基于衛(wèi)星定位的智能公交監(jiān)管調(diào)度平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱 峰，肖方平

（上海北斗衛(wèi)星導(dǎo)航平臺有限公司，上海 200081）

1 引言

1.1 研究背景

為了實(shí)現(xiàn)對車輛進(jìn)行有效的管理使用、有力的指揮調(diào)度、全面的安全監(jiān)控、完善的協(xié)調(diào)運(yùn)營等功能，建設(shè)一套集指揮、控制、管理于一體的智能公交監(jiān)管調(diào)度系統(tǒng)是一個(gè)行之有效的解決方案。在某些特殊和關(guān)鍵領(lǐng)域（如化危品運(yùn)輸、押運(yùn)車、軍事等）對外出的運(yùn)輸車輛進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)度顯得尤為必要。這些功能的實(shí)現(xiàn)不僅要求對車輛精確的定位，還需要有可靠的通信網(wǎng)絡(luò)、完善的指揮調(diào)度中心等。

目前，大多數(shù)智能公交監(jiān)管調(diào)度系統(tǒng)都采用GPS實(shí)現(xiàn)定位和監(jiān)控，由于GPS屬于美國，應(yīng)用在關(guān)鍵領(lǐng)域是不可控的。為了避免受制于人的情況，我國投入巨資建成了北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的基本框架。

1.2 研究的目的及意義

隨著各行業(yè)車輛的快速增多，各單位的車輛管理調(diào)配問題比較突出，目前企事業(yè)、政府、公安用車，普遍存在著車輛監(jiān)管難、掌控調(diào)度難、油耗控制難及安全生產(chǎn)難等問題。

為提高監(jiān)控管理水平，更加科學(xué)、有效地對車輛和人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，提高作業(yè)效率和質(zhì)量，就需要有一套完善的車輛后臺監(jiān)控、指揮和調(diào)度管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以為各單位在車輛的精細(xì)化管理方面提供有力的工具，同時(shí)也可避免作業(yè)過程中駕乘人員出現(xiàn)違規(guī)駕駛、超速駕駛、擅自改變線路、改變作業(yè)車速及隨便停放等違規(guī)行為。

為此，上海北斗衛(wèi)星定位平臺有限公司（以下簡稱“上海北斗”）依據(jù)城市交通信息智能化發(fā)展現(xiàn)狀及總體目標(biāo)，提出了一套智能智能公交監(jiān)管調(diào)度與管理建設(shè)方案。該方案充分利用北斗/GPS衛(wèi)星定位技術(shù)、地理信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)代通信、視頻監(jiān)控等相關(guān)技術(shù)，結(jié)合城市交通信息平臺建設(shè)需求，搭建一體化的智能管理監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)對城市公交車輛的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)化的監(jiān)控、跟蹤、調(diào)度，通過無線通信技術(shù)將車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況及相關(guān)資源信息及時(shí)傳回后臺監(jiān)控中心，便于對車輛及相關(guān)資源進(jìn)行日常管理和應(yīng)急資源調(diào)度。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

本課題主要涉及北斗、GPS系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)，下面分別對其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析。

1.3.1 北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)

我國自主研制的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)從2004年4月正式運(yùn)營、全面對民用用戶開放至今，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作狀態(tài)良好，已逐步在測繪、電信、水利、交通運(yùn)輸、勘探和國家安全等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[1]。

1.3.2 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)國際委員會(huì)（ICG）公布的全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括：美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo和中國北斗系統(tǒng)[2]。

1.3.3 GIS系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)是對地表上的物體和環(huán)境所固有的質(zhì)量、關(guān)聯(lián)、規(guī)律等，信息利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)來加以獲取、存儲(chǔ)、檢索、分析和顯示，形成空間定位數(shù)據(jù)并進(jìn)而建立數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)，地理信息具有可以把空間和時(shí)間上的信息整合到一起形成區(qū)域性、多維性和時(shí)序性的綜合信息[3]。

目前，國際上地理信息系統(tǒng)發(fā)展具有二維GIS加速向三維GIS發(fā)展（如谷歌地球三維GIS）、GIS軟件向組件式GIS轉(zhuǎn)變（如MapInfo公司的MapX、中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所的ActiveMap等）、桌面GIS向移動(dòng)GIS擴(kuò)展（如百度地圖等推出的手機(jī)終端版本）及客戶端GIS向WebGIS（如公安部的PGIS平臺）發(fā)展等特點(diǎn)[4]。

地理信息系統(tǒng)在國內(nèi)起步較晚，其最早是于20世紀(jì)90年代從測繪行業(yè)中細(xì)分出來，目前，我國在地理信息系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、研究方法以及應(yīng)用上都處于發(fā)展時(shí)期。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 北斗衛(wèi)星定位技術(shù)

北斗一代和二代都是采用三球交會(huì)測量原理進(jìn)行定位，如圖1所示[5]：

圖1 三球交匯定位原理

分別以兩顆同步衛(wèi)星為球心，以衛(wèi)星到用戶接收天線距離為半徑，構(gòu)成兩個(gè)球面；兩球面相交得一圓，該圓垂直于赤道平面；在地球不規(guī)則球面的基礎(chǔ)上增加用戶高程，獲得一個(gè)“加大”的不規(guī)則球面；圓與不規(guī)則球面相交，得兩個(gè)點(diǎn)，分別位于南北半球，取北半球的點(diǎn)即為用戶終端機(jī)的位置。上述定位解算在地面中心站完成。

北斗系統(tǒng)采用集中式信號處理，定位必須通過中心站進(jìn)行，由中心站判斷用戶請求的業(yè)務(wù)類型，并執(zhí)行相應(yīng)的操作[6]。

2.2 差分定位技術(shù)

衛(wèi)星定位誤差的構(gòu)成有星上誤差（公共誤差）如衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差；傳播時(shí)延誤差（公共）如電離層誤差、對流層誤差等；接收機(jī)固有誤差（非公共）如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。采用差分定位技術(shù)可以使第一部分誤差完全消除，第二部分誤差大部分消除，第三部分誤差無法消除。

差分定位技術(shù)類型主要有偽距差分（米級）及載波相位差分（厘米級）等。它們的相同點(diǎn)是都由參考站發(fā)送校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，由用戶站接收并對其測量結(jié)果進(jìn)行校正，以獲得精確的定位結(jié)果；不同點(diǎn)是發(fā)送校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容及對終端的要求不一樣，其差分定位精度也不同。

對于智能公交應(yīng)用，一般采用偽距差分，米級精度已經(jīng)能夠滿足市場的要求。圖2展示了車載差分定位的基本原理。

圖2 車載差分定位

2.3 智能公交監(jiān)管調(diào)度平臺通信網(wǎng)關(guān)

平臺通信網(wǎng)關(guān)有兩個(gè)作用，一是作為通信服務(wù)器接收車載終端連接請求以及和車載終端之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換同時(shí)向車載終端下發(fā)指令；二是作為數(shù)據(jù)交換中介將車載終端上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)站應(yīng)用服務(wù)端供業(yè)務(wù)應(yīng)用處理，業(yè)務(wù)應(yīng)用處理之后也要經(jīng)過通信網(wǎng)關(guān)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)或命令反饋給車載終端，其特點(diǎn)如下：

⊙ 多線程和多隊(duì)列機(jī)制—— 確保交換效率最高；

⊙ 區(qū)域和報(bào)警分析—— 基于高性能判斷算法；

⊙ 級聯(lián)機(jī)制和負(fù)載均衡—— 保證系統(tǒng)可擴(kuò)展性；

⊙ 數(shù)據(jù)安全——VPN、密碼、對稱加密和非對稱加密；

⊙ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)—— 數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)可追溯性；

⊙ 數(shù)據(jù)補(bǔ)報(bào)—— 確保數(shù)據(jù)完整性。

3 衛(wèi)星定位智能公交監(jiān)管調(diào)度平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 上海北斗智能公交監(jiān)管調(diào)度平臺設(shè)計(jì)

3.1.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)分析

交通運(yùn)輸智能公交監(jiān)管調(diào)度管理存在的主要問題有如下兩項(xiàng)[8]：

第一項(xiàng)是，無論從管理還是工作角度來講，對車輛的管理都有相應(yīng)的衛(wèi)星位置服務(wù)需求。目前有一部份企事業(yè)單位對所屬車輛自行進(jìn)行管理，沒有進(jìn)行集約化建設(shè)，也沒有進(jìn)行規(guī)范化、專業(yè)化管理，缺乏統(tǒng)一管理平臺對各管理對象和管理內(nèi)容進(jìn)行綜合管理。

第二項(xiàng)是，雖然現(xiàn)有車輛大都安裝了衛(wèi)星定位設(shè)備，但是目前的衛(wèi)星定位精度和性能不高，后臺管理的應(yīng)用系統(tǒng)也不完善，不能滿足現(xiàn)有位置服務(wù)的需要，影響了對車輛的有效管理。

交通運(yùn)輸智能公交監(jiān)管調(diào)度管理要實(shí)現(xiàn)的主要業(yè)務(wù)目標(biāo)為：以交通運(yùn)輸智能公交監(jiān)管調(diào)度管理為主線，以交通運(yùn)輸車輛位置服務(wù)信息整合和服務(wù)為核心，以車輛管理和位置服務(wù)為重點(diǎn)，通過交通運(yùn)輸車輛的管理和位置服務(wù)，做到交通運(yùn)輸車輛監(jiān)管的專業(yè)規(guī)范、便捷高效、公開透明，實(shí)現(xiàn)車輛位置全覆蓋、管理全過程、人員全參與、服務(wù)全方位的交通運(yùn)輸車輛監(jiān)管的業(yè)務(wù)目標(biāo)。

交通運(yùn)輸智能公交監(jiān)管調(diào)度管理的具體需求為以下三個(gè)方面：

（1）對交通運(yùn)輸車輛位置服務(wù)的需求?；诒倍沸l(wèi)星定位，獲取交通運(yùn)輸車輛的位置信息，并以此為基礎(chǔ)，為交通運(yùn)輸車輛提供相應(yīng)的位置服務(wù)，包括智能公交監(jiān)管調(diào)度、車輛違規(guī)報(bào)警、車輛路線查閱等服務(wù)，便于城市相關(guān)企事業(yè)單位對車輛管理提供服務(wù)。

（2）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的需求。基于北斗衛(wèi)星獲得的位置信息，結(jié)合相應(yīng)的車輛管理信息，對交通運(yùn)輸車輛進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析（如車輛行駛里程分析、報(bào)警統(tǒng)計(jì)、油耗分析、行駛軌跡回放等），為管理層提供交通運(yùn)輸智能公交監(jiān)管調(diào)度管理決策的支持。

（3）建設(shè)交通運(yùn)輸車輛應(yīng)用的需求。目前，某些企事業(yè)單位尚無相應(yīng)的交通運(yùn)輸智能公交監(jiān)管調(diào)度管理手段，以本平臺實(shí)施為契機(jī)，建設(shè)相應(yīng)的交通運(yùn)輸車輛應(yīng)用，使用信息化管理手段，提高交通運(yùn)輸智能公交監(jiān)管調(diào)度管理水平，促進(jìn)交通運(yùn)輸車輛的高效、有序使用。

3.1.2 系統(tǒng)需求分析

1. 基礎(chǔ)信息管理需求

獲取相應(yīng)的交通運(yùn)輸智能公交監(jiān)管調(diào)度管理基礎(chǔ)信息，可以進(jìn)行相應(yīng)的終端參數(shù)設(shè)置、報(bào)警設(shè)置、車輛定位信息上報(bào)設(shè)置、盲區(qū)補(bǔ)償設(shè)置、對象管理、組織管理、人員管理、分組管理、車輛管理等，滿足本平臺日常信息管理的需求。

2. 智能公交監(jiān)管調(diào)度需求

基于北斗/GPS定位終端設(shè)備獲取交通運(yùn)輸車輛定位信息，對各類交通運(yùn)輸車輛進(jìn)行位置監(jiān)控，包括車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控、個(gè)別重點(diǎn)車輛的監(jiān)控以及車輛的自動(dòng)上報(bào)。同時(shí)通過短信等手段達(dá)到對交通運(yùn)輸車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度的要求。最后系統(tǒng)可以滿足對所有交通運(yùn)輸車輛進(jìn)行信息查詢的要求，并可以回放每輛交通運(yùn)輸車輛的路線行駛軌跡，從而達(dá)到全方位智能公交監(jiān)管調(diào)度的需求。

3. 報(bào)警處理需求

系統(tǒng)可以根據(jù)已經(jīng)掌握的各類交通運(yùn)輸車輛位置信息進(jìn)行各類報(bào)警處理，需要進(jìn)行超區(qū)域報(bào)警、超速報(bào)警、偏移路線報(bào)警、分段超速報(bào)警以及停車時(shí)間超長報(bào)警，系統(tǒng)收到車輛報(bào)警后將提醒相關(guān)工作人員車輛報(bào)警信息，由工作人員進(jìn)行相應(yīng)的處置，并作為將來績效考核的依據(jù)。

4. 數(shù)據(jù)分析需求

本平臺需滿足有關(guān)交通運(yùn)輸車輛位置服務(wù)的各類統(tǒng)計(jì)，包括報(bào)警統(tǒng)計(jì)、里程統(tǒng)計(jì)、油耗統(tǒng)計(jì)、行使軌跡統(tǒng)計(jì)、停車統(tǒng)計(jì)、終端在線/不在線報(bào)表、用戶登錄統(tǒng)計(jì)、日行駛速度統(tǒng)計(jì)、車輛速度篩選統(tǒng)計(jì)、分組車輛統(tǒng)計(jì)等，滿足交通運(yùn)輸車輛日常工作統(tǒng)計(jì)需要，為管理層針對交通運(yùn)輸智能公交監(jiān)管調(diào)度管理的決策提供相應(yīng)的依據(jù)。

3.1.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

主要功能包括：監(jiān)控、軌跡回放、參數(shù)配置、車輛調(diào)度功能、車輛報(bào)警功能、排班計(jì)劃、油耗報(bào)表。

3.1.4 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于北斗的智能公交監(jiān)管調(diào)度平臺主要由車載單元、定位通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（北斗系統(tǒng)）、監(jiān)控調(diào)度指揮中心等三部分組成。平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 平臺總體架構(gòu)

4 上海北斗智能公交監(jiān)管調(diào)度平臺實(shí)現(xiàn)

北斗智能公交監(jiān)管調(diào)度管理應(yīng)用平臺采用B/S和C/S結(jié)合的架構(gòu)方式，主要包括單車/多車監(jiān)控、地圖使用、在線地圖、車輛實(shí)時(shí)報(bào)警監(jiān)控、車輛報(bào)警統(tǒng)計(jì)、車輛安裝/維護(hù)管理、設(shè)備管理等功能。

[1] 唐金元，于潞，王思臣.北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀分析.全球定位系統(tǒng)，2008，2月，26.

[2] 紀(jì)龍蟄，單慶曉.GNSS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)發(fā)展概況及最新進(jìn)展.全球定位系統(tǒng)，2012,37(5),56.

[3] 盛宇，董志江.地理信息系統(tǒng)（GIS）發(fā)展現(xiàn)狀及展望.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012，12月（中），49.

[4] 鄔倫等著.地理信息系統(tǒng)原理、方法和應(yīng)用.

[5] 呂洋.基于北斗一號系統(tǒng)無源授時(shí)機(jī)的研究與實(shí)現(xiàn)（碩士學(xué)位論文）.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.10.

[6] 王艷紅，趙文智，楊明.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其于民航導(dǎo)航的應(yīng)用.計(jì)算機(jī)測量與控制，2014,22(2),497.

[7] 干國強(qiáng)，邱致和.導(dǎo)航與定位--現(xiàn)代戰(zhàn)爭的北斗星.北京：國防工業(yè)出版社，2000.

[8] 張其善，吳今培，楊東凱.智能車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)及應(yīng)用.