基于網(wǎng)絡(luò)的城市交通信息系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

張 鵬，高慶春

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西太原030024)

隨著城市規(guī)模擴(kuò)大，人口劇增，特別是人們的商務(wù)、社交、購(gòu)物、娛樂(lè)等主要集中在道路密集擁擠的城市，由此造成的交通擁擠，堵塞問(wèn)題，既影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，又造成財(cái)力的浪費(fèi)。各地開(kāi)播的交通信息臺(tái)在一定程度上緩解了交通擁擠、堵塞問(wèn)題，但還是存在以下缺點(diǎn):(1)不全面 所傳播的是局部、零碎信息，而不是全面的、整體的、綜合的道路路況信息。(2)不直觀 人們只能感性了解局部路段隨機(jī)、抽象的路況信息，不直觀，查詢亦不方便。(3)實(shí)時(shí)性差 由于是在道路已堵塞等情況下才通過(guò)語(yǔ)音等方式將交通信息反饋到電臺(tái)進(jìn)行傳播的，交通信息相當(dāng)滯后，實(shí)時(shí)性差。

發(fā)展適合我國(guó)國(guó)情的智能交通系統(tǒng)ITS(intelligent transport system)，對(duì)控制道路的車流量，避免交通堵塞，保證城市交通更暢通、安全、快捷，具有巨大的社會(huì)效益和可觀的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)解決城市道路交通顯的尤為重要。ITS是將多種高新技術(shù)運(yùn)用于地面運(yùn)輸管理體系而建立起來(lái)的大范圍、全方位發(fā)揮作用的高效管理系統(tǒng)。它是以GIS為支撐平臺(tái)，把車輛、司機(jī)、道路、相關(guān)部門等有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，使車輛、道路智能化，達(dá)到緩解道路擁堵、減少交通事故、節(jié)約能源的目的。研究表明它可以使道路通行能力提高2～3倍，停車次數(shù)減少30%，行車時(shí)間減少13% ～45%，交通事故成倍降低。

針對(duì)不同的需求，開(kāi)發(fā)一般分為三層(見(jiàn)圖1)。

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)組成

1 術(shù)語(yǔ)定義

PDU Mode它是發(fā)送或接收手機(jī)SMS消息的一種方法。

GSM(Global System For Mobile Communication)全球移動(dòng)通信

GPS全球定位系統(tǒng)

RFID射頻卡(Radio Frequency Identification)無(wú)線射頻識(shí)別

FMHDS(FM multiplex High speed Data System)調(diào)頻多工高速數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)

GIS(geographic information system)地理信息系統(tǒng)

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)通用異步收發(fā)器

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

智能交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是圍繞著有效靈活性、安全可靠性和凈化生態(tài)環(huán)境這三方面來(lái)確定的。在智能交通系統(tǒng)中它提供路由、路況、擁塞、事故、安全等各種交通信息和旅客需要知道的各種服務(wù)信息，使旅客、駕駛員、調(diào)度中心和運(yùn)輸公司之間做到緊密合作，共同受益;并使人、車、路之間實(shí)現(xiàn)充分協(xié)調(diào)，共同創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)的交通環(huán)境。［1］

具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)可以歸納為以下10條:

(1)節(jié)省出行時(shí)間和出行距離;

(2)預(yù)防交通事故和沖撞;

(3)收集、處理和傳送交通信息;

(4)提供路由指南和導(dǎo)航信息;

(5)檢測(cè)安全因素，監(jiān)視車前路況;

(6)提供客運(yùn)服務(wù)信息;

(7)提供緊急呼叫、快速救援;

(8)減少交通阻塞率;

(9)提供環(huán)境保護(hù)措施;

(10)提供停車信息。

3 系統(tǒng)體系框圖

圖2 系統(tǒng)體系框圖

系統(tǒng)體系框圖如圖2所示，整體包括以下幾個(gè)模塊［2］:

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

信息的收集可采用現(xiàn)在已有的現(xiàn)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。美國(guó)ITERIS公司Vantage視頻交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是專門為解決交通數(shù)據(jù)采集工作設(shè)計(jì)的，它能采集多種交通數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)的傳輸和發(fā)送，主要是計(jì)算機(jī)中心通過(guò)GSM通信模塊發(fā)出信息通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)發(fā)送到車載控制臺(tái)上與車載控制前端之間進(jìn)行各種信息的雙向轉(zhuǎn)發(fā)。車載監(jiān)控臺(tái)包括GPS衛(wèi)星接收機(jī)、GSM無(wú)線通信機(jī)、接收機(jī)信息處理機(jī)。

數(shù)據(jù)通信是本系統(tǒng)重要的，也是核心的部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信過(guò)程由中心計(jì)算機(jī)和GSM通信模塊組成，GSM通信模塊通過(guò)RS232接口和中心計(jì)算機(jī)相連接。我們?cè)谛瓒ㄎ坏牡攸c(diǎn)安裝上短距通訊器，當(dāng)公交汽車經(jīng)過(guò)時(shí)便可讀取所經(jīng)過(guò)車輛上的RFID卡中的ID碼，通過(guò)GSM無(wú)線通信模塊發(fā)送到中心計(jì)算機(jī)，同時(shí)對(duì)于個(gè)別車輛則通過(guò)GPS衛(wèi)星接收機(jī)把接收到的定位信息通過(guò)前端設(shè)備發(fā)射機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包到達(dá)中心計(jì)算機(jī)GSM通信模塊后，中心計(jì)算機(jī)通過(guò)相應(yīng)的GSM的AT指令從串口把GSM收到的新的短消息數(shù)據(jù)包接收下來(lái)經(jīng)解析后在GIS電子地圖上顯示車輛的運(yùn)行位置和狀態(tài)。當(dāng)中心計(jì)算機(jī)向車載臺(tái)發(fā)送控制信息數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)通信程序?qū)刂茢?shù)據(jù)進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)換后，以短消息的形式發(fā)送給車載臺(tái)。這種針對(duì)不同的客體采用不同的方法可以降低成本，并且實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)的跟蹤和調(diào)度。

本系統(tǒng)通信信息的發(fā)送采用PDU模式。一條發(fā)出的短信息必須包括以下字段:服務(wù)中心地址和類別、PDU類別、發(fā)送者和接收者代碼和類別、協(xié)議識(shí)別碼，數(shù)據(jù)編碼方式、短消息保存期、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、原始數(shù)據(jù)等。為了提高傳輸準(zhǔn)確性。還需要對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊格式處理。同時(shí)為加大一條短信息的有效數(shù)據(jù)傳送量，可對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。

GPS數(shù)據(jù)包采用PDU格式傳送，幀頭為@@GG，一條信息包括幀頭、保留位、幀序列號(hào)、用戶ID、協(xié)議號(hào)、信息內(nèi)容長(zhǎng)度、信息內(nèi)容、校驗(yàn)字、結(jié)束符。除了信息內(nèi)容可以為空以外，其它各部分均不能省略，且前后位置也不可改變。此系統(tǒng)中所有的傳輸，不論傳送數(shù)據(jù)還是命令，均通過(guò)GPS數(shù)據(jù)包來(lái)傳送。這是唯一合法的可識(shí)別的信息傳送格式。命令和數(shù)據(jù)以及是何種命令或數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議號(hào)加以區(qū)別。

它們的前后位次和占用字節(jié)長(zhǎng)度如表1。

表1 前后位次和占用字節(jié)長(zhǎng)度

●幀頭 占用四個(gè)字節(jié)，表明信息的開(kāi)始。以@@GG表示。只有正確接收到幀頭以后，才開(kāi)始接受后續(xù)數(shù)據(jù)。否則，不予理睬。

●保留位 占用2個(gè)字節(jié)，留作系統(tǒng)以后升級(jí)使用，等于0時(shí)表示未定義。

●幀序列號(hào) 占用2個(gè)字節(jié)，這是發(fā)送信息的序列號(hào)，用于接收方檢測(cè)是否有信息的丟失。中心和車載臺(tái)各自按自己發(fā)送GPS包的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，互不影響。車載臺(tái)在上電后此數(shù)復(fù)位等于零。如果不斷電此數(shù)不復(fù)位為零。發(fā)送第一幀數(shù)據(jù)時(shí)便開(kāi)始計(jì)數(shù)。所有數(shù)據(jù)幀和命令幀統(tǒng)一計(jì)數(shù)。

●協(xié)議號(hào) 占用1個(gè)字節(jié)。用于區(qū)分命令和數(shù)據(jù)以及命令和數(shù)據(jù)的種類協(xié)議號(hào)在0x00～0x0F區(qū)間內(nèi)保留。0x10～0x2F之間用于車載臺(tái)上發(fā)數(shù)據(jù)。0x30～0x7F區(qū)間用于中心下發(fā)命令。0x80～0xFF用于透明傳輸。協(xié)議號(hào)的具體定義如表2。未定義的數(shù)值為保留數(shù)值，為后續(xù)開(kāi)發(fā)留有擴(kuò)展空間。

●信息內(nèi)容長(zhǎng)度 占用1個(gè)字節(jié)，定義為信息內(nèi)容的長(zhǎng)度。從信息內(nèi)容的第一個(gè)字節(jié)開(kāi)始，到信息內(nèi)容的最后一個(gè)字節(jié)結(jié)束。

●信息內(nèi)容 占用0至120之間的任意長(zhǎng)度字節(jié)。不定長(zhǎng)。但傳送的信息內(nèi)容長(zhǎng)度可以等于零，即發(fā)送一個(gè)空幀，最長(zhǎng)不得超過(guò)120個(gè)字節(jié)。

●校驗(yàn)字 占用2個(gè)字節(jié)，采用和校驗(yàn)的方式，從幀頭開(kāi)始逐個(gè)字節(jié)相加，到校驗(yàn)字的前一個(gè)字節(jié)結(jié)束。

校驗(yàn)和計(jì)算方法:

(1)把校驗(yàn)和的值初始化為零;

(2)加GPS包的第一個(gè)字節(jié)，加GPS包的第二個(gè)字節(jié)…加到校驗(yàn)字的前一個(gè)字節(jié);

(3)這個(gè)累加和就是所需要的校驗(yàn)字，將高位放到前一個(gè)字節(jié)，低位放到后一個(gè)字節(jié);

(4)校驗(yàn)字本身和結(jié)束符不計(jì)入校驗(yàn)。

●結(jié)束符 占用2個(gè)字節(jié)，表示一幀信息的結(jié)束，定義為0x0D，0x0A。

GSM模塊選用的是TC35，TC35 GSM(見(jiàn)圖3)模塊是西門子公司為滿足無(wú)線通信而設(shè)計(jì)的，該模塊包括有完整的RF電路部分，并且GSM協(xié)議可以自動(dòng)地在GSM基帶處理器中運(yùn)行，這些也為TC35的后期開(kāi)發(fā)避免設(shè)計(jì)的沖突提供了可靠的保證。TC35模塊采用40引腳的ZIF連接形式和應(yīng)用處理器連接。通過(guò)ZIF連接器提供了應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音信號(hào)和電源線［4］。

表2 協(xié)議號(hào)的區(qū)間分配

圖3 TC35 GSM模塊

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊

系統(tǒng)采用Windows 2000 Server中文版操作系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，數(shù)據(jù)庫(kù)選用MS SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)存貯數(shù)據(jù)。Internet Explorer瀏覽前臺(tái)采用交通分析系統(tǒng)軟件，并通過(guò)ODBC與MS SQL Server相連。以MapEngine的MEX為GIS支撐平臺(tái)，利用MAPGIS平臺(tái)得到Web空間信息，發(fā)布和查詢功能在intranet或internet的終端上實(shí)施跟蹤監(jiān)控、調(diào)度管理、信息檢索。

3.4 信息發(fā)布模塊

調(diào)頻多工高速數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)FMHDS(FM multiplex High speed Data System)系統(tǒng)采用 DQPSK調(diào)制方式，具有17.5 kbps/28 kbps兩種傳輸速率，副載波頻率為70 kHz。為了使數(shù)據(jù)系統(tǒng)在有噪聲、多徑干擾和移動(dòng)接收的情況下仍能有盡可能高的傳輸質(zhì)量，F(xiàn)MHDS中采用了國(guó)際20世紀(jì)90年代先進(jìn)的通信技術(shù)，如全數(shù)字化信號(hào)處理，R-S信道編解碼，卷積交織等，具有個(gè)人尋呼、群呼、分類授權(quán)接收等功能［5］。

4 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)目前可達(dá)到的主要功能

(1)車輛定位顯示 系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收移動(dòng)車輛的定位數(shù)據(jù)，并通過(guò)提取GPS定位信息，在地圖上以一定的符號(hào)顯示。

(2)地圖顯示功能 地圖顯示，如放大、縮小、全屏顯示以及漫游等GIS基本功能。

(3)車輛歷史軌跡回放 監(jiān)控中心有完善的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，能對(duì)車輛運(yùn)行軌跡和車輛的狀態(tài)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，供以后隨時(shí)查詢或進(jìn)行動(dòng)態(tài)回放。

(4)車輛調(diào)度功能 監(jiān)控中心在了解車輛目前的運(yùn)行狀況和所處的地理位置后，對(duì)車輛進(jìn)行合理調(diào)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)的特點(diǎn)是以RFID等多種采集方式為基礎(chǔ)，結(jié)合GPS系統(tǒng)和GSM系統(tǒng)對(duì)交通信息實(shí)現(xiàn)智能化管理，將信息通信有機(jī)地結(jié)合在一起，使系統(tǒng)的整體性能有了提高，并且實(shí)現(xiàn)了多級(jí)操作、實(shí)時(shí)監(jiān)控、聯(lián)動(dòng)控制等多種功能，加強(qiáng)了實(shí)時(shí)性，互動(dòng)性。

［1］陳立潮，劉玉樹(shù)，張永梅，等.城市交通智能咨詢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2003(1):35－36.

［2］王可平.城市公共交通信息系統(tǒng)的構(gòu)成與實(shí)踐［J］.城市公共交通，2000(5):54－57.

［3］康厚強(qiáng)，王德剛，魏急波.用于短信息收發(fā)的TC35終端的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)，2002(8):28－29.

［4］許松華，彭宏勤.基于組件GIS、GPS及SMS技術(shù)的車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)［J］.大眾科技，2006(1):67－68.