基于GPS定位及3G通信客运车辆监控系统设计

摘要：智能交通系统致力于交通系统的信息化、智能化和社会化，可有效解决日益严重的城市交通问题，因此备受各国关注。作为ITS的关键之一：客运车辆监控平台及系统发展迅速，应用广泛。为了使客运车辆运行的顺畅、安全、绿色低碳，在采用基于差分GPS定位及中国联通3G通信技术的基础上完成了一种客运车辆监控管理系统及相应子系统的详细设计，并通过在西安市某范围内对此系统实例部署实施的实验结果表明系统可以集客运车辆监控、调度、防盗防抢等功能于一体，并具备低成本及高效率。
关键词：客运车辆监控；GPS定位；3G通信；智能交通

0 引言
    随着机动车辆规模的快速增长，道路堵塞、交通事故、环境污染、能源浪费等现象变得越来越严重，采取手段改善日趋严重的交通状况就愈显迫切。GPS，GIS，3G等新技术在车载导航和目标监控领域的应用使得研究智能交通系统(Intelligent Transportation Systems，ITS)不断获得突破，作为ITS的关键之一：客运车辆监控系统发展也极为迅速，但研究成果表明，在目前该类车辆监控产品的使用和测试中还存在诸如定位不够准确、终端和监控中心数据实时传输困难、精度不高、价格昂贵等问题。针对以上关键技术及难题，本文设计了一种基于差分GPS定位及中国联通3G通信技术的客运车辆视频监控系统。

1 客运车辆监控系统解决方案
1．1 客运车辆监控系统架构
    基于GPS定位及3G通信的客运车辆监控系统在客运车辆上安装车载终端主机、车载摄像机、无线网传模块等，对车内外情况进行实时监控；监控指挥中心对前端获取的实时数据进行分析，系统结构如图1所示。

1．2 系统各组成部分说明
1．2．1 车载视音频监控模块
    在车辆进出口及重要位置安装视频摄像机，获取车内外的视频信号，并传输给车载终端主机；车载视频监控终端负责采集视音频数据、数字化压缩处理，并进行数据实时保存在车载终端的硬盘内。
1．2．2 信患交互模块
    车载终端主机可通过3G无线网络(中国联通WCDMA)与中心平台进行交互上传车内外视频图像信息及报警信号；GPS卫星定位数据以及语音信息等交互功能。
1．2．3 GPS定位模块
    车载终端主机可采集GPS卫星定位信息，并通过3G无线网络(中国联通WCDMA)上传至与中心平台；中心平台屏幕显示车辆所在位置、速度、方向角等信息；并可实现车载电话功能。
1．2．4 中心管理平台
    通过3G无线网络(中国联通WCDMA)对车载终端主机进行集中管理；中心管理平台具备车辆调度、车辆报警处理、远程指挥等功能。
1．2．5 车载终端主机说明
    组成：需要定位、跟踪的车辆需安装车载单元称为车载终端。车载终端组成包括主机(由GPS接收机、WCDMA收发模块、数字视频服务器等构成)、显示设备、其他数据采集设备如摄像头等。
    功能模块：车载终端是客运车辆监控调度的重要部件，GPS接收机完成GPS卫星信号的分析计算，通过WCDMA通信模块发送给GPS调度管理中心。显示设备可收发消息、实现调度功能、发出提示信息，摄像头可拍照并由主机将数据上报到中心。

2 系统关键技术分析
2．1 差分GPS定位技术
    差分GPS(Differential GPS，DGPS)定位需要至少2台GPS信号接收机，分别安放在运动载体(客运车辆)和基准站(已知点位坐标)上，前者称为动态GPS信号接收机，后者称为基准GPS接收机。二者同步地对一组在视GPS卫星进行观测，基准接收机为动态接收机提供差分改正数，并称为DGPS数据，动态接收机利用自己的GPS观测值和来自基准接收机的DGPS数据精确地解算出运动实体的三维坐标。只有一台基准接收机用来发送“伪距校正值”的DGPS测量模式叫做单基准站伪距DGPS测量，其工作原理可通过图2直观表示。

    实际操作中把基准接收机设在监控中心，动态接收机则放于客运车辆上，经测试，DGPS测量可以把单点动态实体定位精度提高到10 m之内，也可以较好的解决GPS静态定位漂移的问题。
2．2 WCDMA无线数据传输技术
    第三代(3G)无线通信技术中宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA)技术是全球商用时问最长，技术成熟、可演进性最好的。具有网络速度快、支持业务广、终端种类多、国内覆盖范围广的特点，这也是本文采用此技术的原因。
    WCDMA采用直接序列扩频码分多址(DSCDMA)、频分双工(FDD)方式，码片速率为3．84Mc／s，载波带宽为5 MHz。基于Release99／Release 4版本，可在5 MHz的宽带内提供最高384 Kb／s的用户传输速率。WCDMA能够支持移动／手提设备之间的语音、圈像、致据以及视频通信，速率可达2 Mb／s(对于局域网而言)或384 Kb／s(对于宽带而言)。输入信号先被数字化，然后在一个较宽的频谱范围内以编码的扩频模式进行传输，窄带CDMA使用的是200 kHz宽度的载频，而WCDMA使用的则是一个5MHz宽度的载频。
2．3 视频传输流量控制方法
    为了实现3G环境下视频传输系统工作的的稳定，采用了如下方法，基本工作原理如图3所示。核心思想是在处理器端增加了视频传输流量控制模块，并增加了监控端接受缓冲区尺寸变化的反馈。根据监控端所占用的缓冲区大小就可以近似的知道当前传输的速率是否合适，当接收缓冲区之中的内容比较多时说明视频帧有堆积现象，此时应减少视频传输的帧数，并以合适的时延调节以获得较好的传输质量；相对应的在接受缓冲区中积累的数据较小时可以适当增大传输数据的帧数。

3 基于GPS定位及3G通信的客运车辆监控系统实例分析
    基于以上系统设计及关键技术方法说明，实现了一个基于GPS定位及3G通信的客运车辆视频监控系统：系统中有效利用现有的公共通信网络中国联通WCDMA网络作为移动通信链路，在WCDMA网络上建立公交数据专用网络VPDN；考虑到车内的无线和强电磁干扰，采用数字化解决方案，选用无线数字网络监控终端进行视频处理传输；每辆车内安装摄像机、无线数字监控终端，视频服务器，通过WCDMA无线通信链路将视频信号及GPS信息远程传送至中心监控管理平台；监控中心服务器用于接收车辆的位置、速度、司机的反馈信息等，进行分析和计算，实时动态地报告被监测点的情况，及时发现问题并进行处理，并告知执行一些监控中心分配下来的任务。系统主监控界面效果图如图4所示。

    系统主要功能有：远程实时监控和调度；录像、回放及报警；GPS定位；双向视频通话等。
    经为期3个月的测试及反馈信息发现此系统主要具备以下特点：
    系统具备电信级处理能力，可实现较大规模数据即时处理和响应、确保系统无故障运行；
    定位精度高，在原有类似产品基础上有了明显的改善；
    由于采用WCDMA的3G通信技术，无线通信高速、稳定、实时性好；
    高度的开放性和强大的可扩展性，可根据用户需求实现功能扩展。

4 结语
    基于GPS定位及3G通信的客运车辆视频监控系统设计中综合应用了差分GPS定位技术、WCDMA的3G无线通信技术、视频传输流量控制技术及先进的无线互联方法，经测试所构建的客运车辆监控系统可实现视频实时浏览、车辆定位管理、多种报警等各种功能，提高了客运车辆运行的安全保障、乘客的满意度、管理效率，同时也降低了运行成本。今后的工作将集中在研究更为先进的GPS定位技术、3G网络技与“物联网”的结合及在车载导航、交通事故应急响应等方面的应用，为发展智能交通系统提供参考。