GPＲS网络交通管理论文
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一系统设计方案
1总体方案城市
智能交通管理及决策依据的研究，意在以车联网技术、ZigBee无线传感器网络技术、GPS定位及测速技术、gpRs数传技术、RFID射频识别技术等技术手段，以车载终端、公交车站点终端、智能手机、远程监控PC终端作为信息采集和查询的终端载体，辅助交通管理部门、公交调度公司、道路管理处等部门，研究优化公共交通工具调度、道路改扩建优化的决策依据和方法。
2系统结构系统
分公交车终端、Taxi终端、私家车终端、公交站点终端，及前台应用和后台数据库服务器几部分。车载终端通过ZigBee网络采集安全及空闲状态数据，通过GPS提供实时位置、速度信息，并通过GPRS网络传给服务器。公交站点终端通过Zig-Bee网络采集大气环境数据、车流量信息，并通过网络传递给服务器。同时，系统还可以与停车场智能管理系统对接，为机动车司机提供停车场信息服务。系统研究的基础需要建立在一套基于车联网技术的智能交通管理平台上，
二系统主要研究内容系统
主要包括交通管理和道路优化两个方面。交通管理方面:主要包括公交车辆的实时运行监控机制、公交调度自动化机制、行人候车服务、行人自助打车机制、周边停车场信息联动机制、交通事故上报及处理自动化机制、道路意见上报自动化机制、实时天气服务、实时路况服务、道路维护信息机制等。道路优化方面:主要依据实时路况信息、各公交站点上下班人数及时间统计，及通过车载终端上报的交通事故和道路意见、停车场的分布及动态使用情况，数据汇入道路优化专家系统，经过数据挖掘，分析易拥堵路段、易发生交通事故路段、上下班高峰期及人口出行密集区域，以及市民交通成本分析、城市交通状态的发展趋势分析，最终形成交道优化的智能决策依据。综合上述两大方面，系统重点研究内容如下:
1智能候车服务
通过电子站牌，即公交站点智能终端，提供准确的公交车辆预到站服务，还可以提供实时路况查询、智能打车、天气状况等服务。
2公交车实时运行监控机制
基于物联网、ZigBee和传感器技术，采集可燃气体、门窗安全状态、各站点各时间段行人上下车情况、实时车位及车速等信息，供司机、公交调度人员控制车辆及调度提供依据;可为司机提供到达某站计划用时与实际用时的比较服务。
3公交智能调度机制
查看某线路所有在运行车辆的位置信息，可提前估算出下一班车到达时间，如压车严重、车辆抛锚等情况，可提前做出调度方案，提高乘坐公共交通工具乘客的满意度。
4智能自助打车机制
通过智能手机、公交站点智能终端，可以实时查看周边出租车的位置和状态，并且进行实时连线呼叫，立刻就可以得到出租车司机的回复，无需中转，可操作性强。减少出租车司机寻找客源的时间、油耗。
5实时路况服务提供实时
路况查询服务，为行人、车主提供交通状况参考，及时选择合适的出行路线，避免拥堵，提升道路的综合利用率。
6动态停车场信息服务
为机动车司机提供周边停车场信息服务，包括位置、距离、规模、空位数、收费情况等。减少司机问路误时、无处停车而违章停车等现象。
7交通事故快速定位、排除、预警机制
由过往车辆车主通过智能终端平台进行事故上报，由后台交警部门的远程监控中心快速定位及处理。当车辆即将到达交通事故发生地时，车载智能终端提前提示司机前方发生事故，提前做好准备。
8道路优化意见上报机制
所有车主都可以通过智能车载终端提交对道路优化信息的机制和方法，操作便捷。交通管理部门可对信息进行汇总，发现同一地点上报频率高的意见则重点考虑。
9道路维护信息机制
车主可通过智能车载终端直接查看道路维护信息的机制和方法，并在即将进入道路维修或封闭路段时，提前给予提醒，以便车主及时、正确地选择其他路线，避免交通堵塞。
10智能交通专家系统
系统研究意在通过大量的数据采集，深入挖掘，发现规律，给出道路优化的决策依据，减少人力成本和过多的主观因素影响。
三核心技术及解决方案
1实时路况建模
以GPS位置、车速、车流量、道路本身参数，构建精准的实时路况模型，要比仅以车速建模的实时路况信息更为准确。
2海量数据采集公交车数据采集
包括上下车人数、公交安全监测、位置信息三部分。上下车人数:采用红外对射和156MRFID读卡器，统计公交车某时刻经由某站刷卡人数和上下车人数，并计算车上在乘人数，为计算上下班出行高峰、居住和工作密集区、公交车调度方案等提供数据依据，为等候公交的乘客提供公交剩余载客能力信息;公交安全监测:通过红外对射或反射传感器检测后门是否关闭;通过MQ2烟雾和可燃气体检测传感器检测是否有可燃气体泄漏，或者在无人情况时发生自然等;位置信息:采用GPS模块，为等候公交的乘客提供最近一班公交的位置信息，乘客可以有更多更好的选择。公交站点数据采集:包括环境数据和车流量两部分。环境数据:采用DHT11温湿度传感器采集温湿度，采用MQ135空气污染传感器采集当前环境质量。结合网络上的天气预报，一同为行人提供穿衣指数、出行建议;车流量数据采集:采用RFID射频识别技术统计车流量信息，为实时路况提供数据支持。出租车数据采集:包括乘客监测和位置信息两部分。乘客监测:采用人体红外检测传感器，为智能打车提供周边出租车状态信息;位置信息:采用GPS模块，为智能打车提供周边出租车位置信息。车辆定位及测速:以车载终端附带的GPS模块，提供车位、车速的检测，为实时路况提供数据支持。
3GPS信息采集及分析
采集的GPS数据分析是基于NMEA-0183标准协议。车载终端GPS信息采集模块选用了U-blox公司的GPS模块NEO-6系列，支持NMEA-0183和UBX二进制协议，定位精度＜5m，支持SBAS，可控误差＜2m。本系统中，根据NMEA-0183协议完成对GPS定位和测速信息的采集和分析。NMEA-0183格式以“”开始，其中常用的语句有6句，本系统主要使用了GPRMC和GPVTG。GPRMC为推荐定位信息，其中包含了GPS应用程序所需的时间、日期、位置、方向和速度等数据，是最常用的一条语句。数据样例如下:$GPRMC，161227．467，A，3721．2473，N，12157．3413，E，0．17，307．63，120578，*13＜CR＞＜LF＞，
4数据帧格式定义及分析
传感器数据、ZigBee数据、RFID数据、GPRS数据等都封装成固定格式协议，便于数据的汇总和分析。GPS参考NMEA-0183数据协议。
5ZigBee无线传感网络搭建分
为传感器模块和ZigBee节点两层架构。传感器模块，以STM8单片机进行传感器数据采集，输出都是或者转化为数字量及开关量，以串口TTL电平传给ZigBee节点。ZigBee节点，基于最流行的TI公司的CC2530芯片，支持最流行的Zig-Bee2007协议栈。ZigBee节点采用星形网络拓扑结构。
6数据无线传输传感器数据采集后
以ZigBee无线网络传递给嵌入式网关。嵌入式网关将传感器数据、GPS数据、RFID数据，以GPRS移动网络方式与后台服务器之间进行数据传输，采用UDP协议，并自行定义数据帧格式。
7GPRS5G业务数据传输
1)GPRS网络数传车载终端与服务器的通信选用GPRS网络为主。GPRS模块与车载终端处理器的通信通过串口完成，处理器向GPRS模块发送AT指令以及数据。GPRS模块连接网络后利用TCP/UDP协议与数据服务器和应用服务器进行无线通信。车载终端通过GPRS模块实现Internet的无线接入，将车载终端要发送的数据通过GPRS模块无线发给中国移动GPRS网络的内部服务器中，然后再传递到事先设定的Internet上某IP地址处，即本系统中的远程服务器。远程服务也可以向车载终端返回数据，或者对车载终端实施远程控制。系统在这里对传输的数据定义了一套协议，便于数据的后续处理。
2)网络连接使用GPRS无线设备做数传的时候，在连接到外部数据网时通常有两种方法:方法一:拨号上网:常见的如拨ATD*99＊＊＊#。方法二:指定Server的IP地址、Port端口号，使用特定的AT指令来连接到外部的数据网，即Internet。两种方式各有特点:拨号上网方式采用的是外部协议栈，需要用户自己实现PPP、TCP、UDP等协议栈。第二种方式则采用模块自带的协议栈，用户的底层应用程序不需要实现上述较为复杂的协议栈。二者各有优缺点。采用第一种方式，实现起来较为复杂，但是使用灵活，用户的数据封装比较灵活，可以适应用户的特殊应用。采用第二种方式，由于自身带有完备的通信协议栈，所以用户实现起来较为简单但成本较高，数据的封装格式也较为固定。
3)流量控制为了节省GPRS网络流量，从传输协议、数据编码、协议格式、数据库操作四个方面做个全面考虑。传输协议:GPRS网络按流量计费，发送数据包由“IP头+UDP/TCP头+应用数据”构成。由于UDP头比TCP头小12字节，并且TCP协议还需要三次握手等额外开销，所以实际上数据传输效率UDP要比TCP高。通过应用层中超时重传等功能完全可以满足对UDP协议中少量丢包情况的处理。数据编码:ASCII数据经过编码体积将大大减少，但编解码都需要时间，也就是需要牺牲一些CPU的处理能力。折中处理，进行简单编码，某些字段内容用字段编号代替。协议格式:应用数据需要按照协议规定进行组织，采用可变长度的数据协议，可以节省很多空间。数据库操作:部分数据如公交乘客信息，可在到达终点时一次性写入数据库服务器，而无需每到一站就传输一次。
4)永久在线保活机制GPRS是声称永久在线的，但是如果己连接链路长时间没有数据传送，会自动压缩带宽，或者把网络断开，也就是形成虚链接。由于每次GPRS接入Internet时，GPRS模块都会获得一个动态IP地址，每一次GPRS网络地址都不一样。所以在这种情况下，一旦连接断开，则服务器必然无法识别终端。心跳包就是为了保证每次建立的临时连接，在数据传输过程中不改变。本系统中的保活检测就是定时发心跳包产生流量，维持数据链路。当需长时间收发数据时，需要保证终端在线，否则一旦网络连接断开，将会导致数据传输过程失败。如何判断连接是否正常，一般采用定时发送简单的通信包即心跳包，如果在指定时间段内未收到响应，则判断连接已经断开。出于效率的考虑，采用客户端主动向服务器端发送心跳包的方式实现在线保活机制。考虑到资费问题，心跳包长度无需过长。在有数据收发发生时，无需发送心跳包;只有无操作时，才发送心跳包。在发送心跳包过程中，需要保证一旦有接收的数据过来，立即跳转至接收处理程序，暂停心跳发送。不主动收发数据时，每5分钟一个心跳包，全天24小时在线仅需耗费10K左右的流量。且在信号较弱、无法连接服务器时，支持延迟机制，重要数据可先保存，等信号稳定后再发送。
四结语与现有技术相比
系统在公共交通智能化，交通信息收集、处理和，智能交通专家系统等方面做了深入研究和优化。系统底层通过不同的硬件电路模块采集了多种数据信息，为决策研究提供了数据基础;网络层以ZigBee和GPRS网络作数传，基本不受天气、地形、位置、距离的限制;应用层以Qt、Android作用户界面、以嵌入式SQLite和MySQL作数据存储，为人机交互和海量数据存储提供了接口。系统研究的机动车覆盖公交车、出租车、私家车，参与人覆盖行人、司机、调度员、交警和道路管理处等，研究范围全面、客观，实现了真正的多位一体化。
作者：曹新杨涛张旭东倪长宝单位：大连东软信息学院计算机科学与技术系大连东软信息学院实验研发中心中国人民解放军65523部队
