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1、总第191期交通科技SerialNo.1912002年第2期T ransportation Science&TechnologyNo.2 Apr.20023教育部优秀青年教师资助计划项目收稿日期:2001211223GPS及GIS在智能交通监控系统中的应用3杨大凯王剑蔡柏根(北方交通大学运输自动化研究所北京100044)摘要智能交通系统(ITS)是整个交通系统的发展方向。全球定位系统(GPS)以及地理信息系统(GIS)都有着越来越广泛的应用。文中在讨论GPS、GIS技术的基础上,提出系统要实现的基本功能,并结合实例探讨系统的实现过程,最后就系统的应用前景进行说明。关键词GPSGIS智能交通(I
2、TS)1前言智 能 交 通 系 统(intelligent transportationsystem,ITS)是整个交通系统的发展方向,它是利用最先进的信息技术,形成人(包括驾驶员和管理者)、路、车三位一体的全新交通系统。ITS能够综合利用现有的道路设施,减少交通拥挤,加强对车辆的集中管理和调度,为驾驶员提供足够的交通、公安、娱乐等信息,实现人、车、路三者的密切结合和统一,从而可以极大地提高交通运输效率,保障交通安全,增强行车的舒适性,改善环保质量,提高能源利用率。为此,ITS已引起各国的重视,北美和欧洲以及亚洲的经济发达、交通拥挤的国家,都投入巨资列入国家计划,以推动ITS的发展。2系统中关
3、键技术简介2.1全球卫星定位系统全 球 卫 星 定 位 系 统(global positioningsystem,GPS)是由美国国防部发射的由24颗卫星组成的全球定位系统。这些卫星全天候昼夜发送高精度的、连续的、实时的定位和定时信息。提供给用户三维坐标、三维速度分量和精确定时。GPS系统由三部分组成:空间部分、控制部分、用户部分。可提供两类定位服务:基于粗码(C?Acode)的标准定位服务(SPS)和基于精码(P?Ycode)的精确定位服务(PPS)。定位时接收机的位置是一系列卫星“伪距”的交点,用4颗卫星即可确定三维坐标和时间1。特别是美国国防部宣布取消S?A政策以后,定位精度得到进一步提
4、高。目前,历经20余年发展,是一种全球性、全天候、连续的卫星无线电导航系统,已成为目前世界上应用范围最广泛、实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统。2.2地理信息系统地 理 信 息 系 统(geographyinformationsystem,GIS)是20世纪60年代发展起来的对空间信息进行分析与研究的技术,是测绘学、地图学、地理学、遥感与卫星定位技术、现代通信技术、专家系统技术等多种学科和技术集成的基础平台,是多种学科交叉的产物。地理信息系统以地理空间数据库为基础,采用空间模型分析方法,适时地提供多种空间和动态的有用信息,用于综合开发、区域发展规划、环境保护、灾害预防、投资环境评价
5、和决策分析等方面。2.3M apinfo开发平台随着计算机技术的发展与革新,商业化的GIS开发工具软件成为20世纪90年代发展最快的软件产业之一,目前GIS在国外已相当成熟,尤其是在美国和加拿大,据统计已有400多种GIS软件产品。M ap Info是美国M ap Info公司开发的功能强大的专业GIS产品。它不仅具有数据输入和编辑、数据投影转换、制图与输出、数据查询与分析等基本的GIS功能,而且M ap Info提供了M apbasic语言全球用户二次开发;用户也可以很容易地将M ap Info集成到VC+或VB程序中。3系统构成GPS?GIS技术在我国交通运输中的应用主要集中在车辆定位导航
6、、监控、指挥、调度系统等方面。较典型的应用如:GPS辅助调度系统,利用GPS定位辅以GIS技术,实时了解车辆运行实际位置、运行方向和运行速度等信息,并将定位结果通过无线通信通道传输到调度中心。实现交通系统内车辆的实时全程监视,保证运输车辆的安全。应用于公共交通系统,GPS连续提供的车辆运行位置信息覆盖车辆运行的整个线路,可用来辅助运行计划调整,准确地进行车辆实时监控和调度指挥,从而实现机车跟踪,提高车辆的使用效率,缩短滞留时间。典型的系统组成框图如图1所示。图1GPS车辆监控系统示意图4系统实现过程简介4.1系统的基本目标功能(1)地图显示以及操作功能能够同时显示不同地图所对应的不同区域以及同
7、一地图的不同部分;操作员通过地图显示全景以同时观察多辆车的运行轨迹。地图操作,除了可以进行基本放大、缩小、漫游、分层显示外,还可以显示地图上任意点的经、纬度,计算任意两点间的距离,查询叠加在地图之上的地理目标信息。(2)车辆位置显示功能有三种显示方式可供选择不断的显示(缺省方式)、根据操作员指令显示在特写区域内同一车队所有运营的车辆、根据操作员指令禁止显示,当收到报警时才显示。(3)数据显示功能将移动目标的实时位置以帧列表的方式显示出来。如经度、纬度、速度、状态、时间、日期等。(4)历史数据显示操作员可根据用户需要显示相关车辆的历史运行轨迹、存入或调出每辆车的资料,车载系统单元识别码、车辆牌号
8、和车辆型号、驾驶员姓名、所属单位或个人等。4.2系统实现4.2.1监控中心的实现传统软件开发模式开发出的应用系统,往往缺乏结构性,其资源使用的效率低下,并且难以与其他的应用程序实现真正的互用,系统的可维护性在很大程度上取决于开发人员的经验和能力。基于组件式的新型软件开发技术,为应用系统的开发提供了新的思路,开发人员首先实现可靠的、小的对象模块(部件),或是直接从其他软件开发商获得需要的功能部件,然后利用这些功能部件装配成更复杂的系统,通过控制各个小部件的可靠性和可维护性,实现对整个应用系统的可靠性及维护性的控制。VB、VC对象嵌入技术(OL E A utomation)是一 种编程接口,在可视
9、化编程环境(如VB,DEL PH I,PB和VC+)当中,可以将M ap Info作为一个对象使用,并将其嵌入应用程序,应用程序可通过调用M ap Info对象的方法和设置其属性来实现。可使用多种语言编程集成M ap InfoProfessional,但使用最多的是VC和VB。本项目中使用VB集成,后台运行M apinfo的方法。然后通过OL E技术调用M ap Info中的相应功能句柄,实现电子地图的基本控制操作。4.2.2车载部分的实现(数据采集、预处理及数据交换)应用程序应该既能实时读取GPS接收机送来的定位数据及GPS卫星电文,向GPS接收机输出设置信息,又能在无需延时或不丢失数据的前
10、提下,同时对接收到的数据进行各种处理,并将所需信息实时传送给信息管理软件。根据以上需求,就需要利用W indow s的多任务和事件驱动机制,当GIS软件在前台运行时,可在后台运行通信任务程序。车载系统组成框图如图2所示。45杨大凯等:GPS及GIS在智能交通监控系统中的应用2002年第2期V isualBasic6.0中具有功能完备的A ctiveX通信控件:M scomm 32.ocx。在应用程序中可以采取查询或中断的方式访问通信端口。在此设计了相应的通信事件处理子程序,通过调用这些子程序来实现通信,子程序首先对串行口设备进行初始化,初始化主要包括:指定串口设备名,设定波特率、奇偶校验选择、
11、数据位、停止位、建立设备控制块等。通信原理流程图见图3所示。4.2.3系统运行情况简介(1)车辆定位车辆上的GPS接收机通过全球定位卫星获得当前车辆的定位信息,然后通过串口将数据传送给监控系统。如图4所示。(2)数据保存通过接收串口的定位数据,从中提取出定位信息,从而在地图上显示车辆的具体位置,并且提供相应的经纬度数值。本系统有两种数据保存方案,其一是原始数据的保存,其二是经过预处理后的数据保存。两者各有不同的功能:原始数据可以用于将来的数据回放,从而明确了解车辆的运行轨迹;处理后的数据可以方便地用于直观分析,可以很清楚地看出车辆所经过的经纬度信息。图4是系统运行图之一,显示的情况是GPS接收
12、机定位与监控中心实时监控。图4接收定位与实时监控图5是系统运行图之二,显示的情况是通过OL E技术调用M ap Info中的相应功能句柄,实现电子地图的基本控制操作,本图显示的是地图局部放大功能,可以更清楚的了解接收机的定位情况。其他还可以实现地图图层的缩小、移动、图层控制、文字控制等。图5局部放大效果图(3)信息查询与图层控制可以对车辆周围的地形、地貌和地理信息进行查询,如:车辆周围的金融网点、企事业单位、道路桥梁等信息,并且可以对地图上某一特定区域内的车辆情况进行跟踪。另外可以根据实际需要,调整图层在地图窗口中的显示,从而更为方便地看到地图中不同对象的对比。如图6所示。图6信息查询与图层控
13、制(4)轨迹回放车辆完成某一跑车任务后,其行车路线将被保存下来,如果需要可以重新将该车辆的的行车轨迹及当时的地理信息在电子地图上显示出来,设定时间,可以调整回放的速度或路段。通过以上设计的实际系统,在北京市内三环部分路段进行了实地试验,系统运行如图7所示。图7轨迹回放显示5结论近年来我国经济建设迅速发展,银行、交通、公安等重要部门所属车辆的实时跟踪、调度和报警等功能,以及相应准确、完整的地理信息,电子地图等控制需求成为急需。本文从车辆监控的基552002年第2期杨大凯等:GPS及GIS在智能交通监控系统中的应用本要求出发,介绍了基于M ap Info矢量电子地图的图层图标控制、地理信息动态查询
14、、用户信息控制,以及轨迹回放等技术的设计和实现方法。这些方法除用于车辆导航外,还可以广泛应用于水利勘测、资源普查、交通控制等其他领域。配合精确的电子地图,完善的地理信息管理系统GIS,从而达到高精度的定位信息和地理相关信息的查询与资源共享。可以说,移动目标监控与调度系统在公交、银行、公安、特殊部门的应用前景是非常广阔的。从以上讨论中可以看出,在开发移动目标监控与调度系统应用的同时,也将带动与其相关技术的发展,进而推动我国智能交通系统的研究与实施,为我国国民经济的加速发展提供更便利的运输条件,系统的应用前景是非常广阔的。参考文献1蔡柏根.利用GPS和惯性传感器的融合集成实现车辆定位.北方交通大学
15、学报,2000(5)2David M cN eil M ayhew.M ulti2rate sensor fusion forGPSnavigationusingkalmanfiltering.Thesissubm itted to the facilty of the V irginia PolytechnicInstitute and State U niversity in partial fulfillment ofthe requirements for the degree of M aster of Sciencein Electrical Engineering,M ay,19
16、993彭飞,柳重堪,张其善.基于模糊逻辑的GPS?DR组合导航系统地图匹配算法.遥测遥控,2001,22(1)4美赵亦林.车辆定位与导航系统.北京:电子工业出版社,19995郑平方,张其善,李先亮.车辆组合导航定位系统.电子技术应用,2000(4)6V b A ctivx控件参考手册.北京:科学出版社,1998Abstract:Intelligent T ransportation System(ITS)is the development heading of the transportationsystem.Global Positioning System(GPS)and Geograp
17、hical Information System(GIS)have beenused more and more w idely.In this paper,firstly,GPS and GIS techniques are introduced.Then thefunction of the system is discussed.The aim of this paper is to set up a system on the base of aninstance.The process of the system realization is discussed,and the te
18、st results are also shown.A tlast,this future of the system is introduced.Keywords:GPS;GIS;ITS中国武汉2002年智能运输系统(ITS)高级研讨会即将举行为进一步促进交通现代化,全面提高交通运输的效益与效率,由中国交通运输协会青年科技工作者委员会、武汉理工大学ITS中心、美国堪萨斯大学运输中心、武汉理工大学交通学院、交通与计算机杂志社、交通科技 杂志社、交通企业管理 杂志社、交通高教研究 杂志社、武汉交科交通工程咨询监理中心、交通计算机应用信息网等共同发起的中国武汉2002年智能运输系统(ITS)高级研
19、讨会将于2002年5月28日 6月2日在武汉举行,会议将特邀美国堪萨斯大学李强博士、东南大学长江学者特聘教授陆健博士、国家ITS工程技术研究中心副主任、交通部公路科研所副所长王笑京研究员、武汉理工大学副校长严新平教授到会进行专题讲座。研讨会采取专家讲课和专业技术人员研讨、交流的形式。研讨会主要内容:1.国内外智能运输系统的现状、发展、研究领域、方向;2.智能运输系统体系框架。ITS层次的建立,中国ITS体系框架(逻辑框架,物理框架);3.奥运会与智能交通。申奥成功带来的交通数字化建设;4.智能运输的基础性工作。信息标准、ITS的经济性评价、ITS与环境保护、ITS的政策与法规、ITS的商业前景;5.交通管理。交通规划管理、交通控制、事故应急处理、交通规则与管理;6.不停车收费系统。电子商务、ETC系统、收费站结算系统;7.运输系统。铁路、水运、航空和公路的联运及多种业务。有意参会者请速联系,会议秘书处将根据参会名单发正式通知。联系人:王自刚余锦荣电话?传真:(027)86551249电子邮件:JTJSJ65杨大凯等:GPS及GIS在智能交通监控系统中的应用2002年第2期