滕威

(陜西交通職業(yè)技術學院 經濟管理學院， 陜西 西安 710014)

0 引言

目前車輛監(jiān)控系統(tǒng)主要通過結合使用GPS定位及計算機數(shù)據處理等技術手段實現(xiàn)車輛監(jiān)控過程，物流行業(yè)隨著電子商務的快速發(fā)展而得以快速成長和完善，在社會經濟中起到非常重要的作用，行業(yè)內的競爭也愈發(fā)激烈，科學高效的物流信息系統(tǒng)有助于物流企業(yè)提升競爭力，而作為物流信息系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)之一，定位系統(tǒng)對物流信息系統(tǒng)產生直接影響，因此提升物流信息系統(tǒng)的質量需最大程度減小定位誤差，將更加穩(wěn)定可靠的服務提供給用戶，目前多種車輛定位技術在資源等原因的限制下存在不同程度的誤差，本文完成了物流車輛運輸定位監(jiān)控系統(tǒng)的設計，系統(tǒng)基于GPS的地圖匹配技術，具有較高的實際應用價值。

1 物流行業(yè)需求分析

物流管理的主要目的在于降低成本的同時提升服務水平，對車輛的詳細信息能夠做到及時準確掌握和獲取十分重要的作用，信息技術的使用為物流運輸管理提供了有利支撐，在物流企業(yè)的發(fā)展過程中，4G (GPS/GIS/GSM/GPRS)起到了積極的促進作用，物流車的GPS監(jiān)控和管理功能的有效實現(xiàn)對物流行業(yè)具有重要意義。物流行業(yè)的實際發(fā)展過程中所表現(xiàn)出的主要需求特點在于：物流業(yè)務范圍及覆蓋地域極為廣泛，運輸車輛較多，涵蓋了大量的數(shù)據信息；用戶大多要求及時掌握位置服務信息，在運輸過程中需對不同的區(qū)域和線路進行嚴格準確的監(jiān)控，并同貨運單據有效對接起來；要求具有較高的安全性，運輸監(jiān)控系統(tǒng)響應需靈活、及時；要求車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據具有較高的共享程度。車輛管理信息有待進一步完善，本文主要對物流車輛運輸定位監(jiān)控系統(tǒng)進行了設計[1]。

2 車輛運輸定位監(jiān)控系統(tǒng)設計

2.1 GPS車輛管理系統(tǒng)功能

本文所設計的系統(tǒng)基于GPS的地圖匹配技術，具備動態(tài)、實時、精確、雙向等優(yōu)勢，核心在于能夠進行遠程指揮和監(jiān)控的管理平臺，通過將GPS監(jiān)控設備安裝在運輸車輛上，通過設備上的GPS模塊即可將運輸車輛的地理位置信息傳輸至監(jiān)控中心(通過無線網絡)，通過電子地圖即可查看車輛所在的具體地理位置，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，同時可對常用功能進行設置(上傳間隔、車輛信息記錄等)，遠程控制設備通過發(fā)放指令實現(xiàn)對啟動狀態(tài)等的限制。

完整的監(jiān)控系統(tǒng)由GPS終端、傳輸網絡及監(jiān)控平臺3個要素構成，GPS/GSM/CDMA車載終端與中心間的通訊連接以網絡為載體實現(xiàn)，具有較高的數(shù)據傳輸能力，查詢監(jiān)控的時效性更高，誤碼率比較低，可有效實現(xiàn)較大范圍穩(wěn)定可靠的監(jiān)控過程。將GPS終端安裝在不同的車輛上，通過GPRS/CDMA無線通信網絡或短信的方式完成數(shù)據傳輸，GSM網絡主要負責將GPS定位和收集到的信息傳遞至信息調度中心，及時掌握入網移動目標的地理位置，再將調度中心的信息傳輸給不同的車載設備，實現(xiàn)不同車輛具體地理位置信息的檢測及確定(顯示在電子地圖上)，在此基礎上可實現(xiàn)安全有效的監(jiān)控和調度。此外還可實現(xiàn)導航的過程，具體如圖1所示。

圖1 導航處理過程

在地圖上尋找起始和終點間的最優(yōu)路線，使穿越耗時最少[2]。

2.2 地圖匹配算法

指通過載體上的GPS接收機設備完成地理位置的確定，在復雜的交通網中完成車輛的精確定位并實時更新，不斷更正地理位置。地圖匹配過程的順序為：首先通過使用GPS系統(tǒng)確定車輛行駛路線，在將其同電子地圖中的行駛路線比對，找出最優(yōu)路線，所使用的電子地圖匹配算法會對車輛定位的準確度產生直接影響，該算法的重點在于找到校正點，具體的算法流程為：(1) 首先以車輛所在的位置為圓心，根據實際需要恰當選取半徑后畫圓，判斷公路圖層中對象同圓間的位置關系(相交則計算相交對象的個數(shù))，對于一個以上的對象需縮小圓的半徑，無對象則擴大圓的半徑直至找到符合條件的對象(圓的半徑大于限定值時表示車輛進入了停車場類的位置，則以圓心為校正點跳至第四步)。(2) 根據不同判斷時間存在循環(huán)中公路對象名稱不一致的情況，若相同則表明兩點位于同一公路，可直接跳至第四步；若不一致，則可能存在車拐彎情況，無法判斷車輛點同時保存記錄(包括車輛點和最近路線)，若需取下一個點則返回步驟(1)重新開始。(3) 對公路對象的全部拐點進行讀取，找出車輛點到相鄰兩拐點連線的垂足，計算出車輛點同垂足的距離，有垂足且距離最小時垂足即為校正點。(4) 標記所獲取的校正點，取下一車輛點進行判斷[3]。

2.3 基于曲線擬合的地圖匹配算法

矢量電子地圖由圖元組成道路，各元位置精確，電子地圖中的道路通常由直線或折線表示，能夠用直線來模擬歷史行車軌跡(在一定行駛距離內)，本文擬合用直線，選取5個觀測點作為一次模擬曲線，即用直線來擬合，具體原理如下。

5個觀測點的平面坐標由(x,y)表示，據此計算軌跡擬合直線的斜率為式(1)。

(1)

判斷車輛可能的行駛方向k，在路段誤差范圍內(軌跡夾角小于30度)，需對車輛位置信息進行再次確認，考慮到GPS自身存在的誤差，候選路段需在被測位置點方圓60 m內，k0表示候選路段的斜率，k表示擬合直線的斜率；對于候選路段同測位置點，d表示其垂直投影距離；P1表示夾角；P2表示距離的權值，地圖匹配算法的評價函數(shù)s表達式如式(2)。

(2)

最小值即為最優(yōu)匹配路段[4]。

2.4 基于權重的地圖匹配算法

車輛當前行駛道路以根據道路交通網絡的弧確定的權重為依據，然后確定車輛在當前道路中的位置(即在當前道路上車輛定位點的投影點)，以定位點和道路交通網的弧間的關系為依據確定權重的計算模型[5]，如圖2所示。

圖2 定位點和道路交通網的關系

取n個GPS定位點，各候選道路施加的權重為平均值，以消除偶然誤差的影響，C表示權重為正值的常數(shù)值；i表示候選道路的編號;kd表示GPS定位點同道路間的投影距離;ko表示行駛方向同道路間的夾角θi的權值系數(shù)，則對各候選道路施加的權重[5]表示如式(3)。

ωi=C-(kd×di+kθ×θi)

(3)

3 地圖匹配算法的實現(xiàn)

3.1 運輸導航的最短路徑算法

物流運輸需從當前位置到達指定位置，最短路徑在于花費最低的代價到達目的地，最佳路徑即為綜合代價最低的路徑，電子地圖導航的搜索最佳路徑功能可有效滿足用戶需求，通過使用某種特定準則的算法實現(xiàn)最優(yōu)路徑搜索功能，在道路交通拓撲網絡中，以節(jié)點—弧線拓撲關系和算法為依據，完成最佳路線的獲取，公路交通網絡中適合使用Dijkstra算法，具體流程如圖3所示。

圖3 Dijkstra算法流程

該算法基于現(xiàn)實情況，尋找節(jié)點間的最短路線，算法結束時即為找到了最短路線[6]。

3.2 道路搜索的實現(xiàn)

無法確定車輛初始定位、車輛行駛道路時需進行道路搜索，具體流程如下。

(1) 獲取特定時刻的具體定位后，根據行駛速度值m-speed及PDOP值進行預估，通常在PDOP>6，m-speed>200時表明GPS接收機定位異常，但在道路搜索狀態(tài)下需結合下一個定位點信息通過再次搜索進行判斷；PDOP<6、0

(2) 對(1)中的路線進行區(qū)域再次篩選，以定位點為圓心、半徑為GPS實時水平的HPE值的二倍，可進一步縮小待匹配路段范圍，直接確定車輛具體所處路段，將相關篩選結果信息保存至指定的結構數(shù)組中。若直線數(shù)量為m=0，則車輛在該定位點所處的圓域中，若不待匹配路段存在，則繼續(xù)道路搜索；若m=1，則該路段可作為車輛目前行駛的道路，道路搜索結束。

(3) 當定位點周圍的道路集中且密度大時，則需展開第三次篩選，有效篩選余下的待匹配路段，需使用精確度較高的篩選方法，在m-speed<8的情況下，GPS接收機給出的方向可信度不高，需根據實際行駛速度進行二次篩選，具體處理方法為：0

篩選結束后選擇范圍僅包括某一線段的道路，即作為該車輛的行駛道路，并傳輸至“正常行駛”的匹配過程。若經過多次道路搜索后仍未完成最優(yōu)匹配路線的確定，則最終定位結果以原始的定位數(shù)據為準，無需誤差校正[6]。

3.3 道路轉換

(1) 將正常行駛時存儲的所有節(jié)點編號提出來，再將同該節(jié)點相關的所有道路信息通過使用GPS導航中的拓撲關系提取出來，若只有1條道路相連，則該節(jié)點只對車輛剛途徑的路段進行顯示，無后續(xù)路段，不符合地圖匹配的假設條件，需重新進行道路搜索。

(2) 若與該節(jié)點連接道路大于1條，則需將車輛剛途徑的道路信息從所提取的道路信息中刪除，此時剩余道路為1條則代表其屬于下一匹配的路段，結束道路轉換；如果此時剩余道路大于1條則需進行第二次篩選，處理過程同道路搜索的第三次篩選相同，在計算和處理各候選道路權重時，只需適當提高角度權值系數(shù)，在此基礎上完成最優(yōu)匹配道路的確定并保存，向正常行駛匹配階段轉換[7]。

4 總結

隨著GPS導航定位系統(tǒng)和電子狗的普及應用，GPS數(shù)據量隨之逐漸增加，海量數(shù)據的地圖匹配亟待解決，處理的關鍵在于具備較高的計算效率及匹配精度，以滿足數(shù)據實時性匹配需求。地圖匹配的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出多種匹配算法的融合，高級的地圖匹配算法比較復雜、精準度較高，適合復雜的道路，以當前的交通擁堵狀況為依據并綜合多種因素得出最優(yōu)路線，本文在對物流行業(yè)需求進行分析的基礎上，完成了物流車輛運輸定位監(jiān)控系統(tǒng)的設計，詳細闡述了地圖匹配算法及流程，并介紹了物流運輸導航的最短路徑算法，實現(xiàn)了地圖匹配算法，使物流車輛運輸定位監(jiān)控能力得以顯著提升，對海量數(shù)據的處理速度及匹配精度的進一步提高將是下一步研究的重點。