【毕业学位论文】（Word原稿）基于GPS的城市出租车智能管理系统设计与实现-软件工程

申请同济大学工程硕士学位论文 二一二年十月 基于 城市出租车智 能管理系统设计与实现 姓 名： 学 号： 所在院系：软件学院 职业类型：工程硕士 专业领域：软件工程 指导教师： 校外导师： 基于 城市出租车智能管理系统 in 2012 基于能管理系统设计与实现 同济大学 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、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。 学位论文作者签名： 年 月 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名： 年 月 日 年 月 日 济大学学位论文原创性声明 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。 签名： 年 月 日摘要 I 摘要 在中国经济高速发展的这个时代，作为组成城市交通中的一个重要部分 着这个行业的不断发展，在其中也引申出了各种管理问题，并实实在在 的地放在了对出租车行业进行管理的相关政府单位及出租车企业管理者的面前。出租车行业作为直接面向广大人民群众的一个服务性行业，由于其运营的车辆分布在城市道路的各个地方，因此所涉及到的范围比较广，对社会的影响也比较大。随着出租车行业的不断扩大，面对怎样合理规划出租车实时运力的投放，怎样加强对出租车的安全管理，如何加强企业对驾驶员及车辆的监管，如何避免车辆空驶来降低油耗，以及如何为出租车乘客提供更便捷更满意的服务等等现实的问题，都需要不断提供更先进的系统来支撑和解决。只有通过先进的系统来解决这些问题，才能实现出租车 行业的稳定健康发展，同时保证出租车企业本身在行业内具备更高的竞争力，实现行业的快速发展及高速运营。 3S 技术，即 集卫星定位与导航技术、空间技术和计算机通信技术与一体的新型现代信息技术，它通过多学科的高度集成来实现对空间信息的采集、分析、处理、管理、传播及应用等。 要是应用于 航方面；而 者的结合，则往往应用于集成系统，车辆防盗与监控、车辆调度等项目中。本文研究及设计的目标是将 3其应用于出租车行业的实时监控调 度中，从而解决出租车系统监控中心在实际操作过程中经常出现的问题，例如当前大多数调度系统中因由于采用集中式架构而引起类似监控车辆数目有限、系统可扩展性差、调度机制不合理等各种问题。针对目前各种系统存在的问题，本文对监控调度中心提出了一种分布式架构的设计方案， 很大程度上提高了出租车的调度效率 和能力 。通过调试仿真该系统在出租车管理 中增加交通的机动性，提高运营效率；降低事故的可能性，避免事故，提高出租车公司的服务管理水平 。 关键词 ：全球定位系统；出租车智能管理；地理信息系统；出租车调度I n of in of is a In of to of of in of a is a to in on to a of to to of to so on to be by to to s to in 3S ( , is a of to PS of is in In is G in in in by as is to is a In of a of II in to of to to of 录 录 第 1 章 引言 . 1 租车管理系统概述 . 1 究目的和意义 . 2 内外研究现状 . 2 外研究现状 . 2 内研究现状 . 3 课题主要研究内容 . 4 文的组织结构 . 5 第 2 章 出租车智能管理系统关键技术 . 6 球卫星定位系统技术 . 6 球定位系统组成 . 6 球定位系统原理 . 7 论及相关技术概述 . 8 理信息系统数据 . 9 理信息系统软件及应用开发 . 10 通地理信息系统 . 10 线传输技术 . 12 3 系统功能及需求 . 13 统需求特 点 . 13 统设计原则 . 15 统功能 . 16 本 能 . 16 户端通信功能 . 17 辆监控和调度功能 . 17 据管理功能 . 18 第 4 章 系统总体设计 . 19 统原理 . 19 统体系模式 . 19 传统 C/S 系统的体系结构 . 20 新型 统的三层体系结构 . 20 统的 计模式 . 22 计模式 . 22 计模式的优点 . 23 布式计算在本系统中的应用 . 23 统平台选择 . 25 目录 V 服务器操作系统 . 25 务器 . 25 应用服务器（ 务器） . 26 地图应用服务器 . 27 数据库服务器 . 28 第 5 章 出租车智能管理系统的实现 . 30 布式组件 计 . 30 体 设计与实现 . 30 话 设计与实现 . 31 系统数据库的设计 . 33 间数据 . 34 间 属性数据 . 34 性数据 . 36 统具体实现过程 . 37 户端的实现 . 39 户端 通讯实现 . 40 制器（ 计 . 42 信服务模块设计 . 44 统实现主界面 . 47 群与负载均衡 . 50 第 6 章 结论与展望 . 53 论 . 53 一步工作的方向 . 53 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 56 个人简历 . 错误 !未定义书签。 第 1 章 引言 1 第 1 章 引言 租车管理系统概述 随着道路交通运输事业的不断发展，信息化技术在交通领域的应用水平也随之不断提高，典型的表现就是 球卫星定位系统在道路交通运输的生产及管理中开始扮演起越来越重要的角色。随着社会的不断 进步和老百姓生活水平的逐渐提高，人们对道路交通条件开始有了越来越高的要求。城市出租车作为一个城市公共交通体系的重要组成部份，扮演着城市文明窗口的作用，在某种程度上，其代表了所在城市的人文环境及氛围。机动车辆作为人们的代步工具，在给人们的生活和出行带来方便的同时，也带来了很多难以解决的问题。在人类踏入新世纪以来，全球机动车的保有量呈大幅度增长的趋势，尤其是发达国家，仅是少数的几个国家就拥有数亿辆汽车。以中国为例， 2011 年中国的汽车总产量为 辆，其中民用载客汽车大约有 辆。在汽车快速增 长的同时，城市的道路建设却远远落后于城市规模及社会经济的快速发展，导致全球各国都出现不同程度的交通堵塞和交通拥挤现象，而且这种交通紧张的状况还有不断加剧的势头。在这种背景下，交通事故的发生率与日俱增，车辆盗窃、抢劫，分散不易管理以及造成的环境污染等问题，都开始对经济社会发展和人民生活水平的提高造成了严重的影响。因此，如何使机动车辆的管理更加科学，以及如何提高车辆的安全运营，已经成为人们面临的一个亟待解决的问题。 城市出租车作为公共交工具的一种，在城市的汽车客运系统中发挥着非常重要的作用，出租车由于快捷、方便 、舒以及服务面广等优点，和其他公交方式有着很大的区别和不同。它不但满足了人们出行的需求，更是具备强烈的“个性化”出行的特色，不单在服务方式上满足了人们特殊的出行需求，也在一定程度上承担了一部分城市公共交通客运的不足。以北京市的出租车为例， 2009年共接待乘客的运量达到了 68000 万次，比例，因此出租车在北京已经成为客运交通系统中的一个不可或缺的部分。然而出租车运输在各个城市在经历了一个高速发展时期后，因为各个城市基于 2 准入政策的不完善以及决策部门对市场预计的误差，不同程度 的导致了出租车总量过剩的现象。当前各个城市对出租车的运营管理，大部分都采用以自营为主、调度为辅的管理办法，“路抛式”成为该行业的主要运营模式，所有这些因素都为交通问题的发生埋下了隐患。 由于上述这些原因，研发出基于 3S 技术（ 出租车实时自动调度系统就显得十分的必要和势在必行。利用自动调度系统就可以实现出租车的合理调度、缩短乘客的等候时间及减少空驶率，达到减轻交通拥堵和提高工作效率的目的。 究目的和意义 出租车作为一个城市公共客运交通的一个重要补充，给广大市民的日程出行带来 了很大的方便，尤其是遇到紧急事情或者城市公交车收车时段更是体现了其重要作用。出租车在补充城市公共交通客运不足的同时，也随之带来了一些问题，主要表现两个方面：首先是在城市中心区域及郊区出租车数量分布不均匀，出租车大部分都集中在市区中心地带，而郊区却很少，从而造成出租车空载率较高；其次是随着出租车的增多，容易造成交通堵塞，造成更多的环境污染 1。 因此怎么样管理调度好出租车就成了城市交通管理部门面临的首要课题，能够安全、高效以及合理的调度，也就成为出租车行业管理的关键所在。随着信息化技术的飞速发展，各种计算机 网络技术及无线通信技术开始应用在各个领域，出租车管理调度系统的自动化及智能化也成为未来该行业的发展方向。所以开展针对出租车智能调度系统的研发，能够对出租车的实时调度提供有力的支撑。将 3发展我国的车辆自动定位及汽车导航产业，具有十分重要的社会现实意义和经济效益。 内外研究现状 外研究现状 第 1 章 引言 3 国外的出租车行业对车辆实时调度监控系统较早就进行了研发，上个世纪末就有很多成熟的 动调度系统投放市场。当前，在国际上比较流行的系统是美国模块公司研发的 是一个软、硬件功能都强大的综合监控系统，经过近几年的不断发展，目前已经可以实现 位、自动排车派车、自动监控等功能，已经开始广泛的应用于世界上的很多国家和城市。现在很多发达国家的大城市，基本上都采用了电话叫车的方式，因此在纽约、巴黎、新加坡等城市，在公路上几乎看不到空载的出租车，人们一般都不在街头打车，都是通过电话预约。以新加坡的出租车公司为例，他们早在 1995年底就开始装备较完备的 出租车乘客提供便捷的派车服务。 国外的基于 星定位的出租车管理调度系统，在技 术层面的演变发展过程主要体现在以下两个方面，即数据通信传输和系统架构设计。世界上第一代出租车调度系统最典型的的代表，是 90 年代澳大利亚一家叫做 公司研发的系统，该管理调度系统采取的是文件的存储方式，每天能够容纳的最大的订单数目是 5000 笔，一共能够接入不超过 3000 辆出租车 2。限制该系统发展的主要因素是需要建立大量的基站来进行数据通信。虽然如此，该系统在20世纪末依然被全球很多国家采用，业务遍布世界各地，成为出租车行业最成功的管理调度系统运营提供商 3。进入 21世纪后，新研发的出租车调度管 理系统开始采用移动电信运营商构建的基础通信网络来实现数据的通信，因此大大减少了系统基础设施建设的投入。在系统的架构设计方面，随着计算机软硬件设施的不断发展，尤其是出现数据库技术，分布式计算方法以及服务器集群后，目前开发的系统在车辆接入数量及能容纳的乘客电话订单数目上都有了质的飞跃，理论上可以达到不受限制的程度。 内研究现状 在国外出租车调度系统飞速发展的同时，国内的工程技术人员及广大学者也紧随世界步伐，在上世纪末就开始了相关系统的研究。最早在国内介绍出租车智能化管理调度系统的是曹春生，在他 1999年发表的文章中，出租车调度系统有以下几个子系统组成：叫车输入子系统、调度子系统、数据及语音通信子系统、车载设备等，文章还对调度的原理及过程进行了详细的介绍。以此为开始，越来越多的研究人员和该行业的从业者开始对出租车管理调度系统投入关基于 4 注和研究。李娅、陆建等在系统中引入出租车净需求的概念，设计了一种出租车等候站点调度系统，该系统的基础是 术，系统原理简单，易于实施，有很便捷的操作性，可以很好的解决出租车行业的一些问题，是出租车的服务水平得到提高。王学慧、陈新等设计出了一种新型的出租车叫车方式，该系统的 工作流程是乘客在候车站点通过相关装置发需求信息，然后周围一定距离内的空载出租车结合自身情况作出回应，最后被选中的出租车将自己的信息反馈给等候站点的乘客。该系统能够无需调度中心支持而达到完全的自主呼叫，因此可以快速的调度出租车。杜慧勇从通信的技术角度出发，开发了一种基于 出租车智能管理调度系统，采用中间过渡技术，完成车载终端和调度中心的通信管理，通过中间件对出租车信息进行统一的封装，在中间件和客户端间使用更高层的通信协议，实现出租车调度的快捷、高效与方便。 据有关部门的不完全统 计，截至 2004 年，已经有 辆在运营的出租车安装了车载 位终端。在深圳市 2008 年召开的第三届卫星定位运营商大会上，相关的统计信息表明，我国有将近 4000 家各种大小规模的卫星定位运营公司，在网的运营车辆有百万之余，而且仍有 40%多的增长势头， 位终端的相关销售及服务市场达到近 100 亿的规模。在这种背景下，也只有上海、北京等一线发达城市采用过出租车调度系统 4。北京市由奇华通讯有限公司在1999年 7月建成了北京奇华出租车调度中心，系统采用 共采用 8个信道，拥有 16个调度终端，覆盖整个北京城区和附近郊区。但是由于国内出租车行业的实际情况，奇华公司为投入巨资建立的 务网付出了惨重的代价。因为安装及使用费用过高，导致入网车辆较少，使得车辆调度服务的效率得不到保证。而且由于国内的乘客习惯于在道路两边直接招手叫车的方式，导致该系统并没有达到事先预期的效果。上海市在 2005 年对该市的 2000余辆出租车，在一部分区域采用智能化管理系统运营，并逐步将该模式推广至全市出租车行业内所有的车辆 5。该系统的核心内容就是基于先进的计算机网络及通信技术，构建高效、快速的管理调度中心 ，将出租车候车点，出租车辆本身组成一个现代化的服务网络，从而实现对城市所有出租车资源配置的最优化。 课题主要研究内容 第 1 章 引言 5 由于很多出租车公司逐步采用导航系统，使得导航服务器需要处理大量的数据，因此导航系统需要有稳定和高效的服务器做支撑。本文首先介绍了国内外车辆监控技术的现状及发展趋势，并结合当前出租车行业需求和背景，分析了出租车监控的必要性和可行性；继而对与本文有关的基础技术和原理做了详细的介绍和分析；在理论分析的基础上，本文给出了系统的总体设计方案，包括系统需求、功能、及软件设计模式等；重点分析了实 现监控中心的分布式计算原理、实现技术；同时，对系统进行分层设计和实现，并给出了系统部分界面。 文的组织结构 通过阅读相关文献，比较分析及市场调研基于 出租车智能管理系统设计与实现 论文的组织框架如下： 第一章绪论部分，主要介绍了论文的选题背景及意义，出租车智能管理、调度的国内外研究现状 ； 第二章介绍了出租车智能管理的相关技术，主要包括全球定位（ 技术、地理信息系统（ 无线传输技术；第三章系统总体设计部分，该部分从系统的原理，系统体系模式，系统功能和特点，系统 第四章出租车智能管理系统的实现，主要包括系统开发平台的选择、数据库的设计实现及主界面的实现。第五章对全文总结，下一步工作展望。 基于 6 第 2 章 出租车智能管理系统关键技术 伴随着 球卫星定位系统（ 理信息系统（ 及 线通信技术的不断成熟和日渐广泛的应用，给构建出租车行业的实时管理调度系统提供了坚实的技术保障，也使得系统的搭建成为可能。同时由于现实 中的切实需求，也使得研发基于 3统的构建关键在于依靠三大 3时结合相应的软件设计，将它们整体捏合而成。 球卫星定位系统技术 球卫星定位系统 (一套具有很高精度的定位和导航系统 , 是由美国的国防部主导建立起来的。该系统最初只应用于美国的军事领域，后来才慢慢的进入到民用应用领域 6。 术应用于公共交通领域始于 20 世纪 80 年代。出租车安装 位系统后，可以实时的得到自身所处的精确位置，汽车通 过安装对应的终端，还可以将这些位置信息传送给指挥调度中心，从而能够实时地掌握每个车辆的具体地点，便于对其进行调度，尤其是在灾害抢险及相关的指挥决策方面，能够发挥着非常重要的作用。当前用于交通行业的 0年代初建成的第二代 二代系统一共有 24 颗卫星组成，可以提供汽车的三维位置、行驶时间及速度等信息，同时还能够实现全天候 24 小时内提供高精度的全球定位服务。 球定位系统组成 球定位系统主要由卫星、地面监控设施以及信号接收机等三大部分构成。其中卫星有 21 颗在轨工作卫星和 3 颗在轨备用卫星组成。所有的 24 颗星全部均匀的分布在 6 个平面轨道内，轨道平面的倾角为 55o，每一个轨道平面间的角度为相距 60o。每颗卫星在各个轨道平面内的升角度距离为90o 。在同一个轨道上的卫星相比西边相邻轨道上的对应卫星升角度距超前为第 2 章 出租车智能管理系统关键技术 7 30o。当使用 星导航信号定位时，需要观测到 4 颗 星才能计算出测站的三维坐标 7。 星每一颗内部都装有 4 台高精度的原子钟，这些原子钟通过发射标准频率，为其提供十分精确的标准时间。 每颗 星的位置是由地面监控系统提 供的星历算得的。地面监控中心监测所有卫星上各种设备的正常工作情况，以及控制卫星能够始终沿着预定轨道运行。同时还要保证各颗 星的时间标准是统一的。所有 作卫星在地面的监控设施由一个主控站、三个注入站以及五个监测站组成。 星信号接收设备能够对捕获待测卫星发出的信号，然后跟踪捕捉到的卫星的运行情况，并对接收到的 星信号进行处理，主要包括信号变换及放大等，然后就可以实时地方便地算出被测基站的三维坐标位置，还包括三维的时间和速度。安装了 收机的出租车在行驶过程中实行动态定位，接收机天 线在追踪卫星的过程和地球发生相对运动，然后接收机就可以根据 球定位系统原理 一个 星接收机，可以同时测定它自身到其中 4 颗卫星的距离。详细的测量办法是测出 星发射的电波到其传输至接收机的时间 ， 然后和光速 c 相乘即可求出距离 P 为 8： )-(cc sr （ 2 上式中， 卫星信号被接收到的时间， 卫星电波发射出的时间。因为信号接收机上的时钟及 星上的时钟与 子时钟存在不同步现象，即钟差，假设其分别为 所以实际测出的两者时间差就包含有钟差在内，可以用 )( ）（， 来表示。 星的钟差由地面的监控系统测出，因此它是一个己知值，所以它实际测出的距离被叫做伪距观测值，它的计算公式在加上卫星钟差矫正后为： )-( （ 2 一般来说要想足够精度地测定接收机的钟差是难以实现的，因此常把它作为一个待定参数，然后结合 星接收机的位置坐标值一 起解算出来。公式可以写成： 基于 8 222, )()()( （ 2 式中 示第 j 颗 星处于地球协议坐标系，即 一般被认为是己知常量 9。而 X 、 Y 、 Z 为 星接收机处于同一坐标系中的位置坐标数据，与 星接收机的钟差一样，为待求变量。这样一共就有四个未知的参数，因此要想求解，就至少需要对 4 颗卫星进行同步观测，也即求出 4 个伪距观测数值 P ( j =1， 2， 3， 4)。这样就能够构建 4 个方程式组成的方程 组，解方程组即可求出 星接收机的位置坐标 ( X， Y， Z )和其钟差 个 位的工作原理如图 2示。 图 2作原理图 论及相关技术概述 地理信息系统 ( 有 的地方 又称为“ 地学信息系统 ” 或 “ 资源与 环境信息系统 ” 。它是一种十分重要的特定的空间信息系统。 件系统 的 支持下，对 地球 整个或部分表层（包括大气层）空间中的有关 空间和 地理分布数据进行采集、储存、管理、 计算 、分析 处理 、显示和描述的 信息 系统 10。 统采用地理模型的分析手段，可以提供实时的多空间和动态的地理相关信息，是专门为地理研究、管理评价、地理数据定量分析及提供决策服务而构建起来的一种信息系统。 简而言之， 统既是分析 和管理地理 空间数据的工程应用技术，又是跨越地球科学、 空间 科学和 信息 科学的 一个 基础应用学科。 该 系统由计算机 软第 2 章 出租车智能管理系统关键技术 9 硬件 及 相关的过程方法所 构 成， 主要用途是 支持空间数据的 各种分析处理 ，以便解决复 杂的管理 和 规划 等 问题。 它处理 的对象是多种地理空间 的 实体数据 以及 其 相互之间的 关系，包括遥感图像数据、空间 定位 数据、 图形及 属性数据等 。 与常见的信息管理系统做比较， 11： (1)析处理的 对象是空间数据 及各种 属性数据， 也就是 点、线、面、体 等这些 有三维要素的地理实体。空间数据的 最主要 特点是 所有 数据都按统一的地理坐标 来 编码， 能够达到 定位、定性和定量的描述 ， 这是 别于 其它系统的根本标志，也是 该领域的 技术难点。 (2)够通过空间解析式模型来实现对空间数据的分析和处理。 (3)在 的因素在其中有着越来越重要的作用和影响。 理信息系统数据 统中的数据是系统操作的对象和管理的内容，一般将它们划分成二种数据类型，即空间特征数据及属性特征数据 12。 (1)空间特征数据 空间特征数据往往可以划分成关系数据与几何数据两类，其中几何数据用来描述相关地理实体的位置及形状大小，一般用坐标值来表示。空间 地理目标按自身的几何特征可以划分为点、线、面这三种类型。这三种基本类型目标点状、线状、面状间有着严格的邻接、关联与包含等拓扑关系。对地理信息系统来说，其空间特征数据是用来定义地理实体的手段，也是用来联系各种地理实体的非图形信息的一个纽带。 (2)属性特征数据 属性特征数据是地理信息系统的主要处理对象，是对一个地理实体的具体描绘