基于天地图的GPS车辆监控中心系统设计与实现

吴 昊，刘 岩，吴北平

（1.中国地质大学（武汉） 信息工程学院，湖北 武汉 430074；2.北京都宜环球科技发展有限公司，北京 100081）

基于天地图的GPS车辆监控中心系统设计与实现

吴 昊1，刘 岩2，吴北平1

（1.中国地质大学（武汉） 信息工程学院，湖北 武汉 430074；2.北京都宜环球科技发展有限公司，北京 100081）

以“天地图”地图服务网站为平台，结合GPS定位技术和3G无线通信技术，设计了GPS车辆监控中心系统；讨论了车辆监控中心系统的背景和意义；介绍了系统的设计原理、总体框架、关键技术、数据库及功能实现。实验测试证明，该系统具有较好的准确性和实时性，能满足一般情况下车辆监控的需求。

天地图；GPS；车辆监控

1 研究的意义

近年来，随着汽车的普及，城市中道路拥堵、交通事故、环境污染等问题日益严重，成了困扰城市发展的难题。此外，随着国家经济的发展，消防、公安、医疗、物流等许多重要领域需要对多个移动目标进行实时的导航、监控和指挥调度。因此，能够实现城市交通智能管理的车辆监控系统受到了世界各国的青睐[1]。GPS车辆监控系统是一种结合了GPS定位、GIS技术和无线数据通信技术的车辆管理调度系统，不但可以改善交通管理，提高道路通行能力，而且在一定程度上能够保证车辆安全，提高应急能力，具有经济和社会双重效益[2]。本文利用“天地图”地图服务网站提供的省级电子地图和二次开发应用接口，设计开发了适用于各省市交通路况的GPS车辆监控中心系统，实现了车辆监控定位、历史轨迹回放、车辆偏移预警和信息查询等功能。

2 系统总体设计

2.1 设计原理

GPS车辆监控系统由监控中心系统、GPS车载终端、3G无线通信系统以及后台服务器4部分组成。监控车辆通过车载GPS 接收卫星数据，经3G无线通信技术和Internet网络将车辆定位信息传输到监控中心的服务后台，服务器端软件对定位信息解析后存储在数据库中，监控中心通过Web Service 访问数据库，在GIS 平台上显示车辆的轨迹，以实现对车辆的监控。

2.2 总体设计

系统采用B/S构架，分为应用层、数据层和支撑层3层框架体系[3]（图1）。

图1 GPS车辆监控系统框架结构

1）应用层。由6大功能模块组成，负责接收和处理各种数据，响应用户的请求，从数据层调取数据完成用户的需求，并将结果呈现给用户。同时实时监控整个系统的运行，通过查询、提取和输出数据层的数据，在浏览器端实现电子地图显示、车辆定位、轨迹显示、信息查询和动态轨迹回放等功能。

2）数据层。主要是为应用层提供数据存储、检索和维护等数据服务，包含有电子地图数据、监控车辆相关数据和系统运维数据。其中GPS信息数据用来实现轨迹的生成和显示卫星个数、强度等接收状况；地图数据用来显示动态地图；运维数据用于Web GIS信息的网上发布。

3）支撑层。主要用于连接数据层和应用层，根据应用层的操作请求，从数据层中调取所需要的数据，并将结果以正确形式呈现到应用层，由浏览器端和服务器端2部分组成。

2.3 系统关键技术

1）GPS定位技术。由GPS定位基本原理可知，利用3颗以上GPS卫星的位置数据和卫星到接收机的几何距离，就可以根据距离交会法解算出接收机的位置。因此，将GPS接收机安置在监控车辆上，根据车辆移动时接收的卫星数据和解析后的坐标信息，就可以对车辆进行实时的定位、跟踪和导航。GPS定位分为单点定位和差分定位2种方式，其中差分定位精度优于单点定位[4]。本系统应用设计主要以研究为目的，对精度要求不高，因此采用GPS单点定位作为系统定位方法。

2）GIS技术。GIS是在计算机硬、软件系统支持下，对空间中GPS车辆监控中心系统的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。天地图是国家测绘地理信息局建设的地理信息综合服务网站。本系统中，天地图是GIS平台，为系统提供电子地图表达、地图操作、数据管理等服务，是系统的矢量地图数据基础，主要用于在电子地图上实时显示监控车辆的位置。

3）3G通信技术。3G无线通信技术是GPS接收机和GIS平台之间的数据传输纽带。3G是第三代移动通信技术的英文缩写，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。它具有网络覆盖范围广、传输速率高、实时性强、传送信息丰富、服务成本低等优点[5]。因此，本系统采用3G无线网络作为本系统通讯网络的基础，将车载GPS接收机获取到的车辆位置信息实时地、不间断地传回监控中心。

2.4 功能设计

GPS车辆监控中心是整个车辆监控系统的核心部分，是以矢量电子地图为基础的用户操作平台。监控中心收到由通信服务器解析出来的车辆经纬度信息后，在电子地图上显示出车辆的位置，并提供操作地图的GIS功能，同时还能向车载终端发送调度命令。监控中心在系统分层设计的基础上实现模块化设计，主要包括GIS功能模块、车辆监控模块、数据管理模块和系统管理模块4个部分[6]，具体的系统功能设计如图2所示。

图2 车辆监控中心系统功能设计图

2.5 数据库设计及建立

数据库是GPS车辆监控中心系统的数据存储部分。本系统数据库分为车辆动态位置数据库、车辆专题信息数据库、驾驶员信息数据库和偏移预警数据库4个部分，由Access2003统一进行管理。车辆动态位置数据库主要储存GPS接收机接收到的定位信息，包括车辆的经纬度、速度、方位角等状态信息。车辆专题信息数据库主要存储车辆属性信息，包括车牌号、类型、颜色、驾驶员ID、所属单位等基本信息，便于用户对车辆信息查询。驾驶员信息数据库主要储存车辆驾驶人员的姓名、联系方式、所属单位、家庭住址等基本信息，便于用户对车辆驾驶人员监督和管理。偏移预警数据库用于偏移报警，主要储存车牌号、路线号、经纬度等预警数据。下面给出了车辆动态位置数据库表（见表1）。

表1 车辆动态位置数据库表

3 系统功能实现

本系统以Microsoft Visual Studio 2008为开发工具，以JavaScript和VB.NET为主要开发语言[7]，利用天地图提供的Web API开发接口，实现了车辆实时监控、定位查询、历史轨迹回放、偏移预警、车辆信息查询等功能。

1）地图操作模块。该模块主要利用天地图封装好的菜单按钮，实现地图的缩放、移动、漫游、全图、测距、鹰眼等基本操作，支持鼠标无级缩放和不同级别地图的切换。

2）车辆监控定位模块。该模块能在动态图层上准确地显示车辆的即时状态。监控中心接到数据后，利用解析程序解算出定位信息，并发送到监控中心客户端，客户端利用天地图二次开发平台覆盖物类中的Tmark Options接口和绘图函数，设置车辆图标的样式，如颜色、大小、形状、方向等，最后将图元添加到图层中，将监控车辆的实时位置以一种直观的方式显示在电子地图上。

3）车辆轨迹回放模块。历史轨迹回放就是将指定车辆在一定时间内的行车轨迹在地图上动态显示出来。选定回放车辆的车牌号和所需回放的时间段，系统会根据选定的信息从数据库中调用对应的历史轨迹数据，返回XML文件。程序中设有Timer计时器，轨迹回放时系统将根据计时器设定的时间间隔（1 s），调用轨迹绘制函数DrawLine，然后将绘制的动态轨迹加载到图层中。

4）车辆偏移预警功能模块。该模块可以根据提示的车牌号向发生偏移的车辆发出预警信息。预设范围的设定方法是利用缓冲区分析原理，系统以指定道路的一系列有顺序的坐标为中心轴线，以R=5 m为缓冲区半径，生成轴线左侧、右侧的缓冲区边界点，并自动拟合形成封闭的缓冲区边界。当监控车辆的实时坐标落在缓冲区边界以外时，系统将发出超限的预警信息。

5）车辆信息管理模块。信息管理模块可以为用户提供信息查询、增加、删除、修改等功能。查询条件分为车牌号、驾驶员姓名和车载电话3种方式。用户在系统界面上选择查询条件后，系统将查询条件对应的ID传给后台服务程序，服务程序根据ID到相应的数据库中查询相关车辆的详细信息，根据需要申请返回相应的XML文件，并将信息反馈到系统界面，在信息查询表中显示出来。

4 系统测试分析

2012年8月在湖北省武汉市进行了部分道路数据采集实验，共采集了鲁磨路、民族大道、珞喻路和武珞路4条线路的实测数据，采用的是MGL-30车载GPS接收机。

4.1 准确性测试

对4条道路实测数据进行统计分析，道路的地图匹配率均大于97%，系统的道路轨迹生成和道路匹配准确性较高。如图3所示，图中红色的点为车辆实际轨迹点，蓝色曲线为匹配后的车辆轨迹。

图3 道路匹配效果图

4.2 实时性测试

系统的实时性包括GPS定位信息解析的实时性和系统监控中心位置更新的实时性。在实验中观测到，当GPS接收机开始接收数据后，车辆监控系统采集端的电子地图上即可显示出车辆的实际位置，车辆位置点的移动频率在1 s之内，因此可以证明系统GPS定位信息的解析效果满足系统实时性的设计要求。图4和图5分别表示车辆监控中心系统采集端和监控端显示实验中车辆轨迹的效果图，对比2图可以看出，采集端和监控端电子地图上显示的道路轨迹都比较均匀，在系统设定的延迟时间3 s内，2条道路的轨迹基本吻合，因此可以认为系统监控端的车辆位置更新与采集端基本保持一致。

图4 采集端车辆定位界面

图5 监控端车辆定位界面

5 结 语

本系统在准确性和实时性方面性能较好，能够满足一般情况下车辆监控的需求，同时系统基于“天地图”地图服务网站独立开发设计，实现成本较低，自主性和扩展性较好，具有较大的实用价值和广阔的应用前景。为了使系统得到更为广泛的应用，可结合逐步建好的城市GPS连续运行参考站、北斗系统以及不断拓展的天地图Web API功能，使系统的精度和功能得到不断的提高和完善[8]。

[1] 王宇锋.国内外智能交通系统现状简介[J].理论科学, 2008(12):181

[2] Ibrahim D, GPSIM. A Personal Computer-Based GPS Simulator System [J].Spring, 2001:126-135

[3] 汪剑云,刘岩,李兵,等.基于车载GPS技术的道路更新系统设计[J].地理空间信息,2012,10(3):97-99

[4] 徐绍铨,张华海,杨志强,等.GPS测量原理及应用[M].武汉:武汉大学出版社,2008

[5] 霍亮,李欣.3G技术与现代物流管理技术的集成模式研究[J].测绘科学,2003,28(3):59-61

[6] 侯晋瑞.车辆监控系统监控中心端设计与实现[D].成都:西南交通大学, 2007

[7] 刘岩,汪剑云,吴北平,等.基于VB.NET的GPS接收机串口通信的实现[J].地理空间信息,2012,10(2): 34-37

[8] 徐强. GIS在交通领域中的应用现状与发展趋势[J].山西科技,2008, 25(4): 52-53

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1672-4623（2015）01-0042-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.014

吴昊，硕士，主要从事数字城市应用方面的研究。

2013-06-20。