GPS在智能公交系统中的应用

摘　要：摘要：GPS在智能公交系统中用来实现自动定位，本文介绍了GPS与智能公交系统的关系，设计了车载终端的硬件部分，重点设计了定位通信终端，阐述了车载终端内部GPS数据处理，描述了车载终端与调度中心之间GPS数据发送的过程。

关键词：关键词： GPS接收；定位；报站；智能公交； 数据发送

中图分类号：TP39    文献标识码：A    文章编号：
    1.引言
    现在智能公交系统并没有普及到每个城市，即使有的城市已经运行，试行的结果并不很理想，报站不准确，公交的服务没有全面考虑到市民乘车的各项需求，存在设计不合理，报站内容不正常、错误显示或者干脆不显示，由于通信中断、数据丢失导或电源切断、高楼大厦的遮挡导致GPS信号无法收到等原因致自动报站无法正确更新。因此大多城市的公交还是采用通过手工按键来进行报站，也存在漏报或错报。
    本文设计提出了以GPS(Global Positioning System))定位来实现智能公交系统的设计，达到了完整的智能化公交服务。
    2. GPS与智能公交系统的关系
    智能公交系统采用全球定位系统GPS (Global Positioning System) 接收机进行数据采集，包括精确的经纬度、方向、当前时间。并获取与定位相关的有效性和可信度的信息，公交车载终端系统根据车辆这些位置信息进行自动报站等服务，并将定位数据等信息反馈给中心，中心进行分析，判断，计算再将结果中心分发给电子站牌，电子站牌接到信息及时更新其显示信息，从而实现完整的自动服务，实现公交车辆的自动报站、监控调度和指挥，使出行者能够通过电子站牌了解车辆的到达时刻 及相关信息。
    以下是GPS在智能公交系统主要的应用
    1) 定时自动报站，这是GPS在公交系统中最大的应用，通过GPS接收机接收车载终端产生的定位数据，GPS就是一种定位信息，车辆某一时间的位置与报站器内预先存储的车站经纬度进行比较判断，根据判断结果自动输出语音报站，显示交通信息和文明用语等。
    预先存储的车站经纬度（语音播放触发点）可以预先通过接口成批灌制。但由于道路情况千变万化，预先灌制的数据可能与实际情况有偏差。自动报站器具有学习功能，即车辆在第一次行驶过程中由驾驶员按照平时习惯按键播放语音，报站器自动记录驾驶员按键时所处的位置，作为语音播放的触发点，今后就可不需人工干预进行自动播放。使用过程中，驾驶员还可以根据实际需要插入、删除和修改触发点的位置。
    2) 对于所查询车辆的选择可以按单辆车、部分（分组）或全部车辆进行，选中车辆的实时位置信息和行驶数据信息将向管理中心报告。位置信息包含经纬度值，行驶状态信息包括时间、速度、方向、设备故障信息等。
    3) 报警功能 车载终端设备可配置紧急报警开关（手动或脚踏），在有紧急情况如遇劫、求助等发生时，当驾驶人员按下按钮后车载终端会马上执行向管理中心的报警动作；管理中心接收到报警信息后立通知各方人员，根据收到的定位信息为值班人员提供及时完整的报警信息和精确位置。
    4) 历史轨迹上传及轨迹回放  车载终端上存储的历史轨迹记录可以由中心通过无线方式按照时间段提取后存储于中心，轨迹点可以在管理中心电子地图上回放以重现车辆的行驶过程。如果有交通案件发生，可通过定位信息可以找到其驾驶员。当然也有利于其他一些情况的城市管理。
    5) 越界/超速报警  根据定位信息，可以得出在单位时间的时速，由中心系统下发速度的上限值到车载终端并由车载终端保存该设置，在行驶过程中若判断实际行驶速度超出速度上限值立即执行向监控中心上报超速报警信息的动作；中心系统亦可下发活动区域的属性数据到车载终端并由车载终端保存该设置，在行驶过程中若判断出不在活动区域内则先给驾驶员报警，如果持续的时间内驾驶员不立即执行，后就会自动向监控中心上报越界报警信息的动作。中心系统记录报警信息立即记录。当然慢速也是不可以的。
    6) 指定行驶路线和行驶时间  可将具体的路线和允许偏离距离由管理人员设定在车载单元内，由车载单元结合实时位置动态判断，若偏离指定的线路，并将偏离指定线路的信息通过无线方式上报到指定的监控中心，线路和允许偏离距离参数可由监控中心通过无线方式动态设定。由于路况信息要临时变更也可以的。驾驶员不及时到位情况也可以通公交车定位信息了解。
    综上所述，智能公交的服务都离不开GPS的定位信息，整个由于GPS的数据才能进传送的自动化服，因而智能公交服务系统的设计与实现是建立在GPS的基础上展开的。
    3. 基于GPS定位的车载终端设备总体组成
    智能公交系统中车辆自动报站是其中一大关键，下面从车载终端为例作出详细的设计，
    公交系统由定位/通信主机（带外部接口）、LCD显示屏、操作面板/通话手柄、自动报站器和其他外部设备（如乘客计数器、计价器、控制输出等）组成，对于公交车，则没有计价器部分，它的组成如图1所示。
    定位/通信主机是车载系统的核心部分，负责定位数据的获得、信息的传输、收集外部接口采集的信息、控制LCD显示屏的显示，使系统中个部分协调工作。定位数据除按设定的时间间隔通过无线通信网络发送外，还将每秒获得的定位数据传送到自动报站器，由其与报站器中预先存储的线路信息（如车站位置）进行比较、判断，进行自动报站。
 
                              图1车载设备的总体组成结构图
    3.1 车载终端定位/通信终端
    由GPS模块获取每秒的定位数据，然后源源不断地传输到中央微处理器，与预先存储的方向位置比较，吻合时发出触发信号，提取存储器内的语音文件自动播音，通知显示模块进行及时更新，公交车内面对乘客报站，同时车辆终端通过无线通信发给中心，由中心及时获取车辆到站或出站消息，中心再分发给电子站牌。电子站牌接收到调度中心的数据也相应的进行显示，为候车的市民提共全方位的服务。
    定位通信终端主机由中央处理器、GPS模块、无线通信模块、电源适配器和外部接口组成，如图2所示。
 
                                      图2 定位通信终端的组成示意图
    1）中央处理器
    中央处理器采用ARM系列高档微处理器，控制GPS数据的获取、发送，接收监控调度中心的信息，控制键盘、显示屏工作，并可通过外部接口采集外部设备提供的信息和控制外部执行设备。
    处理器内嵌ISP控制程序，配合被划分为两部分的APROM（应用程序存储区），可实现控制软件的在线更新。
    外扩存储器用来滚动存储不小于1个运营日的定位数据和其他设置参数等，用于在通信中断 时存储定位数据，以便在通信恢复后补传定位数据。存储器采用Flash存储器，既可方便地进行在线电擦除/写入，又不易因挥发导致数据丢失。
    2）GPS模块
    为使车载终端在受到遮挡后能尽快地恢复定位能力，本方案采用具有DoD功能的GPS接收模块，使得定位信号丢失后能在2秒内重新捕获定位信号，现有的GPS模块采用台湾鼎天的REB-21，选用的参数指如下：
 定位经度：＜20米（无干扰）;动态性能： 515米/秒;加速度： 4g
 震动： 20米/秒3;接收机灵敏度：＞130dBm@仰角5°;启动时间： ＜60秒;
 重捕获时间：＜2秒;自动搜索时间：＜120秒;
 GPS天线接口： SMA/BNC/SMB/MMCX
    3）无线通信模块 无线通信可采用GPRS方式也可以采用其它，采用SIMCOM公司的SIM100，当信号丢失时，硬件可以采用蓝牙模块地补偿，通过蓝牙可以与附近的电子站牌联系，软件可以依赖于经验速度进行预算，从而补偿报站。
    4） 电源适配器
    车载终端的供电采用车载电源，为防止电源波动对设备的影响，采用开关稳压和线性稳压相结合的稳压方法，既保障供电稳定，又保证车载电源转换过程的高效率，以节省车载电源有限的容量。
    5）外部接口
    外部接口备有8路TTL电平接口用于外部设备数据的输入输出。4组常开/常闭继电器（光耦合）输出端子，用于控制外部设备，如语音报站时降低车内媒体播放音量，或在遇劫时受监控中心控制切断汽车电路/油路等。另预留3个EIA RS-232/485串行口，用于需要串口连接的设备。在无线通信失效的情况下也可以作为软件更新或成批下载定位数据的备用手段。
    4. 车载终端内部GPS数据处理
    当GPS指示灯处于闪烁状态表示正在接收，处于正常工作状态中，在公交车终端安装GPS接收机，它就可以不停地接收定位信息，车载终端的CPU根据GPS包进行检查、处理和校验，只要当GPS包收到数据有效才可以进入下一步的自动服务，播放语音，这个GPS数据即当前车辆所处的瞬间位置，当收不到GPS包或是格式不正确时都需要驾驶员手工按键或采用补偿方式实现各项服务。GPS数据的格式，都是以“$”符号开始，可以此判断是否开始接收GPS数据，流程图在此略。
    5. GPS数据包相互发送控制
    综上所述，在运营过程中，GPS包在整个调度中心，车载终端，电子站牌要进行相互的发送，运行时车载终端把准备好的GPS包周期发送给调度中心，因为实时性很强，定位数据随时变化，时间过去就无效，因此不需要回应，调度中心接受后自行作相应处理。在此以车载终端与调度中心为例，以下为相互发送示意图如图3所示
                                                   
                        图3 车载终端与调度中心GPS发送控制流程
    5.1 车载终端与调度中心发送GPS包流程描述
    车载终端预先设置好GPS包发送计时器；即过多久间隔发送一次GPS包，当待计时器开始触发，判断是否发送GPS包，如果是，开始发送，否则再进行等待判别。
    车载终端收到，开始判断消息是否有效，若是错误消息丢弃，判断是不是属于本类消息有效的数据，如果是进行处理，若是错误消息丢度。调度再将信息分发电子站牌，数据处理流程大同小异，在此不作详细说明，另外流程图略。
    本文对GPS在智能公交系统中的应用进行了详细的说明，对有关GPS的部份进行了完整的研究与设计，而且进行了优化，研究了车载终端内部GPS数据处理，车载终端与电子站牌之间GPS数据发送的过程，从而完善了智能公交系统的服务。智能公交系统报站的准确性和便利性依然是现在面临的一大难题，当GPS数据丢失时，各种补偿方案要能够保证公交服务的正常运行，今后还有待进一步研究。
参考文献:
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    基金项目：湖南省教育厅科研资助项目(08C515)