智能运输系统设计
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【摘要】随着第三方物流行业的不断发展和完善，智能化运输系统受到了更为广泛的应用。与传统的物流运输相比较，智能运输系统（ITS）主要利用GPS卫星定位技术和导航技术，优化配送路径，最大限度的降低物流成本，提高物流运输效率。本文针对道路交通运输科技、运营和管理的主要发展方向——智能运输系统进行研究，将现代GPS地面接收系统的主要应用技术——车载导航仪和飞机黑匣子的工作原理相结合，设计出了一种智能车载接收系统，并定义为“车载智能仪”。“车载智能仪”将对运输车辆进行实时监控，对于提高运输效率和节约成本具有很大的意义，充分保障交通安全、改善环境质量、提高能源利用率，实现实时、准确、高效的交通运输管理系统。
【关键词】智能；ITS；导航；车载定位；车载黑匣子
1. 绪论
随着经济全球化趋势的不断增强和科学技术的迅猛发展，作为企业“第三利润源”的现代物流业，己在世界范围内广泛兴起。现代物流通过对仓储、运输、配送等环节的协调综合管理，达到了缩短物流运作周期、降低运营成本、优化物流资源的目的。
1.1研究的背景及意义。
20世纪90年代中期，第三方物流的概念开始传人我国，它是运输、仓储等基础服务行业的一个重要发展。近几年，虽然我国第三方物流有了长足的发展，但从整体上来看，企业规模不大，服务水平不高，第三方物流还只是停留在某一个层次或某一个环节上，没有实现从原材料供给到商品销售整个供应链的全程服务，还没有形成真正意义上的网络服务。从形成结构上分析，我国的第三方物流企业大部分是传统仓储、运输企业经过改造转型而来的，技术设备陈旧，观念落后，在信息化方面存在着很大的问题。信息技术落后，因特网、条形码、EDI等信息技术未能广泛应用，第三方物流企业和客户不能充分共享信息资源，没有结成相互依赖的伙伴关系。
经济的发展推动着交通运输的发展，各国的路网通行能力日益满足不了快速增长的交通需求，交通拥挤、交通事故、环境污染以及能源短缺等交通问题是世界各国面临的共性问题。对于物流企业来说直接影响了经济效益和社会效益，能否找到一种有效途径来解决该问题，降低经济损失、提高运输的运营效率和安全是研究智能运输系统的主要动机。通讯、控制、信息技术等先进技术的产生为智能运输系统的产生提供了有力的技术支撑，用高新技术改造传统产业，提高运输的工作效率和水平，已经成为各个运输企业的共识。
1.2智能运输系统简介。
1.2.1智能运输系统基本概念。
智能运输系统 （Intelligent Transportation System，ITS）是“智能系统”和“运输系统”的结合。智能运输系统就是通过对关键基础理论模型的研究，从而将信息技术、通信技术、电子控制技术和系统集成技术等有效的应用于交通运输系统，建立起能在大范围内发挥作用的实时、准确、高效的交通运输管理系统。智能运输系统利用现代科学技术在道路、车辆和驾驶员之间建立起智能的联系。
1.2.2智能运输系统的作用。
ITS通过各种先进的电子信息技术，缓解了在生产生活中所存在的各种阻碍人们出行的问题。这种新型的运输系统，不仅能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高服务质量；而且创造了巨大的社会效益和经济效益。
2. 智能运输的相关技术分析
2.1GPS和GIS在ITS中的应用。
随着交通问题的不断暴露，ITS的研发与应用被越来越多的人所关注。目前，应用GPS 技术的车辆应用有三种类型，一是美国的汽车急救系统；而是日本的车辆导航仪；三是中国的车辆调度系统。在ITS中，一个关键的问题就是首先要准确的知道车辆当前所处的位置，这个问题通常采用GPS和GIS技术解决。
2.1.1GPS概论。
（1） GPS组成 。
GPS系统由空间部分、地面监控部分和用户接受机三部分组成。
A.GPS卫星星座。
空间部分导航卫星星座有21颗工作卫星和3颗备用卫星，共24计颗卫星，平均分布在个6轨道上，每个轨道上有4颗卫星轨道，倾角约55°。轨道高度20183Km左右，运行周期约12h（717.88min）。
B.地面监控系统。
地面监控部分包括1个主控站、3个注入站和5个监测站。主控站主要根据各监控站对GPS观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去。注入站的任务主要是将主控站计算出卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去，每天注入3次，每次注入14天的星历。监测站分别观测卫星，然后把有关信息送回卫星。由监测站提供的观测数据形成了GPS卫星实时的广播星历。
C.GPS信号接收机。
GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行交换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。凡是有GPS接受机的用户都能够使用GPS系统进行定位或导航。下图1为GPS星图。
（2） GPS的工作原理。
确定卫星所处的准确位置。首先，要优化设计卫星运行轨道，同时要由监测站通过各种手段，连续不断检测卫星的运行状态，实时发送控制指令，使卫星保持在正确的运行轨道中。将正确的运行轨迹编成星历，注入卫星，再经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历，就可确定卫星的准确位置。
2.1.2车辆导航系统在ITS中的应用。
该系统可为一辆以上的车辆提供其在地球表面上的位置，它可在任一给定时间内精确确定一辆车在道路网中的位置。该系统可从3个基本的信息源获得数据，它们是：
A.GPS接收机。用来精确确定车辆的位置，但它可能遭受偶然的干扰，为此通常采用航位推算导航或辅助定位技术作为GPS信号丢失时的补偿，以使导航系统功能连续。
B.车载传感器。通常包括测量转弯速率的陀螺仪、输出电子速度脉冲的测速计以及测量方向的罗盘。这些数据被用来进行航位推算，以便确定车辆相对道路的运动。
C.导航地图数据库。通过GPS和车载传感器所采集到的数据，利用地图匹配进行处理，与存贮在GIS数据库中的地形数据进行比较。
2.1.3车辆监控系统在ITS中的应用。
（1） 车载监控的工作原理。
车辆监控系统是集GPS、GIS和现代化通信技术于一体的高科技系统，主要由主控中心和移动车辆设备两部分构成。为了对车辆进行实时动态的管理与检测，要求在系统内设有城市道路信息库、车辆运行状态检测子系统、重要车辆运行路线优化设计子系统、车辆运输调度管理子系统、车辆报警紧急处理子系统等。用过这些系统，将目标车辆的位置和其他信息传送到主控中心，在主控中心进行地图匹配后显示在显示器上。主控中心可以对移动车辆的准确位置、速度和状态等必要的参数进行监控和查询，从而科学的进行调度和管理，提高运营效率。车载监控系统由后台监控中心和车载监控终端组成。车辆监控系统的总体结构如下图2所示。
（2） 后台监控中心和车载监控终端之间通过GPRS通信链路完成信息的传输。系统通过拨号，使数据首先通过GPRS Modem与移动GPRS业务节点进行无线通讯，然后通过GPRS网关与Internet连接，最终通过连接到后台监控中心服务器，系统完成终端与中心的数据传输。
车辆监控系统的主要功能有：
A.车辆跟踪。
利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并任意放大、缩小、还原、换图可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪，利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。
B.提供出行路线的规划和导航。
自动线路规划：由驾驶员确定起点和终点，由计算机软件按照要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等。
人工线路设计，由驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径和运行方法。
C.信息查询。
为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户能够在电子地图上根据需要进行查询。查询资料可以文字、语言及图像的形式显示，并在电子地图上显示其位置。同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内任意目标的所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。
D.话务指挥。
指挥中心可以监测区域内车辆的运行状况，对被监控车辆进行合理调度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话，实行管理。
E.紧急援助。
通过定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图可显示求助信息和报警目标，规划出最优援助方案，并以报警声、光提醒值班人员进行应急处理。
2.2智能运输系统与现代物流的关系。
（1）智能运输系统技术（ITS）是目前提高交通运输效率和安全性的主要手段，也是交通运输行业发展的科学方向。其产生的背景就是为了解决道路交通日益拥挤、路网通行能力不能满通量增长需要、交通事故率居高不下、能源浪费和环境污染严重等问题。智能运输系统作用的主要对象是驾驶员、车辆和道路，最重要的是它把这三者作为一个整体紧密地联系在一起，使传统的交通控制与管理变得更为有效，大大地提高了交通的机动性和安全性，同时也使交通拥挤得到了明显的缓解。
（2）运输和配送是现代物流消除空间和时间隔离的基础，在物流活动中始终处于核心地位，据统计，运输费用在物流费用中占的比例最大，占44%，并且在整个物流活动中所占用的时间也较多。由此看来，实现运输和配送的安全快速化对降低物流成本和提高物流的服务水平有着十分重要的作用。而智能运输系统技术肩负着实现运输现代化的使命，正是这一要求使智能运输系统技术和现代物流活动紧密地联系在一起，并且技术的应用为现代物流的发展提供了技术支持和保障。智能运输系统与现代物流的关系见表1。
2.3ITS应用实例。
根据本课题研究内容的要求，作者对汉中市汽车客运总公司进行了调研。
2.3.1汉中市汽车客运总公司。
（1）汉中市汽车客运总公司简称长客公司组建于1978年，是交通部首批核定的全国道路运输二级资质企业。现有员工近5000人，各类客车800辆，日发客运班次1800余班，营运班线通达全市十县一区，公司所属车站年运送旅客能力为1600余万人。
（2）随着西汉高速的开通，汉运司大力开拓发展高档豪华班车旅客运输业务，并依托主业，积极发展多种经营。目前已建成了14个门类，集科工贸、旅游、商业、广告为一体的服务网络。
（3）作为汉中市最大的客运公司，汉运司始终把旅客的安全放在第一位，如何做到这一点，该公司除加强内部管理之外，最具有代表性的一点就是对运行车辆的实时的动态监控。2006年10月份开始，汉运司开始引入智能监控系统，建立了GPS系统（即Global positioning system），共花费400多万元，保证公司内的693辆车上每车配备。通过该系统，在监控室内，监控人员能够准确知道某辆客车在运行途中的装载情况、驾驶人员的工作状态、车上旅客的乘车状况等等，一旦发现异常情况就能够实现有效的管理，杜绝交通事故及恶性事件的发生，既保障了驾驶员和旅客的安全，又保证了生产的正常进行，有效地对行车安全和违规现象进行了实时监控。
（4）在监控中心，随着屏幕界面的逐渐放大，上百个红点出现，红点旁边有车号、车速及行驶路线等标记。车上配备两个监控探头，一个是整车的，一个是驾驶员的，随着监控中心人员的操作，电脑屏幕跳出的窗口图片清晰地显示了车内乘客的状况，而另一张，则是大客车驾驶员的即时状态，监控中心的工作人员可以很直观地对车辆是否存在超载、超速和驾驶员疲劳驾驶现象进行监控，并且一旦驾驶员连续驾车超过4小时、车速超过110码高速公路等情况，GPS便会自动报警，这时监控中心的工作人员可以通过控制台内的电话与车上驾驶员进行联系，车上都配备了蓝牙耳机，可以在通话的同时保证了行车的安全。
（5）监控中心通过系统取证，对相关公司的违规行为下发单据，接受内部处理。单据上详细记录了汉运司违规大客车的车号、时间，甚至还附加着即时违规照片超载和数据。汉运司认为最明显的改变就是多辆承包经营的车主们规范了行车行为。2007年，车辆事故起数、死亡人数等四项指标平均下降了三至四成。
（6） 汉运司运输系统构成概念如图3所示：其特点在于共用平台组合整个系统。
3. 智能运输系统设计
3.1系统结构设计。
（1）第三方智能物流系统设计过程，可以采取模块设计方法，即先将系统分解成多个部分，逐一设计，最后再根据最优化原则组合成为一个满意的系统，依据这个思路，第三方智能物流系统的结构按物流服务管理划分为：前端服务、后端服务、企业规划管理。
（2）其中前端服务包括确认客户需求、电子商务网站设计/管理，客户集成方案实施等。后端服务则包括五类主要的业务：订单管理、仓储与分拨、运输与交付、退货管理、客户服务。企业规划与管理是指对于顾客提交的订单，第三方智能物流系统有能力对相关数据进行分析，产生一些深度分析报告。这些经过分析的信息可以帮助制造商及时了解市场信息，以便随时调整目前的市场推广策略。第三方智能物流服务结构如图4所示。
3.2智能运输系统层次的建立。
（1）智能运输系统既然是通信、控制和信息科学在运输系统中集成应用的产物，根据以上的分析和研究，可以这样来看智能运输系统，如图5所示。
（2）正是由于智能运输系统有这样的层次结构，同时它又是一个超大规模的系统，因此它是有别于以前的传统的交通管理和控制方法的。实际的设计过程是为运输系统提出了一定的目标，在知识层次上应用系统科学的方法，在极复杂的相互关系网中按最大效益和最小费用的标准去考虑不同的解决方案并选出可能的最优方案，实现这个目标，必须借助通信、计算机和信息科学。而为了在知识层次上寻找实现目标的方法和手段，就要求人们能够用知识的表达形式来描述智能运输系统。
3.3车载智能仪的设计与实现。
3.3.1系统方案设计。
本系统主要以车载终端为设计对象，构架了终端系统。系统组成如图6所示。
（1）智能车载终端系统通过GPS模块实时对车辆位置等信息进行获取，并传输给中央处理模块进行信息处理。
（2）通过对（终端信号单元）外部模拟信号输入、 数字信号输入以及开关量输入三种信号分别进行采集进行处理。
（3）中央处理模块采集到的数据进行必要的现场处理存储和转发，以及对数据的编码，然后通过标准接口 RS232/RS485 将数据信号传送到 GPRS模块。GPRS模块对信号进行进一步的处理，再通过 GPRS空中接口接入到GPRS网络进行数据的透明传输，最后经由 APN专线传输到后方（物流指挥中心指挥中心等）进行远程控制时，可以将控制信号发送到 GPRS网络中，然后经过 GPRS模块传输到智能车载终端中，进而对运行车辆进行控制和处理。
（4）数据存储模块能够保存的数据（GPS模块获取的信息、采集的信息等）经过处理后存储于内部大容量存储器中。
（5）通过中央处理系统能够把数据存储在通用U盘上。
3.3.2硬件设计。
（1）系统中央处理器选择。
TMS470R1A256是TI公司TMS470R1x通用16/32位精简指令（ RISC） 微控制器的系列产品。TMS470R1A256 主 要 包 含 以 下 资 源： 256 K BFLASH、12 KB SRAM、零管脚锁相环（ZPLL）时钟模块、模拟看门狗（AWD）定时器、实时中断（RTI）、串行接口（SPI）、串行通信接口（SCIx）、标准CAN 控制器（SCC）、二类串行接口（C2Sib）、外部时钟分频器（ECP），10 位多缓冲 ADC（MibADC）、16 输入通道、高端定时器（ HET），多达49个I/ O口和一个只输入口。TMS470R1A256 的 Flash 存储器是非易失性的、电可擦除的，可编程的存储器，并具有32位宽的数据总线接口。Flash 操作以系统时钟频率进行，可达 24MHz。在管道模式下，频率可达48 MHz。SCI是全双工的、串行I/ O接口，实现了CPU与采用标准不归零制（NRZ）格式的设备间的异步通讯。SCC利用串行的、多主机通信协议实现了高效的分布式实时控制和高达1Mbit/s的稳定通讯。SCC是高噪声和恶劣环境中，要求可靠串行通信和多道通讯应用的理想选择。C2Sib使TMS470R1A256 可以在遵循 SAEJ I850 协议标准的二类网络中发送与接收信息。
TMS470R1A256处理器功能框图如图7所示。
（2）采集单元设计。
信息采集单元使用MOTOROLA公司推出的可编程多路开关检测接口集成电路MC33993，可检测多达 22 路的开关量输入信号，并可将检测到的多路开关状态 （三态）信号通过该芯片的 SPI口传送给处理器。此外 ，该器件还具有 22 路模拟多路开关功能，可用以读取多路模拟输入信号。该模拟输入信号经缓冲器可由模拟多路开关输出以供处理器读取。并且MC33993 可使得包括 处理器在内的整个系统能在一个较低的静态电流下工作这对远程监控之类的系统非常重要，因为对它们而言，电流损耗是重要的设计考虑。因此，本系统设计选用 MC33993 作为多路开关检测接口电路。系统中 MC33993 采用 SPI与 处理器实现硬件连接，如图8所示。当外部有开关量输入，状态发生改变时MC33993 会 发出中断信号INT给TMS470R1A256 ， 处理器响应中断读取开关量输入状态，从而提高 MCU 的工作效率。
（3） 数据存储模块设计。
在汽车行驶记录仪行业中，数据安全保存是最重要的。随着车载记录系统的的发展，保存的数据量越来越大，这就需要大容量的存储器，本系统选用RAMTRON公司研制的FM24L256新型存储器，它的核心技术是铁电晶体材料，拥有随即存取记忆体和非易失性存贮产品的特性。FM24L256 和 FM24L256 的通讯方式是双向两线协议，脚位少，占用线路板空间小。图9描述了 FM24L256 与处理器硬件连接方式。
（4）U盘存储。
本系统中 USB 的主机通过主机控制器与 USB设备进行数据传输。USB 主机完成如下功能：检测USB设备的插拔；管理USB主机与USB 设备之间的控制流；管理USB主机与设备间的数据流和收集 USB 主机的状态等功能。USB控制芯片选用CYPRESS 公司生产的SL811HS，其可支持全速数据传输的 USB 控制芯片，且内含 USB 主从控制器，支持全速、低速数据传输，并能自动识别低速或全速设备。SL811HS提供的接口遵从USB1.1标准，可与 TMS470R1A256 微处理器相连。SL811HS的数据接口与微处理器进行接口可提供8位数据 I/O 或双向DMA通道，并能以从机操作方式支持 DMA 数据传输。SL811HS 内部有一个256字节的RAM，可用做控制寄存器或数据缓冲器。SL811HS 与 TMS470R1A256的硬件连接方式如图10所示。
（5） GPS模块设计。
GPS是通过接受卫星信号，起车载定位的作用。GPS模块选用美国瑟孚公司所设计的第二代卫星定位接收芯片HOLUXGR285 智能型卫星接收模组，其是一个完整的卫星定位接收器。具备全方位功能，能满足专业定位的严格要求与个人消费需求。HOLUXGR285通过RS2232，与处理器沟通 ，并以内建充电电池，存贮卫星资料。HOLUXGR285 与 TMS470R1A256 均为 3. 3V 供电 ，故无需电平转换便可通过串行通讯口实现数据交换。硬件连接如图11所示。
（6） GPRS模块设计 。
GPRS是移动通信技术，用来把接收到的数据送给管理中心用来监视车辆的行车路线。GPRS模块选用Benq M22，它是一款内嵌TCP/ IP协议栈，支持GSM/ GPRS CLASS4，可工作在 EGSM900MHz，DCS 1800MHz，PCS 1900MHz，可以支持数据业务的透明和非透明传输。从封装上来说，M22使用连接座式接口，模块上自带天线 MMCX接头。由于支持 GPRS甚至拥有嵌入式的 TCP/ IP，可以用于实时性要求较高，数据量相对较大，传输速度相对较快的汽车行驶记录仪中，Benq M22和处理器的通讯数据接口为UART，电平为 TTL/ CMOS ，波特率为标称的300～115200bp s的自适应波特率 ，只要是这个区间的标称波特率 ，模块自动识别 ，无须用户去干预，可以接成全串口或者半串口通讯。所谓的全串口，是指DB9 的九条线都需要接上 ，所谓的半串口则只接 RXD ， TXD 和 GND 就可以进行通讯了。本系统采用半双工模式 ，则模块的 RXD 可以直接连接TMS470R1A256 的 TXD ，模块的 TXD 可以直接连接 TMS470 R1A256 的 RXD。如图12所示。
3.3.3软件设计。
系统上电后 ，首先对系统进行初始化。然后进行自检 ，自检范围包括数据存储器、 时钟和 I/ O 口 ，自检后根据自检结果在显示器上显示相关信息。如果自检不通过 ，显示 “自检不正常” 和错误代码。自检通过后 ，然后进入驾驶员身份认证 ，通过后 ， LCD 显示相关数据 ，等待数据刷新。
3.3.4数据采集。
系统读取到原始数据后，根据脉冲量和车辆特征系数等能够计算出总累计行驶里程、最近2个日历天的累计行驶里程、最近 360 小时内的累计行驶里程、 每 200 毫秒的速度和每分钟的速度。记录仪采集的脉冲来自于速度传感器 ，该速度传感器每转产生 8 个脉冲 ，而车辆在每公里使速度传感器旋转的转数由车辆特征系数决定。记录仪根据所记录的脉冲数 ，可以得到车辆行驶的里程。由脉冲数计算出行驶速度 ，只要先由脉冲数计算得到里程数 ，再除以时间 ，即可得到速度（系统主程序流程图见图13）。
3.3.5GPRS设计。
（1）M22 支 持 GPRS CLASS4，即 下 行 速 度42.8Kbps ，上行速度 21.4Kbps。同时 ，M22 也支持嵌入式的 TCP/ IP协议。这个嵌入式的 TCP/ IP协议解决了从命令模式连接到数据传输模式的一个比较复杂的过程。因为有了嵌入式的 TCP/ IP ，所以可以实时的传输大量汽车记录数据 ，实现实时监控车辆的运行情况。使用 TCP 协议进行数据通信时 ，必须要经过三个阶段 ，第一个阶段是连接建立阶段 ，第二个阶段是数据收发阶段 ，第三个阶段是连接释放阶段。
（2）本系统中发送短消息采用而 PDU 模式 ，因为它不仅支持中文短信 ，也能发送英文短信。PDU模式收发短信可以使用 3 种编码： 72bit、 82bit 和UCS2 编码。本设计是在传统记录仪上 ，添加 GPS ， GPRS模块 ，并对该系统进行测试的结果是能够实现精确定位（民用标准）、远程监控、 电子狗及数据传输等功能 ，实现了基本记录仪与 GPS 导航一体化 ，满足系统的设计要求。
3.4可行性分析。
（1）“智能仪”方案的设计是在深入研究了国内外智能系统和国内发展现状的前提下提出的，符合国内交通运输实际情况。
（2）在保证系统良好的功能前提下，选用性价比较高的元器件（中央处理器、接口芯片和功能模块芯片等），尽量选用工业级芯片。通过移植通用的Linux操作系统，软件开发难度不大，有利于缩短产品的研制周期。