基于卫星定位的智能公交监管调度平台设计与实现

朱 峰，肖方平

（上海北斗卫星导航平台有限公司，上海 200081）

1 引言

1.1 研究背景

为了实现对车辆进行有效的管理使用、有力的指挥调度、全面的安全监控、完善的协调运营等功能，建设一套集指挥、控制、管理于一体的智能公交监管调度系统是一个行之有效的解决方案。在某些特殊和关键领域（如化危品运输、押运车、军事等）对外出的运输车辆进行监控与调度显得尤为必要。这些功能的实现不仅要求对车辆精确的定位，还需要有可靠的通信网络、完善的指挥调度中心等。

目前，大多数智能公交监管调度系统都采用GPS实现定位和监控，由于GPS属于美国，应用在关键领域是不可控的。为了避免受制于人的情况，我国投入巨资建成了北斗卫星定位系统的基本框架。

1.2 研究的目的及意义

随着各行业车辆的快速增多，各单位的车辆管理调配问题比较突出，目前企事业、政府、公安用车，普遍存在着车辆监管难、掌控调度难、油耗控制难及安全生产难等问题。

为提高监控管理水平，更加科学、有效地对车辆和人员进行实时监控和管理，提高作业效率和质量，就需要有一套完善的车辆后台监控、指挥和调度管理系统。该系统可以为各单位在车辆的精细化管理方面提供有力的工具，同时也可避免作业过程中驾乘人员出现违规驾驶、超速驾驶、擅自改变线路、改变作业车速及随便停放等违规行为。

为此，上海北斗卫星定位平台有限公司（以下简称“上海北斗”）依据城市交通信息智能化发展现状及总体目标，提出了一套智能智能公交监管调度与管理建设方案。该方案充分利用北斗/GPS卫星定位技术、地理信息技术、计算机技术、网络技术、现代通信、视频监控等相关技术，结合城市交通信息平台建设需求，搭建一体化的智能管理监控平台，实现对城市公交车辆的实时计算机化的监控、跟踪、调度，通过无线通信技术将车辆的实时运行情况及相关资源信息及时传回后台监控中心，便于对车辆及相关资源进行日常管理和应急资源调度。

1.3 国内外研究现状

本课题主要涉及北斗、GPS系统和GIS系统等相关技术，下面分别对其发展现状进行分析。

1.3.1 北斗卫星定位系统

我国自主研制的北斗卫星定位系统从2004年4月正式运营、全面对民用用户开放至今，整个系统运行稳定，工作状态良好，已逐步在测绘、电信、水利、交通运输、勘探和国家安全等诸多领域发挥重要作用[1]。

1.3.2 全球卫星定位系统

全球卫星定位系统国际委员会（ICG）公布的全球四大卫星定位系统包括：美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo和中国北斗系统[2]。

1.3.3 GIS系统

地理信息系统是对地表上的物体和环境所固有的质量、关联、规律等，信息利用先进的计算机技术来加以获取、存储、检索、分析和显示，形成空间定位数据并进而建立数据库的管理系统，地理信息具有可以把空间和时间上的信息整合到一起形成区域性、多维性和时序性的综合信息[3]。

目前，国际上地理信息系统发展具有二维GIS加速向三维GIS发展（如谷歌地球三维GIS）、GIS软件向组件式GIS转变（如MapInfo公司的MapX、中国科学院地理科学与资源研究所的ActiveMap等）、桌面GIS向移动GIS扩展（如百度地图等推出的手机终端版本）及客户端GIS向WebGIS（如公安部的PGIS平台）发展等特点[4]。

地理信息系统在国内起步较晚，其最早是于20世纪90年代从测绘行业中细分出来，目前，我国在地理信息系统的理论基础、研究方法以及应用上都处于发展时期。

2 关键技术研究

2.1 北斗卫星定位技术

北斗一代和二代都是采用三球交会测量原理进行定位，如图1所示[5]：

图1 三球交汇定位原理

分别以两颗同步卫星为球心，以卫星到用户接收天线距离为半径，构成两个球面；两球面相交得一圆，该圆垂直于赤道平面；在地球不规则球面的基础上增加用户高程，获得一个“加大”的不规则球面；圆与不规则球面相交，得两个点，分别位于南北半球，取北半球的点即为用户终端机的位置。上述定位解算在地面中心站完成。

北斗系统采用集中式信号处理，定位必须通过中心站进行，由中心站判断用户请求的业务类型，并执行相应的操作[6]。

2.2 差分定位技术

卫星定位误差的构成有星上误差（公共误差）如卫星钟误差、星历误差；传播时延误差（公共）如电离层误差、对流层误差等；接收机固有误差（非公共）如内部噪声、通道延迟、多径效应等。采用差分定位技术可以使第一部分误差完全消除，第二部分误差大部分消除，第三部分误差无法消除。

差分定位技术类型主要有伪距差分（米级）及载波相位差分（厘米级）等。它们的相同点是都由参考站发送校准数据，由用户站接收并对其测量结果进行校正，以获得精确的定位结果；不同点是发送校准数据的具体内容及对终端的要求不一样，其差分定位精度也不同。

对于智能公交应用，一般采用伪距差分，米级精度已经能够满足市场的要求。图2展示了车载差分定位的基本原理。

图2 车载差分定位

2.3 智能公交监管调度平台通信网关

平台通信网关有两个作用，一是作为通信服务器接收车载终端连接请求以及和车载终端之间进行数据交换同时向车载终端下发指令；二是作为数据交换中介将车载终端上传的数据转发给网站应用服务端供业务应用处理，业务应用处理之后也要经过通信网关将相应的数据或命令反馈给车载终端，其特点如下：

⊙ 多线程和多队列机制—— 确保交换效率最高；

⊙ 区域和报警分析—— 基于高性能判断算法；

⊙ 级联机制和负载均衡—— 保证系统可扩展性；

⊙ 数据安全——VPN、密码、对称加密和非对称加密；

⊙ 数据存储—— 数据缓存和数据可追溯性；

⊙ 数据补报—— 确保数据完整性。

3 卫星定位智能公交监管调度平台设计与实现

3.1 上海北斗智能公交监管调度平台设计

3.1.1 系统业务分析

交通运输智能公交监管调度管理存在的主要问题有如下两项[8]：

第一项是，无论从管理还是工作角度来讲，对车辆的管理都有相应的卫星位置服务需求。目前有一部份企事业单位对所属车辆自行进行管理，没有进行集约化建设，也没有进行规范化、专业化管理，缺乏统一管理平台对各管理对象和管理内容进行综合管理。

第二项是，虽然现有车辆大都安装了卫星定位设备，但是目前的卫星定位精度和性能不高，后台管理的应用系统也不完善，不能满足现有位置服务的需要，影响了对车辆的有效管理。

交通运输智能公交监管调度管理要实现的主要业务目标为：以交通运输智能公交监管调度管理为主线，以交通运输车辆位置服务信息整合和服务为核心，以车辆管理和位置服务为重点，通过交通运输车辆的管理和位置服务，做到交通运输车辆监管的专业规范、便捷高效、公开透明，实现车辆位置全覆盖、管理全过程、人员全参与、服务全方位的交通运输车辆监管的业务目标。

交通运输智能公交监管调度管理的具体需求为以下三个方面：

（1）对交通运输车辆位置服务的需求。基于北斗卫星定位，获取交通运输车辆的位置信息，并以此为基础，为交通运输车辆提供相应的位置服务，包括智能公交监管调度、车辆违规报警、车辆路线查阅等服务，便于城市相关企事业单位对车辆管理提供服务。

（2）数据统计分析的需求。基于北斗卫星获得的位置信息，结合相应的车辆管理信息，对交通运输车辆进行相应的数据统计分析（如车辆行驶里程分析、报警统计、油耗分析、行驶轨迹回放等），为管理层提供交通运输智能公交监管调度管理决策的支持。

（3）建设交通运输车辆应用的需求。目前，某些企事业单位尚无相应的交通运输智能公交监管调度管理手段，以本平台实施为契机，建设相应的交通运输车辆应用，使用信息化管理手段，提高交通运输智能公交监管调度管理水平，促进交通运输车辆的高效、有序使用。

3.1.2 系统需求分析

1. 基础信息管理需求

获取相应的交通运输智能公交监管调度管理基础信息，可以进行相应的终端参数设置、报警设置、车辆定位信息上报设置、盲区补偿设置、对象管理、组织管理、人员管理、分组管理、车辆管理等，满足本平台日常信息管理的需求。

2. 智能公交监管调度需求

基于北斗/GPS定位终端设备获取交通运输车辆定位信息，对各类交通运输车辆进行位置监控，包括车辆的实时监控、个别重点车辆的监控以及车辆的自动上报。同时通过短信等手段达到对交通运输车辆进行实时调度的要求。最后系统可以满足对所有交通运输车辆进行信息查询的要求，并可以回放每辆交通运输车辆的路线行驶轨迹，从而达到全方位智能公交监管调度的需求。

3. 报警处理需求

系统可以根据已经掌握的各类交通运输车辆位置信息进行各类报警处理，需要进行超区域报警、超速报警、偏移路线报警、分段超速报警以及停车时间超长报警，系统收到车辆报警后将提醒相关工作人员车辆报警信息，由工作人员进行相应的处置，并作为将来绩效考核的依据。

4. 数据分析需求

本平台需满足有关交通运输车辆位置服务的各类统计，包括报警统计、里程统计、油耗统计、行使轨迹统计、停车统计、终端在线/不在线报表、用户登录统计、日行驶速度统计、车辆速度筛选统计、分组车辆统计等，满足交通运输车辆日常工作统计需要，为管理层针对交通运输智能公交监管调度管理的决策提供相应的依据。

3.1.3 系统功能设计

主要功能包括：监控、轨迹回放、参数配置、车辆调度功能、车辆报警功能、排班计划、油耗报表。

3.1.4 系统架构设计

基于北斗的智能公交监管调度平台主要由车载单元、定位通信卫星网络（北斗系统）、监控调度指挥中心等三部分组成。平台结构如图3所示：

图3 平台总体架构

4 上海北斗智能公交监管调度平台实现

北斗智能公交监管调度管理应用平台采用B/S和C/S结合的架构方式，主要包括单车/多车监控、地图使用、在线地图、车辆实时报警监控、车辆报警统计、车辆安装/维护管理、设备管理等功能。

[1] 唐金元，于潞，王思臣.北斗卫星定位系统应用现状分析.全球定位系统，2008，2月，26.

[2] 纪龙蛰，单庆晓.GNSS全球卫星定位系统发展概况及最新进展.全球定位系统，2012,37(5),56.

[3] 盛宇，董志江.地理信息系统（GIS）发展现状及展望.科技创新与应用，2012，12月（中），49.

[4] 邬伦等著.地理信息系统原理、方法和应用.

[5] 吕洋.基于北斗一号系统无源授时机的研究与实现（硕士学位论文）.国防科学技术大学，2009.10.

[6] 王艳红，赵文智，杨明.北斗卫星导航系统及其于民航导航的应用.计算机测量与控制，2014,22(2),497.

[7] 干国强，邱致和.导航与定位--现代战争的北斗星.北京：国防工业出版社，2000.

[8] 张其善，吴今培，杨东凯.智能车辆定位导航系统及应用.