yo fp u b l i ct r a n s p o r ti s g r e a t l yi m p r o v e dt o o t h i sw i i l p r o m o t eo u rc o u n t r y s i t sd e v e l o p m e n t h o w e v e r ，t h i ss y s t e mc a ns t i l lb eo p t i m i z e ds i n c eo n l yt h eb a s i cf r a m e w o r k i sb u i l ti ni t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g ys u c ha se l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h es y s t e mi sa l s o n e e dt ob ei m p r o v e d t h a t sw h a tw ew i l ld oi nt h ef u t u r e k e y w o r d si t s ，a p t s ，g p s ，g p r s ，g i s ，p u b l i ct r a n s p o r ti n t e r c h a n g e 第2 页 第一章绪论 1 1 、l t s 技术的发展 1 1 1 、概述 i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，智能交通系统) 最初是在以监控为主体的 交通工程基础上发展起来的，开始只进行道路和车辆智能化的研究，而现在已经扩展 到交通运输的全部过程及其有关部门，因此在欧洲又称之为道路交通信息系统。目前 其研究范围已逐渐涉及到铁路、水运及航空等各种交通方式，旨在形成一整套为用户 及交通管理部门提供道路交通信息的新型交通系统 3 8 。智能交通系统作为一种崭新 的技术手段和管理思维已成为世界各国目前普遍关注并大力开发的热点领域。智能交 通系统代表了世界科技发展的最高水平，是全面治理、解决交通运输问题的顶端技术， 它第一次真正实现了人、车、路的有机结合和协调发展，从而充分体现了经济、社会、 生态效益的最大化和交通发展的可持续性。 目前，世界上对智能交通系统尚没有统一的定义，其大体的含义是将先进的计算 机处理技术、信息技术、数据通信传输技术及电子自动控制技术等有效地综合运用于 整个交通管理体系，将人、路、车有机结合起来，以达到最佳的和谐统一，从而建立 起的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的交通运输综合管理系统。 i t s 可以为交通管理部门和人员及时、准确地提供交通信息，从而使交通管理控制 系统有效地适应各种交通状况，运用多种控制系统，在相对宏观的高度合理疏导或调 配运输能力，从而最大效能地发挥交通管理系统在交通监视、交通控制、出入控制、 救援管理等方面的准确性和调控性。i t s 也可以为管理者和出行者随时提供各种交通信 息，帮助道路使用者合理选择行车路线，避开交通拥挤，减少交通事故，从而极大增 强了路网系统的有效使用潜力和通行能力，提高了整个交通系统的机动性、便利性、 安全性和舒适性，整个交通系统的运输效率和经济效益随之增加。由交通量增长引致 的空气、噪声污染已越来越被人们广泛重视，i t s 通过道路使用者与交通管理部门之间、 交通管理部门相互之间、道路使用者相互之间及时地交换信息，增强了道路使用者的 道路选择能力，使路网交通流畅，既节约了燃料，也降低了对环境的负面影响。 1 1 2 、国内外i t s 技术的发展现状 i t s 的研究始于上世纪7 0 年代，由于信息处理技术的不成熟曾一度陷入低谷。上 世纪8 0 年代中期以后，随着信息处理技术的发展，咀美、日和欧洲为中心i 出现了很 多庞大的连续性开发计划。e l 本自8 0 年代开始实施r a c s ( 道路与车辆间通信系统) 和 第3 页 山东大学硕士学位论文 单纯依靠修建道路设施和采用传统的管理方式来解决交通问题，不仅是成本昂贵，而 且其缓解交通拥挤、减少交通事故、控制交通污染的效果也是十分有限的。现代电子、 通讯和计算机技术的进步为我们解决我国的交通问题提供了新的思路，我们越来越清 晰地认识到，我们不仅仅应该修建更多的交通基础设施，而且应该十分重视采用先进 技术使人们的出行过程信息化，提高交通的机动性、安全性和道路的通行能力。这样， 不仅可以大大节约解决交通问题的投资，最大限度地发挥已有道路系统的交通效率， 降低交通因素对环境的影响。因此总结发达国家交通发展的经验教训，尽早建立适合 我国国情的i t s 体系结构并付诸于实施，是当前i t s 研究人员的主要任务。当前面临 的主要开发内容有： 先进的交通管制系统：车辆图像识别自适应信号控制系统；基于减少能耗和污染 的交通信号优化控制系统；公交优先信号控制系统。 先进的交通信息服务系统：交通信息双方传送技术：动态路径诱导系统。 先进的公路交通系统：不停车收费系统；事故紧急救援系统。 先进的车辆控制系统：行车安全报警系统：行车自动控制系统。 先进的物流交通系统：物流信息调度管理系统；物流最佳集配系统。 先进的公共交通系统：公共交通车辆自动调度系统；无接触式自动检票系统；出 行换乘路线查询系统；公共交通行驶信息引导系统。这也是本论文的主要研究内容。 1 2 、基于i t s 的智能公交系统( a p t s ) 1 2 1 、智能公共交通系统概况 美国、日本、加拿大、英国、法国、韩国等国家都投入了较大的人力和物力从事 智能公共交通系统的研究，在国际上处于领先地位，并已取得了显著的成果。自八十 年代以来，许多国家公共交通部门开始应用先进的信息与通信技术进行公交车辆定位、 车辆监控、自动驾驶、计算机辅助调度及提供各种公共交通信息以提高公交服务水平。 美国城市公共交通管理局( u m t a ) 已经启动了智能公共交通系统项目“a d v a n c e d p u b l i c t r a n s d o r t a t i o ns y s t e m s ( a p t s ) ”。经过现场试验，u m t a 关于a p t s 的评价是：“a p t s 可以显著提高公共交通服务水平，吸引更多乘客采用公交和合伙乘车的出行模式，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”。根据1 9 9 8 年美国 运输部的联邦公共交通管理局( f t a ) 出版的“a p t s 发展现状”，美国的a p t s 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、 通讯技术提高公交效率和服务水平的实施技术。具体包括车队管理、出行者信息、电 第5 页 山东大学硕士学位论文 子收费和交通需求管理等几方面的研究。其中车队管理主要研究通信系统、地理信息 系统、自动车辆定位系统、自动乘客计数、公交运营软件和交通信号优先。出行者信 息主要研究出行前、在途信息服务系统和多种出行方式接驳信息服务系统。日本城市 公共交通智能化的发展经历了3 个阶段：7 0 年代末开始应用公共汽车定位系统即公共 汽车接近显示系统；8 0 年代初开始应用公共交通运行管理系统，其中包括乘客自动统 计，运行监视和运行控制：进入9 0 年代，由于机动车数量的增长和严重交通拥挤的影 响，要保持正常的行车速度是十分困难的，由此引起的公共交通的不便性和不可靠性 导致乘客数量的急剧减少。东京交通局开发了城市公共交通综合运输控制系统( c t c s ) ， 旨在改进公共汽车服务，重新赢得乘客。在c t c s 中，公共交通运营管理系统是一个基 本的框架，其目的是通过掌握运行情况以及乘客数据实现精确平稳的公共交通运营服 务。它将运营中的公共汽车和控制室之间建立信息交换，并利用诱导和双向通讯的方 法，将服务信息提供给公共汽车运营人员和驾驶人员，同时这些信息也通过迸站汽车 指示系统和公交与铁路接驳信息系统提供给乘客。公共交通综合管理系统包括累积运 营数据、乘客计数、监视和控制公共汽车运营和乘客服务等功能，其中乘客服务功能 中包括进站汽车指示、信息查询和公共交通与铁路接驳信息提示。公共交通综合管理 系统的硬件包括公交主控中心、区域中心以及路边、车库和车载设备等。 欧洲许多国家同中国一样具有悠久的历史，城市街道一般都比较狭窄。但是，他 们通过实施公交优先政策，设立公交专用道，为公交车辆提供优先通行信号，布设智 能公交监控与调度系统等措旎，提高公交车辆运行速度和公交服务质量以吸引公众乘 坐公交车出行，从而有效地缓解了城市交通压力，解决了城市交通问题，并取得了明 显的社会经济效益，这些经验值得中国许多大中城市借鉴。 与欧美国家相比，我国的公共交通事业发展还比较落后。截至2 0 0 0 年，我国城市 公交客车的总保有量为2 3 万辆，比1 9 9 7 年增长6 7 万辆，每千人拥有公交车o 7 辆， 距离发达国家每8 0 0 人拥有辆公交车的水平还有一定差距，而且公交智能化水平还 较低，绝大部分是沿袭旧的运营体制。但是，近几年，由于科学技术的进步和政府对 公交投入力度的加大，我国智能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 实施公交“一卡通”，实现公交电子收费。杭州、上海、北京、大连等几座大城市已在 部分公交线路上建成了公交车辆跟踪调度系统，并安装了电子站牌，车载g p s 定位设 备，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信、以及电子站牌上 第6 页 山东大学硕士学位论文 实时显示下班车位置信息等功能。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，节约了劳动力的同时，提高了车辆运行正步率和服务水平，吸引了 大量客流。这些系统使用使中国迈入了公交智能化时代。 1 2 2 、智能公共交通系统的构成 智能公共交通系统是在对公交系统优化的基础上，运用系统工程理论将交通流诱 导技术、g p s 定位技术、g i s 及地图匹配技术、公交运营优化与评价技术、计算机网络 技术、数据库技术、通信技术、电子技术、智能卡技术等先进技术科学集成，形成集 智能化调度、公交电子收费、信息服务、网络通信于一体的先进的公共交通管理系统。 智能公共交通系统可以具体描述为：采用全球卫星定位系统( g p s ) 进行数据采集，结 合公交出行调查，以地理信息系统( g i s ) 为操作平台，在对公交线网布局、线路公交 方式配置、站点布置、发车间隔确定、票价的制定等进行优化和设计的基础上，提高 公交车辆的调度和指挥的智能性，保证车辆的准点运行，并使出行者能够通过电子站 牌了解车辆的到达时刻，从而节约乘客的出行时间。同时，公交出行者可以通过媒体 如：可变信息牌、信息台、电话、互联网等方便地获得公交信息( 如：出行线路换乘 点、票价、车型等) ，吸引更多出行者采用公交出行方式。最后，还可以对智能公交系 统的社会效益、经济效益和服务水平进行综合评价 3 7 。通过对智能公交系统的功能 分析，可将智能公共交通系统分解为以下三个子系统： 智能公共交通车载子系统：该子系统是智能公交最基本的组成部分，是其他子系 统的基础。主要包括全球卫星定位模块、无线通信模块等。 智能公共交通调度子系统：该子系统由分调度中心、总调度中心、电子站牌等几 部分组成，其主要功能是实现公交车辆的调度和指挥，保证车辆的合理运行，并使出 行者能够通过电子站牌了解车辆的到达时刻，从而节约出行者的等车时间。 智能公共交通信息服务子系统：该子系统通过媒体( 如：可变信息牌、信息台、 互联网等) 将公交信息( 如：出行线路、换乘点、票价、车型等) 发布出去，使公交 出行者可以方便地获得这些信息，从而吸引更多乘客。 i 3 、本论文研究的主要内容 1 3 1 、智能公共交通系统实施框架 在前面对国内外智能公交系统分析的基础上，结合我国城市交通现状和现有的交 通设施，本文构建了我国智能公交系统的初步实旄框架，系统基本结构如图1 1 所示。 第7 页 图1 1 智能公交系统基本结构 该系统实行公交调度中心、公交调度中心和公交车队以及公交信息发布的三级管理。 公交调度中心主要实现车辆监控与大屏幕显示、公交运营管理、与分调度中心协调调 度车辆、公交信息采集与发布和公交线网规划与评价等功能。分调度中心负责对所管 辖的各线路营运车辆的调度及与附近的机场、火车站、港i ：3 相联系，相互传递静态信 息( 如发车时刻表) 和动态信息( 如：客流信息、到达时刻信息) 等。公交车辆内安 装有g p s 接收设备和双向通讯设备能够实现车辆自动定位，并将定位信息发送给分 调度中心，使其能够实时监测车辆的运行状况，并向车辆发布加速、减速、越站、跨 线、折返等指令。当车辆在行驶过程中遇到交通阻塞、交通事故、或者在车内发生抢 劫、火灾、乘客纠纷、故障、拥挤等紧急情况时，司乘人员可通过车载设备上的相应 按键向调度中心发出路阻、事故、故障、拥挤、纠纷、救助等信息，分调度中心接收 到这些信息后可以与总调度中心取得联系，并与紧急救援中心、交通管理与控制中心 相配合完成事故处理、人员救助、疏散交通等任务。另外，可依据当前的客流信息、 交通流量、占有率等数据合理调度车辆。公交车辆内还可设有电子收费、乘客计数、 电子公告板等装置，实现乘车服务的自动化和信息化，以便于公交公司统计客流情况， 为线网规划与行车时刻表的编制提供可靠数据。另外，公交调度中心还能够根据交通 管理与控制中心提供的实时交通数据，做出信号配时方案，预测车辆在站点间的行程 时间，并将相关信息显示在电子站牌上。智能公共交通信息服务子系统则通过多种媒 体向出行者提供出行前和在途公共交通信息，并响应出行者的各种交通信息查询请求。 第8 页 山东大学硕士学位论文 1 3 2 、关键理论与技术问题及解决方案 为使上面构造的智能公共交通系统得以有效实施，需着重解决如下关键理论与技 术问题： 数据采集与处理技术：实施智能公共交通系统需要用到大量静态和动态交通数据， 静态数据如：公交站点间距，居民出行量，居民收入水平等。动态数据如：全球卫星 定位系统( g p s ) 定位数据、客流量、站点间行程时间数据、公交车发车间隔等等。我 们需要借助先进的数据融合技术将这些数据有效融合，由于涉及到的数据源多、数据 量巨大，因而这项技术也是国际上公认的智能运输系统研究的难点问题。在本论文中 主要讨论了g p s 定位数据的采集、在车载设备端的处理以及处理后数据的传送等问题。 g p s 卫星定位误差的处理：虽然目前g p s 定位技术已基本成熟，但是受各方面因素 的制约，其民用定位精度仍然不是很高。( 虽然差分定位精度可以在l m 以内，但是差 分站的建立目前比较困难，不利于在公交系统中推广利用。) 如果在智能公交系统中使 用g p s 的定位方式，就必须考虑g p s 的定位误差以及g p s 信号丢失时如何进行补偿的 问题。 智能公共交通调度系统无线通信技术：在采集到比较精确的g p s 定位数据后( 通 过一定的补偿) ，要解决的关键问题就是如何利用逐步发展的电子技术和通信技术提高 公交车辆与分调度中心双向通信的稳定性和可靠性。 智能公共交通信息服务实现方法：在智能公共交通信息服务子系统中，最难解决 的就是如何向出行者动态地提供出行前和在途公交路径诱导信息。这实际上是研究智 能公共交通系统与先进的出行者信息系统的信息共享与接口问题。我们需要建立大型 的网络数据库和快速的查询系统，并设计树状搜索算法以保证查询时间短、结果准确。 这是本论文研究的重点和难点。 智能公共交通评价方法：由于智能公共交通系统在我国还没有大范围实施，所积 累的原始数据较少，因而很难对其实施后的效果作定量评价。我们如何采取计算机模 拟的方法对比智能公共交通系统实施前后乘客平均等车时间、车内时间。以及车辆准 点率的变化情况，从而从定量的角度作了科学评价。这也是当前比较难以解决的问题， 留待以后作进一步研究。 1 4 、本论文内容安排及创新点 第一章绪论。 第二章主要讨论了本论文所构建的系统中用到的一个重要设备g p s 的基本原理、 第9 页 在车载设备中的具体应用、对g p s 误差的修正方法以及采用辅助检测装置获取车辆定 为信息的方法。 第三章主要讨论了智能公交系统的另一个不可缺少的方面即无线数据通信。在比 较了当前各种无线通信技术后，根据a p t s 的需要选出了目前较合适的通信方式，并对 将来可能应用于a p t s 的通信方式做了进一步的探讨。 第四章结合地理信息系统重点讨论了a p t s 系统中的出行者诱导系统，改进了换乘 站查询的算法。另外，对公共交通信息的动态发布也作了一定的探讨。 第五章在前面几章讨论的基础上，详细介绍了本文设计的可以应用于我国大中城 市当前交通设施平台上的智能公交系统的基本框架结构，并简要介绍了该系统的实际 运行情况。 第六章结论和展望。 创新点： 1 、 将嵌入式系统应用于车载设备解决了原来用p c 机作为车载设备时存 在的系列问题。 2 、 改进了利用速度传感器和陀螺仪作为g p s 定位补偿的做法，在本系统中 省去了陀螺仪，只是使用速度传感器即可对车辆进行较精确的定位补 偿。 3 、 将原来以a s c i i 码格式传输的数据改为以二进制格式传输，提高了传输 效率，在以流量计费的无线通信模式下节省了费用。 4 、 在对公交车行驶路线的特点进行研究的基础上，建立了公交换乘线路查 询的模型，找出了具体查询算法，使得查询算法得到优化的同时，查询 效率也有较大提高。 第1 0 页 第二章g p $ 的基本原理以及在车载设备中的应用 2 1 、全球定位系统g p s 简介 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”技术上发展而 起的具有全球性、全能性( 陆地、海洋、航空与航天) 、全天候性优势的导航定位、定 时、测速系统。g p s 由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。 2 1 _ l 、空间卫星系统 空间卫星系统由均匀分布在6 个轨道平面上的2 4 颗高轨道工作卫星构成，各轨道 平面相对于赤道平面的倾角为5 5 度，轨道平面间距6 0 度。在每一轨道平面内，各卫 星交角距差9 0 度，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前3 0 度，其分 布如图2 1 所示。 图2 1 标准g p s 卫星轨道 事实上，空间卫星系统的卫星数量要超过2 4 颗，以便及时更换老化或损坏的卫星， 保障系统正常工作。该卫星系统能够保证在地球的任一地点向使用者提供4 颗以上可 视卫星。空间系统的每颗卫星每1 2 小时( 恒星时) 沿近似圆形轨道绕地球一周，由星 载高精度原子钟( 基频f = i o 2 3 m h z ) 控制无线电发射机在“低噪音窗口”( 无线电窗口 中2 至8 区问的频区天线噪声最低的一段是空间遥测及射电干涉测量优先选用频段) 附近发射l l 、l 2 两种载波，向全球的用户接收系统连续地播发g p s 导航信号。g p s 工 作卫星组网保障全球任一时刻、任一地点都可对4 颗以上的卫星进行观测( 最多可达 l l 颖) ，从而实现连续、实时的导航和定位。g p s 卫星向广大用户发送的导航电文是一 种不归零的二进制数据码d ( t ) ，码率厶= 5 0 h z 。为了节省卫星的电能、增强g p s 信号 的抗干扰性、保密性，实现遥远的卫星通讯，g p s 卫星采用伪噪声码对d 码作二级调制， 即先将d 码调制成伪噪声码( p 码和c a 码) ，再将上述两噪声码调制在l 1 、l 2 两载波 第1 i 页 上，形成向用户发射的g p s 射电信号。因此，g p s 信号包括两种载波( l 1 、l 2 ) 和两种 伪噪声码( p 码、c a 码) 。这四种g p s 信号的频率皆源于1 0 2 3 h z ( 星载原子钟的基 频) 的基准频率。基准频率与各信号频率之间存在一定的比例。其中，p 码为精确码， 美国为了自身的利益，只供美国军方、政府机关以及得到美国政府批准的民用用户使 用，c a 码为粗码，其定位和时间精度均低于p 码，目前，全世界的民用客户均可不受 限制地免费使用4 0 。 2 1 2 、地面监控系统 地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5 个监测站、一个 主控站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向 每颗卫星注入更新的导航电文。地面监控系统各站的主要任务是： 监测站：用g p s 接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测数 据传送给主控点。5 个监控站均为无人值守的数据采集中心。 主控站：主控站接收各监测站的g p s 卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和 注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几项工作： 及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。 控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导航电文是否正确 以及卫星是否将导航电文发给了g p s 用户系统。 诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失 效卫星。 注入站：接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。 2 1 3 、用户接收系统 g p s 系统的用户是非常隐蔽的，它是一种单程系统，用户只接收而不必发射信号， 因此用户的数量也是不受限制的。虽然g p s 系统一开始是为军事目的而建立的，但很 快在民用方面得到了极大的发展，各类g p s 接收机和处理软件纷纷涌现出来。目前在 中国市场上出现的接收机主要有r o g u e 、a s h t e c h 、t r i 旧l e 、l e i c a 、s o k k i a 、t o p c o f 等。能对两个频率进行观测的接收机称为双频接收机，只能对一个频率进行观测的接 收机成为卑频接收机，他们在精度和价格上均有较大区别。 用户接收系统主要由以无线电传感和计算机技术支撑的g p s 卫星接收机和6 p s 数 据处理软件构成。 g p s 接收机：g p s 卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。天线单元 第i 2 页 的主要作用是：当g p s 卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收放大g p s 信 号。接收单元的主要作用是：记录g p s 信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出g p s 卫星发送的导航电文，解求信号在站星间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航 定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。微处理器是g p s 接 收机的核心，承担整个系统的管理、控制和实时数据处理。视屏监控器是接收机与操 作者进行人机交流的部件。目前，国际上已推出几十种测量用g p s 接收机。各厂商的 产品朝着实用、轻便、易于操作、美观价廉的方向发展。 g p s 数据处理软件：g p s 数据处理软件是g p s 用户系统的重要部分，其主要功能是 对g p s 接收机获取的卫星测量记录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行 平差计算、坐标转换及分析综合处理。解得测站的三维坐标，测体的坐标、运动速度、 方向及精确时刻。 g p s 定位技术是正在发展中的高新技术，数据处理技术也处在不断更新之中，各系 列g p s 接收机制造厂家研制的处理软件也各具特色。 2 2 、f i r s 定位的基本方法 g p s 定位采用空间被动式测量原理，即在测站上安置g p s 用户接收系统，以各种可 能的方式接收g p s 卫星系统发送的各类信号，由计算机求解站星关系和测站的三维坐 标。根据对g p s 信号观测量的不同，g p s 定位的基本方法有以下几种形式： 伪距测量 载波相位测量 多普勒测量 卫星射电干涉测量 为了精密定位，一台g p s 接收机往往不是单纯采用一种测量方式，而是以某种方 式为主，并辅阻其他方法。 目前，全球定位系统已广泛应用于军事和民用等众多领域中。g p s 技术按待定点的 状态分为静态定位和动态定位两大类。静态定位是指待定点的位置在观测过程中固定 不变的，如g p s 在大地测量中的应用。动态定位是指待定点在运动载体上，在观测过 程中是变化的，如g p s 在船舶导航中的应用。静态相对定位的精度一般在几毫米几厘 米范围内，动态相对定位的精度一般在几厘米到几米范围内。对g p s 信号的处理从时 间上划分为实时处理及后处理。实时处理就是一边接收卫星信号一边进行计算，获得 目前所处的位置、速度及时间等信息；后处理是指把卫星信号记录在一定的介质上， 第1 3 页 回到室内统一进行数据处理。一般来说，静态定位用户多采用后处理，动态定位用户 多采用实时处理。 2 3 、g p s 在i t s 中的应用 2 3 1 、g p s 在道路工程中的应用 g p s 在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外 控点等。随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长， 已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。目前， 国内已逐步采用g p s 技术建立线路首级高精度控制网，如沪宁、沪杭高速公路的上海 段就是利用g p s 建立了首级控制网，然后用常规方法布设导线。在几十公里范围内的 点位误差只有2 c m 左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期。 浙江省测绘局利用w il d2 0 0g p s 接收机的快速静态定位功能旅测了线路的全部初测导 线，快速、高精度地建立了数百公里的高速公路控制网，取得了良好的效果。g p s 技术 也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于不需要通视，可以构成较强的网形，提高 点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。g p s 技术在隧道测量中具有广泛的 应用前景，。g p s 测量无需通视的特点，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精 度高，具有明显的经济和社会效益。 差分动态g p s 在道路勘测方面主要应用于数字地面模型的数据采集、控制点的加 密、中线放样、纵断面测量以及无需外控点的机载g p s 航测等方面。1 9 9 4 年6 月在同 济大学试验了k a r t 实时相位差分卫星定位系统，在l k m 范围内达到了优于2 c m 的精度， 因此能够用于线路控制网的加密。g p s 测量包含有三维信息，可用于数字地面模型的数 据采集、中线放样以及纵断面测量。在中线平面位置放样的同时，可获得纵断面，在 中线放样中需实时把基准站的数据由数据链传到移动站，从而提供移动站的实时位置， 由于g p s 仪器不像经纬仪那样可以指示方向，因此需与计算机辅助设计系统相结合， 从而可在计算机屏幕上看到目前位置与设计坐标的差异。机载动态差分g p s 应用于航 测在德国和加拿大已取得了成功，用载波相位差分测出每个摄影中心的三维坐标，而 不再需要外控点测量，取得了良好的效果。 2 3 2 、g p s 在汽车导航和交通管理中的应用 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。汽车导航系统是在全球定位系统g p s 基础上发展起来的一门新型 技术。汽车导航系统般由g p s 导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感 第1 4 页 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) ，求出该点的经纬度坐标、 速度、时间等信息。如果要提高汽车导航定位精度，可以采用差分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与捕获不到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数据、前进的方向都与实际行 驶的路线轨迹存在一定误差，为修正这两者的误差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误差进行实 时相关匹配作自动修正，此时地图匹配电路是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，这些功能包括： 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、换地图；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。 提供出行路线规划和导航：提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功 能，它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的 地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、 通过高速公路路段次数最少的路线等的计算。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目 的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。线路规划完毕后，显示器能够在 电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径和运行方法。 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的任意目标所 在位