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GPS在智能交通运输管理中的应用及其前景

转载 : zaoche168.com 2009年04月08日

        我国大、中城市目前普遍存在着公交堵塞、车辆运行效率低、公交管理手段落后等问题。这些问题严重制约着城市经济的发展，影响城市居民的生活。要解决这些问题，一方面在进行城市交通规划时尽可能使城市道路网络布局合理化,但更主要的是要利用先进的信息、通信、电子等技术来加强城市的交通控制和管理。全球卫星定位系统GPS等现代高新技术的迅速发展,为城市公交车辆的调度和管理智能化提供了技术支撑。通过将高新技术应用到城市公交车辆管理系统中,可以实现城市公交车辆的实时监控、调度、疏导和突发事件处理,从而使城市路网中的公共交通处于最佳状态。同时可以使车辆与道路的功能智能化, 解决城市公共交通拥挤问题，改善行车安全，提高运行效率，减少空气污染，是城市公交车辆交通控制和管理的发展方向。
        一、GPS简介
        GPS是全球定位系统(Global Positioning System，GPS)的英文简称,意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”。它是美军70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上发展而起的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。GPS由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。
        （一）空间卫星系统
        空间卫星系统由均匀分布在6个轨道平面上的24颗高轨道工作卫星构成，各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55度，轨道平面间距60度。在每一轨道平面内，各卫星升交角距差90度，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前30度。事实上，空间卫星系统的卫星数量要超过24颗，以便及时更换老化或损坏的卫星，保障系统正常工作。该卫星系统能够保证在地球的任一地点向使用者提供4颗以上可视卫星。
        空间系统的每颗卫星每12小时（恒星时）沿近圆形轨道绕地球一周，由星载高精度原子钟（基频F=10.23MHZ）控制无线电发射机在“低噪音窗口”（无线电窗口中，2至8区间的频区天线噪声最低的一段是空间遥测及射电干涉测量优先选用频段）附近发射L1、L2两种载波，向全球的用户接收系统连续地播发GPS导航信号。GPS工作卫星组网保障全球任一时刻、任一地点都可对4颗以上的卫星进行观测（最多可达11颗），实现连续、实时地导航和定位。
        （二）地面监控系统
        地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、一个主控站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。
        （三）用户接收系统
        用户接收系统主要由以无线电传感和计算机技术支撑的GPS卫星接收机和GPS数据处理软件构成。
        GPS卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。天线单元的主要作用是：当GPS卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收放大GPS信号。接收单元的主要作用是：记录GPS信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解求信号在站星间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。
        GPS数据处理软件是GPS用户系统的重要部分，其主要功能是对GPS接收机获取的卫星测量记录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行平差计算、坐标转换及分析综合处理。解得测站的三维坐标，测体的坐标、运动速度、方向及精确时刻。
        目前，全球定位系统已广泛应用于军事和民用等众多领域中。GPS技术按待定点的状态分为静态定位和动态定位两大类。静态定位是指待定点的位置在观测过程中固定不变的，如GPS在大地测量中的应用。动态定位是指待定点在运动载体上，在观测过程中是变化的，如GPS在船舶导航中的应用。静态相对定位的精度一般在几毫米几厘米范围内，动态相对定位的精度一般在几厘米到几米范围内。对GPS信号的处理从时间上划分为实时处理及后处理。实时处理就是一边接收卫星信号一边进行计算，获得目前所处的位置、速度及时间等信息；后处理是指把卫星信号记录在一定的介质上，回到室内统一进行数据处理。一般来说，静态定位用户多采用后处理，动态定位用户采用实时处理或后处理。
        二、GPS技术在智能交通运输管理中的应用
        智能运输系统(Intelligent Transportation System,简称ITS)是综合运用计算机、通信、自动控制、系统工程、交通工程等高新技术,对传统的交通运输系统及管理方式进行整合、改造和更新,从而形成准确、高效、安全、智能化、低污染的现代综合交通运输系统。它集诸多管理控制,如车辆导航、车辆运营管理等都必须以车辆的定时定位为前提；而GPS技术恰恰为车辆定位提供了一种现实可靠的手段,它不仅能够实现实时定位,而且能够实现交通个体定位,形成个体位置信息网络,从而实现针对个体交通分散选择行为的分布式管理控制。
        1.车辆智能导航
        车辆智能导航,是采用车载GPS接收机对车辆自身进行在途实时定位,通过与预先贮存的电子地图进行匹配,动态显示车辆在实际路网结构中的行驶位置,并根据需要给出车辆到达目的地的“最佳”行驶路线,以及偏航后重新进行路径诱导等。按导航过程是否考虑路网实时交通状况信息,可分为静态路径诱导和动态路径诱导。静态路径诱导又称自主导航系统,车辆与交通管理系统没有通信联系,仅由车载GPS导航装置基于自身行驶位置和路网结构实施最短路径寻找和指引,而不考虑(也无法考虑)路网中的实际交通状况。动态路径诱导是在静态路径诱导的基础上,综合考虑交通现状、预测和路网结构,形成针对个体需要的最佳交通方案(里程最短、时间最少或费用最低)，提供给驾驶员,再将驾驶员的选择反馈交通管理系统;由于变化着的交通状况是交通管理系统(交通监控中心)经由通信系统下传给车辆的,所以又称中心诱导系统。两者也可以形成“组合导航系统”。车辆导航系统可实现以下功能:1)车辆定位跟踪:利用车载GPS接收机接收卫星信号,通过与电子地图进行匹配,实时准确地显示车辆在路网中的实际位置。2)行车路线设计与引导:依据驾驶员提供的起讫点、途径点和及特定要求,自动规划出旅行代价最少的最佳行驶路线,并通过文字、语音或图象的形式进行在途实时引导,帮助驾驶员沿预定行车路线顺利抵达目的地。3)综合信息服务:可向用户提供包括社会公用信息在内的多种信息的检索与查询服务,如按用户要求显示停车场、主要旅游景点、宾馆饭店等服务设施的位置资料,并在电子地图上指示其所处的位置。4)信息交流:具有双向通信功能的车载GPS导航系统,能够接收实时交通状况和道路状况信息,向交通管理系统反馈自身位置、起讫点、路线选择、紧急事件报警、求援等信息。
        2.车辆运营管理
        车辆运营系统是现代运输、物流系统的重要组成部分,该系统提供了对运输环节进行全过程管理的技术支持。美国智能运输系统29个子系统中有12个子系统涉及车辆的运营管理。各种客、货运车辆在现代化运营管理中需要实时确定车辆的确切位置,GPS在这一过程中起到了关键作用。车辆运营管理系统就是为了让运营管理部门、安全保障部门及时掌握部门所属车辆的位置、载运状况、工作状况,以便对车辆进行集中指挥和调度,合理配置客货源、车辆和驾驶员,从而提高运输效率,保证运输的安全。基于GPS定位的自动跟踪系统和双向移动通信,使运输公司、物流管理公司等能够实时地获得每个移动目标的位置、业务状态和性能信息,有效监控、调度、管理其车队,提高车辆的实载率,降低运行费用,提高资产和人员的利用效率、管理水平和竞争能力;而广大用户也能通过Internet或专用信息网络等渠道了解运力供应、货物运动状态,有利于安排生产和出行,为逐步走向“零库存”生产提供必要的条件。十几年前,美国公路运输的空驶率在20%左右,后来降到了10%以下,原因在于他们应用了信息管理技术,通过卫星定位系统对车辆进行了有效的调度。
        3.公交运营车辆采用先进的GPS技术、GIS技术,实现车辆的动态调度、实时监控,并针对公交车辆的实际运行情况,提供电子站牌实时显示车辆位置、车内拥挤度、换乘方案等。车辆配置GPS接收机可以获取自身位置、时间等信息,经通信系统定时向中心调度室报告运行状态；各车辆信息经中心调度室计算机系统处理后通过电子地图显示出来,并进行动态分析,做出相应处理方案,再经过通信系统下达至车辆；电子站牌接收车辆位置及其他信息,用LED显示出来。利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理,合理分布车辆,以最快的速度响应顾客请求,降低能源消耗,节省运行成本。
        4.特种车辆指挥调度
        指挥准确、行动迅速、运行快捷是对警车、消防车、救护车等特种车辆的共同要求。在GPS跟踪指挥调度系统的支持下，特种车辆指挥调度机构可以就近寻找并通知目标附近的车辆或机构,并将详细信息传至车载智能终端,大大提高调派车效率,节省宝贵的救援时间。同时指挥机构还可利用最佳路径进行准确指挥调度,通过多视窗同时监测多辆车的运行,与车辆随时保持双向通信联系,实现全局性指挥调度。
        5.道路交通量监测
        全球卫星定位(GPS)、地理信息(GIS)、移动通信(GSM)、专用短程通信(DSRC)和计算机网络通信等技术,构成定位与双向通信相结合的交通管理控制系统,把配备GPS定位系统的车辆实际上变成了交通信息采集子系统的一种探测器,既能为交通管理控制系统进行动态交通分配，提供实时交通量数据,也能为交通运输系统规划和建设提供诸如OD交通量等基础性数据。
        技术在物流中的应用流程
        物流运输行业利用GSM公用数字移动通信作为信息传输媒介，应用GPS的定位技术及计算机技术、网络技术等手段，充分利用因特网资源，结合运用电子地图地理信息系统，实时显示出车辆的实际位置，实现对车辆的状态监视、调度管理、报警求助和信息咨询等功能，并利用GPS和电子地图任意放大、缩小还原、换图，可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上。还可以实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪，利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪服务。
        三、GPS的发展与前景
        近些年来，GPS的应用越来越广泛，差不多涉及到国民经济的各个领域。由于GPS很容易地提供位置、速度和时间信息，所以会很快成为现代信息社会重要信息来源，成为信息时代的国家基础设施之一；由于它功能强大、使用方便、价格合适，所以能很好地与其它系统结合，迅速地进入了人们日常工作、学习、生活和娱乐中，造成了人们离不开的局面。据业内专家分析，GPS应用产品产业是当前国际上蜂窝、直播卫星、个人通信、无线局域网、vsat等八大无线产业之一；是互联网、蜂窝通信、，GPS三大信息产业之一。
        在我国交通运输业中，目前拥有数以几十万计的货船、客船、油船、渔船、游船、缉私船、航道作业船；在“五纵七横”高等级公路上行驶着百万计的各种车辆；铁路和航空方面也拥有相当数量的运输载体，这些移动目标是当前GPS最大的应用领域。随着国民经济的不断发展，人们对运输载体的监控、跟踪以及智能化管理的要求越来越高，显示出巨大的需求市场。

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