基于GPSGIS的机动目标指挥调度.docx

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基于GPSGIS的机动目标指挥调度

基于GPS/GIS的机动目标指挥调度

管理系统的工程实现

温锦

（深圳市智能运输中心，广东深圳518040）

摘要：

以GPS、GIS和RS（遥感）技术一体化为主体构成的现代空间信息技术，同通信、计算机网络等其他IT高新技术结合的位置信息服务LBS（LocationBasedService），在应用领域迅速拓展。

其技术开发、产品生产和运营服务形成的产业价值链是IT业重要增长点。

基于GPS/GIS的机动目标指挥调度管理系统是LBS的典型应用。

本系统的设计、关键技术开发、应用系统集成给出了工程实现的基本原则和方法。

关键词：

全球定位地理信息位置服务智能终端系统软件系统集成

作者简介：

温锦，男（1954－），籍贯广东，桂林步兵学校（陆军学院）毕业，现深圳市智能运输中心副主任，高级工程师。

主要工作和研究方向数字集群移动通信系统、电子信息、监控系统。

全球卫星定位系统GPS（GlobalPositioningSystem），是由美国国防部为其星球大战计划，从上世纪七十年代制造GPS系统Navstar卫星开始，历时20年，到1993年建成的空间军事系统，它被称为继阿波罗飞船登月、航天飞机之后耗费巨资的第三大浩繁空间工程。

1996年3月白宫宣布“每个人都可以使用更高精度的GPS系统，降低民用GPS信号精度的做法将在10年内逐步取消”之后，GPS除军事应用外，开始在民用领域迅速扩展。

GPS由三个分系统组成：

一是由24颗分布于2万公里高度的6个轨道围绕地球飞行的卫星构成GPS空间卫星网（另还有3颗备份星）；二是由分布于全球的5个监测站、1个主控站、3个注入站构成的地面监测控制（支撑）系统；三是遍布全球的固定或移动的GPS用户接收系统。

GPS是近年来高速发展的最具开创意义的高新技术之一，因其全球性、全能性、实时性、全天候的连续高精度导航定位、测速、授时、校频等功能和技术优势，广泛应用于各个领域，发展方兴未艾。

前苏联从1982年开始，俄罗斯续于1995年建成了只由自己控制使用、不向世界提供服务的全球卫星导航系统CLONASS。

由于全球卫星定位技术具有在军事、商业等广阔的应用前景，2002年由欧盟发起，并且中国于2003年与其正式合作，联手实施“伽利略（GALILEO）计划”，开发民用全球卫星定位系统，预计于2008年投入商业运营。

我国也于2000年建成了“北斗一号”双星定位系统,是有完全自主知识产权、自主控制的本土区域性卫星导航系统，具有在国内无盲区、全天时、全天候同时提供导航和通信服务的特点。

地理信息系统GIS（GeographicalInformationSystem）是用于采集、模拟、处理、检索、分析和表达地理空间数据的计算机信息系统。

GPS的应用离不开GIS。

以GPS、GIS与现代遥感RS（RemoteSensing）技术（称为“3S技术”）一体化为主体构成的现代空间信息技术，同电子、通信、计算机网络等其他IT高新技术进一步结合，其应用领域将更加迅猛拓展。

GPS/GIS应用技术开发、产品生产和位置信息服务LBS（LocationBasedService）已迅速形成IT高新技术产业。

基于GPS/GIS机动目标指挥调度管理系统是LBS的典型应用之一。

它是由自主开发的软件系统（指挥控制中心管理系统和客户端系统）和集GPS、GIS、话音、数据与图像传输、自动报警控制等功能于一体的车载智能终端，GPS和GIS技术同现代通信网络，如数字集群移动通信专网或/和GSM（GroupSpecialMobile）、GPRS（GeneralPacketRadioService）、CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）等数字蜂窝移动通信公网、计算机、INTERNET网络等技术平台结合，构成的指挥控制综合电子信息网络系统。

可以用于城市公交、长途客运、物流货运车辆调度管理、特种车辆（运钞车、120救护车、危险品运输车等）的实时全程动态监控、公安、消防等抢险救援现场远程指挥，还可以提供综合交通信息服务、车辆驾驶自动导航及车辆遇险自动报警。

与RS技术结合，可应用于大地与海洋测量、地质勘探等。

1系统主要功能需求

根据对不同用户群的调研和分析，按照适应、可靠、实用、便于扩展、使用简便的设计原则，该系统应能承载GPS导航定位、电话、数据、文字以及图像通信等综合数字业务。

可根据使用目的和应用条件，基于集群通信系统平台组成专网，或基于GSM（GPRS）、CDMA公众数字移动通信网和INTERNET构成虚拟专网。

指挥控制中心（固定或移动）可通过话音、数据、图像，对多个目标车辆进行全程动态监控和实时指挥调度。

目标的实时三维定位坐标、速度、方向、轨迹、现场实况视频图像等信息，能在指控中心以及车载智能终端显示屏的电子地图上实时显示，同时将数据存储归档以供查询、分析、报表等调用；可按时发布综合交通、天气、商情等信息，具备交通收费IC卡功能，遇险报警及紧急制动，车载移动终端还具备倒车超声测距、图像与距离显示，VCD/DVD播放功能，有较强的通用性。

2系统主要技术指标

2.1总体技术要求

无线话音通信与数据、图像传输兼容，一个系统设计可指挥调度管理两万台机动车辆，目标车载移动用户终端信息可存储在中心数据库（硬拷贝长期存储调阅）,操作系统采用windos，数据接口RS—232，数据速率11KB—171KB，通信格式自定义,移动用户终端可实现有线/无线网络互联,地图切换时间≤1秒,数据更新速率≤1秒。

2.2GPS定位

通道数为并行12通道，移动目标最大速度Vm=515米/秒，最大加速度a＝4g，最大高程h＝18000米，定位精度△CR≤20米、△V≤5米/秒，数据更新率≤1秒，典型TTFF=15秒，平均无故障工作时间MTBF≥60000小时，工作电压12V—20V，功耗≤3瓦。

2.3图像传输

波特率为9600—38400bps，图像无线传输速度3—5秒/幅，图像有线传输速度0.1—0.35秒/幅，图像数据压缩与解压采用软件方式，压缩比20—40，通信协议自定义，每幅图像解象度为300×200象素，R.G.B原色不失真。

2.4信息显示

显示界面：

指挥控制中心用数字投影仪或大屏幕电视、计算机终端显示器；车载智能终端采用TFTLCD真彩色显示屏（支持VCD/DVD播放）或单色字符显示屏。

显示信息：

GIS地理信息（矢量与标量地图兼容），汉字显示，电子地图放大、缩小、漫游和平移，移动目标识别号、位置坐标、速度、方位、轨迹等数据、文字和现场图像信息；声、光、图像报警信号。

2.5通信平台

400/800兆无线模拟集群移动通信网络、数字集群移动通信专网，GSM（GPRS）、CDMA公众移动通信网络及INTERNET等，可根据用户终端所处的环境和要求选择。

3系统基本组成

原理如图—1所示。

本系统由GPS空间卫星网、车载移动智能终端、通信网络传输平台、指挥控制中心、系统软件、GIS地理信息系统软件等部分组成。

车载智能终端中的GPS接收机接收到卫星发送的定位信号经处理后获得该车的坐标、速度、航向及跟踪卫星状态等各种数据信息，摄像机获取的视频图像经压缩编码处理后的图像信息数据，以及遇险告警信息，通过微处理器数据打包，由通信模块（手机）发送，经无线移动通信网络（或再经过INTERNET网）上传到指挥控制中心，在与GIS系统信息进行数据处理后存储，并送到大屏幕同电子地图叠加标定显示，上述信息也可在车载终端的显示屏上显示。

指挥控制中心发布的信息和调度指令，下传到有关的车载移动智能终端并加以显示。

指挥中心与车载台、车载台与车载台之间可双向通话。

4系统设计与关键技术开发

主要包括通信平台选择、系统管理软件开发、车载终端研制和应用系统集成等四部分。

4.1通信网络平台选择

（1）基于已经建有或必须建立独立数字（或模拟）无线集群移动通信系统加载GPS、GIS等技术建立的指挥调度专网的集团用户，必要时能够与移动通信公众网和（或）INTERNET互连；

（2）基于GSM移动通信公网作为承载GPS业务的无线通信平台的机动车辆指挥调度管理系统设计，主要从成本、效益、网络覆盖等方面综合考虑。

有三种GSM数据传输方式可供选择。

一是电路交换，可提供上限为9.6Kbit/s的数据传输率，每个GPS移动用户终端接入时占用一个话务信道。

从技术上考虑虽然能满足GPS数据和图像信息传输，但按信道占用时间计费太高。

因此，除双向通话和必要的压缩图像传输外，不考虑采用电路交换方式；另一种是采用控制信道以SMS（ShortMessageService）方式传输GPS信息。

从技术上考虑，该方式的数据传输速率低，不适宜图像传输，只可以传输GPS定位数据和每条最多160字符的文字短信,更重要的是当大量GPS用户同时集中在某地区以短信方式传输GPS数据业务时，业务中心存储转发产生时延，影响实时传递；再一种采用在GSM公网基础上升级发展的GPRS通用无线分组数据交换模式传输GPS信息，其优越性在于：

一是无线分组交换，信道分配方式灵活，每个TDMA帧可分配1—8个接口时隙；二是能提供9.06—171.2kbts/s可变传输速率；三是GPRS网络接入速度快，可与IP网、X.25网互连互通。

GPRS的核心网络层采用IP技术，底层可使用多种传输技术，方便地实现与现有数据网以及IP网无缝连接；四是支持特定的点到点和一点对多点服务，实现远程信息处理等特殊应用；五是GPRS能提供完全的用户终端通信业务能力，包括基于PTP的终端业务和基于PTM的用户终端业务；六是GPRS能实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级的计费功能。

（3）基于CDMA公众移动通信网络作为GPS数据无线传输平台的指挥调度管理系统设计，则更侧重于技术的先进性和发展趋势考虑。

一是容量大：

CDMA使用扩频技术，所要求的能量信噪比Eo/No小，其处理增益和抗干扰性能高于其他系统。

CDMA采用话音激活技术，其话音占空比提高，仅此就使CDMA容量比其他系统增加一倍。

频率复用和小扇区化，技术高于其他系统。

二是采用可变速率声码器（8K或13K编码）能提供高质量话音；扩频和多种形式分集接收使CDMA抗多径干扰引起的选择性衰落及噪声干扰的能力增强。

CDMA的软切换技术实现无缝切换，降低了切换掉话概率，提高了数据传输可靠性。

采用功率控制技术，既可扩大系统容量，又具有环保和减小移动用户间的相互干扰，相应提高了通信质量。

三是保密性好：

具有鉴权、数字格式、宽带信令、CDMA信号的扰频方式、根据受话人指定的通话保密措施、CDMA的数字话音信道可将数据加密标准（DES）或其他标准的加密技术直接引入等，可提供较佳的保密特性，防止串话和盗用。

四是数据信息传输按流量收费，使用成本低。

4.2车载移动智能终端研制

车载智能终端的研制是本系统设计和实现的关键部件，它是诸多软硬件技术高度综合的信息终端。

它既要具备比较完整的调度管理的话音通信、GPS导航定位、测速、图像传输、GIS信息显示、告警等功能，又要能适应不同用户不同使用目的、基于不同传输平台的灵活选择，还要考虑安装使用简便、可靠、便于升级和降低成本。

4.2.1原理框图

如图—2所示。

可以分为GPS导航定位、遇险自动报警、GIS地理信息显示、图像传输等功能模块。

4.2.2工作流程

（1）导航定位、话音通信、告警、IC卡读卡及信息显示：

由GPS天线、OEM接收板、CPU、GIS电子数字地图存储器、IC卡接口、显示存储器、时序控制电路、视频信号解码电路、液晶显示接口电路、iDEN（或TETRA）/GSM（GPRS）/CDMA通信接口电路等组成。

GPS天线接收定位卫星信号，经OEM接收解码后得到

定位信息，经过一个电平转换电路与中央处理器CPU串口1相连接；电子数字地图存储器采用FLASH芯片，它有33MB以上的存储空间，电子数字地图经格式变换后，成为二进制文件，通过CPU的串口2写入FLASH芯片；IC卡接口接在CPU串口2和IC卡读卡机之间，完成CPU和IC卡读卡机的RS-232接口电路的电平转换功能；手机接口在CPU串口3和iDEN（或TETRA）/GSM（GPRS）/CDMA手机通信模块接口之间，完成电平转换功能；CPU将需要显示的地图从FLASH芯片中调入显示存储器，并定时地对显示存储器进行刷新，显示存储器通过时序控制电路与CPU连接，时序控制电路从显示存储器中读出数据变换成R、G、B三基色信号，送往显示屏；该时序控制电路为可编程逻辑控制器件，可产生定时信号送往CPU，让CPU分时对显示存储器进行读写，并且还产生地址信号以便读出显示存储器的数据，将从显示存储器读出的数字信号变为R、G、B模拟分量信号，同时产生标准的行、场同步信号；视频信号解码器输入的视频信号，经其解码后，输入三基色信号及行、场同步信号，并送入液晶显示接口电路；液晶显示接口电路输入端与时序控制电路、视频信号解码器连接，输出端接液晶显示器，完成信号放大及信号的逐行倒相。

承载智能终端的移动目标的定位信息、图像、指挥控制中心发来的文字指令、IC卡付费信息除了在该终端存储和显示屏的电子地图上叠加显示外，还与可能发生的遇险报警信息一同通过车载通信机（手机模块）上传到指挥控制中心，以及同中心或其他车载台直接通话。

（2）图像处理与传输：

由摄像头、图像采集芯片和上述的时序控制电路、CPU、图像存储器组成。

摄像头与图像采集芯片相连接，图像采集芯片与CPU之间通过一个并行数据/串行数据的转换电路相连接，它能将CPU输出的并行数据变换成12C命令，从而通过12C总线，命令图像采集芯片中的寄存器进行读写。

时序控制电路在图像采集期间，以图像采集的LLC2作为基准信号，由其生成地址及读写控制信号，将与之相连的图像采集芯片输出的图像数据存入图像存储器中。

当采集完成一幅图像后，通过对时序控制电路编程控制，选择CPU的地址和数据总线及读写信号对图像存储器进行读写控制。

CPU将图像信号分成16×16的模块，读入CPU的PAM，将其转换成Y、U、V，再分成8×8子块，由CPU对其进行离散余弦变换（DCT）、量化及HUFFMAN编码，得到比特流，将其暂存于与其连接的图像存储器，当一帧图像压缩完毕则将其打包成CPU数据包，由通信传输模块发送到控制中心。

图像处理采用JPEG（JointPictureExpertGroup）高效压缩编码算法，其编码流程如图—3所示，解码则基本是其逆过程。

4.2.3电路结构与主要电路芯片及其作用

电路结构如图—4所示。

中央处理器CPU采用H8/3067F芯片，它内置了128KBYTE的程序存储器和4KBYTE的RAM，有三个串口，其工作方式为MODE7，其串口RXDO、TXDO分别通过74HC07芯片构成的电平转换电路接OEM接收板的串口输出端，如图所示CPU的P3口和P4口对FLASH芯片进行动态读写，FLASH芯片选用HN29N26511T芯片；CPU的串口RXD2、TXD2通过由MC14506芯片组成的电平转换电路与IC卡读卡机的RS-232接口相连接；CPU的串口RXD1、TXD1、P60-P65口通过两个由74HC07芯片组成的电平转换电路与iDEN手机或GSM（GPRS）、CDMA手机接口的对应端相连接；CPU与时序控制电路EPM7128SQC的对应端相连接；时序控制电路输出的地址信号，定时读写信号送入与之相连接的显示存储器K61008C2E芯片，三基色信号及行、场同步信号通过接口电路TA8696F送到显示屏；视频编码可采用OM8361芯片，其视频信号输入端为13脚，其37、43脚输出分别为行、场同步信号，4脚输出PAL/NTSC识别信号，本终端限定输入PAL制式信号，该P/N识别信号作为4053芯片开关的选择信号，当有视频信号输入时，4053芯片将视频信号解码器OM8361输出的行、场同步信号H1、V1和三基色信号Rl、G1、B1选择输出，显示屏显示出电视画面。

而无视频信号输入时，将时序控制电路EPM7128SQC输出的行、场同步信号H2、V2和三基色信号R2、G2、B2选择输出，显示屏显示出地图画面。

接口电路采用TaA8696F型专用接口电路。

图像采集电路为SAA7lllH芯片，并输出RGB565格式的数字图像信号，每个象素可用16bit表示，即R、G、B的比特数分别为5、6、5位，在图像采集电路与CPU之间加入PCF8584转换电路，图像采集电路将输入视频信号进行模数变换从VP015-VPO0输出；将其按帧写入图像存储器，需要将图像采集电路输出的时钟信号LLC2、行有效信号HREF、场有效信号VREF加到时序控制电路，以便产生图像存储器写入地址；CPU对图像存储器中的图像数据进行压缩处理，压缩之后的数据送入存储器，一帧图像数据压缩完后，要对其打包然后由通信机（可用多种通信形式，如iDEN、GSM、GPRS、CDMA）传送出去；图像采集数据写入图像存储器和CPU对图像存储器的读写过程是分时操作的，当CPU的CTL1、CTL2均为“1”时，CPU通过转换电路PCF8584对图像采集电路，命令寄存器进行读写，当CTL1、CTL2均为“O”时，CPU通过转换电路PCF8584将图像采集电路输出的图像数据写入存储器；当CTC1=1、CTL2=0时，CPU对存储器进行读写操作，CTL1和CTL2是由CPU编程控制的，本终端中，可以采用两个图像存储器K61008。

4.3指挥调度管理系统软件设计

4.3.1指挥调度系统软件功能

系统软件功能有以下六个主要模块：

（1）交通地理信息系统功能。

A、地图编辑：

实现输入、修改，编辑地区、城市交通地图及相关的属性数据；B、图形库管理：

实现对地图图库、图中的点、线、面的增删等；C、系统显示与查询：

一是分层显示电子地图。

二是按照不同颜色或标记显示电子地图上的目标及其属性。

三是地图的任意漫游、无级放大与缩小。

四是显示实时的交通图像信息，如路网状与信号灯状况、跟踪特种车辆，实现交通疏导。

D、道路检索：

根据道路的权重（即系统预先输入的参数），可进行最短路径、最省时路径、备选路径等多种选择。

（2）调度管理功能。

包括信息处理和显示功能。

显示软件能在指控中心屏幕显示、放大、缩小、平移电子地图，增开电子地图显示窗口、对窗口内图像进行处理；中心处理软件设置有车辆监控、地图查询、中心数据库维护、系统管理等功能，对受控目标车辆进行识别、中心和车载终端能记录、显示和回放目标行驶轨迹，终端通过中心获得自己的最佳行驶路线，实现自助导航。

（3）目标定位及状态信息处理功能。

车载智能终端的GPS接收机将解码处理后获得的定位数据和其他设定的信息按时间、距离、速度、方向等四维立体关系间隔取样、整理打包、调制发送到指挥中心进行处理、存储，并在GIS系统的电子地图叠加显示，绘制目标车辆轨迹。

（4）报警显示及处警功能。

受控目标车辆遇险时能以手动和自动两种方式向指挥中心报警。

受控车辆设有报警开关，在遇险时，手动报警；受控目标偏离预定行驶路线和静止目标被非法开启或移动时，报警装置自动发出报警信号。

经网络传送到指挥中心，系统实时进行自动分类处理、记录目标当时的特征参数及报警前后的现场图像，以声、光方式告知指挥调度人员，并发送处警指令，或向目标发送遥毙信号，断其电路、油路终止行驶。

必要时与相关部门实施联动处警。

（5）图像处理与传输功能。

重要的受控目标的智能终端装有可操控的摄像头，经压缩编码的目标现场环境视频图像传送到指挥中心，经软件解压还原图像，存储并显示,方便指挥。

（6）话音及数据通信功能。

系统软件能使指挥中心与受控目标车辆之间、车辆相互之间实现双向话音通信，同时受控目标车辆的GPS定位、状态、图像、报警以及IC卡读卡数据等信息上传至指挥中心，指挥中心可将指令、遥控信号和其他服务短信息发送给任意受控车辆。

4.3.2指挥调度系统软件组成

系统软件包括服务器软件和客户端软件,以及智能终端软件三部分。

对于需要构建独立指挥控制中心的系统模式，系统软件采用中心服务器软件、客户端软件和智能终端软件组合方式；对于小规模或零散用户不需要构件独立指挥控制中心的系统模式，系统软件采用转发服务器软件、客户端软件和智能终端软件组合的方式。

系统软件基于Windows操作系统、0racle数据库、MapInfo等软件平台开发。

（1）服务器软件：

控制中心服务器软件（或转发服务器软件），主要功能是接收、处理基于GPS业务的各种数据信息，并提供给客户端用以统计、分析、管理。

（2）客户端软件：

包括机动目标监控、地图查询、系统管理三大功能模块。

客户端软件结构如图—5所示，较集中体现了系统软件的调度管理功能。

系统软件主界面如图—6、多窗口图像监控显示如图—7所示。

（3）智能终端软件：

主要功能包括电子地图查询与目标定位、行进轨迹等信息显示、车辆GPS数据、IC卡读卡数据整理、存储与传输，视频图像压缩编码、通信接口与信令、报警等。

5指挥调度系统集成

5.1系统组成与指挥控制中心结构

系统集成主要根据系统建设使用目的、资源、规模和业务要求的不同，确定方案，包括选择传输网络、配置硬件设备和软件系统。

其中指挥控制中心是一个网络结构，也是该系统集成实施的重点。

一个典型的车辆指挥调度系统集成如图—8所示，这是一个广域覆盖、业务种类较多、可实施远程调度指挥的系统，网络结构和指挥控制中心的配置比较齐备。

它既可以作为专用系统，也可以作为服务运营系统。

对于小型、专用系统，可以在上述系统的基础上适当简化配置。

5.2系统硬件构成

系统硬件包含前端与后台设备，前端是指车载智能移动终端，主要实现移动目标的定位、图像传输等功能；后台设备是指挥控制中心，主要包括服务器、管理客户端与若干业务终端等，服务器主要实现数据转发、存储及身份认证等功能，客户端完成对各类目标的定位信息显示、轨迹跟踪、图像显示、指令发布等。

以管理4000个目标为例，对各类数据统计分析及相应后台设备的硬件配置要求:

表—3纯GPS定位的信息数据量统计：

统计条件（目标数量、时间段）

每车每分钟GPS点数

每天（24小时）每车点数

转发服务器每车每天接收数据（KB）

转发服务器每车每天发送数据（KB）

客户端每车每天接收数据（KB）

客户端100个目标每天接收数据（MB）

客户端100个目标每月（30天）接收数据（MB）

客户端100个目标每年接收数据（GB）

100个目标转发服务器每秒带宽占用（bit/s）

4000个目标转发服务器每秒带宽占用（KB/s）

无图像数据量

5

7200

112.5

225

225

21.97265625

659.1796875

7.724761963

133.3333333

5.208333333

表—4纯图像信息数据量统计

每车每分钟图数（KB）

每天（24小时）每车图数（MB）

每天（24小时）100辆车图数（GB）

每月100辆车图数（GB）

每年100辆车图数（TB）

100辆车转发服务器每秒带宽占用（KB/s）

建议1M带宽

图像数据量

34

47.8125

4.669189453

140.0756836

1.641511917

56.66666667

表—5推荐硬件配置

CPU

RAM

存储空间（100辆