GPS之家

    关键词：GPS, 监控系统, 道路匹配

1．引言

    GPS即Global Position System—全球定位系统。上个世纪80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。我国GPS车辆监控系统应用走过了及其缓慢的发展道路。 1999年—2004年,GPS车辆监控系统市场出现了快速增长的势头，随着我国GSM数字移动通信系统的快速发展与全国普及，作为系统瓶颈问题的通信网络，通过采用GSM公众网的短消息服务，找到了新的出路。

    而在国外，这方面的研究早已开始并取得了一定的成果。像欧美、日本等国，利用GPS技术的自主导航产品非常普及。世界上有超过100家的公司正在研制各种各样的GPS用户接收机。其中车辆应用所占的比重最大。

2．系统总体框架设计

    GPS车辆监控系统，采用了世界领先的GPS全球卫星定位技术、GSM全球移动通讯技术、GIS地理信息处理技术、大容量数据采集技术和大容量数据存储等计算机网络通信与数据处理技术，同时尽可能多的采集并记录车辆行驶过程中大量的数据信息，自动生成图形和数据，进行统计、比较、分析、列表，从而提高车辆营运管理工作的效率。能够实现对车、船等移动目标的精确定位、跟踪及控制，具有定位精度高、稳定性强、使用效果好的特点。

    GPS车辆监控系统由三部分组成，即：定位部分、通信部分和监控部分。定位部分主要用来确定移动目标的位置, 通信部分作为用户和监控中心沟通的媒介, 而监控部分则为用户提供完善的服务。整个系统的结构如图1所示。

图1 GPS车辆监控系统整体结构

系统的工作原理是：安装在车辆上的GPS接收机根据收到的卫星信息计算出车辆的当前位置，通信控制器从GPS接收机输出的信号中提取所需要的位置、速度和时间信息，结合车辆身份等信息形成数据包，然后通过无线信道发往监控中心。监控中心的主站接收子站发送的数据，并从中提取出定位信息，根据各车辆的车号和组号等，在监控中心的电子地图上显示出来。同时，控制中心的系统管理员可以查询各车辆的运行状况，根据车流量合理调度车辆。

3．监控中心

    在整个系统中,监控部分是最主要的。监控部分即监控中心，包括各类功能服务器、应用终端和软件、监控设备、报警装置、数据库等，对车辆的位置、速度、方位、状态进行监控，为用户提供位置查询、电子地图服务、车辆管理、信息提供等多种服务。监控中心能实时监控网内车辆当前所处的位置，能在监控中心的电子地图上准确地显示车辆当时的状态，如行驶速度，运行方向等信息。其拓扑结构如图2所示。

    根据用户所需监控目标数量的不同，中心控制系统有着不同的系统结构，通常可分为单机版和网络版两种。单机版结构，其投资成本低，直接在用户的电脑上加装GSM通讯模块和控制中心全套软件即可，主要用于运行初期小规模车辆管理的车辆监控系统。下面只对网络版系统结构及特点做详细的描述。

为了满足用户同时监控成千上万个移动目标的要求，利用DDN专线直接连接GSM服务商的短消息服务器。并在中心建立一个计算机网络将监控服务台终端，系统管理员终端，远程联网终端等都作为工作站上网，以实现数据共享，远程联网等功能。系统分为三个层次：无线通信接口，服务器，接入服务终端。采用此三层次结构来构架整个系统的方法，可以保证系统中硬件和软件系统的分离，提高系统的稳定性，当系统的其中某一模块发生故障时不至于影响整个系统。

图.2 车辆监控系统拓扑结构

    当控制台接收到基站从串口传来的数据时,需要对数据进行解释,具体实现的方法是,定义一个循环队列结构数据,长度大于位置信息或短消息的长度,然后根据通信协议判断包头和包尾,分离出整个数据包,再对数据包进行判断,确定该信息是位置信息还是短消息。如果该条信息属于位置信息，则将根据通信协议分离出具体的有用信息，例如经度、纬度、高度、速度、发送时间等,并将完整信息内容转化为字符串格式,将该条信息记录在数据库中,以便以后数据回放所需,而后再将经纬度、速度、高度等信息通过socket传送至监视端显示,监视端根据信息内容显示车辆位置；如果该条信息是短信息，则根据通信协议解析出该条信息中的位置信息部分和短信息部分，其中对于位置信息部分的处理方法同上，对于分离出的短消息判断它是短消息还是报警信息,并将其保存在数据库中。

    当控制台传来车辆的位置信息时，监视端首先查找地图中是否已经有该车的位置,如果有,则清除该车位置,在新位置标出该车符号,并将屏幕显示移至该车处；如果电子地图中没有该车位置,则在新的位置上标出该车符号即可,并将屏幕移至该车处。

4．道路匹配算法

    为了对车辆进行监控，就要确定移动目标的准确位置并将其显示在地图上。而由于车载GPS终端采集的经纬度坐标和电子地图本身都具有一定的误差,因而导致车辆坐标无法与电子地图中与之行驶相对应的道路对象相吻合。在监控系统的界面上表现为车辆并非行驶在道路上。因此必须采用道路匹配算法,使车辆定位点与相应的道路相匹配,而将该点直接匹配到道路中心线上。

    这里介绍一种以路匹配和点匹配为基础的道路匹配算法。

    这种算法是一种基于分步定位车辆位置的方法，即首先确定车辆的大致位置，车辆在哪一条道路上，然后再围绕这条道路进行点匹配，也就是车辆在这条路上的哪个点附近，这样最终确定车辆的具体位置。将这种算法和GPS技术相结合就可以对车辆进行定位、监控、调度。

(1) 路匹配

    以该点为圆心,以最大定位误差为半径作圆。与该圆相交的道路组成一个道路集合,匹配目标道路必然位于该集合中。现在,可从该点到道路集合中的每条道路作投影,把投影距离最短的道路确定为匹配的目标道路。但存在这样一种情况,如果某辆车一直在同一条道路上行驶,设这条道路为Roada,在某个时刻该车行驶到一个十字路口,这里有Roadb穿过Roada,恰好这时该车传回定位点P。由于定位误差的原因,使得P点到Roadb的距离比到Roada短。如果按照上述的匹配算法,Roadb为匹配结果,答案显然是错误的。Roada才是正确答案。所以,本次道路匹配结果必须以上次匹配结果为基础。因此可以给出路匹配算法:如上次路匹配成功,而上次匹配的目标道路位于本次匹配的匹配道路集合中,则本次匹配取上次匹配目标道路,否则取距离最近的道路。

(2)点匹配

    路匹配成功以后,接下来就是进行点匹配。该方法首先做了一个假定,即把道路假想为由一些折线段连接而成,这样便于抽象出数学模型进行研究。然后再在误差允许的范围之内进行判断,以确定最接近的点。

    道路由一些折线段构成,可以通过几何方法求出该点到路上的每条线段的最短距离。如果该点在线段上的投影点位于线段以内,则求出投影点,对应的垂距为所求。如果投影点在线段以外,只用求出点到线段两个端点的距离,短者为所求。然后求出点到各条线段的最短的距离,对应的投影点即为点到路上的匹配点。

算法如下:

（1）对道路层预处理,将所有道路转换成折线段；

（2）在各层中查找位于误差圈内或与误差圈相交的道路；

（3）如果RoadSet中道路总数为0 那么匹配失败；

（4）对RoadSet中的每条道路Roadi作循环:
     如果Roadi 的路名==上次匹配道路名，那么在Roadi上匹配点,Return 成功；

（5）对RoadSet中的每条道路Roadi作循环:
     求出GPSpt到Roadi的最短距离di；
     如果di<dmin那么dmin=di, Roadmin=Roadi；

（6）在Roadmin上匹配点,Return成功。

5.结束语

    GPS车辆监控系统具有广阔的市场前景和应用价值，是目前日益兴起的智能交通系统（Intelligent Transport System）的重要组成部分。本论文主要针对网络版的GPS车辆监控系统进行了论述,其中重点是监控部分,道路匹配算法中的路匹配和点匹配是监控系统对车辆进行定位的理论基础。本系统具有实用性、安全性、可靠性和实时性，可以远程监控所有在GSM网覆盖范围内的特定移动目标。