车辆导航系统增量数据在线交换平台设计*

曹剑东，杨 杨，罗明慧，张新丰

(1.交通运输部科学研究院，北京 100029； 2.同济大学新能源汽车工程中心，上海 201804)

2016178

车辆导航系统增量数据在线交换平台设计*

曹剑东1，杨 杨1，罗明慧2，张新丰2

(1.交通运输部科学研究院，北京 100029； 2.同济大学新能源汽车工程中心，上海 201804)

本文中提出了一种在车辆导航系统中用于实时更新导航数据而进行增量数据在线交换的平台，并针对数据的更新设计了导航地点和路线的增量数据的交换机制。该平台以中心-终端交换式平台为基础，结合GPRS和FTP技术，实现了在车载导航设备与数据源服务器之间的在线数据交换。在此基础上，采用终端请求模式，针对增量数据的请求、回复和文件传输分别设计了相应的数据交换机制。最后通过增量数据在线交换试验，验证了该平台的可靠性与实时性。

车辆导航；增量数据更新；在线交换；导航地点；导航路线

前言

车辆导航系统是智能交通运输系统的一个重要组成部分。目前传统的车辆导航系统主要采用离线版本式的数据更新方法。这种方式步骤复杂，更新周期较长，难以保证数据的实时性[1-2]。因此，有必要为车辆导航系统增加在线数据更新的能力，以提高系统中地点和道路等数据的实时性。

车辆导航系统的增量数据更新是指以增量的形式，为行驶中车辆的导航系统提供导航数据的更新和扩展，以提高导航系统的数据实时性和导航能力。其难点在于如何实现对行驶中车辆进行实时的数据传输。

在目前的研究与应用中，一般通过建立融合无线通信技术的中心-终端式交换平台来解决增量更新的问题。根据研究[3-4]，该平台的信息中心可从内容提供方获取被查询内容的数据，移动终端向信息中心发出查询请求，信息中心根据请求，查询到满足条件的内容后，将数据以确定的数据格式构成数据包，发送给移动终端，从而实现移动设备与信息中心之间的数据交换。由于用Web服务架构建立传输通道，可使用无线通信技术建立移动的车辆终端与互联网的通信连接，即可解决移动设备与信息中心之间在线数据交换的问题。

同时，还需要根据行驶中车辆的特点选择合适的无线通信技术。可用于车载导航设备的无线通信技术包括GPRS，CDMA和蓝牙等[5-6]，GPRS通信技术在实时数据传输中具有显著优点[7]，并已有研究建立了基于GPRS技术的移动设备通信链路[8]。为了实现增量数据的交换，在建立数据传输通道的基础上，还需要确定合适的数据交换模式，常用的有中心推送模式和终端请求模式[2]，与中心推送模式相比，终端请求模式的系统扩展性较好，灵活性较高，成本较低。

根据以上分析，本文中选取结合GPRS技术与中心-终端式交换平台，并采用终端请求模式，为车载导航设备的数据更新功能设计了增量数据交换机制，用以实现移动的车载导航设备与增量数据中心进行实时的数据交换。

1 车载导航增量数据的交换平台

车载导航设备的数据交换平台由增量数据中心Cn、车载导航设备Nm和通信网络构成，如图1所示。其中，增量数据中心储存并传输增量数据；车载导航设备接收导航增量数据；无线通信网络用于实现数据中心与导航设备之间的数据交换。

图1 车载导航设备的增量数据交换平台

1.1 车载导航设备

传统的车载导航设备基于嵌入式主板，安装GPS接收模块、存储设备、显示设备和输入设备。为使车载导航设备具有无线通信能力，在该平台中安装了GPRS模块，因此需要嵌入式主板可外接串口设备以连接GPRS模块。为了储存不断更新扩展的导航数据，为车载导航设备配置闪存卡作为外部存储设备，其容量可根据应用的地理信息系统规模和更新速度进行估算。当所储存的数据增长到闪存卡储存上限时，可更换存储空间更大的闪存卡。若无特殊说明，本文中车载导航设备均指可以进行在线增量数据交换的车载导航设备。

1.2 增量数据中心

在增量数据中心，多台计算机服务器集群系统以局域网为主干，连接一定数量的服务器，通过其并行计算提高中心的请求处理能力[9]。通过增加中心的数量，形成多个中心为不同区域的车载导航设备群服务，可进一步增加可服务的用户规模。

当多个增量数据请求进入数据中心时，在中心网关与局域网间设置的请求分配服务器根据局域网内各服务器的负载情况，将请求分配给有较多空闲资源的服务器。服务器在使用增量数据时，则可从局域网上的数据库服务器中提取，这样既减少了数据占用的存储空间，又保证了增量数据的一致性。在计算服务器处理完增量请求后，将增量数据放置在请求分配服务器中，由请求分配服务器通知发出该请求的车载导航设备到服务器下载增量数据。

1.3 增量更新

图2 单个设备与非集群增量数据中 心构成的增量数据交换平台

增量更新可在单个车载导航设备Nd和非集群的增量数据中心Ce的简化模型下进行研究，如图2所示。根据该模型设计的方法，结合计算机集群技术，可推广到大规模车载导航设备的情况中。以下均在此模型下对增量更新问题进行叙述。

2 导航增量数据的交换模式

增量数据交换包括中心推送模式和终端请求模式[2]。在终端请求下，由车载导航设备主动发起数据请求，增量数据中心根据请求形成增量数据后，再由车载导航设备主动获取数据。增量数据中心处于等待响应的工作状态，可减轻增量中心的通信和计算压力，且无需对导航设备的连接信息进行保存。为了便于增量数据的发送，可在增量数据中心将数据以文件的形式储存，这样仅根据文件的存储路径和文件校验信息即可保证数据的准确。

由以上分析可见，增量数据的交换过程中存在增量数据请求、增量数据回复和增量数据文件3种类型的数据。

2.1 车载导航设备数据请求的发送

数据请求由车载导航设备发送。为保证请求成功被数据中心接收，采用重复请求的方法进行数据请求，即车载导航设备在等待期间内持续发送相同的数据请求消息，直至收到数据中心的回复消息。通过这种方法可避免由于移动数据网络的连接不稳定而造成请求发送失败的问题。

数个内容完全相同的子请求构成了一个请求单元，多个请求单元构成了车载导航设备Nd的数据请求集合R：

R={ri,j|i=1,2,…,n;j=1,2,…,m(i)}

式中：ri,j为一个子请求；i为子请求父序，表示ri,j所表示的子请求在数据请求集R中的序号，n表示集合中所包含的请求单元的总数；j为子请求子序，表示ri,j在父序为i的请求单元中的序号，m(i)表示序号为i的请求单元中包含的子请求数量。

由于车载导航设备的性能限制，不可能非常密集地对请求进行重复发送，因此需要在相同的子请求发送间设置一时间差以满足系统的数据处理能力。时间差的具体数值可通过网络状况估计。在数据请求集R中子请求的时间排列依据以下两个原则。

(1) 同父序连续排列 相同父序i的子请求ri,j，在时间轴上总是按序号j递增连续排列。

(2) 回复中断 车载导航设备收到来自数据中心的回复后，即刻停止对当前子请求发送。

增量请求集R中各子请求在时间轴上的排列如图3所示。其中，ai是对增量请求集R中父序为i的子请求的回复。

图3 增量子请求在时间轴上的排列

子请求的信息中应包括导航设备的增量数据要求、导航设备的ID和表示子请求的编号i和j。根据以上信息，数据中心可得知导航设备的需求，对车辆进行识别，并确定子请求所属的请求单元。描述这些信息所需的数据量较小，可采用多级分段的文本格式，如图4所示。

图4 增量数据请求的文本格式

其中，类型码用于表示增量数据请求的类型，如表1所示。正文中是请求的主要内容，包含上文中提到的各种信息。校验码用于校验所接收到的请求文本是否有损坏，采用奇偶校验。

表1 增量数据请求文本的类型码

2.1.1 导航地点增量数据请求

导航地点增量请求文本格式如图5所示。

图5 增量数据请求的基本文本格式

其中，K为车载导航设备Nd的ID，n为子请求父序数，m为子序数，T为设备Nd中的导航地点标识。

2.1.2 导航路线数据请求

导航路线数据的增量请求消息中包扩导航起点坐标(x0,y0)和目的地坐标集合{(xi,yi)}，其文本格式如图6所示。其中x0为起点的经度，y0为起点的纬度；xi为目的地的经度，yi为目的地的纬度；L为导航终点的数量。

图6 路径规划能力增量请求的文本格式

2.2 数据中心的增量描述

数据中心根据收到的数据请求的内容进行计算，并作出相应的回复。回复用来告知车载导航设备增量数据的信息，如增量数据文件的存储路径等。

与增量数据请求的重复请求方法相配合，为避免多次回复造成网络堵塞，数据中心对于同一父序的子请求序列，只回复收到的第一条校验正确的子请求，对后续请求不做回复。设对子请求ri,j的回复为Θ(ri,j)，则有

(1)

式中ai为数据中心对父序为i的数据子请求的回复。当数据中心收到校验错误的子请求时，将抛弃该条子请求不作处理；而当车载导航设备收到回复，但检查到校验错误时，应继续发送同样内容的子请求。

增量数据回复主要以描述信息为主，所含数据量小，同样可使用文本格式。增量数据回复文本采用与增量数据请求相同的多级分段的格式，如图7所示。

图7 增量数据回复的基本文本格式

其中，类型码如表2所示。由于增量回复数据长度较短，同样可采用简单的奇偶校验。

表2 增量数据回复的类型码

2.2.1 导航地点增量数据回复

导航地点增量数据回复用于告知车载导航设备增量数据文件的获取方法，内容包括增量数据文件的数量、所有文件的存储路径和校验信息。

设增量数据文件集合为

F={ft|t=1,2,…,D}

(2)

式中：ft为增量数据文件；D为文件的数量，若D为0，则说明车载导航设备与数据中心的导航地点数据已同步。设ft的文件路径为βt，文件校验信息为γt，则增量数据回复的文本格式如图8所示。

图8 导航地点增量数据回复的文本格式

考虑到车载导航设备的负载，为减少文件校验占用的资源和时间，实际中根据文件的字节长度作为校验信息。

2.2.2 导航路线增量数据的回复

回复的内容须包括文件在增量中心服务器上的存储路径和文件的校验信息。设所发送的最佳导航路线文件为f，文件储存路径为β，校验信息为γ，则导航路线增量数据回复的文本格式如图9所示。

图9 导航路线增量数据回复的文本格式

回复文件同样可根据文件的字节长度进行校验。

2.3 增量数据文件的传输

通过对回复文件中导航数据储存路径的解析，导航设备可从数据中心的服务器中获取所需的导航数据。对于文件的获取，可通过FTP(File Transfer Protocol)技术来实现。FTP文件传输协议是基于TCP/IP协议向用户提供文件传输服务的网络协议之一。本文中所述的增量数据交换平台由于采用了GPRS模块，因此可使用TCP/IP协议，增量数据文件的传输则可通过FTP技术实现[12]。

FTP是基于客户-服务器模型设计的，这种模型可与增量数据交换平台相结合，使平台具有FTP文件传输能力，如图10所示。

图10 基于FTP传输文件的增量数据交换平台

为实现图10中的结构，需要在车载导航设备上加入FTP客户端模块，在数据中心加入FTP服务器端模块。车载导航设备通过FTP客户端向FTP服务器端发出文件操作请求，即可从数据中心的服务器上获取增量数据文件。

设车载导航设备向数据中心服务器获取增量数据文件集合为

F={fi,t|i=1,2,…,P;t=1,2,…,D(i)}

(3)

式中：fi,t为增量数据文件，i为回复序，与数据请求顺序对应；t为单次数据请求需获取的文件集合内的序，称为增量数据文件序；D(i)为单次增量的文件数量。单次增量的文件集合可描述为

Fi={fi,t|t=1,2,…,D(i)}

(4)

可见，Fi与增量回复ai一一对应。当ai为导航地点增量数据回复时，D(i)为与增量数据组数相关的非负整数；当ai为导航路线增量数据回复时，D(i)为1。由此，通过在增量数据回复ai中对Fi进行的描述，使车载导航设备可根据文件路径向数据中心提取增量文件集合Fi。图11显示了单次增量数据交换中增量数据的请求、回复和增量数据文件的传输。

图11 车载导航设备与数据中心间单次增量数据传输

由于不同类型的增量数据回复文件信息描述的协议不同，因此在解析文件信息时也有着不同的步骤，以下分别叙述。

2.3.1 导航地点增量数据回复文件

设导航地点增量数据回复如图12所示。

图12 车载导航设备收到的导航地点增量数据回复

由回复可知，回复文件数量为D，文件路径为βt，校验信息为γt，t为文件序，满足

t=1,2,…,D

(5)

因此，可根据文件路径βt获取对应增量数据文件，设为ft，其校验信息为γt，若满足

λt=γt,t=1,2,…,D

(6)

则增量数据文件获取成功，否则重新获取校验失败的增量数据文件。

由此，可设计车载导航设备Nd获取导航地点增量数据文件的步骤如下：

(1) 建立与增量中心Ce的FTP连接；

(2) 令获取文件序t=1；

(3) 若t≤D，根据文件路径βt从FTP服务器端提取到增量文件ft，若t>D，则获取结束；

(4) 若ft的校验信息λt=γt，则校验正确，令t递增1，返回步骤(3)，若λt≠γt，则校验错误，直接返回步骤(3)。

2.3.2 导航路线增量数据文件

设导航路线增量数据回复如图13所示。由回复可知，导航路线文件在服务器的储存路径为β，校验信息为γ。

图13 车载导航设备收到的导航路线增量数据回复

因此，可根据文件路径β获取导航路线文件，设为f，其校验信息为λ，若λ=γ，则文件获取成功，否则重新获取导航路线文件。

3 增量数据在线交换的试验验证

为检验以上增量数据数据交换平台及机制，进行了数据交换的试验。车载导航设备基于嵌入式计算机构建，采用的CPU是主频300MHz的ARM处理器CPU，内存64MB，外存为2GB的SD存储卡，而GPRS模块则采用了WAVECOM Q2403A。增量中心基于台式机构建，采用主频为3GHz的双核CPU，内存2GB，且通过固定网络直接连接到互联网中。开发工具均采用Microsoft Visual C++2005。

为验证增量数据交换机制，对车载导航设备发送增量数据请求和数据中心返回增量数据回复的过程进行了试验。试验中，分别记录车载导航设备发 出10次增量数据请求，获得回复的耗时Δt，如表3所示，其中i表示增量数据请求的父序。

表3 车载导航设备获得回复的耗时

试验结果显示，每次增量数据请求获得数据中心的回复耗时都保持在4～5s左右，基本可以满足对增量数据交换实时性的要求。

同时，对增量数据文件的FTP传输方法进行了试验，试验中文件的传输平均速度达到10kB/s，基本可以满足增量数据文件的传输需求。

4 结论

针对目前车辆导航系统数据更新的不足，本文中提出了可增量更新的车辆导航系统，并对导航地点数据增量方法进行了研究，结果表明：车载导航设备的数据交换平台构建了车载导航设备与数据中心间交换增量数据，以及车载导航设备融合增量数据的物理平台，为行车中的增量数据在线交换提供了基础；导航增量数据交换机制设计了增量数据在线交换的机制，为导航地点数据增量及路径规划能力增量制定了增量数据格式，从而确保了行车条件下增量数据传输的正确性和稳定性。

通过增量数据在线交换的试验，验证了本文设计的车辆导航系统增量数据在线交换平台在数据传输方面具有较高的实时性，且可满足用户对数据传输能力的需求。

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Design of Online Exchange Platform for IncrementalData in Vehicle Navigation System

Cao Jiandong1, Yang Yang1, Luo Minghui2& Zhang Xinfeng2

1.ChinaAcademyofTransportationSciences,Beijing100029; 2.CleanEnergyAutomotiveEngineeringCenter,TongjiUniversity,Shanghai201804

In this paper, an online exchange platform of incremental data for the realtime updating of navigation data in vehicle navigation system is proposed, and the exchange mechanism of incremental data of navigation poins of interest and route is designed for data updating. Based on the center-terminal exchange platform and combined with the technologies of general packet radio service and file transfer protocol, the platform achieves the online data exchange between on-board navigation device and data source server. On this basis and by adopting terminal request mode, the corresponding data exchange mechanisms are designed for the request, reply and message transmission of incremental data respectively. Fianally, an online exchange test of incremental data verifies the reliability and realtime performance of the platform.

vehicle navigation; incremental data updating; online exchange; navigation POI; navigation route

*国家863计划项目(2013AA12A026)资助。

原稿收到日期为2015年10月19日，修改稿收到日期为2016年1月4日。