王静 邬忠萍
成都工业学院 610039
摘要：近年来，随着汽车工业和定位导航、无线通信等信息技术的快速发展以及当前社会经济发展的需要，促使着智能交通系统（ITS）的产生。ITS 是无线通信、定位导航、控制、地理信息系统以及计算机处理等多项先进技术的有效集成，它的产生对有效地解决交通拥堵，提高公路通行能力，降低交通事故，提高能源利用率，治理环境污染起到了很重要的作用。GPS车辆定位系统作为智能交通系统的核心应用之一，对于它的研究具有非常重要的现实意义。本文汇总了系统相关理论，研究了系统需求，最后提出GPS监控管理平台的设计与实现。
关键词：智能交通系统；3G；GPS 车辆定位系统；
1.引言
近年来，随着汽车工业的快速发展、科技的进步以及人类生活方式的转变，越来越多的人依赖汽车作为交通工具，汽车数量成指数型增长，随之而来的是城市交通拥挤、交通事故增加、车辆盗窃案件数目增加，因而迫切需要采取有效措施来抑制所造成的交通问题，而只建造更多更宽的高速公路远远不能满足人们的需求，因此提出使用GPS车辆定位系统对交通运输进行更智能化的管理和调度；与此同时，车辆数量的急剧增加使得车辆防盗的需求显得尤为迫切，GPS(Global Positioning System，全球定位系统)车辆定位系统可以实时跟踪系统管理范围内的车辆，能够可以很好地解决这一需求，对公安对案件的侦破有极大的帮助；此外，车辆定位系统还可以用于危险品运输、银行押运车辆跟踪、医疗救护、快递行业运输领域等诸多方面。从以上可以看出，怎样对车辆进行更好、更科学的管理，增加车辆的安全性，提高车辆的使用效率，实现科学、安全的调度车辆，已刻不容缓。因此如何更好地对车辆进行科学管理已成为非常实用的课题。
智能交通系统（Intelligent Transport System，ITS）的提出能够很好地解决以上的这些交通问题，它是将无线数据通信传输、定位导航、控制、地理信息系统以及计算机处理等多项高新技术的有效集成，而建立的实时性强，安全性高，定位准确，应用效率较高能够在整个交通行业发挥重要作用的综合交通运输管理系统。本问研究的GPS车辆定位系统作为ITS应用的一个方向在今后的发展中将成为能影响交通运输行业重要的一个方面。
GPS车辆定位系统是地理信息技术（GIS，Geographic Information System）、全球移动通信系统、全球卫星定位技术（GPS）、控制和计算机处理技术多个新技术集为一体的一种高科技系统。它的主要功能是将车辆通过设备采集的信息数据（如车辆位置（经度、纬度），GPS时间，方向，状态等）通过3G无线通信链路传送到监控中心的服务器，然后在GPS监控管理平台的电子地图上进行实时显示车辆的这些相关信息，并且在平台上还能够为用户提供相关信息的统计查询以及车辆的调度，这样为企业和个人对管理和调度车辆提供了有效的方法，提高车辆的安全性和运营效率，从而确保了车辆的安全行驶。
目前，相关专业机构普遍认为，中国在21世纪将成为世界上最大的信息技术市场，成为信息时代的主角，因此，GPS车辆定位系统在我国的交通运输行业的应用具有划时代的意义，行业服务水平的改善，车辆行运效率改善，交通运输的安全性及可靠性的提高，运输管理水平的提高对整个社会都有重要的现实意义。
2.系统相关理论和关键技术
2.1全球定位系统（GPS）
全球定位系统(GPS)原名为“导航星”(NAVSTAR)系统，1973年11月美国开始研制的军用第二代卫星导航系统。整个系统需要24颗卫星以提供高精度的定位和连续的全球覆盖。该系统研发过程分两个阶段，第一阶段主要是进行方案验证时间持续到1979年。第二阶段主要是进行全面的研究与测试时间从1979年开始。1993年12月8日，美国国防部宣布GPS卫星正式开始工作，目前GPS已经在世界上的多个行业得到应用。
GPS系统由空间部分、地面控制部分、用户设备部分组成。其GPS系统组成结构如图1所示。
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(1) GPS卫星系统
空间部分即GPS卫星系统，GPS卫星星座也称24GPS星座，由21颗工作卫星和3轨
道备用卫星组成，轨道高度为20183公里。在使用GPS信号导航定位时，只有观测四颗GPS卫星才能计算观测站的三维空间座标，这被称为定位星座。这4颗卫星的地理分布情况能够左右定位的精度。
(2) 地面监控系统
地面控制部分即地面监控系统，GPS卫星在定位导航中的位置是通过卫星发射的星历计算得到的。星历是描述卫星运动和轨道的参数，由地面监控系统提供。GPS卫星的地面控制站系统主要包括位于美国科罗拉多州的主控站以及分布全球的3个注入站和5个检测站组成的，通过他们来监控GPS卫星。
(3) GPS信号接收机
用户设备部分即GPS信号接收机，GPS 信号接受机的任务主要是捕获和跟踪卫星信号，并对该信号进行处理，以便实时计算出观测站的三维空间位置、速度和时间。GPS接收机在静态定位中捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，而动态定位则是利用GPS接受机测定一个运动物体的运动轨迹。
2.2 地理信息系统（GIS）
（1）GIS 技术概述
地理信息系统（Geographical Information System，GIS）也称地学信息系统，是一种特定的空间信息系统。GIS 主要由人员、数据、硬件、软件、过程这五个部分构成。其中计算机硬件和软件是 GIS 的核心。
地理信息系统（GIS）是一门综合性学科，它的研究与应用在我国虽起步较晚，但发展速度很快。我国 GIS 的发展分为准备、起步、初步发展这三个阶段。目前，我国GIS 的发展已经初具规模，并且国家成立了很多的研究机构，还有很多企业也进入了GIS 研究的领域。
（2）GIS 系统的功能及开发模式
地理信息系统（GIS）的功能是主要对地理信息数据进行处理、存储和管理等。利用这些功能，用户能够利用这些功能对地理信息数据进行编辑和管理，还能够根据自己需要来制作特定的电子地图，还可以通过调用 GIS 接口来完成二次开发，实现用户需要的应用功能。
本研究GIS 的软件系统是在现有 GIS 的基础上开发的软件系统，选择结合 GIS 相关软件的集成二次开发方式（厂家提供的 GIS 空间嵌入到应用程序中）作为车辆定位监控系统 GIS 位置服务模块的开发模式。其优点是通过集成开发，使软件系统能够获得更为方便的使用功能以及易于操作的外观设计，并且能够提高使用的效率及可视化效果。利用现有的 GIS 控件的嵌入开发方式，可以减少对底层应用的开发，将精力主要集中在所需要的应用级开发，这样大大缩短了开发的周期。
（3）GIS 技术在车辆定位系统中的应用
随着 GIS 技术的快速发展，并逐渐走向成熟，GPS 车辆定位的应用领域正越来越多地通过电子地图实时应用于车辆监控管理中心，每一个移动车辆数据在动态移动车辆和监控中心之间都是通过无线移动通讯来完成。
GPS 车辆定位系统利用 GIS 技术来实现用户对所属车辆的监控和管理。GPS 监控管理平台的实现可以为用户提供优良的人机交互的平台，供用户监控车辆使用；根据用户需要还可以对 GPS 监控管理平台的 GIS 地图进行随意的放大或缩小；能够实时的把车辆的地理位置信息显示在平台的电子地图上以及车辆运行历史轨迹的回放；对车辆的一些报警信息能够第一时间在 GPS 监控管理平台上看到，提高了车辆的安全性。
2.3 第三代移动通信技术
融合了无线移动通信和因特网（Internet）等多媒体技术的第三代移动通信技术(3rd-generation，3G)，经历了模拟语音通信时代、数字低速数据通信手机时代（GSM）和中等速数据时代(GPRS)，它支持高速数据的传输。3G 是基于 IMT-2000 的无线宽带移动通信系统，它将支持数据传输速率高达 2Mbps 的涉及语音、数据、图像、视频等的多媒体业务。其目标是全球性的统一标准，全球无缝漫游；可以提供质量更高的多媒体业务；有足够的用户接入能力；在很多的复杂条件下都能够支持高速的分组数据传送，其中在位置移动较快的条件下传输速率能够达到 144Kbps，在位置移动较慢的条件下传输速率能够达到 384Kbps，而位置保持静止时的传输速率则高达 2Mbps。近年来世界上有四种 3G 技术分别为：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA 以及WiMAX。其中最典型、应用最广的第三代移动通信技术标准有三种：中国联通应用的 WCDMA（欧洲版），中国电信应用的CDMA2000（美国版），中国移动应用由中国自主研发的 TD-SCDMA（中国版）。
2.4 SOCKET 网络通信
Windows Sockets 规范是在 U.C.Berkeley 大学的 BSD UNIX 论坛中传播出来的一个套接字接口，它从此也成为了人们在 Microsoft Windows 下编写网络程序的接口规范。Windows Sockets 规范的真实意图是给人们提供一个 API 在编写网络程序时使用，并且能够根据这个API 来编写其他的网络软件。此外，Windows Sockets 为了保证 Windows Sockets API 编写的应用程序在任何符合 Windows Sockets 协议网络软件上都能够运行，它提出了一个二进制接口（ABI）。服从 Windows Sockets 规范的应用程序，我们叫它Windows Sockets 供应者。
Windows NT 提供了一个最重要的通信程序设计机制 ——Windows Sockets(WinSock)。 1个套接字(Socket)是1个通信端点。1个客户端和1个服务端的信息传输被称为典型的通信。对应的就有2个Sockets，且这2个Sockets就能够建立端和端的信息数据交互。套接字基本上分为2类：流套接字（Stream Sockets简称SS）和数据报套接字（Datagram Sockets简称DS）。SS主要传输数据信息量较大的数据，通常只保证数据的发送，用于无重复(UnDuplicated)的和顺序(Sequenced，保持包发送顺序) 数据的传送和接收。DS主要用于数据广播的作用，支持端到端的信息数据交互，但是不能够保证其可靠性，因为DS只提供面向无连接的服务。
3.系统需求分析
随着交通运输压力的不断加大，GPS 车辆定位系统的作用也慢慢地显现出来，作为缓解交通运输行业的新技术，应该进行大力的推广，使 GPS 车辆定位系统能够真正为人民的利益发挥作用，由此可以看出它对我国交通运输业现状问题的解决是一条很好的出路，不仅能够解决交通问题，而且还能够推动整个社会的经济发展，它具有极大的市场需求，是一个极具价值的应用项目。根据其服务对象的不同，具体实现的功能也不相同，它可以被广泛应用于特种车辆、物流配送、私家车、出租车、公务车辆等车载终端的实时定位、监控、调度指挥上，从而提高车辆管理的水平，有利于减少运营成本，从而提高公司的效益。本课题主要设计并提出了基于3G的GPS 车辆定位系统，采用了当下很多的新技术和新的解决方案，并且该系统能够很好地实现对车辆进行定位、监控和管理。
3.1 系统的设计目标及原则
为了科学管理用车，推进车辆管理信息化，以达到减少车辆费用的输出和对车辆的合理使用提出解决方案。该 GPS 车辆定位系统实现车辆定位服务、运行记录、系统派车、审批用车、车辆调度、费用结算、安全管理、信息维护等功能。
GPS 车辆定位系统设计的目标就是为了给企业和用户提供一个安全的车辆运行环境，提高车辆的使用效率，更好的对车辆进行管理和调度，为企业和用户提供一个具有很好交互性的技术水平较高的车辆管理平台。本系统运用信息化手段结合了 GIS、GPS以及 3G 通信技术实现无纸车辆调度行为，实时在线浏览车辆资源使用状况，提高车辆调度及统计分析工作效率并且能对用车费用的结算进行规范的统计。用户登录 GPS 车辆定位系统的监控管理平台必须具有登陆的权限，登录平台之后，能够对受控车辆进行实时位置定位，并且还能够对受控车辆的历史运行轨迹进行回放，查看受控车辆的运行状态信息，从而实现企业和用户车辆的信息化、透明化管理，保证驾驶人员安全行车，还可以对受控车辆的行驶线路进行监控，保证与其规划线路的一致性，从而确保安全有效地驾驶车辆。
系统的主要设计原则是：
1、系统的实用性
GPS 车辆定位系统不仅要满足企业和用户的需求，而且还要根据其自身的特性，做到系统的操作方便，人机交互性强，有较好的实用价值。GPS 车辆定位系统实现对系统用户身份的唯一性，优化车辆资源的配置。
2、系统的先进性
GPS 车辆定位系统使用现在流行的 Windows 环境下的 VS.NET 开发平台进行搭建，在时间、质量、技术难度、平台架构等各个方面不存在技术风险。GPS 车辆定位系统在理念和整体结构上具有很高的优越性，并且选用的开发技术在软件开发领域比较的先进，其开发平台成熟，从而可以确保 GPS 车辆定位系统能够可靠稳定的运行，在安全和可扩展性方面也都做了充分的考虑，提高了其整体的性能。
3、系统的可靠性
GPS 车辆定位系统只针对特定用户使用，因此系统必须在系统平台上保证系统的可靠性。在设计整个系统时，重点考虑到了这个因素，选用了先进可靠的开发技术和成熟的开发平台，对数据库中数据的存储和保护也都做了保障，从而能够保证了系统的可靠性和软件平台的稳定。
3.2 系统的功能分析
GPS 车辆定位监控系统需要具有能实时在系统中查看车辆当前位置，车辆当前运行状态的信息的功能，车辆状态信息如车辆状态(点火、熄火、离线、异常)、行驶速度、车辆目前所处的位置等。
1. 车载终端需求分析
车载终端负责采集车辆实时运行信息并通过 3G 传输到监控中心，同时车载终端也需要能接收监控中心下发的信息指令，并能对信息指令进行处理，然后控制车载终端进行相应的动作。车载终端应该具备如下功能：
（1）车载终端应该能有效的收集车辆实时地理位置和状态信息，如经纬度信息、行驶快慢情况、行驶方向、是否点火等信息，为监控中心的监控定位车辆提供依据。
（2）车载终端需要支持通过 3G（HSDPA）无线通信网络来传输采集到的车辆状态信息的功能，同时还要能够保证监控中心对车载终端能够语音通信，这样才能够保证车载终端和监控中心能进行有效的“沟通”。
（3）车载终端需要通过对车辆中控锁的检测来判断车辆是否在正常使用，来进行车辆 ACC 状态检测。
（4）车载终端需要支持在异常情况下自动或手动产生报警的功能，如在车辆行驶过程中的断电、断油等情况。
（5）允许用户以网络平台的方式对车辆的经纬度进行锁定，当被非法移动时终端以短信或者电话方式向用户告警。
2. 车辆监控中心需求分析
在 GPS 车辆定位监控系统中，监控中心作为与用户交互的窗口，应该能够让用户在第一时间看到车辆的位置及车辆的运行状况，并且要能够让用户掌握车辆的历史运行状况，以及能够对车辆不同时间段的运行状况进行统计，给出统计报表供用户分析使用。车载终端应该具备如下功能：
（1）监控中心系统需要能获得当前在线、熄火、离线的车辆列表，并能在地图上获得车辆的实时位置信息。
（2）监控中心系统需要提供车辆历史轨迹查询接口，查询并展示某一时刻的历史轨迹，并能对查询到的轨迹进行回放。
（3）实时监控车辆的同时，平台电子地图要能够自动定位到车辆所在的位置。
（4）播放车辆轨迹时，要能够设置车辆历史轨迹的播放频率，并提供“加速”、“减速”、“开始”、“停止”、“暂停”、“恢复”等操作的功能。
（5）监控中心系统应具备劫警和断电搜索功能，对异常状况的位置和时间能进行查询。
（6）监控中心应具备基础资料管理功能，如：公司信息管理、车信息监管、人员信息管理、用户权限管理、用户角色管理、操作日志管理等。
（7）监控中心系统应具备设置报警、报警等级的功能，同时还应具备对报警日志查询的功能。
4.GPS 监控管理平台的设计与实现
4.1 GPS 监控管理平台的功能模块设计
GPS 监控管理平台是全部根据用户的需求来开发的一个对车辆进行综合管理的平台，内容包括用车申请、审批、调度、安全管理、费用结算、报表统计分析、业务管理等各环节。车辆的合理调度不仅能减少用车费用的支出更能提供多元化的派车方案更能符合企业自身的用车要求，报表统计模块的汇总，减少了人工计算的误差，能够节省很多的工作时间。平台自动提示保养时间和安全模块管理，为车辆的日常维护工作和安全管理实现良好的风险预警信号。
通过对 GPS 监控管理平台相关业务需求的调研和分析，确立其应实现的基本功能，包括以下模块:GIS 位置服务、历史轨迹、业务管理、统计查询、参数设置、系统管理、系统设置等。GPS 监控管理平台功能模块结构如图2所示。
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1、GIS 位置服务
位置服务模块嵌入了正版 mapbar 地图，查看的企业 GPS 车辆将以图标的形式动态地显示在地图上，并能在地图上显示选择车辆的实时状态和任务信息。增加在电子地图上自定义图层的功能，可以对车辆的任务从起点到终点并包括长途车回程均能全过程监控管理。
业务描述与系统要求：
1）、用户利用自己拥有的平台的登录账号和密码进入系统，进入系统主界面后即可看到平台的所有功能子模块；
2）、进入 GPS 监控管理平台的位置服务模块，该模块是基于图吧地图（mapbar）API 开发的，在该模块中能够实时在电子地图上显示车辆定位信息，并能看到车辆当前所处的地理位置。
2、业务管理
业务管理模块主要实现对车辆的申请，审批，调度，查询功能，该模块囊括了整个系统的派车的流程。具体分为申请单管理，申请单审批，任务单管理，任务单查询这几个模块。
业务描述与系统要求：
1）、用户利用自己拥有的平台的登录账号和密码进入系统，进入系统主界面后即可看到平台的所有功能子模块；
2）、进入业务管理模块进行对车辆的申请，审批，调度，查询操作。
3、历史轨迹
历史轨迹模块主要实现对车辆的行驶轨迹的回放功能，以查询过去车辆的行驶轨迹情况，并且包括了普通的轨迹回放和任务单的轨迹回放（在任务单列表中生成连接），普通的轨迹回放包括了地图和轨迹点信息，在控制面板中包含了选择要回放的车牌号码，开始时间和结束时间，回放类型，轨迹点间距，停车间隔，是否显示日期，时间，速度等信息。
业务描述与系统要求：
1）、用户利用自己拥有的平台的登录账号和密码进入系统，进入系统主界面后即可看到平台的所有功能子模块；
2）、进入历史轨迹模块主要实现对车辆的行驶轨迹和任务单的回放操作。
4、统计查询
统计查询模块主要是针对本系统的业务生成的信息统计和查询，对于每一个查询的报表的结果均可导出 EXCEL 表格。统计查询模块包括了常用报表（包括里程汇总表，里程日报表，里程明细表，行车轨迹明细表，超速汇总表，超速明细表，定时跟踪表）、车辆成本报表（包括单车成本明细表，年度本月报表明细表）、业务报表（包括任务汇总表，任务里程汇总表，用车时长信息表，司机费用信息表，车辆运营表）。
业务描述与系统要求：
1）、用户利用自己拥有的平台的登录账号和密码进入系统，进入系统主界面后即可看到平台的所有功能子模块；
2）、进入统计查询模块实现对本 GPS 监控管理平台的业务生成的信息统计和查询。
5、参数设置
参数设置模块主要是对平台的规则设置，包括了常用报警设置和定时跟踪设置。业务描述与系统要求：
1）、用户利用自己拥有的平台的登录账号和密码进入系统，进入系统主界面后即可看到平台的所有功能子模块；
2）、进入参数设置模块实现对本 GPS 监控管理平台的报警设置规则。
6、系统设置
系统设置模块主要是实现对整个系统的监控列表、报警过滤、地图等级、个人信息以及密码修改等功能。
业务描述与系统要求：
1）、用户利用自己拥有的平台的登录账号和密码进入系统，进入系统主界面后即可看到平台的所有功能子模块；
2）、进入系统设置模块实现对本 GPS 监控管理平台的总体设置规则及密码的修改。
7、后台管理
后台管理模块主要是平台基础信息维护，基础信息主要包括了人员信息，公司信息，车辆信息，车辆证件信息，司机信息，用户角色管理，用户权限设置，密码修改，操作日志等。其中用户角色管理是建立系统权限的角色，给不同角色分配不一样的权限，例如调度员角色可分配任务单的管理和费用录入的权限，部门领导可以分配审批的权限等等。
业务描述与系统要求：
1）、用户利用自己拥有的平台的登录账号和密码进入系统，进入系统主界面后即可看到平台的所有功能子模块；
2）、进入后台管理模块实现对本 GPS 监控管理平台的基础信息维护。
4.2 GPS 监控管理平台的实现
1、监控软件平台开发环境
GPS 监控管理平台在整体性和安全性方面做了充足的考虑，它利用面向对象的设计理念以及原生态的开发方法，选择使用成熟的软件开发环境 Microsoft Visual.NET 中的 Microsoft Visual Studio 2010，在 Windows XP/7 系统下使用 C#.NET 开发语言进行程序开发。C#.NET 是一种面向对象的高级程序设计语言，使用 ADO.NET 组件技术可以很迅速的访问大型数据库 SQL Server，Oracle 等，它需要以.NET Framework 作为基础，是现在用于应用软件开发的流行语言之一。
2、系统的部署
以下是 GPS 车载定位监控中心的软硬件环境：
5.结论
随着我国综合国力的提高，国内交通事业迅猛发展，各种车辆迅速增多，如何缓解交通、提高车辆的运营效率、增强车辆的安全防盗成为了 GPS 车辆定位系统的基本应用市场。目前，随着城市中 GPS 参考站（CORS）的普及，GPS 车辆定位系统就能够使用比静态定位精确度更高的动态差分定位技术作为系统的定位方式。另外，计算机技术发展日新月异，其配置也会随着技术的发展越来越高，因此计算机的信息处理效率将更高。最后，我国在通信业投入的不断加大，4G 移动通信网络的商用并逐步得到普及，系统通信能力大大增强，业务种类不断增多，使监控平台对车辆进行实时视频监控等更多功能的实现更加稳定可靠。相信在以后 GPS 车辆定位系统在交通运输领域的应用将越来越普遍。本文汇总了系统相关理论，研究了系统需求，最后提出GPS监控管理平台的设计与实现。本文的研究在GPS系统在车辆的定位及监控上有参考意义。
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项目信息：四川省教育厅资助项目（项目号16ZB0338)。
作者简介：王静，硕士，工程师。