城市車(chē)輛GPS定位與導航系統設計方案

　系統的總體設計思想

　　1、定位功能的實(shí)現過(guò)程

　　車(chē)輛通過(guò)安裝于底盤(pán)上的識讀器獲取用來(lái)標志唯一道路位置的編碼信息之后，將其傳遞給車(chē)載端的GIS數據處理模塊，GIS根據此編碼信息，結合電子地圖信息數據庫（GIS模塊的一部分），找出此編碼信息對應的電子地圖上的具體的地理位置點(diǎn)，進(jìn)而通過(guò)顯示模塊將其顯示在電子地圖上。這樣用戶(hù)就可以看到自己當前所處的地理位置，實(shí)現了車(chē)輛自身定位的功能。

　　2、導航功能的實(shí)現過(guò)程

　　所謂車(chē)輛導航就是要確定一條車(chē)輛當前位置和目的地位置的線(xiàn)路信息，假如車(chē)輛現在處于A(yíng)點(diǎn)，想要到達B點(diǎn)，則將B點(diǎn)的信息（直接輸入名稱(chēng)即可）輸入到車(chē)載GIS模塊中，車(chē)載GIS模塊通過(guò)電子地圖信息數據庫將目的地位置對應找到之后，與電子地圖顯示上的某一點(diǎn)對應起來(lái)，同時(shí)在兩個(gè)點(diǎn)之間確定一條或多條可行路線(xiàn)，并且顯示給用戶(hù)。這樣用戶(hù)就可以根據電子地圖上的目的地B點(diǎn)和現在所處位置A點(diǎn)情況，決定采取那條路線(xiàn)到達目的地�？梢钥闯霰鞠到y不需要借助外界信號或網(wǎng)絡(luò )的輔助作用，可以利用車(chē)載模塊直接獨立解決導航問(wèn)題。

　　3、監控和調度功能的實(shí)現過(guò)程

　　在完成定位功能的同時(shí)，識讀器將獲取到的位置編碼信息和車(chē)輛自身的唯一標志信息通過(guò)車(chē)載通信模塊，利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )數據傳輸方式（如GPRS等）傳遞給后臺監控和調度中心，調度中心根據收到的信息，結合中心的GIS系統就可以得知此車(chē)輛現在所處的確切位置，從而實(shí)現了對車(chē)輛的實(shí)時(shí)監控功能。同時(shí)如果調度中心需要車(chē)輛去某一個(gè)目的地執行某項任務(wù)（如消防，醫院救護等）時(shí)，調度中心就將目的地的位置編碼信息通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )傳遞給某一具體車(chē)輛，車(chē)輛得到此編碼信息，并與自身電子地圖上的點(diǎn)對應起來(lái)，從而實(shí)現導航，以最快的速度到達任務(wù)目的地。所以這主要是針對特殊的行業(yè)（公交、出租、醫院救護、消防等）應用才需要用到的功能，因為對于一般的私人車(chē)輛用戶(hù)來(lái)講，沒(méi)必要將自己的位置信息告訴給其他方，所以這是一個(gè)可選的功能（圖中用虛線(xiàn)分割開(kāi)來(lái)）。

　　系統各組成部分的詳細設計說(shuō)明

　　1、道路標簽

　　概念——用來(lái)唯一標志某一具體物理位置的電子標簽，它與GIS 電子地圖信息數據庫中的某一點(diǎn)具體對應，從而實(shí)現物理位置的顯示和定位。

　　標簽內的數據編碼格式——電子標簽的數據存儲量可以達到很大，但是這里卻不需要多么復雜，因為此編碼數據只要能使得實(shí)際代表的地理位置的某一點(diǎn)與電子地圖信息數據庫中的某一點(diǎn)一一對應起來(lái)就可以了，所以編碼的格式可以非常靈活，位數也不需要設計的過(guò)于復雜（這樣也可以加快數據讀取的速度）。所以完全可以在目前的GIS電子地圖中的編碼格式的基礎上，進(jìn)行一定的改動(dòng)。

　　標簽的道路粘貼和維護——這是本系統最大的難點(diǎn)所在，不僅要考慮城市道路路面的情況（軟硬，路面材料，路面的變形情況）、還要考慮外界的環(huán)境情況（溫度的變化，雨雪天氣狀況），此外還要考慮到一些車(chē)輛不規則行駛對標簽碾壓的情形。就路面情況考慮，系統標簽首先考慮粘貼在一些路面狀況比較理想的地面（所謂理想，主要指混凝土路面等比較堅實(shí)，不會(huì )隨外界壓力和溫度發(fā)生太大型變的情況，比如立交橋、高架橋車(chē)道路面就比較理想）；就外界環(huán)境狀況的影響，主要取決于標簽自身物理特性的提高（耐低溫、耐高溫，耐變形和壓力等品質(zhì)）。目前已有RFID標簽產(chǎn)品的耐溫范圍已經(jīng)可以達到-40℃～140℃，此外對于抗變形和壓力可以通過(guò)特殊的外包裝和道路粉刷工藝來(lái)進(jìn)行相應的處理。至于車(chē)輛不規則行駛帶來(lái)的碾壓現象，因為標簽本身體積很小，同時(shí)車(chē)輛的輪胎接觸面積較大，所以平均下來(lái)的壓強并不能給標簽造成直接的物理?yè)p傷，而且不規則行駛的情況在城市道路上并不是主要常見(jiàn)的。

　　2、車(chē)載終端

　　車(chē)載終端主要由識讀器模塊，GIS信息處理模塊，通信模塊（可選），顯示模塊組成，共同配合完成了了整個(gè)定位信息的處理和顯示。

　　識讀器模塊——此部分模塊負責準確地、快速地獲取位于道路上的電子標簽中的位置信息，它對道路標簽的數據讀取速度和車(chē)輛運行的速度直接決定了系統的定位精度。相同的車(chē)速情況下，識讀器的閱讀速度越快，則道路上的標簽就可以間隔更小，從而定位的精度就可以更高。目前已有的識讀器一般的閱讀一個(gè)電子標簽的時(shí)間可達到毫秒級，而在城市道路上運行的車(chē)輛的速度一般都限制在60km/h以?xún)�，按照這樣的數值大約可以計算出標簽的間隔距離在5m的情況下，仍然可以保證標簽數據的快速準確的讀取。也就是說(shuō)，定位的精度相應的也可以相應的達到5m以?xún)鹊木�，當然此外還要考慮GIS模塊的數據處理和顯示速度，所以保證10m的定位精度是理論可行的。 
GIS信息處理模塊——此部分模塊負責將識讀器獲取的道路標簽的編碼信息進(jìn)行處理，與電子地圖信息庫中的具體位置點(diǎn)對照，從而實(shí)現物理位置和電子地圖上的顯示點(diǎn)之間的對應。同時(shí)在導航應用中，此部分模塊還要能夠實(shí)現查詢(xún)功能，即將輸入的目的地轉化為電子地圖上的某一具體對應點(diǎn)的信息，從而提供給車(chē)輛導航路線(xiàn)。從某種意義上來(lái)講，此部分模塊的設計是整個(gè)系統的核心和難點(diǎn)，因為所有的定位、導航數據的處理全部由它來(lái)完成，具體實(shí)現時(shí)，可以借助目前已有的GIS 車(chē)載端模塊，做一些必要的改變即可。

　　通信模塊——主要負責將車(chē)輛識讀器讀取到的道路標簽的編碼信息傳遞給后臺控制和調度中心，或者將后臺中心的控制和目的地信息傳遞到車(chē)載端，從而實(shí)現中心對于車(chē)輛的監控和調度。因為系統在不需要外界網(wǎng)絡(luò )支持的情況下已經(jīng)完全可以獨立完成定位和導航等功能，所以此部分模塊本身就是可選的。主要針對一些特殊的行業(yè)應用，比如公交系統，消防，醫院救護，交通事故處理系統等，在這些行業(yè)中，都要求實(shí)時(shí)地掌握系統內車(chē)輛的準確位置信息以便在緊急事件時(shí)做出最為有效和快速的反應。就目前的網(wǎng)絡(luò )情況而言，可以借助于GPRS網(wǎng)絡(luò )，因為GPRS網(wǎng)絡(luò )一方面數據傳輸速率比較高，另一方面它可以實(shí)現持續在線(xiàn)，流量計費的特點(diǎn)，適合于突發(fā)性數據量的傳送需求。

　　顯示模塊——即將GIS 處理后的信息數據完整地展示在電子地圖上，但決不只是一個(gè)簡(jiǎn)單的顯示，因為要完成獨立導航時(shí)，需要輸入目的地的有關(guān)信息，此時(shí)可以采用當前流行的觸摸屏顯示終端，將操作和顯示界面集成在了一起，從而降低系統的操作復雜度。

　　系統方案實(shí)現的具體分析

　　本系統在具體工程實(shí)施階段必須考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：

　　1、道路路況的優(yōu)劣，目前主要的城市道路還是停留在瀝青路面的時(shí)代，這樣的路面對于標簽的布設會(huì )帶來(lái)致命的威脅，因為在高溫下，這樣的路面發(fā)生較大的變形，直接影響標簽的位置和穩定性，甚至直接造成標簽丟失、移位；

　　2、車(chē)輛違反交通規則造成的標簽碾壓，這一點(diǎn)可以說(shuō)是一個(gè)必須要考慮的問(wèn)題，但是可以通過(guò)很多種途徑來(lái)避免和盡量減少，其中道路標簽基本都布設在每條行車(chē)車(chē)道的中央，大多數情況下車(chē)輛通過(guò)是不會(huì )形成碾壓的；其次可以改進(jìn)標簽布設工藝，增加標簽的受力面積，即在標簽之外包裝一層高硬度的防水硬性材料（目前市場(chǎng)已有的很多標簽已經(jīng)都具備一定的穿透能力，這樣不會(huì )造成對標簽閱讀范圍的太大影響），同時(shí)通過(guò)特殊的路面粉刷工藝，可以大大提高標簽 的受力限度；

　　3、環(huán)境狀況的影響，由于標簽位于路面之上，不可避免地會(huì )遇到雨、雪天氣的影響，為了減少外界條件變化帶來(lái)的影響，要求標簽的有很強的耐腐蝕，耐高溫、低溫特性，這都是對標簽工藝的直接挑戰，目前的標簽已經(jīng)出現了耐溫范圍在-40℃～140℃的產(chǎn)品；

　　4、成本的影響，標簽的價(jià)格現在已經(jīng)做到幾美分到幾十美分的范圍內，但是車(chē)載終端的價(jià)格卻還會(huì )帶來(lái)較大的問(wèn)題，但是根據目前GPS 車(chē)載終端進(jìn)行改造，加上識讀器模塊，實(shí)際上也不會(huì )帶來(lái)太多的問(wèn)題；此外在標簽的使用過(guò)程中，對于因為一些特殊意外的原因造成的標簽損壞，還要進(jìn)行及時(shí)的更新，雖然費用不是很多，但是同樣也應予以考慮。

　　系統應用的設想：

　　基于以上工程實(shí)施必須考慮的實(shí)際問(wèn)題，對本系統前期應用的主要領(lǐng)域和場(chǎng)合進(jìn)行了如下的設想：

　　1、由于城市道路路況構造，標簽的物理特性，以及部分司機不規則行駛等問(wèn)題，直接大范圍內鋪設和推廣此系統還為時(shí)過(guò)早，同時(shí)考慮到目前大多數城市（如北京）道路路況周邊的環(huán)境并非都是高樓密集區，所以利用GPS即可，沒(méi)有必要一次到位；

　　2、系統應用的定位：作為現有的GPS等已經(jīng)成熟應用的城市道路交通定位系統的一種有益的補充，即在GPS可以實(shí)現定位的大多數路面，采用GPS定位，在一些特殊的區域，如高樓密集區，立交橋，高架橋，大型地下停車(chē)場(chǎng)等區域則利用此RFID系統實(shí)現定位，即在這些區域先進(jìn)行小范圍的道路標簽的鋪設；這樣就要求對車(chē)載終端進(jìn)行一定的改造，將GPS終端和識讀器相結合集成在一起，從而實(shí)現城市道路定位“無(wú)盲區”的目標。

城市車(chē)輛GPS定位與導航系統設計方案