出租车调度（共4篇）
出租车调度 篇1
0 引言
出租车在城市的客运系统中扮演着非常重要的角色。根据最新的研究报告称，2012年北京市全年出租车共接待客运量达到7亿人次，占城市客运量的8.11%，出租车已经成为北京市交通运输系统中不可或缺的一部分[1]。从乘客角度来说，当需要乘坐出租车时，只能通过“碰运气”的方式在路边等车。从出租车公司来说，会导致出租车的高空载率[2]。
随着地理信息系统GIS[3]广泛应用以及智能移动终端的普及，各公司纷纷推出了GIS的出租车调度系统。在出租车调度系统的研究方面，2004年，Der-Horng Lee等[4]提出了基于实时需求和道路交通信息的智能出租车调度系统。2005年，K.Dore等[5]研究了动态交通最优化的一种适应性解法。最新的出租车调度思想是分布式出租车调度思想[6]。为了更好地利用历史数据，Sung等[7]提出了基于GPS的实时数据的路径诱导算法。这些系统在欧美等西方国家实际应用中发挥这巨大的作用，然而对于国内的实际国情。根据经验，出租车会遇到“人等车未到，车到人已走”的尴尬状况，这种情况的出现，损害了乘客和出租车之间的信任关系，带来了巨大的社会诚信危机。
上述状况的主要原因在于出租车和乘客之间的信息相对闭塞，乘客不知道离他最近的出租车的位置，同时出租车也不知道离他最近的乘客的位置，位置信息的相对不通畅导致出租车与乘客之间的具体信息不明而导致这种误会。通过GIS系统对城市区域地图建模，以城市街道(出租车可行驶的)为区域弧段，城市就可以被划分为大小不一的的区域。将乘客抽象为区域中的内点，查找离乘客最近的空载的出租车的问题就转化为GIS系统下内点的最小区域归属问题。然而传统的内点的区域归属问题的解决方法通常是利用图形学的闭合边界包含关系判定准则[8,9,10]，本文提出一种利用空间实体之间关系的“改进射线”判别法，大大提高了归属判别的效率。在找到出租车后，系统得出一种网络两点之间的最短路径给出租车，让出租车在最短时间内到达乘客所在地点。
1 城市道路的GIS建模与相关概念
现代城市规模庞大，道路错综复杂，因此出租车在行驶的路况也是非常复杂的，为了更好的表示城市道路网络，将城市道路进行抽象，并有如下定义:
定义1角点是指城市两条或者多条道路相交叉的路口;
定义2结点是指行驶在城市道路上的出租车;
定义3弧段是指两个角点之间的道路;
定义4区域多边形是多个弧段首尾相连构成的一个区域。
在图1中，带箭头的弧段表示单行线，无方向的弧段表示双行线。由于在GIS中，系统是以弧段为基本单位存储区域的，并不真正存储区域数据，一条弧段是作为相邻的两个区域的公共边界使用的。而同时为了区分道路的方向性，我们可以为弧段定义方向性，并在此基础上给这个弧段定义左右区域码，弧段的左右是是按照弧段前进方向的左侧和右侧进行区分的弧段的左右码也就是弧段左右区域的内部编码，因此我们又有如下定义:
定义5内多边形是指由弧段包围的区域都在区域多边形内部的多边形;
定义6内点是指包含在某个内多边形中的一个点;
定义7拓扑正向对于区域多边形，当沿着弧段的正向，区域多边形所包围的区域始终在前进方向的右侧，则称该区域多边形是具有拓扑正向的区域多边形。
如果乘客pp呼叫出租车，那么离他周围最近的街道上空载的出租车是最好的选择。为了方便表达，添加少量弧段以使得那些存在节点的弧段组成一个内多边形。求乘客附近的所有的空载出租车的问题就是内点的归属问题。在GIS中，区域的获取是通过输入边界和区域中的任何一点(内点)，然后通过建立拓扑关系来获取的，这样既可以减少工作量，同时也可以降低存储区域所需的空间。由于在前面介绍过传统内点归属算法的问题，因此本文针对上述问题，提出了一种“改进射线法”的快速内点归属算法。
2 内点快速归属算法
2.1 内多边形的识别
在传统的GIS系统中，多边形的识别通常采用“极点法”[11]，但是考虑到本文中欲求包含内点的最小内多边形问题，本文采用“面积法”来识别区域多边形，这种处理算法实现了多边形的识别与区域面积的一体化处理，提高了拓扑数据结构生成的效率。
使用“面积法”来识别内多边形的原理如下:如果按照拓扑正向的顺序，由组成区域多边形的各条弧段所围成的多边形的面积有如下性质:如果区域多边形为内多边形，则按拓扑正向计算出来的面积值大于0。如图2所示。
内多边形的面积计算公式如下:
其中，n是构成多边形的角点数，且xn=x1,yn=y1。根据“面积法”的工作原理，在GIS系统中，组织闭合的区域多边形时，按照拓扑正向的顺序计算区域多边形的面积，然后选取其中面积值大于0的区域即为内多边形。识别出GIS系统中的内多边形之后，我们就可以进行内点归属问题的判断了。
2.2 内点的快速归属处理
本文提出基于弧段特征的“改进射线法”来判断内点的归属问题。由于我们给弧段定义了方向的概念，因此GIS系统的弧段就有了侧的概念，即左侧和右侧分别为各自的区域所使用。这点在现实中的城市道路中应用很明显，在城市道路双行线中，所有车辆靠右行驶，则对于道路右侧的出租车更容易被右侧区域的乘客所使用。同时，在内点处理之前，拓扑生成过程必然经过区域多边形的组织处理，也就是说对于任何一弧段来说，其相邻的两个区域是已知的，当把所有内点向任意方向引出一条射线时，会与一些弧段相交，在这些相交的弧段中，内点就归属于交点距离内点最近的弧段相应侧的内多边形。而对于其他多边形来说，当采用任意方向的射线时，只需选择多边形射线方向上最下游端的点即可，其余的处理与内点的处理情况相同，而射线方向最下游点的提取是非常容易的，因此不会增加过多的计算量。以图3为例，来说明判断过程。
虽然射线是由内点引出的，但是考虑到内存的利用效率，本文在算法实现的过程中从弧段开始，通过逐条扫描所有的弧段来确定各内点相交的弧段，具体算法如下:
确定当前弧段是否与内点引出的射线相交，并记录内点最近相交的弧段以及相应侧的区域多边形
经过上述算法我们可以得到内点所归属的最小区域，该区域是有角点和结点之间的弧段组成，因此可以得到该最小区域上的所有的结点，即我们可以得到距离乘客周围最近的所有空载出租车。之后系统将乘客的呼叫请求向这些空载出租车发出，当有出租车响应了用户的请求之后，出租车需要从目前所在地前往乘客所在地，在搭载乘客之后需要将乘客送往目的地。根据我们在引言中提到的:需要用最短的时间到达乘客所在地，同时要用最短的时间将乘客从出发点送往目的地。然而城市中的道路状况非常复杂，且道路状况是实时变化的，如何用最短的时间到达乘客所在地以及如何用最短的时间将乘客从送往目的地是非常复杂的。城市道路可能处于高峰期，或者其他非可预见性问题都会导致路线的选择非常复杂。而在GIS系统中，上述两个问题都可以抽象为加权图中两个点之间的最短路径问题。由于上述两个问题在性质上是相同的，可以归为一个问题解决。
最短路径问题在数学中被认为是NP问题，各种算法即使是比较常用的Dijkstra算法[12]在求解过程中都是采用搜索所有的网络角点求得最优值。实际中，我们通常不需要求出最优解，因为最优解的求解过程可能比较复杂，而采用接近最优解来代替，而通常求最优解的近似值的复杂度要大大的降低。基于上述思想，在本文中，我们提出了城市道路网最短路径的近似算法。
3 基于GIS的城市道路网的近似最短路径算法
3.1 道路权值的计算
根据前一节的分析，可知在GIS系统中，弧段是有权值的，在传统的最短路径算法中，通常我们采用弧段的长度作为权值。本文中，选用出租车在某道路上行驶的时间作为该道路的权值，即弧段的权值。根据上述分析，弧段的权值可以用如下公式计算:
其中表示弧段的长度，s)AB表示弧段上出租车运营的速度(该速度值可通过同一时时段运行在该弧段上的出租车报告得来)。
因此可以得到出租车从出发点到目的地的总共时间为:
其中n表示选择路线上弧段的数量，我们求城市道路网中的最短路径，实际上就是求min(T)。
3.2 近似最短路径搜索算法
求P与Q之间的最短路径，首先设置路径队列queue，在该队列中，最先只存在点P。取P为当前节点，并令D1,D2分别为与P点相连，并且分布在PQ左右两侧的结点，令:
在D1,D2中分别找出满足式(4)的节点P1和P2，它们的父节点都是P，并将节点P1和P2都加入到queue。然后取出队列中的节点，然后依次将满足条件的子节点加入到queue，如此反复，直到queue空为止。
上述算法利用了GIS系统中城市道路的拓扑特性，查找两点之间的近似最短路径，该算法通过使用参考最短路径的权值对二叉树的搜索范围进行剪枝，从而减小算法的复杂性，虽然该算法得到的结果依然是一个近似解，但是相对于最优解已经相差不多，然而其计算量却低很多。
4 实例应用及仿真评价
本文采用的仿真软件是基于MITSIMLab开发的出租车管理仿真器TM2S(Taxi management microscopic simulator)[13]。本文仿真实例研究的调度范围是北京市的一个区域，区域内包含弧段数20 723条，角点数为9194个，结点数为1362个。在本模拟实验中，结点即出租车是以一个模拟的交通模型运行在该区域内，其运营速度会根据模拟的道路情况而相应变化。实验中模拟了506个内点，即有该区域内有506位客人呼叫出租车。经过实验，我们有如表1所示的结果(在表1中，“改进法”表示本文提出的“改进射线法”，“传统法”表示传统的“射线法”)。
在表1中，最后一列表示的是两种方法找到的结点个数，即在区域内找到的出租车的个数，由此可知，该系统找到的出租车数量大概在32个左右，基本满足乘客的需求。还可以得到如下结论，使用改进的射线法，即使在数据规模大幅提升时，其所消耗的时间依然比较短，而相对于传统的射线法而言，在数据规模增加时，其所需的时间大幅增加，而这在实际中基本上是不可接受。
下面我们来检验近似最短路径算法，在本实验中，我们假设某乘客欲从点Pi(1≤i≤6)到乘坐出租车到点Qi(1≤i≤6)处，具体情况如表2所示。我们使用近似最短路径算法，Dijkstra算法，以及两点之间的直线做对比，可以得到如表2所示结果。
表2中，路径长度的单位是km，算法消耗时间的单位是秒。可以看出，虽然使用Dijkstra算法不管是在路径长度上还是在路径的权重上，都要比近似最短路径算法所得到的结果要好，然而其得出这些结果所消耗的时间却相差很大。当区域个数增加时，Dijkstra算法所消耗的时间增加的速度会比较快，而对于近似最短路径算法，其消耗时间增加得不太明显。并且，根据实际生活中的常识可知，大部分出租车的乘车距离在20～30 km，而在这个范围内，Dijkstra算法的反应时间要比近似最短路径算法消耗的时间要长很多，因此虽然近似路径算法得出的解不是最优的，但是从多方面因素考虑，近似最短路径算法在出租车调度系统中效果要好于Dijkstra算法。
5 结语
在本文中，讨论了GIS系统中城市出租车调度系统的基本设计。出租车调度系统一般实现两大功能:接受乘客的呼叫请求，找到相应的出租车前往乘客所在地;得到乘客的目的地之后，用最短的时间将乘客有出发点送往目的地。针对这两大功能，本文提出了两种方法来解决这两个问题。首先使用GIS系统的内点快速归属算法，查找到该内点所归属的最小区域，然后向该区域内所有空载的出租车发出叫车请求。在出租车响应乘客的请求之后以及将乘客送到目的地的时候，系统针对Dijkstr算法在大规模数据环境下的时间复杂度高的问题，提出了近似最短路径搜索算法，以查找一条耗时少容易实现的方法。模拟实验表明，本系统具有比较好的出租车调度效果。
摘要：随着地理信息系统(GIS)与智能移动终端的普及,越来越多的基于GIS的出租车调度系统和打车软件被提出来,为合理规划出租车运力的投放、减少空车行驶的里程和资源的浪费,以使得乘客享受高品质的服务。而在现有的出租车调度系统中,由于缺乏合理的车辆调度算法,给社会资源带来了巨大的浪费。针对这种问题,通过GIS建模,将乘客抽象为GIS中的内点,然后通过内点快速归属算法查找附近的空车,并向附近空闲的出租车发出叫车服务。出租车在响应了用户的叫车服务后,使用城市道路网最短路径算法选择合理的路线前往乘客所在地以及将用户从出发点送往目的地,从而有效合理地利用出租车资源。最后通过模拟实验验证该算法的时效性和可行性。
关键词：地理信息系统,出租车调度系统,内点快速归属算法,最短路径算法
出租车调度 篇2
武汉德晟祥GPS出租车电招管理调度需求分析
近年来，随着经济的发展和进步，迅捷、高效的交通系统已经成为社会经济发展的有利保障，为实现与经济增长相适应的交通运输体系，中国政府已将智能交通系统列为中国未来交通系统的重要发展方向。
●广告发布：中心远程下发车载LED的文字广告内容，可分时间段收费。●轨迹管理：可以查询12个月内的行驶轨迹，为意外事件提供证据等。●安全管理：超速、疲劳驾驶，超出规定区域行驶等。
●区域管理：利用电子围栏监控车辆的活动范围，对出城车辆重点监控。●语音调度：可选择支持群呼的语音播报或者语音通话的调度屏或手柄。●断电报警：恶意拆卸GPS平台会收到断电报警。
●操作简便：可以方便地搜索车辆，、离线车辆分离、报警报表等。
武汉德晟祥出租车GPS安全监控系统设计原则
在设计系统的技术实现方案时我们遵循了以下原则：
●实时监控：全天24小时卫星定位跟踪。
●紧急报警：级别最高的报警，声光提示，必须人工干预才能解除。●广告发布：设备可以外接LED广告屏，实现广告运营。
●自动拍照：紧急报警后立即拍照取证。
●打表拍照：每次打表都对乘客取证，以备查询。
●远程监听：报警后中心可监听车内谈话，必要时可以录音。
●远程锁车：中心下发指令给车辆GPS，车辆停车后自动锁车无法使用。●全程记录：12个月内的行车数据回放与记录。
●调度指挥：支持汉显屏、语音播报、车载电话多种调度途径。●区域报警：车辆超出规定的行车范围立即报警。
●远程恢复：驾驶员正常申请后立即解除锁车。
●可靠性高：不易损坏。
●方便维护：可以远程让设备重启，方便维护。
●体积小巧：方便隐蔽安装。
一种出租车调度中心系统的设计 篇3
现阶段出租车调度系统通常分为车辆监控系统和车辆导航系统两大类。随着GPS定位技术的发展与GIS技术的出现,国外开展了以GPS定位技术为主的导航与定位系统的应用研究,目前推出的有法国CARMINAT车辆定位与调度系统等。国内外出租车调度都是适合大众的车辆调度系统,而且技术也较成熟。但对于电召服务,现在普遍是人工电信,并不能得到很好地推广;且国内外对手机定位电召尚处于研究阶段,手机定位技术也还不是十分成熟。本文通过将现有的出租车调度系统与手机定位技术相结合,提供一种乘客电召服务解决方案。
1 系统的模块设计
出租车调度中心系统涉及的主要技术有移动终端定位技术、GIS、GPS、通用分组无线业务(GPRS)和C#与Sql Server2005。
1.1 系统整体设计
出租车调度中心主要由四大部分组成,其系统框架如图1所示。(1)调度中心是整个系统的核心部分,由数据服务处理器、数据库、GIS系统[1]等组成。主要负责出租车的指挥、监控与提供信息服务,电召乘客信息的统计与处理,并与通信运营商进行乘客位置的数据交换等服务。(2)出租车需要实时向中心提供地理位置信息与出租车状态,因为现在大多出租车已经安装了GPS定位系统和电台等服务[2],此外,出租车还需要有显示与提示模块,这样可以实时得到乘客的位置信息。(3)电召乘客只需向中心自动或人工服务台提供坐车请求,告诉中心是否在原地等待或是给出其他上车位置,并向中心提供候车信息有效时间。(4)出租车调度中心与通信运营商合作,请求其为电召乘客的位置进行判断,再将位置信息返送给中心。
1.2 系统详细设计
出租车信息处理平台包括对各个模块进行数据、控制管理的微处理器,GPRS收/发模块及GPS接收模块[3]。对出租车状态、监控信息进行整理与收集。控制按钮实现出租车驾驶员对系统的简单控制,LCD显示模块显示中心发来的调度信息或电召乘客信息,声音信号主要提示重要信息(如报警、安全等),其框架如图2所示。
处理器是整体车载系统的核心,对整体系统的数据流和控制流进行管理。本设计车载信息处理器选择了VAR系统的ATmega128单片机,主要完成以下功能:对GPS信号分析与截取,并写入临时s存储单元;对GPRS模块接收的信号进行分析与整合,并在LCD上显示或写入存储器;对GPS地理位置信息、出租车状态信息以及车载照相机照片信息进行打包,并周期性地通过GPRS模块发送。
GPS接收模块采用台湾Lead Tek公司生产的丽台LR 9540 GPS模块,该模块采用基于Si RF star III的最新导航芯片,并行12通道接收数据,具有-145 d Bm的接收灵敏度和低功耗特性,提供标准RS232输出,非常适合在各种导航定位设备及车、船等移动目标中使用。
GPRS在车载终端和监控中心之间建立了数据通道,传输速率高达172 kb/s。车辆GPS终端所输出NMEA-0183标准数据经过中控单元处理后,需要通过GPRS Modem调制后才能在GPRS网络上进行传输[4]。
出租车司机允许对出租车系统进行开关控制,但是考虑到繁锁的控制会影响行车安全,所以系统中的出租车控制模块要尽量简单,尽量实现自动处理。
通常汽车都有车载电源,但是并不能直接为单片机、液晶和各个模块供电,需要进行电压转换。一般来讲,LM7805等稳压芯片就可以满足电源模块要求。
中心调度平台采用分布式架构设计,将系统分为电召信息处理服务器群和出租车调度服务器群两大服务群。
GIS平台采用Map Info公司的Map X控制[5],用C#语言进行开发。电召乘客的位置信息需要实时地存入数据库,出租车管理也需要数据库,所以平台应用了SQL Server 2005数据库。平台主要针对业务处理流程,对电召乘客的需求进行服务处理,并对出租车基本信息进行管理,向调度中心发送常规信息。
出租车调度服务器运行于客户/服务器模式(C/S),调度客户机(主要是GIS平台)向服务器发出请求,服务器接收到请求后提供相应的服务,并将操作结果返回给客户方,在操作模式上采取主动请求方式。
2 系统的软件设计
2.1 调度中心演示软件整体概况
调度中心演示软件基于C#语言、Mapx地图控件和SQL Server 2005数据库的开发。主要实现以下功能:(1)地图的基本操作。(2)出租车轨迹数据模拟及电召乘客信息模拟。(3)出租车信息管理与乘客信息管理。(4)出租车常规信息发送与轨迹重放。(5)系统设置、管理员管理等。
2.2 调度中心乘客信息处理过程
调度中心演示软件的最基本也是最重要的一个功能就是乘客的信息处理。通过乘客地理位置信息来找到最近的空载出租车,再将乘客信息发送给符合条件的出租车司机。
电召乘客信息模拟界面会采集到乘客的位置和身份信息,并写入数据库进行列队,调度中心对其进行选取,结果如图3所示。此时可以在地图上查看此乘客的坐标是否位于出租车运营范围内。如果信息有效性消失,则列队会自动舍弃。
当选定了乘客信息并确认后,界面会显示图4所示的信息,此时乘客信息也会显示出来,有效时间与位置信息都会整合成数据包。此时开始查找与之距离合适的空载出租车,列表框会列出符合条件的出租车,此时也可以逐个对其进行地图标定,选择最合适的一个或多个出租车进行乘客信息的发送。至此,完成了一位乘客信息的处理。
2.3 数据库设计
此演示软件中,软件库使用的是SQL Server 2005,主要包括出租车信息管理、乘客信息管理和管理员信息等。对于出租车轨迹信息,演示系统采用文本存储的形式来存储轨迹数据,如:
以“,”为标记来截取数据,得到经纬度、时间等信息,从而可以节约大量数据库空间,对数据归档、查询等都是有益的,也方便于建立数量众多的出租车轨迹数据。
2.4 模拟演示
在演示软件的编写过程中,采用软件模拟的形式,既有出租车的位置信息,又有乘客电召时的位置信息,这样可以保证系统有充分的地理数据来源。
(1)出租车GPS信号采集。GPS信号是周期性地取得地理位置信息,时间间距为1 s。为了方便数据说明,将间距设为可调并自动递增。双击地图某一位置产生数组再写入记事本文件生成位置信息。图5所示为出租车GPS信号采集模拟流程图。
(2)乘客信号模拟采集。通过乘客双击地图上的点,并标定下来,经确认后开始填写发送通知,同时要填写信息有效时间。乘客信息模拟界面截图如图6所示。
本文以电召服务、出租车调度等为一体的出租车调度系统及运输车辆监控调度系统的开发为背景,分析了出租车调度控制系统的组成结构及工作原理,研究了GPS、手机定位、GPRS和GIS等技术在此系统中的应用。利用C#语言、Map X控件、SQL Server 2005数据库开发了出租车调度中心演示软件。最后通过对出租车GPS与乘客信息进行模拟来演示整个系统调度中心的数据处理过程,将个人定位技术成的应用于出租车电召服务中,对现阶段并不方便的出租车电召服务提供了一种解决方案。
参考文献
[1]陈述彭,鲁学军,周成虎.地理信息系统导论[M].北京:科学出版社,1999.
[2]LIN C J,CHEN Y Y,HANG F R.Fuzzy processing onGPS data to improve the position accuracy[C].Fuzzy Sys-tems Symposium,Taiwan,1996.
[3]赵文同.GPS航海导航系统信息处理模块研究与开发[D].武汉:华中科技大学,2005.
[4]张永强,张永健.嵌入式GPS/GPRS车载定位技术研究[J].仪器仪表学报,2007,28(4):291-294.
出租车调度 篇4
关键词：出租车调度,无线通信,GPS,数字调制解调,差错控制编码
0 引言
目前, 现有的出租车调度系统车载终端和调度中心的联络方式主要是无线语音和GPRS (General Packet Radio Service通用无线分组业务) , 前者容量有限且通话时易分散驾驶员的注意力, 后者每月要向移动运营商交纳一定费用, 成本高[1,2]。在传统的出租车辆调度系统中, 出租车终端只是被动接收调度信息, 很难及时反馈终端现场的实际情况, 调度效率低, 并且这种方式要求调度人员对地理信息十分熟悉。本文车载终端采用GPS技术、数字调制解调和差错控制编码技术, 使用现有无线语音信道传输数字信息, 车载终端对调度信息使用按键应答反馈, 有助于调度中心了解实时信息, 提高调度效率, 节省功率, 提高频谱利用率。
1 系统概述
1.1 系统框图及原理
由图1可知, 整个调度系统由调度中心A、车载终端B两大部分组成, 调度中心完成出租车的监控、调度、报警处理及系统维护等, 车载终端完成出租车定位、报警信息、出租车状态等数据的采集及信息发送。
调度系统采用GPS卫星定位技术与无线通信技术相结合, 整个系统由一个调度管理中心和安装在出租车上的若干车载终端组成。车载终端与调度中心的通信链路使用工作在UHF频段的基地电台和车载电台实现。数据通信传输采用专用数字调制解调芯片MSM7512B实现BFSK数字调制解调, 该芯片遵循ITU协议V.23, 已调BFSK信号加载到无线模拟话音信道上传输, 本系统在信道上传输数据的波特率为1200bps[3,4]。
1.2 系统功能
①通信功能
出租车驾驶员可通过车载终端与调度中心进行语音和数据通信, 中心可对车辆进行单呼、组呼、群呼、广播等。
②调度功能
调度中心通过无线信道采用数据通信方式发送乘客叫车地点位置信息供车载终端计算距离, 并将出租车特征信息 (车型、颜色、车牌等) 告知乘客。
③报警监听功能
调度中心收到某车载台的报警信号后, 马上启动定时监听功能, 根据车内语音等信息判断是否误报警, 同时该车辆停止接收广播群呼等信息。
④车辆监管功能
调度中心可以随时对某车辆启动定时监听, 以检查各出租车辆的运营服务情况;长时间处于发射状态占用信道的车载台会定时自动向调度中心发送本车的地址信息, 以加强中心对车辆的有效监管。
⑤管理、维护及服务功能
系统的管理维护功能主要包括调度叫车信息统计, 车辆信息查询, 路况报告, 本单位通知及新闻广播, 天气预报等。
2 车载终端
2.1 基本组成
出租车车载终端主要由微控制器MCU、GPS模块、无线通信模块 (车载台) 、调制解调器模块和LCD显示模块组件构成。
①微控制器MCU:
由于本车载终端不需要显示电子地图、图片等, 所以对微控制器的频率速度、存储空间要求不高。综合成本等各方面考虑, 选用ARM7系列的AT91SAM7X256微处理器, 它作为50MIPS MCU拥有64k字节的静态存储器和256k字节的25ns闪存, 这种闪存支持实时控制系统所需的可确定性处理能力。SAM7X处理器拥有整套的实时外围设备和监管功能, 其中包括8个优先级矢量中断源 (Eight-level Priority Vectored Interrupt Sources) 、掉电监测 (Power-down Inspect) 、上电复位 (Power-on Reset) 、单电源供电 (Single-supply Voltage) 、看门狗定时器 (Watchdog Timer) 、实时时钟 (Real-time Timer) 以及RC振荡器。微控制器MCU实现经纬度数据提取、距离计算和信令控制等功能。
②GPS模块:
目前, 能提供GPS芯片产品的厂商有SiRF、Conexant、Sychip、GARMIN等公司, 本通信终端采用GPS模块型号为GPS-R25, 该模块电路中使用的是SiRF芯片, 工作电压为5V, 通过RS-232C输出标准数据帧, 其输出数据帧遵守NMEA-0183协议 (National Marine Electronics Association美国国家海洋电子协会) [5]。GPS模块作用是向微控制器MCU提供车辆的实时经纬度位置信息。
③无线通信模块 (车载台) :
车载电台实现与调度指挥中心的联络 (双向通道) 目前的车载电台绝大部分是调频 (FM) 制式的模拟移动通信系统, 主要用于传输语音。在本系统中, 调度中心首先将叫车位置信息通过BFSK数字调制技术调制成音频模拟信号, 然后加载到基地电台上发送出去[6]。为了提高通信可靠性, 降低误码率, 采用卷积码进行差错控制[7]。无线通信模块通过语音或数据通信方式向调度中心反馈信息。
④调制解调器模块:
采用专用数字调制解调芯片MSM7512B, 调制方式为BFSK, 最大带宽为3200Hz, 信号“0”频率为2100Hz, 信号“1”频率为1300Hz, 波特率为1200bps。接收时, 将从调度中心接收到BFSK信号解调出乘客位置经纬度等数字信息;发送时, 把本车要反馈的相关数字信息调制为BFSK信号提供给车载台。
⑤LCD显示模块:
液晶显示器 (LCD) 种类很多, 对设计者较为重要的信息主要是LCD模块的驱动控制器型号、驱动控制器管脚的连接方法及封装特性。考虑到价位以及功能的要求, 本车载终端采用单色160×128图形点阵模块, 驱动控制器为T6963c, 电源+5V, 占空比1/128, 模块内自带-15V负压用于LCD驱动。
2.2 功能
车载终端具备呼叫、应答、报警、距离运算显示等功能。GPS模块接收卫星信号, 向控制器提供车的实时位置 (经纬度) 、速度和方向、标准北京时间等;由报警开关向调度中心提供报警信号;利用无线语音通话, 可实现移动通话功能;LCD显示模块用来显示中心发出的各项指令、信息 (包括天气、路况信息等) 。
3 GPS数据接收及距离计算
3.1 GPS系统
“导航卫星定时和测距全球定位系统” (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System) 简称GPS全球定位系统, 是能在海、陆、空进行全方位高准确度实时定位、测速、授时的新一代卫星导航定位系统[8,9]。GPS是利用单向到达时间TOA (time-of-arrival) 测距的原理来确定用户的位置。接收机通过测量从多个位置已知的辐射源 (即GPS卫星) 所广播信号的传播时间, 便能确定自己的位置[10,11]。
3.2 GPS数据接收
3.2.1 GPS数据格式
通信终端中的GPS模块输出数据的格式是遵守NMEA-0183标准协议, 其输出数据帧的内容按先后顺序包含了时间 (UTC) 、纬度、经度、高度、速度、日期、航向以及卫星状况等参数类型信息, 常用语句有6种, 包括GGA、GSA、RMC等。根据本文系统设计要求, 选用从GPRMC语句 (Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data-RMC, 推荐定位信息1次/1秒) 中提取所需信息。
3.2.2 经纬度提取
GPS模块只要处于通电工作状态就会连续地接收GPS卫星星历, 计算导航定位信息, 再通过串行通信接口输出数据。对GPS模块输出的数据信息进行提取应明确其数据帧结构, NMEA-0183标准协议数据帧主要由帧头、帧内数据和帧尾组成。接收数据帧时, 首先对帧头进行判断, 帧头均以“?
3.3 距离计算
3.3.1 地面上两点间距离计算
目前GPS所采用的坐标系统是WGS-84坐标系, 它的全称是World Geodesic System-84 (世界大地坐标系-84) 。该坐标系的坐标原点位于地球的质心, Z轴指向BIH1984 (国际时间局Bureau International de l'Heure) 定义的协议地球极 (CTP) 方向, X轴指向BIH1984的零度子午面和赤道的交点, Y轴与X轴和Z轴构成右手系[12]。
在距离估算精度要求不高的情况下, 一般不考虑地球的曲率, 直接将地球视为一个正球体来运算。由正球体特点可知, 球面两点之间的最短距离, 是过这两点与球心三点确定的大圆上, 两点间的劣弧长度[13]。
假设单位球面上两点A (α1, β1) , B (α2, β2) , 其中α为纬度, β为经度, 求其球面距离。欲求A、B之间的弧线长度, 必须先求得AB两点的直线长度。建立辅助点C (α1, β2) , 显然, A、C两点同纬度, B、C两点同经度。CB与OF的延长线交于G, 过B点做CE的垂线于点D, 如右图2所示。由A、C在同一纬度, 得CG=AG。在ΔACG中, 设∠ACG=γ, 由余弦定理:
AG2=AC2+CG2-2·AC·CG·cosγ (1)
化简得:
cosγ=AC/2 (2·CG) (2)
在ΔACB中,
AB2=AC2+CB2-2·AC·CB·cosγ (3)
(2) 式代入 (3) 式化简得:
由球体的性质和经纬度定义得:
代入 (4) 式化简即可得:
对于半径为R的球体, AB的弧长为2R·arcsin (AB/2) , 最后可得地面上两点间距离d为:
3.3.2 计算距离程序流程
本通信终端采用中断触发方式经过RS-232C接口将定位信息 (NMEA-0183语句) 从GPS-R25传送到微控制器MCU进行经纬度信息提取处理。
乘客叫车位置的经纬度信息由调度中心以群呼的方式发送至各车载终端, 车载终端将FSK信号解调后, 经MCU解码得到乘客叫车位置的经纬度, 同该车GPS模块获取经纬度计算出乘客距本车的距离并与设定距离门限比较, 小于门限该车成为备选车辆, 将乘客叫车位置信息显示在LCD上并提示音提示驾驶员, 驾驶员通过按键应答确定是否要搭载该乘客, 调度中心根据各车应答信息选派车辆, 并将所调度车辆车型、颜色、牌照等信息告知乘客, 至此完成调度。用嵌入式C语言在IAR EWARM环境下实现的计算距离程序流程图见图3。
例如, 本文车载终端的GPS模块GPS-R25在大连理工大学创新园大厦接收实测信息 (3853.1749, N, 12131.4787, E) , 如果大连理工大学机械工程学院处有一乘客 (3852.7987, N, 12131.5815, E) 叫车, 则本终端收到群呼信息后, 经微处理器MCU运算得到和乘客的距离为696.132米, 小于设定距离门限 (比如3千米) , 微处理器MCU会将乘客位置信息显示在终端LCD上并发出提示音。出租车驾驶员如果按键应答提出载客申请, 调度中心选定该车辆后会将乘客的特征通过语音告知驾驶员, 同时将该车特征信息通知乘客, 完成调度。
4 结束语
本文车载通信终端通过使用GPS-R25、AT91SAM7X256芯片、BFSK和差错控制编码技术, 在软硬件上实现了出租车辆和乘客间的距离计算以及车辆对调度中心的实时反馈, 可有助于解决现有出租车调度过程中出现的调度错误和调度效率低下等问题, 采用BFSK和差错控制编码技术提高了通信可靠性, 使用GPS模块计算乘客和出租车距离来选定可以载客的车辆提高了调度效率。