摘? 要: 介紹了北京市公共交通總公司智能化調度指揮系統中的GPS車輛監控系統的組成及其所采用的一些關鍵技術:DGPS、組合定位、集群通信、電子地圖等,描述了系統中采用的具體工作方式:TDMA、專用信道、廣播同步等,闡述了硬件設計及實現中的FPGA技術。最后說明了系統的應用環境。
關鍵詞: 車輛監控系統? GPS 集群通信? FPGA
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隨著首都經濟的迅速發展,公交車輛增加、線路延長、車次增多的狀況日益突出,同時,道路的擴建又受土地的限制而無法實現,因此交通擁擠時有發生,給首都人民帶來了極大的生活不便并嚴重阻礙了社會經濟的可持續發展。
目前世界各國尤其是發達國家均面臨同樣的問題,由此出現了利用高新技術改善道路利用率、減少阻塞、節約能源的智能交通系統(Intelligent Transport Systems,簡稱ITS)的研究及試驗熱潮,在國內外也有許多應用系統誕生。其中先進的公共交通系統(Advanced Public Transport System,簡稱APTS)就是針對公共交通系統中出現的時延問題、堵塞問題等設計的。北京公交擬建立的ITS示范工程系統正是在這種前提和背景下進行的,實際上是一個APTS的具體應用實例。該系統包括:計算機網絡系統、固定通信系統、調度平臺系統、GPS公共車輛監控系統、大屏幕顯示系統。本文主要就GPS車輛監控系統進行說明,介紹其系統構成、各種關鍵技術及具體實現方法。
1 GPS車輛監控系統的構成
GPS車輛監控系統的系統構成見圖1,共分4部分:GPS差分站、GPS監控站、區調控制器、車載設備,集群網的基站、復用器、區調平臺都是和GPS系統相關、用于實現數據傳輸及其它輔助功能的內容。系統中的數據傳輸分兩部分,一是無線傳輸,一是有線傳輸。無線傳輸是利用MOTOROLA公司的SMARTNET-II+模擬集群網。有線傳輸利用幀中繼和計算機網絡實現,其中差分數據的傳輸利用RS485串行口和專用的9.6kHz幀中繼帶寬完成;車輛信息上行傳輸到區調平臺以及調度命令下行到GPS監控站均由計算機網絡完成。
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系統中基本的數據傳輸流向為:差分信息由差分站下發,通過RS232串行口擴展為485接口再傳輸到兩個客運中心(客三和客六),到客六的傳輸直接由485模塊到485模塊完成(距離約100m),到客三的傳輸利用幀中繼和485串行口來共同實現(距離約為5km)。存儲在GPS監控站的差分信息由區調控制器定時來讀取下發到各運營車輛。車輛信息通過集群網傳輸到區調中心,由區調控制器解調后傳送到GPS監控站。調度平臺向各運營車輛下發調度命令是通過GPS監控站進行的,兩者之間的數據傳輸通過計算機網絡進行。
2 車載設備的構成
GPS車輛監控系統的車載設備包括定位裝置、數據傳輸裝置、控制電路、電源、顯示、短信息輸入、語音接口等,其功能主要是傳輸車輛的位置、時間、速度、狀態(短信息)、車號、路號,并提示司機與區調中心進行通話聯系以及顯示快慢點或時鐘。不同的車輛采取時分多路(Time Divided Multi-Address，TDMA)的方式,每一車載設備分配一個固定的時隙,而各車輛的同步利用區調中心的廣播同步碼來進行。設備組成如圖2所示。
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定位裝置采用DGPS(Differential Global Positioning System)和INU(Initial Navigating Unit)組合的方法。DGPS的精度能夠達到±10m,由車載設備接收區調的差分信息寫入GPS接收機實現。INU(此處為角速度傳感器和汽車里程儀)的信號能夠保證定位的連續性,使得GPS接收機因衛星跟蹤不到或衛星數不夠時系統仍能定位。GPS接收機和INU的工作完全是自動切換,利用INU進行航位推算以GPS的定位數據作為起始位置。航位推算的基本原理如圖3所示。
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由于車輛的運動可以看作是在二維平面(X,Y)上的運動,如果已知車輛的起始位置和初始方位角(與北向的夾角,順時針為正),再通過實時測量車輛行駛的距離和方位角的變化,就可以推算出車輛下一時刻的位置。航位推算的具體算法如下:
?????? 數據傳輸裝置利用公交已有的無線模擬集群電臺和MODEM組合的方式,對模擬信號和數字信號進行相互轉換,使數字信號能夠在模擬信道中可靠地傳輸,波特率為1200bps。無線電臺傳輸數據時工作在數據組,當接收到區調中心的“請速通話”命令時,CPU將控制電臺由數據組切換到通話組,通話任務(規定在30s以內完成)結束后再自動切換到數據組。
短信息指的是車輛狀態,由司機根據實際情況進行輸入,和車輛的位置等其它信息一起傳送到區調中心。短信息共含7種:道路堵塞、車輛故障、交通事故、乘客滯留、服務糾紛、安全報警、通話請求。
顯示接口為時鐘和公交車輛快慢點顯示的接口,驅動5個數碼管顯示該車輛整體運行時間比預計時間的快慢情況。語音接口與司機進行通話以及系統自檢正常與否的語音提示。
控制電路提供系統所需要的時序和相關的控制信號,包括時隙產生、時間延遲、電臺工作組轉換等,其實現利用先進的FPGA(Field Programmable Gate Array)技術,增強了系統的靈活和保密性,同時也大大縮短了系統的開發和研制周期。
電源部分直接將汽車電瓶的24V直接電壓進行轉換,提供電臺需用的13.8V/8A和GPS控制盒所需用的5V/500mA雙路電源。由于汽車點火時電瓶的電壓具有較大的波動,因此電源部分也包含了相應的濾波、控制和保護電路。
3 區調控制器的構成
區調控制器在整個系統中主要完成車輛信息的接收及上行傳輸、差分數據及調度命令的下發、廣播同步信號的下發等。其組成如圖4所示。
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區調控制器由MODEM、CPU、GPS接收機、控制電路組成,MODEM實現數字信號和模擬信號的相互轉換,控制電路提供嚴格的時序和相關的控制信號,GPS接收機提供時間基準,CPU完成所有操作的統一和協調。
區調控制器每隔5s(用于1路)或10.6s(用于44路)讀取1次GPS監控站中的差分信息和調度命令,而后對該數據進行重新打包,插入同步碼,由工作在數據組專用集群信道的電臺廣播出去,收到同步碼后不同的車輛延遲不同的時間生成相應的時隙。其后的時間等待接收所有的車輛信息并轉發給GPS監控站,即區調控制器和車載設備也是分時工作的。圖5(a)、(b)分別表示出了區調中心和車載設備的工作時序。
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4 GPS監控站監控軟件
GPS監控軟件的主要功能是對轄區內所有的公交運營車輛進行監視,統計車輛的正點、狀態(含報警)等情況,且能夠實現多條線路的同時跟蹤;儲存差分信息,并轉發來自調度平臺的調度命令,將車輛信息轉發給區調平臺。其監視方法有多種,主要是以電子地圖為背景為車輛調度提供可視化依據。其中全區、線路、單車、報警、短信息、正點為6種不同的顯示方式,可以根據不同情況對需要了解的公交車輛進行查看,從而可以為調度平臺提供更加詳實的車輛狀況。同時,監控終端還具有數據存儲、軌跡重放、信息查詢等功能。
5 GPS差分站及其工作原理
該系統中的差分站工作于偽距差分模式,為整個北京地區的所有公交車輛提供偽距修正信息,使得定位精度比SA影響時提高一個數量級。其構成如圖6所示。DGPS接收機的差分輸出信息經過控制電路傳輸到差分站管理微機,由差分站軟件讀取并經RS232串行口發送到兩個區調的GPS監控站。
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差分GPS的工作原理如下所述。
假定衛星j發信號時的理想GPS時為tjg,接收機接收到該信號時的理想GPS時為tg,tj為衛星j發信號時的衛星鐘時刻,t為接收機收到信號時的接收機時刻。則衛星鐘具有鐘差δtj=tj-tjg,接收機具有鐘差δt=t-tg ,由此可以得出衛星j和接收機之間的偽距為:
其中c為光速,Rj=c(tg-tjg)為衛星j和接收機之間的真距,(2)中包含接收機鐘差與三維坐標共4個未知量。因此觀測至少4顆衛星的偽距即可解算出接收機的實際位置。
根據偽距定位模型,在基準站設置一個基準GPS接收機,利用多次平均法、聯測法或軟件法精確求得基準站的地心坐標,再利用每一時刻的衛星地心坐標和已知的基準站地心坐標反求出各個時刻的真距Rjo?；鶞收緶y量的偽距與其真距的差值即為偽距改正數:
利用改正后的偽距進行定位可以獲得精度有所提高的差分定位解。
??? 理論分析和試驗均表明,差分改正數(含偽距改正數及偽距改正數變化率)的發送間隔為5s或10s都能夠使定位精度達到±10m。
6 集群通信的應用
??? 集群通信是一種專用通信方式,它將多個無線信道組合在一起由系統內的所有用戶共同使用,其特點是“資源共享”。用戶如果需要通信,必須首先申請信道,如果系統內的信道均為其它用戶所占用,則該用戶等待信道空閑后才能發起呼叫。系統內的信道管理以及用戶接續均由集群控制器完成,信號的傳輸由集群網的基站進行轉發,增大了系統的覆蓋范圍并改善了通信質量。另外,集群系統內的用戶可以進行分組,同一組內的用戶可以不需撥號就能相互呼叫。目前的集群系統主要是模擬制式。但數字集群系統已經誕生,也是未來的發展趨勢。
綜上所述,利用模擬集群通信網進行公交車輛的實時數據傳輸,需要采取特殊的措施以避免由于信道申請造成的時間延遲或者申請不到信道導致的信息丟失。首先,對公交車輛進行分組,同一區域調度中心所屬的車輛分配在同一組內;為一個區域調度中心設置一個專用信道,該信道僅供此中心的車輛傳輸數據,只要該中心的車輛發起呼叫,集群控制器就指定該信道為其所用。
北京市公共交通總公司智能調度指揮系統中的GPS車輛監控系統目前主要用于1路和44路的所有車輛,另外2輛指揮車相當于移動的區域調度中心,既有普通車輛傳輸數據到區調的功能,又可以接收所有運營車輛的信息顯示在電子地圖中,為動態調度公交車輛提供可視化依據。系統還包括1輛搶修車,實現移動的公交車輛維護管理。
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參考文獻
1 王廣遠,郭秉義,李洪濤.差分GPS定位技術與應用.北京:電子工業出版社,1996
2 Harry Evers.差分GPS.導航,1990;(2):11～21
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