自动车辆定位系统在智能交通系统中的应用

杨东凯　吴今培　张其善

摘　要：介绍了自动车辆定位系统和智能交通系统的基本概念，并给出了自动车辆定位系统的两种类型及相应的组成和它们在智能交通系统中的应用。
关键词：自动车辆定位(AVL)系统　智能交通系统(ITS)　全球定位系统(GPS)

自动车辆定位系统(AVLS)，顾名思义就是对车辆进行实时地定位，便于统一管理、监控、调度或提供实时导航(包括路径选择优化等功能)，它是多种技术集于一体的综合系统。智能交通系统(ITS)是在智能车辆道路系统(IVHS)的基础上发展起来的，它不仅包括道路功能和车辆的智能化，而且还涉及到相关的服务部门如公安、医疗等。其核心技术是信息技术、通信技术、电子技术和系统工程。ITS可以分为六大子系统：(1)通信系统；(2)交通控制系统；(3)电子收费系统；(4)集成信息服务系统；(5)安全保障系统；(6)运输管理系统。其中，(2)中的动态交通流分配，(4)中的导航功能，(5)中的事故应急和(6)均离不开自动车辆定位。只有在移动车辆实时准确地定位前提下，导航、改善交通、保证行驶安全才有可能。因此，从某种意义来说，AVLS是ITS的核心部分，是实现道路管理智能化的关键之一。

1　AVLS的组成
自动车辆定位的概念有着悠久的历史，从公元前200～300年间中国的指南战车算起，至今已有几千年的历史了。随着电子技术、卫星通信、移动通信和人工智能等技术的发展，自动车辆定位系统中逐渐采用了先进的电子设备，并形成了目前较为稳定的基本模型。根据用途及组成可以将AVLS分为两种，如图1(a)、1(b)所示：

马蹄削皮机

(1)用于导航的自动车辆定位导航仪，它包括全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)及惯性导航系统毛细管数(INS)，又称自主导航仪；
(2)用于监控、调度的自动车辆定位系统，它包括全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、惯性导航系统(INS)及移动通信系统，又称车辆监控系统；
全球定位系统(GPS)具有全天候、定位迅速、精度高、可连续提供三维位置(纬度、经度和高度)、三维速度和时间信息等一系列优点，是自动车辆定位系统中的定位主流，在系统中作为前端传感器。地理信息系统(GIS)是将用数字形式描述属性、定位和关系的数字地图符号化，存储在计算机中可动态、快速、分层显示，在系统中作为用户终端。惯性导航系统(INS)作为GPS的辅助定位设备，在GPS卫星捕获不到的情况下使系统仍能准确定位。移动通信系统用于传输GPS的定位数据(在利用差分GPS时还可以传输差分修正信息)，联络移动车辆和管理中心，达到管理、控制和调度的目的。
在自主导航仪中，系统管理软件用于完成GPS(INS)数据的处理，并将定位数据实时、准确地显示在电子地图中，同时，系统软件还包括特定的路径搜索算法，可以根据不同的优化条件进行路径选择。GIS则提供电子地图及相应的信息数据库。
在车辆监控系统中，移动车辆所需要的设备包括无线电台、电子电路控制器、GPS接收机、系统软件和终端显示，显示内容可以根据需要设置，如只显示一些相关的数字信息等。无线电台是系统中的移动通信设备，用来传输移动车辆的定位信息，并发送监控中心的监控指令，从而实现中心站对移动车辆的监控和调度。如果需要用DGPS提高定位精度，那么无线电台同时也用于GPS差分修正信息的发送。系统控制器将GPS(DGPS)的数据进行必要的组合和处理，或者对监控中心的指令进行编码而后送入无线电台调制发送；同时，无线电台接收的信号通过系统控制器解调处理，在电子地图上显示，地图匹配由系统软件完成。和自主导航仪一样，GIS包含电子地图和相关的信息数据库。系统软件除了实现地图匹配的功能外，还有移动用户的信息数据库管理功能。
由上述所述可得AVLS的技术体系结构如图2所示。

2　AVLS木制灯笼在ITS塑料玻璃滑道中的应用
2.1　自主式车辆导航仪的应用
在ITS系统中，很重要的一大功能是集成信息服务功能，它所涉及的领域有信息处理及数据库技术，包括路线引导服务、旅行者信息服务、出行信息服务、驾驶员信息服务等主要功能。自主式车辆导航仪则可以完全地提供这些服务，从层次化的观点出发，自主式车辆导航仪可分为3个层次，如表活性炭采样管1所示。

表1　自主式车辆导航仪层次表

层次结构	包含内容
物理层	GPS/INS传感器、基于知识结构的数据库
处理层	信息提取、信号处理、变换
智能层	专家系统、辅助决策系统

物理层提供当前车辆的相关信息，包括定位、定向、定时信息，以及与当前位置相关的地理信息数据；处理层则在提取信息的基础上，进行一系列的数据处理，实现地图匹配；智能层则集中体现自主导航的功能，它包括专家系统、辅助决策系统，用以实现不同条件下的路径搜索，还能够将每一次经过的路径记忆下来，供将来或他人参考。因此，从智能层角度来讲，自主式导航仪还是一个开放的系统。从另一方面讲，自主导航仪的层次划分使得其设计具有极大的灵活性，可以在物理层相对稳定的前提下，根据用户不同条件下的各种要求只设计或修改智能层及处理层，从而以较短的时间和较低的成本开发出各种不同型号的导航仪设备。
在ITS中利用自主式导航仪可以提供足够的旅行者服务信息，例如路径规划，查看路况信息等。其组成也非常简单，只要在移动车辆中安装自主式导航仪即可。车辆导航仪方面的研究以日本最为先进。1987年，新一代的汽车导航系统在日本进入了市场，其种类和生产厂家都很多，但方案和水平相差无几，最后均趋向于使用推算导航、地图匹配和GPS作为车辆导航仪的技术核心。这就使得即使在某些特定的环境中收不到GPS卫星，导航仪仍能准确的定位，从而形成一个稳定的汽车导航平台。同时，电子地图存储在CD-ROM中，显示在彩显示器上，使用起来也非常方便。目前，这类导航设备在日本的主要销售市场已转为用来改装原未安装此类设备的汽车。相应地，欧洲和美国在车辆导航方面也都有一些研究和相关产品。总的来说，自主式导航仪在ITS中的应用已经普遍受到世界各国的关注和重视。
2.2　车辆监控系统在ITS中的应用
车辆监控系统是集GPS、GIS和现代通信技术于一体的高科技系统。其主要功能是对移动车辆进行实时动态地跟踪，利用无线通信设备将目标的位置和其他信息传送至主控中心，在主控中心进行地图匹配后显示在监视器上。主控中心还能够对移动车辆的准确位置、速度和状态等必要的参数进行监控和查询，从而科学进行调度和管理，提高运营效率。移动车辆如果遇到麻烦或者其安全受到侵害，可以向主控中心发送报警信息，及时得到附近保安部门的支援，所以车辆监控系统还能够提供车辆安全服务，在ITS中的应用是相当广泛的。
车辆监控系统分为主控中心和移动车辆设备，其基本组成如图3所示。图3(a)是主控中心的功能框图，图3(b)是移动车辆设备的功能框图，其公共的部分是移动通信装置和GPS定位装置。移动通信装置可以是大区制的集系统设备、小区制的蜂窝设备如GSM手机，再利用无线和有线通信网将监控系统和现有的通信系统联结起来，从而能够实现各种各样的功能。定位装置利用GPS是目前的主流，但是，GPS和GLONASS兼容接收机的出现使得定位手段不再唯一，INS辅助手段则使定位的可靠程度和连续性大大提高。

图3　车辆监控系统

信息提取和变换中使用高速的调制解调器，用以扩大系统的容量，使一个主控中心能够监控最大限度的车辆，从而可以节约系统组建的成本。另一方面，从改善通信设备的性能角度出发，减少车载通信设备的稳定收发时间也可以扩大系统的容量。通信接口控制器则完成调制解调器和通信设备的匹配，包括信号调节电路和车辆监控的时序产生电路。发射机对数据进行二次调制后发送出去，接收机则接收中心站或移动车辆的信息。如果使用DGPS，主控中心的信息提取和变换电路还有提取GPS差分信息的功能；在INS辅助定位时，该电路还提取惯性导航的有关信息。GIS信息数据库存有主控中心和移动车辆所属范围的电子地图及当地的路况信息，还包括特定的路径搜索和优化算法。微机或工作站则实现整个系统的协调、显示及强大的查询功能。
总的来说，车辆监控系统作为AVLS的方案之一，在整个ITS中也是非常关键的部分之一，利用该系统可以很好的实现交通、运输的控制、旅行信息服务、道路应急等功能。

3　结论
ITS是近年来随着地面交通需求和电子技术的发展而发展起来的，它既是一门跨学科的新兴学科，也可以认为是一套完备的服务体系，它所属的子系统可实现不同的服务功能。而在许多服务功能如信息服务、交通控制和运输服务中，车辆定位是必要前提，所以自动车辆定位系统AVLS便显得极其重要。自主式车辆导航仪和车辆监控系统就是两种不同的AVLS系统，但就其原理而言并没有本质的不同，只是所完成的功能和组成部分以及适用领域略有不同而已。

作者单位：北京航空航天大学电子工程系(100083)

参考文献