（计算机应用技术专业论文）基于监控端终端的事故信息采集系统的研究.pdf

基于监控端终端的事故信息采集系统的研究 学科：计算机应用技术 研究生签字： 指导教师签字： 帑l j 乙 1 匆万钆 摘要 随着计算机技术、通信技术和微电子技术的进步，i t 技术取得了迅猛的发展。计算 机控制技术在交通领域的应用越来越广泛。由于计算机网络的普及无线通信技术的发展， 促使计算机和通信平台的一体化趋势加快，使得数据采集技术成为新的研究热点。 本文研究的内容是监控端和终端的实时事故信息采集，核心工作是事故信息的实时采 集。通过研究智能交通系统理论，g p s 以及g p r s 的工作原理，设计并实现了g p s 接收 机的信息获取；监控端和终端的无线通讯；局域网的多线程通讯以及实时的事故信息管理 等模块。 随着计算机技术尤其是芯片技术的发展，过去那种以单片机为核心、功能单一的终端 已经远远不能满足需求，本文采用先进的3 2 位a r m 芯片作为采集终端处理器，结合w i n c e 操作系统，使得数据处理速度快，准确性高；监控端的功能也得到较大的扩展，文中 重点阐述了数据采集过程。 针对原有的终端软件升级烦琐、管理不便等诸多问题，本文将w i n d o w sc e 嵌入式实 时操作系统移植到终端系统中，模块化的软件设计与良好的可裁剪性以及系统可配置性是 w i n d o w sc e 操作系统的优势。 本文通过系统的需求和功能分析，选择了监控端终端采集和g p r s 的无线传输相结 合的方案，从试验结果来看，g p s 、g p r s 与w i n d o w sc e 操作系统三者结合的事故信息 采集系统运行稳定可靠，达到了预期的效果和设计要求，并具有功耗低、实现简单、成本 低、可升级、易扩展等特点。 关键字：智能交通系统；信息采集；g p s ；g p r s ；嵌入式系统 r e s e a r c ho fa c c i d e n ti n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ns y s t e m b a s e do nm o n i t o r i n gc l i e n t t e r m i n a l d i s c i p l i n e ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：毖糖加讥 易们w 函铀讥 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，i tt e c h n o l o g yh a sm a d er a p i dp r o g r e s s c o m p u t e ra n dc o n t r o l t e c h n o l o g yh a v ei n c r e a s i n g l yw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o ni nt r a f f i cf i e l d t h ep o p u l a r i z a t i o no f c o m p u t e rn e t w o r ka n dt h ea d v a n c e m e n to fw 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 ya c c e l e r a t et h e i n t e g r a t i o no fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n , w h i c hm a k e sd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n o l o g yah o t s t u d yt o p i c t h ec o n t e n to ft h i st h e s i si st h ek e yt e c h n i q u eo fi t s r e a lt i m ed a t aa c q u i s i t i o n t h e r e s e a r c hi n c l u d e si t s ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eg p sa n dg p r s i tr e a l i z e st h eg p s r e c e i v e r t oo b t a i nt h ei n f o r m a t i o n m o n i t o r i n gc l i e n ta n dt e r m i n a lt os e n da n dr e c e i v er e a l - t i m ea c c i d e n t d a t a , e n d t o e n dm u l t i t h r e a d e dc o m m u n i c a t i o n sa n dr e a l t i m e a c c i d e n ti n f o r m a t i o n m a n a g e m e n tm o d u l e w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r et e c h n o l o g ye s p e c i a l l yt h ec h i pt e c h n o l o g y ，t h e s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rt e r m i n a le n dh a sb e e nf a rf r o me n o u g ht om e e td e m a n d t h e p r o p o s e dm e t e rt e c h n i q u ew i t ha r mc h i pa sc o l l e c t i o nt e r m i n a li nt h i sp a p e r c a np r o c e s sd a t a q u i c k l ya n de x a c t l y ， a n dt h ef u n c t i o no ft h et e r m i n a le n dc a nb ee x t e n d e de v e nd e e p e r t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h ep r o g r a m m i n go fd a t aa c q u i s i t i o n b e c a u s ei ti sd i f f i c u l tf o rt h es o f t w a r et e r m i n a le n dt ou p d a t ea n ds u p e r v i s e ，i nt h i sp a p e r t h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ( w i n d o w sc e ) w r i t su s e dw h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s m o d u l a r i z e dp r o g r a m m i n g ，c u t t a b i l i t ya n dc o n f i g u r a b i l i t y b ya n a l y z i n g t h e r e q u i r e m e n ta n df u n c t i o n ，t h em o n i t o r i n g c l i e n t t e r m i n a l g p r s c o m m u n i c a t i o nm o d ei sc h o o s e dt om e e tt h ed e m a n do fs y s t e m t h er u n n i n gc o n d i t i o ns h o w s t h a tt h es y s t e mo p e r a t e ss t e a d i l ya n dr e l i a b l ya n dc a l lm e e tt h ed e m a n d so ft h eu s e r s i ti s r e a l i z e di nt h es y s t e mw h i c hh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w - p o w e rc o n s u m p t i o n ，s i m p l e r e a l i z a t i o n ，l o w e r - c o s ta n de a s y e x t e n d e da n ds oo n k e yw o r d s ：i t s ；c o l l e c t i o no fi n f o r m a t i o n ；g p s ；g p r s ；e m b e d d e ds y s t e m 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送( 提) 交的学位论文，并对学位论文进行二次文献加工供其他读者查阅和借阅；学校可以在网络 上公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：莆盹 指导教师签名： 日期： 6 7 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人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取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。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了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：府a s _ 指剥撇：钥髟 眺 2 。9 年牛j 穹2 3 目 1 绪论 1 绪论 随着经济发展和技术进步，交通运输己经成为经济生活中的重要方面，并对保证社会 经济体系正常运转发挥着越来越大的作用，实现交通现代化己为各国政府日益重视。实践 表明，运用各种先进技术，形成行之有效的交通网络系统，对提高交通效率，改善交通环 境，促进社会的进一步发展有着重要意义，而实时的交通事故信息采集对于缓解我国严峻 的交通形势具有十分重要的现实意义。 1 1 智能交通系统i t s 众所周知，交通系统是一个复杂的大系统，单独从车辆方面考虑或者单独从道路方面 考虑，采用传统方式很难完美地解决道路交通问题。随着信息技术的飞速发展，人们意识 到利用信息将车辆、道路、使用者紧密结合起来，不仅能够有效地解决交通拥挤、堵塞问 题，而且对交通事故的应急处理、环境保护、能源节约等都有着显著而积极的效果。于是 人们充分利用系统的观点，对交通系统进行重新审视，从而导致智能交通系统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 s ) 的诞生。i t s 开始只是进行道路和车辆智能化的研究，现 在己扩展到交通运输的全部过程及其相关部门，研究范围已经逐步涉及到铁路、水运及航 空等各种交通方式，形成一套为用户及交通管理部门提供交通信息的新型交通运输体系。 1 2 国内外事故采集系统的发展 中国是世界上典型的以混合交通为主的国家，路面环境状况非常复杂多变，并且我国 汽车消费已进入新一轮发展期，绝大多数车型又是引进产品，安全设计的依据都是国外道 路状况的数据。所以，面对我国当前极其严峻的交通安全形势，迫切要求建立一个全面的 道路交通事故信息采集系统，但至今这方面的工作还十分有限。 本课题所介绍的道路交通事故信息采集系统正是在这一背景下为改善我国交通状况 所做的一次有益尝试。它主要涉及道路交通管理部门、汽车生产厂家、医疗机构、司机等 4 个社会功能模块，通过借鉴国内外的相关先进经验，逐步建立我国自己的道路信息采集 系统。 在德国，由汉诺威医学院( m h h _ ) 和柏林工业大学( t u b ) 合作成立的事故研究团队 ( u f o ) 受德国联邦公路工程研究所( b a s t ) 的委托，对交通事故进行了深入的多学科交叉 研究。该研究项目组调查事故痕迹、车辆的变形、受伤人的接触部位等，并将数据存档( 文 字、照片和计算机数据库) 。 美国也有类似的交通事故多学科研究机构，j t l f a r s ( f e d e r a la c c i d e n tr e p o r t i n g s y s t e m ) 。它是美国各种严重交通事故信息的数据库。f a r s 数据库的数据来自警察的报 告、车辆、驾驶员以及发照机关和医院的报告。该数据库提供了美国大量详细的严重事故 两安t 业人学硕士学位论文 数据l 。 智能交通运输系统( i t s ) 通过应用计算机和信息技术，将人、车、路等交通因素加 以统一考虑。它在日本不仅被认为是解决交通问题的一个有效方法，同时更是一项促进交 通行业发生革命性变革的基础设施。通过发展和应用i t s 技术，能够使道路交通更快捷、 更安全、更具有高质量和高效率。在这种理念的支持下，日本已经在相当程度上应用了i t s 技术，且相当有效。 至i 2 0 0 3 年6 月末，日本装有汽车导航系统的车辆已达1 2 0 0 多万辆，同时装有汽车导航 系统和车载信息通讯系统( v i c s ) 接收器的车辆也达7 0 0 多万辆，以上装置可以为驾驶员 或其他机动车使用者提供即时道路信息。因此，同本的道路车多而不乱。路上诸多监测器 和雷达，随时监控道路情况和采集信息，驾车人可通过情报信息板获取即时道路信息。车 载电子地图已广泛使用，有多家公司开发新产品，用户可在网上下载购买。电子地图可通 过卫星天线、微波、电视载波机、电话地址等多种渠道接收信息，使用电子地图，人们可 以准确查询地址、气候、环境及计算拥堵时间等。 1 3 论文研究意义 “十一五”期间研究的一个重要的课题是智能交通系统( i t s ) ，其主要目的是建立一 个数据采集、收发、处理的综合交通信息系统平台，应用系统整合技术、交通实时数据采 集、融合、处理和控制技术、运载工具定位技术与智能导航技术、紧急救援管理系统技术 等，提高交通系统的能力、效率和安全性。 智能交通是利用计算机技术和通讯技术管理交通事务，以提高道路的通行能力，舒缓 交通阻力，提高道路通行的安全系数，紧急事故的处理等等。g p s 作为综合处理和分析 空间数据的关键技术，能够有效的对空间数据进行采集、存储、检索、建模、分析和输出， 它能够记述查询道路的通行状况，迅速定位事故点，抢修车辆的调度，以及提供交通疏散 的方案等。在近年来在国内外的交通管理部门得到了大量应用。 “十五”期间，随着国家公路建设投资力度加大，对i t 产品和服务的需求将继续上升， 2 0 0 7 年公路i t 整体投资预计达到6 0 亿人民币。国产i t 产品将逐渐提升在公路市场中的 份额，随着信息技术应用程度的提高，用户越来越关注整体全面的解决方案。 对于混合交通为主的城市，由于路面环境状况非常复杂和多变，所以，面对当前很多 地市极其严峻的交通安全形势，迫切要求建立一个全面的道路交通事故信息采集系统，但 至今这方面的工作还十分有限。 根据实际调研，目前的事故信息采集系统具有以下优点，包括： 1 ) 系统功能比较简单、易用： 2 ) 系统可以实时采集事故现场数据； 3 ) 费用较低。 但由于资金和技术等问题，在某些方面还存在一些问题，例如： 2 l 绪论 1 ) 实时性不高，对交通事故处理效率偏低，导致一些路段经常会发生堵塞现象。 2 ) 在交通事故处理过程中，指挥调度不够完善，不能及时的对事故区域进行交通疏 散，完成抢修车辆的调度。 3 ) 虽然可以进行各种车辆违章行为的采集，但不能及时的阻止交通事故的发生，无 法很好的预测交通事故。 4 ) 现有系统可扩展性较差、系统运行效率偏低，维护不够方便。 基于以上实际情况，本课题旨在完成智能交通系统的一个子项目的研究，即端到端的 实时事故信息采集系统的开发。 本课题所研究的事故信息采集系统是智能交通系统( i t s ) 的重要组成部分，是利用现 代信息技术为核心，利用先进的通讯、计算机、自动控制等技术，使得交通检测、交通事 故的救援及信息系统有机地结合起来，通过计算机网络系统，实现对交通的实时控制与指 挥管理。智能交通管理系统包括信息采集、信息分析与处理、判断、执行等几个环节。因 此，交通信息采集被认为是i t s 的关键子系统，成为交通管理智能化的前提，无论是交通 控制还是交通违章管理系统，都涉及交通信息的采集，交通信息采集也就成为交通管理智 能化的首要任务。结合我国实际交通情况以及目前比较先进的计算机技术，综合国内外相 关领域发展情况，将事故信息采集技术作为重中之重来研究开发有重要现实意义。 对道路交通事故信息进行实时采集和分析，研究交通事故的“人一车一环境 的特 性、交通事故的发生规律与影响因素，对预防和减少事故伤害具有十分重要的现实意义。 基于此，本系统结合g p s 导航定位技术、g p r s 无线通信技术和计算机相关技术( 包括 网络，数据库等相关技术) ，实现一个基于监控端终端的事故信息采集系统。 一 从交通事故中获得道路、车辆、环境等信息，一方面可以积累真实的安全性方面的数 据，检验现有的技术与产品，为产品的技术发展指出方向；另一方面，实时的事故信息采 集是一个崭新的研究方向，拓展了汽车安全性研究领域：此外，通过事故研究资源在其他 社会各职能部门之间的共享，它将有可能以事故再现的方式，形象准确地还原事故现场， 为寻找事故原因提供基础，有助于警方判定事故责任；有助于寻找道路交通的安全问题， 避免不必要的事故发生，对交通管理法规的制定及完善也将起到积极作用；同时也可以在 事故急救措施的改进以及事故医疗科研、事故保险理赔等方面发挥综合作用。 因此，道路交通事故信息采集及分析是一个非常有前景的研究项目，它对于缓解我国 严峻的交通形势具有十分重要的现实意义。 1 4 本课题主要工作 本课题的工作重点是实现一个基于监控端终端的实时事故信息采集系统。该项目旨 在研发一套集实时性、智能化、实用性的数据采集系统。 本课题研究的主要内容是： 1 ) 建立一个数据采集、收发、处理的综合交通事故信息系统平台。 3 两安下业大学硕十学何论文 2 ) 采集多样性交通事故数据( 包括实时数据，图像，定位信息等) 并且进行处理。 3 ) 将智能交通技术( i t s ) 相关理论以及应用控制技术、运载工具定位技术与导航技术 ( g p s ) 、无线通信技术( g s m g p r s ) 相结合，应用到系统开发中。 其中，监控端系统包括： 1 ) g p s 接收机采集数据模块设计； 2 ) 实时事故信息采集模块设计； 3 ) 事故信息管理模块设计。 终端系统包括： 1 ) 采用a r m 嵌入式系统完成便携式g p s 导航定位； 2 ) 利用g p s 接收机获得肇事车辆定位数据； 3 ) 通过g p r s 模块将定位信息以及实时事故数据发送给监控端。 综合多种因素考虑，其中包括开发时间、成本、可移植性以及可利用资源等，我们最 终选择w i n d o w sc e 操作系统，该系统是m i c r o s o f t 推出的多线程、多任务操作系统，它 采用模块化设计，允许用户针对硬件设备进行定制【2 j 。 为满足以上这些性能和接口需要，我们选择基于i n t e l 的p x a 2 5 5 嵌入式微处理器进 行终端系统开发，应用程序选择e v c 平台上进行开发，需要在p o c k e tp c 2 0 0 0 模拟器 环境下运行 3 1 。监控端部分需要在v c 6 0 和s q ls e r v e r 2 0 0 0 数据库的支持下运行，需要相 关控件，例如串口通信控件，需要预留无线通讯接口，在开发过程中需要使用a d o ，o d b c 等数据库连接技术，以及多线程网络通信和串口通信技术，同时需要n m e a 0 1 8 3 协议 ( g p s 通信协议) 和t c p i p 协议支持【4 1 。 本人在项目中参与了系统规划，系统软件移植，应用程序开发等具体工作，在本文中 将详细描述这些实现过程。 4 2 系统总体设计 2 1 系统需求 2 系统总体设计 本课题旨在研发一套实时的道路交通事故信息采集系统。系统主要目的是建立一个数 据采集、收发、处理的综合交通信息系统平台，应用系统整合技术、交通实时数据采集、 处理和控制技术、运载工具定位技术与智能导航技术、紧急救援管理系统技术等，提高交 通系统的能力、效率和安全性。 本文着重分析了事故信息采集系统，该系统负责采集各种与突发事故有关的基本信 息。这些信息包括事故发生时间、地点、基本情况以及道路交通基本信息。根据课题提出 的研究方案，进行概要设计和详细设计，主要分两个模块进行研究，监控端和终端。其中 数据采集是研究的重点，整个系统集数据采集，存储，管理于一体。 2 2 总体设计 监控端：通过g p s 接收机接收g p s 定位数据，通过串口，可以将各种交通流量信息、 事故定点信息、场外监控数据等各种数据有效结合，可以对各个高速公路、交警、城市紧 急救援单位监控中心进行支持，动态监控道路事故状况，包括事故的类型和等级以及路面 状况等信息，通过基于端到端的网络编程技术，实时进行通讯，对事故进行控制并实时调 度车辆，指挥交通，对周边地区发出事故信息，避免交通堵塞，对突发事件如：意外事故、 医疗急救、交通事故等事件进行迅速地响应和处理，为城市的公安、交警、急救等部门进 行统一的指挥调度。 终端：即便携式g p s 导航定位系统，利用g p s 接收机通过串口获得肇事车辆定位数 据，利用g p r s 模块实时的将事故信息发送给系统监控端进行远程控制。 事故现场交警可以通过便携式手持导航定位p d a 来完成实时的定位数据的采集和发 送，通过g p s 接收机模块对事故地点快速定位，然后通过g p r s 模块实时的将所收集到 的事故信息，包括事故的类型和事故的等级，以及路面状况等实时传递给监控端进行分析 并实时指挥交通。因此，我们研究的主要内容包括i n t e lp x a 2 5 5 作为内核的a r m 嵌入式 系统的原理【5 1 ，w i n d o w sc e 操作系统的构架6 ，以及e v c 3 0 平台下事故信息采集系 统的开发【8 】。 2 3 全球定位系统 2 3 1 全球定位系统概述 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g p s ) 是美国从本世纪7 0 年代开始研制，历 时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新 5 两安丁业大学硕士学位论文 一代卫星导航与定位系纠9 , 1 0 】。 目前，全球定位系统己成为迄今最好的导航定位系统，随着g p s 的不断改进，硬、 软件的不断完善，其应用领域正在不断地开拓。 2 3 2 全球定位系统的组成 g p s 系统包括三大部分： 空间部分g p s 卫星星座： 地面控制部分地面监控系统； 用户设备部分g p s 信号接收机。 1 ) g p s 卫星星座 g p s 工作卫星及其星座由2 l 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成g p s 卫星星座，记 作( 2 1 + 3 ) g p s 星座。2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，轨道倾角为5 5 度，各个轨道 平面之间相距6 0 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差9 0 度，轨道平面上的 卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前3 0 度。 两万公里高空的g p s 卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周， 即绕地球一周的时间为1 2 恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4 分钟见到 同一颗g p s 卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见 到4 颗，最多可见到1 1 颗。在用g p s 信号导航定位时，为了解算测站的三维坐标，必 须观测4 颗g p s 卫星，称为定位星座。这4 颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位 精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间 隙段”。但这种时间问隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、 连续实时观测。 2 ) 地面监控系统 对于导航定位来说，g p s 卫星是一动态己知点。星的位置是依据卫星发射的星历描 述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗g p s 卫星所播发的星历，是由地面监控系统提 供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地 面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准一 g p s 时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发 给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。g p s 工作卫星的地面监控系统包括一个主控 站、三个注入站和五个监测站。 3 ) g p s 信号接收机 g p s 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的 信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大和处理，以便测 量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出g p s 卫星所发送的导航电文，实 时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 静态定位中，g p s 接收机在捕获和跟踪g p s 卫星的过程中固定不变，接收机高精度 6 2 系统总体设计 地测量g p s 信号的传播时间，利用g p s 卫星在轨的己知位置，解算出接收机天线所在位 置的三维坐标，而动态定位则是用g p s 接收机测定一个运动物体的运行轨迹。g p s 信号 接收机所位于的运动物体叫做载体( 如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等) 。载体 上的g p s 接收机天线在跟踪g p s 卫星的过程中相对地球而运动，接收机用g p s 信号实时 地测得运动载体的状态参数( 瞬间三维位置和三维速度) 。 接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的处理软件包，构成完整的g p s 用户设备。g p s 接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般 分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地 方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观 测时将其安置在测站点上。 g p s 接收机一般用蓄电池做电源，同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池 的目的在于更换外电池时不中断连续观测。 2 3 3g p s 定位原理 g p s 是一种利用时间测距的定位系统，其定位的基本原理如下： 圈2 1 地回赢与卫星即儿例天糸 如图2 1 所示，设用户地面点p 到 s ， 卫星的距离为吒，如果卫星时钟和 接收机时钟完全同步，则有如下方程： d p i5c ( f p r t s 矿) 一c f 一 ( 2 1 ) 式中：c 光速，m s f 朋地面接收机的同步观测时刻，s t s v 卫星s 的同步发射时刻，s 西安工业大学硕士学位论文 z a 传播路径中的附加延时，s 实际上，卫星时钟和接收机不可能完全同步，所以，实际测出的距离并非实际距离， 称为伪距，记为p p i ，并且有： p p ，= c ( 矿朋，一岛所) ( 2 2 ) 式中：f 册含钟差的地面接收机的观测时刻，s 岛 含钟差的卫星s 的发射时刻，s 其中： f 朋f = 于尸尺+ 况尸尺 ( 2 3 ) 珞所= 岛矿+ 8 t s v i ( 2 4 ) 式中：万f 地面接收机的钟差，s f i t s g z 卫星s 发射时刻的钟差，s 则有：p e t = c ( t p r t s v ) + c ( 6 t p r f 一8 t s 以) = d p i 七c r a + c ( 6 t p r i 一6 t s e 3 = d r f + 6 a l p ( 2 5 ) 式中：万测距误差 另一方面，接收机可以通过卫星星历解算出s t ，点的坐标( 如，圪，磊) ， 这罩设用户付詈p 点的举标为( x p ，k ，z p ) 刚有： d 矿扣f 帝i 瓦面万研 将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) ，得： 所；= 再i 万f 瓦孓万面+ 6 d h ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中，x pk 、z 尸和万d 尸t 为未知数，因此，若同时观测到4 颗不同卫星到p 点的伪距值 辟i ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) ，根据式( 2 7 ) 导出的四个方程联立成方程组，即可求出各未知数， 从而求出p 点的坐标( 砟，巧，z p ，。但是由于万dp i 的随机性，为更准确的解算出p 点的坐标， 最好能够观测到4 颗以上的g p s 卫星的数据。 8 2 系统总体设计 2 3 4g p s 系统的特点 g p s 导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著 称。g p s 系统有如下特点： 1 ) 定位精度高 2 ) 观测时间短 3 ) 抗干扰能力强 4 ) 可提供三维坐标 5 ) 操作简便 全天候导航作业 7 ) 功能多、应用广 目前，g p s 系统应用领域正不断扩大，不仅可用于测量、导航，还可用于测时、测速， 测速的精度可达0 1 r r d s ，测时的精度可达几十毫微秒。 2 4 系统关键技术 2 4 1n m e a 0 1 8 3 协议( g p s 通信协议) n m e a 协议由美国国家海洋电子协会( n m e a t h en a t i o n a lm a r i n ee l e c t r o n i c s a s s o c i a t i o n ) 制定的一套通讯协议。g p s 接收机根据n m e a 0 1 8 3 协议的标准规范，将位 置、速度等信息通过串口传送到p c 机、p d a 等设备。 n m e a 0 1 8 3 协议是g p s 接收机应当遵守的标准协议，也是目前g p s 接收机上使用 最广泛的协议，大多数常见的g p s 接收机、g p s 数据处理软件、导航软件都遵守或者至 少兼容这个协议。本课题中每秒更新一次经纬度、时间、速度和方向等数据，我们需要 从n m e a 0 1 8 3 协议中挑选出需要的那部分定位数据进行采集。 我们需要从n m e a 0 1 8 3 协议中挑选出需要的那部分定位数据的信息，采集程序将忽 略其他的信息。图2 2 描述了n m e a 0 1 8 3 协议的g p r m c 定位语句的结构，其各帧的结 构及各字段释义如下：$ g p r m c ， ， ， ， ， ， ， 状态，a 为有效位置，v 为非有效接收警告，即当前天线视野上方的卫星个数少 于3 颗。 纬度，格式为d d m m m m m m “ 标明南北半球，n 为北半球、s 为南半球 径度，格式为d d d m m m m m m 标明东西半球，e 为东半球、w 为西半球 地面上的速度，范围为0 0 到9 9 9 9 9 西安工业大学硕+ 学位论文 l f 方位角，范围为0 0 0 0 到3 5 9 9 度 日期，格式为d d m m y y 地磁变化，从0 0 0 0 到1 8 0 0 度 地磁变化方向，为e 或w 表示系统定位模式 校验和域，格式为“一x x ”，x x 表示校验和 g p r m c 定位语句的最末是回车换行符( c rl f ，即0 x o d0 x o a ) ，为语句结束标志。 如果与卫星的通信正常的话，可以接收到的数据格式如下所示： $ g p r m c ，2 0 4 7 0 0 ，a ，3 4 0 3 8 6 8 3 ，n ，1 1 7 0 9 4 3 2 3 ，w , 0 0 1 9 ，3 3 6 9 ，1 7 0 6 9 8 ，0 1 3 6 ，e ，a 0 7c r f i e l d #123 4 5 6 7891 01 11 2 1 3 图2 2n m e a 0 l8 3 协议的g p r m c 定位语句的结构 2 4 2 串口通信技术 串口是常用的计算机与外部串行设备之间的数据传输通道，由于串行通信方便易行， 所以应用广泛。本课题需要我们依据不同的条件实现对串口的灵活编程控制。 串口通信技术可使用c s e r i a l p o r t e x 类来实现，接收串口数据时使用隐式调用， c s e r i a l p o r t e x 在串口数据到达时将数据发送到程序主窗口。控制模块每隔一段时间就查 看一次主窗口串口数据接收缓冲区，并对符合要求的数据进行处理后通过数据库处理模块 存储到数据库中，同时请求显示模块更新记录。 2 4 3g p r s 无线通信技术 通用分组无线业务( g p r s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是在现在g s m 系统上发 展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务i l 。g p r s 采 用与g s m 同样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及t d m a 帧结构，这种 1 0 2 系统总体设计 新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似【1 2 1 3 1 。因此，现有的基站 子系统( b s s ) 从一开始就可提供全面的g p r s 覆盖。 g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模 式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务【l4 1 。“时时在线、按 流量计费、即按照接收和发送数据包的数量来收取费用、没有数据流量时不收费用【l 引。 特别适用于频繁的、少量的数据传输，也适用于大数据量传输。 g p r s 工作原理是中心站配置固定的i p 地址，而远程终端实行动态的i p 地址分配， 每个远端模块有一个固定的i d 号【1 6 17 1 。远程终端开机后，主动连接服务器，终端模块自 动获得i p 地址，并主动上报到服务器。服务器可根据板块的i d 号识别用户，向在线终端 发送命令【1 8 , 1 9 】。 2 4 4 多线程技术 多线程可以实现并行处理，避免了某项任务长时间占用c p u 时间。每一个进程至少 有一个主执行线程，它无需由用户去主动创建，是由系统自动创建的。用户根据需要在应 用程序中创建其它线程，多个线程并发地运行于同一个进程中【2 0 1 。一个进程中的所有线 程都在该进程的虚拟地址空间中，共同使用这些虚拟地址空间、全局变量和系统资源，所 以线程间的通讯非常方便，多线程技术的应用也较为广泛1 2 1 1 。本课题中，实现监控端的 通信即采用了多线程技术，利用m f c 实现了图形界面的实时调度的指挥平台。 基于u d p 的s o c k e t 网络编程：”用户数据报协议”( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，简称u d p ) 是基于无连接的通信协议，不保证可靠数据的传输，可提供两台计算机之间可靠无差错的 数据传输瞄】。但是u d p 能够向若干台目标计算机发送数据；并接收数据。而在多台计算 机构成的仿真或控制系统中，经常会出现多台计算机进行数据传输，所以在仿真或控制软 件中采用u d p 协议的较多。 2 5 数据库设计 2 5 1 系统数据流图分析 数据流图是分层设计和绘制的，整个过程反映了自顶向下进行功能分解和细化的分析 过程。顶层( 也就是第0 层) d f d 用于表示系统的开发范围，以及该系统与周围环境的 数据交换关系：最底层d f d 代表了那些不可以在进行分解的“原子加工”1 2 3 】；中间层 是对上一层父图的细化和解释。 根据本课题需求绘制数据流图，其中第0 层表示的是系统整体开发的范围，它主要说 明了系统的总体处理能力，用来表示系统的输入和输出( 数据发送端负责输入，即终端发 送实时事故数据给监控端，监控端系统管理员执行输出功能，接收终端发来的数据并进行 处理，实时控制事故现场情况，拥有用户的所有操作，包括：系统设置，系统操作员管理， 肇事者信息管理，事故基本信息管理，事故分析以及事故查询) 。如图2 3 所示： 西安_ 1 ：业大学硕十学位论文 提出请求 采集数据 管理系统响应请求 图2 3 第0 层d f d 图 总体功能模块的数据流图如图2 4 ，2 5 所示，为第1 层数据流图，第l 层d f d 图主 要对第o 层d f d 图中的“数据采集管理系统”进行展开。主要描述了用户( 数据采集者) 和系统管理员( 数据存储，分析，管理人员) 的数据流向以及相关数据信息。 图2 4 第1 层d f d 图 1 2 2 系统总体设计 图2 5 第1 层dfd 图 第2 层d f d 图：对第1 层d f d 图的一个加工，对“注册登陆 和“系统管理”进行 展开。如图2 6 所示。 图2 6 第2 层dfd 图 1 3 两安丁业人学硕士学位论文 2 5 2 数据库概念结构设计 根据上面的数据流图可以设计出能够满足用户需求的各种实体，以及它们之间的关 系，为后面的逻辑结构设计打下基础。这些实体包含各种具体信息，通过相互之间的作用 形成数据的流动。 本系统根据上面的设计规划出的实体有：系统管理员信息实体，事故肇事者信息实体， 基本事故信息实体等。 系统管理员信息实体e r 图如图2 7 所示。 图2 7 系统管理员信息实体e r 图 事故肇事者信息实体e r 图如图2 8 所示。 图2 8 事故肇事者信息实体e r 图 实时事故信息实体e r 图如图2 9 所示。 图2 9 事故肇事者信息实体e r 图 1 4 2 系统总体设计 2 5 3 数据库总体设计 数据库的概念结构设计完毕后，将上面的数据库概念结构转化为某种数据库系统所支 持的实际数据模型，也就是数据库的逻辑结构。本系统使用的是s q ls e r v e r 数据库，s q l s e r v e r 数据库使用方便，数据存储量也比较大，适合本系统。对于更大的数据量的系统， 则可以使用o r a c l e 数据库等。 基于上述的需求分析，需要设计下列各表，这些表之间互相关联，共同存储着系统所 需要的数据。在设计数据库表的过程中，本课题的数据库表根据以下几个原则：设计一个 数据库表只存储一个实体或对象的相关信息，不同的实体存储在不同的数据表中；如果实 体还可以划分，实体的划分原则是能够比当前系统要开发的实体的颗粒度小；数据表的信 息结构一定要合适，表的字段数量一定不要过多；扩充信息和动态变化的信息一定要在不 同的表里分开；对于多对多这样的表关系系统尽量不出现等 2 4 1 。 事故信息管理系统包括4 项基本内容：系统设置，事故信息管理，分析以及事故查询。 该数据库( j i a o t o n g m a n a g e ) 设计了5 个数据库表，如表2 1 所示： 表2 1 数据库表 系统管理员表2 2 用来保存管理员信息( 如用户名、密码、登录级别等) 。 表2 2 t b _ o p e r a t o r 系统管理员信息表 事故信息表2 3 用来保存事故基本信息。 表2 3 t b _ j i a o t o n g i n f o 事故信息表 1 5 两安一l ：业大学硕十学位论文 事故类型表2 4 用来保存事故发生的性质，根据它来采取相应的处理方法，以便实时 的监控事故。 表2 4 t b _ s h i g u k i n d s 事故类型信息表 肇事者信息表2 5 用来保存肇事人员的信息( 如姓名、所属公司、事故编号等) 。 表2 5t b _ _ p r o v i d e r 肇事者信息表 事故处理信息表2 6 用来保存事故处理的信息。 表2 6 t bc o n t r o l i n f o 事故处理信息表 根据数据库的需求完成如上设计，即可以实现将采集到的数据存储、处理，通过对数 据的分析可以采取有效措施降低交通事故发生率。 2 6 小结 本章介绍了系统相关的基本知识，包括系统的需求和总体设计。重点研究了g p s 的 工作原理以及一些系统关键技术，包括串口通信技术，g p r s 无线通信技术，数据库技术 等，为系统的实现奠定了良好的理论基础。 1 6 3 监控端系统设计 3 监控端系统设计 3 1 总体设计 监控端部分主要是通过g p s 接收机接收g p s 定位数据，通过串口可以将各种交通流 量信息、事故定点信息、场外监控数据等各种数据有效结合，可以对各个高速公路、交警、 城市紧急救援单位监控中心进行支持，动态监控道路事故状况，包括事故的类型和