組合導(dǎo)航技術(shù)在出租車計價系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬永健，劉松林，王同合，徐亞麗，李榮攀

(信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

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組合導(dǎo)航技術(shù)在出租車計價系統(tǒng)中的應(yīng)用

馬永健，劉松林，王同合，徐亞麗，李榮攀

(信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001)

針對目前出租車計價器在計時和計程方面存在的問題，提出了利用GNSS+INS+Odometer組合導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行出租車計價的方法。運(yùn)用組合導(dǎo)航技術(shù)對出租車載客過程中里程和時間進(jìn)行計算，一方面可以避免傳統(tǒng)計價器在使用過程中由于計價器本身以及人為因素等原因，改變實際的行駛里程，影響計價的準(zhǔn)確性，從而提高計價的準(zhǔn)確性；另一方面，可以避免單一的里程計計價過程中一旦出現(xiàn)故障，里程結(jié)果出現(xiàn)較大誤差或無法計價等情況，增加出租車計價系統(tǒng)的可靠性。通過跑車試驗證明：將組合導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于出租車計價系統(tǒng)中，能夠?qū)Τ鲎廛囉嫵?、計時以及低速計價等關(guān)鍵問題作出很大改進(jìn)，在計價的精度和可靠性方面都有顯著提高；避免因計價器不準(zhǔn)等原因造成的乘客、出租車司機(jī)之間的矛盾，維護(hù)雙方的合法權(quán)益；對組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展起到了很好的推動作用。

組合導(dǎo)航；里程計；計價原理；里程誤差率

隨著我國出租車行業(yè)的快速發(fā)展，出租車已經(jīng)成為我國城市公共交通的重要組成部分和現(xiàn)代化城市必備的基礎(chǔ)設(shè)施，是人們工作、生活中必不可少的交通工具。出租車計價器是出租車的經(jīng)營者和乘坐汽車的消費(fèi)者之間用于公平交易結(jié)算的工具，是一種能根據(jù)乘客乘坐汽車的行駛距離和等候時間進(jìn)行計價，并直接顯示乘客粗要支付車費(fèi)的計量器具。出租車服務(wù)行業(yè)和出租車計價器緊密相關(guān)，因而計價器計價準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到經(jīng)營者與消費(fèi)者的經(jīng)濟(jì)利益[1]。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)能夠迅速、準(zhǔn)確、全天候地提供導(dǎo)航定位信息,在車輛定位與導(dǎo)航中應(yīng)用日趨廣泛,但是由于衛(wèi)星定位容易受到外界環(huán)境的干擾,尤其是在高樓林立的城市,或者車輛通過隧道及立交橋時,衛(wèi)星信號會變得很差甚至中斷而無法定位。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system,INS)是一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，在短時間內(nèi)有很高的定位精度。它具有不受外界電磁干擾、高數(shù)據(jù)率、姿態(tài)信息等優(yōu)點(diǎn)，但是由于慣性器件誤差的影響，其定位精度隨時間的增長而急劇惡化，因此無法長時間單獨(dú)工作。高性能的慣性器件大大提高了INS的定位精度，但是高昂的價格增加了使用成本，也限制和阻礙了INS的發(fā)展[2]。

組合導(dǎo)航是采用兩種或兩種以上導(dǎo)航系統(tǒng)，形成性能更高、安全性和可靠性更強(qiáng)的導(dǎo)航方式。目前世界上最廣泛、性能最優(yōu)、自主性最強(qiáng)的組合導(dǎo)航為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合，該組合導(dǎo)航系統(tǒng)將衛(wèi)星定位技術(shù)與慣性導(dǎo)航技術(shù)組合起來,可以優(yōu)勢互補(bǔ)、取長補(bǔ)短[3]。本文采用的組合導(dǎo)航技術(shù)是北斗+GPS+INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

1 出租車計價原理

1.1 出租車計價器的組成

出租汽車計價器主要由微處理器、時鐘、存儲器、里程傳感器、顯示屏、功能按鍵、空車牌、稅控器件、打印機(jī)以及GPS攝像頭、城市一卡通接口等組成。其中，微處理器是計價器的核心，控制各個部件的協(xié)調(diào)和完成數(shù)據(jù)的處理；時鐘用于顯示計價器正常運(yùn)營時間和等候時間，與北京時間同步，誤差不超過±10 s/d；存儲器實現(xiàn)運(yùn)營數(shù)據(jù)的存儲，且不得少于100次；里程傳感器能將里程信號轉(zhuǎn)換成計價器可識別的脈沖信號；顯示屏能夠顯示運(yùn)營里程、單價、計時和金額等；功能按鍵能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)時、暫停、單程等功能；空車牌能夠?qū)崿F(xiàn)重車和空車狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；稅控器件能夠滿足國家要求，實現(xiàn)稅控功能；打印機(jī)能夠打印本次運(yùn)營的上下車時間、金額、車牌信息等；GPS、攝像頭、城市一卡通接口作為信息社會發(fā)展的產(chǎn)物，逐漸得到了應(yīng)用，能夠到達(dá)GPS定位、實時監(jiān)控、刷卡服務(wù)等功能[4]。

1.2 計價器工作原理

出租車計價器是一種集計程、計時和車速等多種計量功能與一體的智能化計量儀器，它安裝在出租汽車上，通過連接在車輛變速箱輸出齒輪的傳感器傳送電脈沖信號來記錄車輛的營運(yùn)里程，時鐘單元提供實時(永久)時鐘，按特定的計價收費(fèi)模式連續(xù)累加并直接指示出行程中任一時刻乘客應(yīng)付費(fèi)用的總數(shù)，其金額值是計程和計時時間函數(shù)[5]。

出租車計價器有兩種不同的計價方式：一種叫作時距并計式，是指重車時等候時間和里程同時收費(fèi)；另一種叫作時距分離式，是指重車時等候時間和里程分開收費(fèi)。世界上大多數(shù)國家采用時距并計式。在時距并計式收費(fèi)方式下，切換速度是計價器從計程收費(fèi)轉(zhuǎn)換為時距并計收費(fèi)的車速切換點(diǎn)，通常切換速度為12 km/h，因此出租車的速度信息也是出租車計價的重要參數(shù)。可見里程(重車時的計價里程)和時間(重車低速狀態(tài)時計價的時間)以及出租車的速度信息是出租車計價器計價的主要依據(jù)。因此，出租車計程和計時的精度對出租車計價起到至關(guān)重要的作用[6]。

1.3 出租車計價器故障分析與處理

出租車計價器常見故障主要來源于計價器組成的各個方面，本文從計價器的各個組成部分入手，分析其常見故障以及對計價的影響。

1.3.1 時 鐘

如果時鐘出現(xiàn)故障，就會導(dǎo)致提前(延后)進(jìn)行夜間價(晝間價)和計費(fèi)錯誤。時鐘偏差瞬間變大，一般是考慮為電池沒電、程序混亂、線路斷裂等。計價器惡劣的使用環(huán)境會使時間緩慢變化，當(dāng)每月的誤差不超過±300 s/30 d時，可以通過計價器的時鐘自校功能每月對計價器時鐘調(diào)整一次；當(dāng)每月的誤差超過±300 s/30 d時，必須到計價器檢定部門開啟鉛封進(jìn)行調(diào)整[7]。

在傳統(tǒng)計價系統(tǒng)中，存在人為的更改系統(tǒng)時間。如在白天時把計價器的系統(tǒng)時間改為夜間，使白天運(yùn)營時計價器按夜間收費(fèi)或?qū)r間提前，提前進(jìn)入夜間的計費(fèi)模式，這在很大程度上損害了乘客的合法權(quán)益。目前對出租車時間信息的控制，是依靠出租車司機(jī)自覺遵守，自動校正時間偏差，缺乏相關(guān)的技術(shù)和法規(guī)支持。

1.3.2 里程傳感器

里程傳感器能夠直接影響計價器的里程。采用傳統(tǒng)的計價器存在較多的作弊手段，從而影響傳統(tǒng)出租車計價器的使用，常見的出租車計價器作弊方法如下。

(1) 外加脈沖信號或遙控裝置：計價器主要靠傳感器發(fā)出的脈沖來計算行駛里程。作弊者利用這一原理，人為地增加計價器以外的脈沖信號，使車輛計價里程大于實際行駛里程。

(2) 傳感器內(nèi)增加磁鐵個數(shù)：傳感器的磁鐵個數(shù)是固定的，一般為2個，增加磁鐵個數(shù)，也是通過增加脈沖信號的方法，增加收費(fèi)。

(3) 更換輪胎：出租車計價器的計價里程和輪胎轉(zhuǎn)數(shù)成正比，將原廠輪胎變小，這樣就減小輪胎周長，車輛在等距行駛時輪胎轉(zhuǎn)動圈數(shù)就會增加，使脈沖信號增加[8]。

從上述3個現(xiàn)象可以看出利用傳統(tǒng)的里程計價存在諸多問題，使計算出的里程與實際行駛的里程存在較大誤差，會產(chǎn)生因里程不準(zhǔn)而引起的糾紛，常用的做法是有出租車檢定部門對出租車進(jìn)行定期檢定，一般的檢定周期為一年，出租車檢定的程序和工作量都很大，也會存在一些問題，使出租車檢定的權(quán)威性和嚴(yán)謹(jǐn)性受到挑戰(zhàn)，因此不能從根本上解決里程計統(tǒng)計里程所帶來的弊端[9]。

2 組合導(dǎo)航應(yīng)用于計價器計價的關(guān)鍵技術(shù)

組合導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，以及其在軍用和民用行業(yè)的推廣，使這項技術(shù)越來越多的應(yīng)用到人們的日常生活當(dāng)中，如智能駕考、無人駕駛、精密農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，使人們的生活方式得到很大改善，也使得組合導(dǎo)航技術(shù)在出租車行業(yè)的應(yīng)用成為必然[10]。可以利用組合導(dǎo)航技術(shù)提供準(zhǔn)確、可靠的位置信息，通過計算得到出租車的實際行駛距離，為出租車計價提供準(zhǔn)確的里程基準(zhǔn)；在得到位置信息的同時，也獲取到標(biāo)準(zhǔn)的UTC時間信息，可以得到車輛行駛的時間信息；另外也可以得到車輛行駛的速度信息，從而可以計算車輛低速或停止的時間，這些都為計價器計算最終乘客總共的消費(fèi)金額提供了準(zhǔn)確的計算基準(zhǔn)。下面將介紹組合導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用在計價器中的關(guān)鍵技術(shù)，包括里程、時間及速度等信息計算的原理。

2.1 計 程

組合導(dǎo)航技術(shù)得到的定位信息是在WGS-84坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度信息，為了與實際車輛行駛的里程一致，需要將其轉(zhuǎn)化到高斯平面坐標(biāo)系中。坐標(biāo)轉(zhuǎn)化就是要將橢球體上的元素投影到平面上，實現(xiàn)由大地坐標(biāo)(L,B)求出高斯平面坐標(biāo)(x,y),此計算過程稱為高斯投影正算公式[11]。由定位點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)，即可計算車輛不含高程的里程信息，計算公式為

將NMEA(National Marine Electronics Association)0183協(xié)議中的高程信息作為車輛的高程信息，這里將Hi記錄為相應(yīng)點(diǎn)號的zi，車輛含高程的里程信息計算公式為

采用精度更高的實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)(real time kinematic,RTK)提供位置基準(zhǔn)，由位置基準(zhǔn)計算里程基準(zhǔn)，此過程也會有坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的過程，將轉(zhuǎn)化后的坐標(biāo)定義為(X,Y,Z)[12]?；鶞?zhǔn)里程包括不含高程的里程基準(zhǔn)和含高程的里程基準(zhǔn)兩種。不含高程的里程基準(zhǔn)計算公式為

含高程的里程基準(zhǔn)計算公式為

利用出租車測試?yán)锍毯蚏TK的基準(zhǔn)里程可以計算出里程的誤差率，里程誤差率的計算公式為

里程誤差率能夠反映組合導(dǎo)航技術(shù)在里程統(tǒng)計中的精度和準(zhǔn)確性，是一個重要的數(shù)值指標(biāo)，出租車計價器里程的誤差率是1%～4%。當(dāng)出租車的里程誤差率超過標(biāo)準(zhǔn)時，就應(yīng)到出租車檢定部門進(jìn)行檢定，檢定合格后方可重新投入使用，避免因里程不準(zhǔn)造成計價不準(zhǔn)而影響乘客和出租車司機(jī)的合法權(quán)利[13]。

2.2 計 時

提取出的衛(wèi)星定位信息中包含時間信息，組合導(dǎo)航的時間精度很高，完全滿足出租汽車計價器對時間的要求。關(guān)鍵是要將出租車中對于計價的時間信息提取出來并加以利用，不僅可以顯示出租車的日期和時間，也可以計算出乘客在乘車過程中低速行駛及停車的時間。NMEA0183協(xié)議中的時間信息是UTC時間，將其加8即可得到當(dāng)前的北京時間，時間信息中不僅包含年月日，也包含時分秒。時間信息與數(shù)據(jù)的更新率相關(guān)，如數(shù)據(jù)的更新1 Hz，則定位數(shù)據(jù)1 s發(fā)送1條，UTC時間間隔為1 s；數(shù)據(jù)更新率為10 Hz，則定位數(shù)據(jù)1 s發(fā)送10條，UTC時間間隔為0.1 s，也就是說時間信息是由數(shù)據(jù)的更新率確定的。可以根據(jù)定位信息中的時間信息計算重車狀態(tài)下車輛的等候時間，并作為計價的依據(jù)[14]。

2.3 速 度

提取出組合導(dǎo)航技術(shù)信息中包含的速度信息，記錄車輛的行駛狀態(tài)，對于出租車計價來說，主要是將車輛在低速行駛過程中的速度信息提取出來，并記錄對應(yīng)的低速行駛時間，計算車輛在低速行駛過程中產(chǎn)生的費(fèi)用。組合導(dǎo)航技術(shù)得到的速度信息是慣導(dǎo)和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)融合的結(jié)果，具有很高的精度和準(zhǔn)確性。

3 組合導(dǎo)航計算里程的程序?qū)崿F(xiàn)及精度分析

試驗線路分為開闊的直線路段和復(fù)雜的城市環(huán)境的曲線路段，如圖1和圖2所示，驗證組合導(dǎo)航技術(shù)在里程信息統(tǒng)計中的可用性。數(shù)據(jù)采樣頻率為1 Hz，即每秒獲取一個定位點(diǎn)的位置信息。基準(zhǔn)數(shù)據(jù)采樣采用支持RTK差分技術(shù)的中海達(dá)接收機(jī)，其平面測量精度為：±(10 mm+1×10-6D)，高程測量精度為：±(20 mm+1×10-6D)。測試數(shù)據(jù)采用東方聯(lián)星CC50EBGI組合導(dǎo)航模塊，該模塊加入了三軸MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)陀螺儀。三軸MEMS加速度計是一款小體積、多系統(tǒng)、高靈敏度、低功耗、易集成的小型化組合導(dǎo)航系統(tǒng)，它可以實現(xiàn)載體的實時高精度三維定位、三維測速、三維測姿、精確授時，同時在衛(wèi)星失鎖狀態(tài)下，也可短時間內(nèi)精準(zhǔn)定位、測速、測姿，廣泛應(yīng)用于航運(yùn)、公路交通、車載監(jiān)控、車載導(dǎo)航、手持及物品跟蹤等領(lǐng)域[15]。組合模塊的位置精度為3 m圓概率誤差(circular error probable,CEP)，速度精度為1 m/s。車輛動態(tài)導(dǎo)航定位的精度隨著車輛行駛環(huán)境的變化也是不一樣的，在開闊路段車輛的RTD定位精度達(dá)到亞米級，而在遮擋或衛(wèi)星信號受到干擾的情況下，定位精度會下降，從亞米級能達(dá)到幾十米的定位誤差。

圖1 直線測試路段

圖2 曲線測試路線

開闊的路段測試過程中分為拔天線和不拔天線兩種模式：拔天線模式主要是模擬車輛在衛(wèi)星信號不好的情況下，利用單一的慣性元件進(jìn)行里程統(tǒng)計的性能；不拔天線就是衛(wèi)星和慣導(dǎo)組合導(dǎo)航模式正常工作時里程統(tǒng)計的性能。直線路段測試了4次，其中第1段直線和第4段直線沒有拔天線，第2段直線和第3段直線拔天線測試，拔天線時間1 min，測試結(jié)果見表1。

表1 直線路段里程測試分析

從表1中可以看出，利用組合導(dǎo)航統(tǒng)計出租車的行駛里程信息在1%～4%之間，最大的里程誤差率為1.5%，完全滿足出租車?yán)锍绦畔⒔y(tǒng)計的需要。為了驗證組合導(dǎo)航技術(shù)在出租車計價中里程信息統(tǒng)計的準(zhǔn)確性，隨機(jī)選取一段城市路段進(jìn)行跑車測試。

城市環(huán)境路線跑車測試分析分為整體路線里程和路線分段里程兩種，其中路線分段是以每1 km的里程路段將車輛行駛軌跡切分，分段分析里程信息的方法，可以分析車輛在不同路段、路況情況下車輛里程信息的誤差率。車輛整段里程分析情況見表2，車輛分段里程分析情況見表3。

表2 曲線路段整段路段里程分析

表3 曲線路段分段里程分析

從表2中可以看出，跑車測試的6 km路線，即整段路線數(shù)據(jù)的分析中，利用組合導(dǎo)航技術(shù)統(tǒng)計出的平面和三維里程誤差率均滿足1%～4%的誤差標(biāo)準(zhǔn)。從表3中的分段里程可以看出，第2段的里程誤差較大，第2段RTK基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的使用率較低，RTK設(shè)備在數(shù)據(jù)采集過程中受到高架橋、大樓等建筑物的遮擋，使基準(zhǔn)RTK定位點(diǎn)丟失造成基準(zhǔn)里程信息不準(zhǔn)，與組合模塊本身的性能無關(guān)。

在試驗中采用RTK差分方法獲得的定位數(shù)據(jù)作為里程統(tǒng)計的基準(zhǔn)，RTK差分定位方法受環(huán)境影響很大。在復(fù)雜環(huán)境中驗證組合導(dǎo)航技術(shù)里程統(tǒng)計精確性，使用單一的RTK設(shè)備采集基準(zhǔn)數(shù)據(jù)存在很大誤差，如基準(zhǔn)定位點(diǎn)漂移、缺失等現(xiàn)象都會影響定位點(diǎn)的精度，進(jìn)而影響基準(zhǔn)里程的結(jié)果。因此跑車測試過程中要盡量選擇開闊路段，確?；鶞?zhǔn)數(shù)據(jù)的高精度定位。選取精確可靠的曲線路段的里程基準(zhǔn)，是確定組合導(dǎo)航技術(shù)在里程信息統(tǒng)計中的關(guān)鍵。

4 結(jié) 語

組合導(dǎo)航技術(shù)在出租車計價系統(tǒng)中的應(yīng)用，增加了出租車計價的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，避免單一依靠里程計計價的不確定性。組合導(dǎo)航的定位信息，一方面可以解決里程計計價問題，另一方面還可以將其應(yīng)用于出租汽車的高精度實時定位，滿足了車輛定位的高精度和實時性要求。定位信息在出租汽車上的多種用途，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的有效可靠利用，為組合導(dǎo)航及北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展起到了積極的推動作用。

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Application of Integrated Navigation Technology in Taxi Valuation System

MA Yongjian，LIU Songlin，WANG Tonghe，XU Yali，LI Rongpan

(Information Engineering University， Zhengzhou 450001， China)

Aiming at the problems in timing and calculating mileage for taximeter, the method of using GNSS+INS+Odometer integrated navigation technology in terms of the taxi is put forward. Using integrated navigation technology in the process of the taxi passenger mileage and time calculation, on the one hand, can avoid the traditional mileage in the process of using odometer itself and human factors to change the actual mileage, affect the accuracy of pricing. On the other hand, the method can avoid the single odometer valuation process once appear fault, the results of mileage will appear larger error or unable valuate, etc., increasing the reliability of the taxi pricing system. The car experiment proves that integrated navigation technology applied to taxi valuation system is able to valuate taximeter mileage, timing, and such key problems as low valuation made great improvement, accuracy and reliability are improved significantly. Avoid contradiction between the passengers, taxi drivers, safeguard the legitimate rights and interests of both sides. This has played a good role in promoting the development of integrated navigation technology.

integrated navigation；odometer；valuation principle；range error rate

馬永健，劉松林，王同合，等.組合導(dǎo)航技術(shù)在出租車計價系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].測繪通報，2017(7)：76-80.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0227.

2016-12-26；

2017-02-16

信息工程大學(xué)“2110工程”建設(shè)項目(510087)

馬永健(1990—)，男，碩士，主要研究方向為導(dǎo)航技術(shù)與應(yīng)用。E-mail:495586394@qq.com

P228

A

0494-0911(2017)07-0076-05