吳 昊，劉 巖，吳北平

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.北京都宜環(huán)球科技發(fā)展有限公司，北京 100081）

基于天地圖的GPS車輛監(jiān)控中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳 昊1，劉 巖2，吳北平1

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢） 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.北京都宜環(huán)球科技發(fā)展有限公司，北京 100081）

以“天地圖”地圖服務(wù)網(wǎng)站為平臺，結(jié)合GPS定位技術(shù)和3G無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了GPS車輛監(jiān)控中心系統(tǒng)；討論了車輛監(jiān)控中心系統(tǒng)的背景和意義；介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、總體框架、關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)據(jù)庫及功能實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)測試證明，該系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，能滿足一般情況下車輛監(jiān)控的需求。

天地圖；GPS；車輛監(jiān)控

1 研究的意義

近年來，隨著汽車的普及，城市中道路擁堵、交通事故、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重，成了困擾城市發(fā)展的難題。此外，隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，消防、公安、醫(yī)療、物流等許多重要領(lǐng)域需要對多個移動目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時的導(dǎo)航、監(jiān)控和指揮調(diào)度。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)城市交通智能管理的車輛監(jiān)控系統(tǒng)受到了世界各國的青睞[1]。GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)是一種結(jié)合了GPS定位、GIS技術(shù)和無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的車輛管理調(diào)度系統(tǒng)，不但可以改善交通管理，提高道路通行能力，而且在一定程度上能夠保證車輛安全，提高應(yīng)急能力，具有經(jīng)濟(jì)和社會雙重效益[2]。本文利用“天地圖”地圖服務(wù)網(wǎng)站提供的省級電子地圖和二次開發(fā)應(yīng)用接口，設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于各省市交通路況的GPS車輛監(jiān)控中心系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車輛監(jiān)控定位、歷史軌跡回放、車輛偏移預(yù)警和信息查詢等功能。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控中心系統(tǒng)、GPS車載終端、3G無線通信系統(tǒng)以及后臺服務(wù)器4部分組成。監(jiān)控車輛通過車載GPS 接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，經(jīng)3G無線通信技術(shù)和Internet網(wǎng)絡(luò)將車輛定位信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的服務(wù)后臺，服務(wù)器端軟件對定位信息解析后存儲在數(shù)據(jù)庫中，監(jiān)控中心通過Web Service 訪問數(shù)據(jù)庫，在GIS 平臺上顯示車輛的軌跡，以實(shí)現(xiàn)對車輛的監(jiān)控。

2.2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用B/S構(gòu)架，分為應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和支撐層3層框架體系[3]（圖1）。

圖1 GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

1）應(yīng)用層。由6大功能模塊組成，負(fù)責(zé)接收和處理各種數(shù)據(jù)，響應(yīng)用戶的請求，從數(shù)據(jù)層調(diào)取數(shù)據(jù)完成用戶的需求，并將結(jié)果呈現(xiàn)給用戶。同時實(shí)時監(jiān)控整個系統(tǒng)的運(yùn)行，通過查詢、提取和輸出數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)，在瀏覽器端實(shí)現(xiàn)電子地圖顯示、車輛定位、軌跡顯示、信息查詢和動態(tài)軌跡回放等功能。

2）數(shù)據(jù)層。主要是為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)存儲、檢索和維護(hù)等數(shù)據(jù)服務(wù)，包含有電子地圖數(shù)據(jù)、監(jiān)控車輛相關(guān)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)維數(shù)據(jù)。其中GPS信息數(shù)據(jù)用來實(shí)現(xiàn)軌跡的生成和顯示衛(wèi)星個數(shù)、強(qiáng)度等接收狀況；地圖數(shù)據(jù)用來顯示動態(tài)地圖；運(yùn)維數(shù)據(jù)用于Web GIS信息的網(wǎng)上發(fā)布。

3）支撐層。主要用于連接數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層，根據(jù)應(yīng)用層的操作請求，從數(shù)據(jù)層中調(diào)取所需要的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果以正確形式呈現(xiàn)到應(yīng)用層，由瀏覽器端和服務(wù)器端2部分組成。

2.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1）GPS定位技術(shù)。由GPS定位基本原理可知，利用3顆以上GPS衛(wèi)星的位置數(shù)據(jù)和衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離，就可以根據(jù)距離交會法解算出接收機(jī)的位置。因此，將GPS接收機(jī)安置在監(jiān)控車輛上，根據(jù)車輛移動時接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和解析后的坐標(biāo)信息，就可以對車輛進(jìn)行實(shí)時的定位、跟蹤和導(dǎo)航。GPS定位分為單點(diǎn)定位和差分定位2種方式，其中差分定位精度優(yōu)于單點(diǎn)定位[4]。本系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)主要以研究為目的，對精度要求不高，因此采用GPS單點(diǎn)定位作為系統(tǒng)定位方法。

2）GIS技術(shù)。GIS是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對空間中GPS車輛監(jiān)控中心系統(tǒng)的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。天地圖是國家測繪地理信息局建設(shè)的地理信息綜合服務(wù)網(wǎng)站。本系統(tǒng)中，天地圖是GIS平臺，為系統(tǒng)提供電子地圖表達(dá)、地圖操作、數(shù)據(jù)管理等服務(wù)，是系統(tǒng)的矢量地圖數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，主要用于在電子地圖上實(shí)時顯示監(jiān)控車輛的位置。

3）3G通信技術(shù)。3G無線通信技術(shù)是GPS接收機(jī)和GIS平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸紐帶。3G是第三代移動通信技術(shù)的英文縮寫，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術(shù)。它具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、傳輸速率高、實(shí)時性強(qiáng)、傳送信息豐富、服務(wù)成本低等優(yōu)點(diǎn)[5]。因此，本系統(tǒng)采用3G無線網(wǎng)絡(luò)作為本系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，將車載GPS接收機(jī)獲取到的車輛位置信息實(shí)時地、不間斷地傳回監(jiān)控中心。

2.4 功能設(shè)計(jì)

GPS車輛監(jiān)控中心是整個車輛監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，是以矢量電子地圖為基礎(chǔ)的用戶操作平臺。監(jiān)控中心收到由通信服務(wù)器解析出來的車輛經(jīng)緯度信息后，在電子地圖上顯示出車輛的位置，并提供操作地圖的GIS功能，同時還能向車載終端發(fā)送調(diào)度命令。監(jiān)控中心在系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，主要包括GIS功能模塊、車輛監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和系統(tǒng)管理模塊4個部分[6]，具體的系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 車輛監(jiān)控中心系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)圖

2.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)及建立

數(shù)據(jù)庫是GPS車輛監(jiān)控中心系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲部分。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫分為車輛動態(tài)位置數(shù)據(jù)庫、車輛專題信息數(shù)據(jù)庫、駕駛員信息數(shù)據(jù)庫和偏移預(yù)警數(shù)據(jù)庫4個部分，由Access2003統(tǒng)一進(jìn)行管理。車輛動態(tài)位置數(shù)據(jù)庫主要儲存GPS接收機(jī)接收到的定位信息，包括車輛的經(jīng)緯度、速度、方位角等狀態(tài)信息。車輛專題信息數(shù)據(jù)庫主要存儲車輛屬性信息，包括車牌號、類型、顏色、駕駛員ID、所屬單位等基本信息，便于用戶對車輛信息查詢。駕駛員信息數(shù)據(jù)庫主要儲存車輛駕駛?cè)藛T的姓名、聯(lián)系方式、所屬單位、家庭住址等基本信息，便于用戶對車輛駕駛?cè)藛T監(jiān)督和管理。偏移預(yù)警數(shù)據(jù)庫用于偏移報(bào)警，主要儲存車牌號、路線號、經(jīng)緯度等預(yù)警數(shù)據(jù)。下面給出了車輛動態(tài)位置數(shù)據(jù)庫表（見表1）。

表1 車輛動態(tài)位置數(shù)據(jù)庫表

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)以Microsoft Visual Studio 2008為開發(fā)工具，以JavaScript和VB.NET為主要開發(fā)語言[7]，利用天地圖提供的Web API開發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)了車輛實(shí)時監(jiān)控、定位查詢、歷史軌跡回放、偏移預(yù)警、車輛信息查詢等功能。

1）地圖操作模塊。該模塊主要利用天地圖封裝好的菜單按鈕，實(shí)現(xiàn)地圖的縮放、移動、漫游、全圖、測距、鷹眼等基本操作，支持鼠標(biāo)無級縮放和不同級別地圖的切換。

2）車輛監(jiān)控定位模塊。該模塊能在動態(tài)圖層上準(zhǔn)確地顯示車輛的即時狀態(tài)。監(jiān)控中心接到數(shù)據(jù)后，利用解析程序解算出定位信息，并發(fā)送到監(jiān)控中心客戶端，客戶端利用天地圖二次開發(fā)平臺覆蓋物類中的Tmark Options接口和繪圖函數(shù)，設(shè)置車輛圖標(biāo)的樣式，如顏色、大小、形狀、方向等，最后將圖元添加到圖層中，將監(jiān)控車輛的實(shí)時位置以一種直觀的方式顯示在電子地圖上。

3）車輛軌跡回放模塊。歷史軌跡回放就是將指定車輛在一定時間內(nèi)的行車軌跡在地圖上動態(tài)顯示出來。選定回放車輛的車牌號和所需回放的時間段，系統(tǒng)會根據(jù)選定的信息從數(shù)據(jù)庫中調(diào)用對應(yīng)的歷史軌跡數(shù)據(jù)，返回XML文件。程序中設(shè)有Timer計(jì)時器，軌跡回放時系統(tǒng)將根據(jù)計(jì)時器設(shè)定的時間間隔（1 s），調(diào)用軌跡繪制函數(shù)DrawLine，然后將繪制的動態(tài)軌跡加載到圖層中。

4）車輛偏移預(yù)警功能模塊。該模塊可以根據(jù)提示的車牌號向發(fā)生偏移的車輛發(fā)出預(yù)警信息。預(yù)設(shè)范圍的設(shè)定方法是利用緩沖區(qū)分析原理，系統(tǒng)以指定道路的一系列有順序的坐標(biāo)為中心軸線，以R=5 m為緩沖區(qū)半徑，生成軸線左側(cè)、右側(cè)的緩沖區(qū)邊界點(diǎn)，并自動擬合形成封閉的緩沖區(qū)邊界。當(dāng)監(jiān)控車輛的實(shí)時坐標(biāo)落在緩沖區(qū)邊界以外時，系統(tǒng)將發(fā)出超限的預(yù)警信息。

5）車輛信息管理模塊。信息管理模塊可以為用戶提供信息查詢、增加、刪除、修改等功能。查詢條件分為車牌號、駕駛員姓名和車載電話3種方式。用戶在系統(tǒng)界面上選擇查詢條件后，系統(tǒng)將查詢條件對應(yīng)的ID傳給后臺服務(wù)程序，服務(wù)程序根據(jù)ID到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中查詢相關(guān)車輛的詳細(xì)信息，根據(jù)需要申請返回相應(yīng)的XML文件，并將信息反饋到系統(tǒng)界面，在信息查詢表中顯示出來。

4 系統(tǒng)測試分析

2012年8月在湖北省武漢市進(jìn)行了部分道路數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，共采集了魯磨路、民族大道、珞喻路和武珞路4條線路的實(shí)測數(shù)據(jù)，采用的是MGL-30車載GPS接收機(jī)。

4.1 準(zhǔn)確性測試

對4條道路實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，道路的地圖匹配率均大于97%，系統(tǒng)的道路軌跡生成和道路匹配準(zhǔn)確性較高。如圖3所示，圖中紅色的點(diǎn)為車輛實(shí)際軌跡點(diǎn)，藍(lán)色曲線為匹配后的車輛軌跡。

圖3 道路匹配效果圖

4.2 實(shí)時性測試

系統(tǒng)的實(shí)時性包括GPS定位信息解析的實(shí)時性和系統(tǒng)監(jiān)控中心位置更新的實(shí)時性。在實(shí)驗(yàn)中觀測到，當(dāng)GPS接收機(jī)開始接收數(shù)據(jù)后，車輛監(jiān)控系統(tǒng)采集端的電子地圖上即可顯示出車輛的實(shí)際位置，車輛位置點(diǎn)的移動頻率在1 s之內(nèi)，因此可以證明系統(tǒng)GPS定位信息的解析效果滿足系統(tǒng)實(shí)時性的設(shè)計(jì)要求。圖4和圖5分別表示車輛監(jiān)控中心系統(tǒng)采集端和監(jiān)控端顯示實(shí)驗(yàn)中車輛軌跡的效果圖，對比2圖可以看出，采集端和監(jiān)控端電子地圖上顯示的道路軌跡都比較均勻，在系統(tǒng)設(shè)定的延遲時間3 s內(nèi)，2條道路的軌跡基本吻合，因此可以認(rèn)為系統(tǒng)監(jiān)控端的車輛位置更新與采集端基本保持一致。

圖4 采集端車輛定位界面

圖5 監(jiān)控端車輛定位界面

5 結(jié) 語

本系統(tǒng)在準(zhǔn)確性和實(shí)時性方面性能較好，能夠滿足一般情況下車輛監(jiān)控的需求，同時系統(tǒng)基于“天地圖”地圖服務(wù)網(wǎng)站獨(dú)立開發(fā)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)成本較低，自主性和擴(kuò)展性較好，具有較大的實(shí)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。為了使系統(tǒng)得到更為廣泛的應(yīng)用，可結(jié)合逐步建好的城市GPS連續(xù)運(yùn)行參考站、北斗系統(tǒng)以及不斷拓展的天地圖Web API功能，使系統(tǒng)的精度和功能得到不斷的提高和完善[8]。

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P228.42

B

1672-4623（2015）01-0042-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.014

吳昊，碩士，主要從事數(shù)字城市應(yīng)用方面的研究。

2013-06-20。