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1 引言
車(chē)輛自主導(dǎo)航和監(jiān)控是車(chē)輛管理研究的主要課 題之一。目前主流的車(chē)輛導(dǎo)航和監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)主要 采用 GPS 定位和移動(dòng)通訊相結(jié)合的方式來(lái)完成，但 是在移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)信號(hào)弱小或者基站信號(hào)不能覆蓋 的區(qū)域，無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的監(jiān)控，因而研制一 種全地域、全天候且能實(shí)現(xiàn)車(chē)輛監(jiān)控的車(chē)輛管理系 統(tǒng)勢(shì)在必行。“基于北斗的車(chē)輛管理系統(tǒng)”是一套在 北斗導(dǎo)航用戶終端平臺(tái)上[1][2][3]，綜合利用嵌入式地 理信息技術(shù)[4]、SOPC 嵌入式技術(shù)[5]、計(jì)算機(jī)接口通訊 控制技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)構(gòu)建的一個(gè)高效、穩(wěn)定的車(chē)輛管理信息化平臺(tái)。該系統(tǒng)能有效克服現(xiàn)有車(chē)輛管
理系統(tǒng)受通信覆蓋地域限制的缺陷，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛監(jiān) 控范圍與北斗系統(tǒng)覆蓋范圍的同步。
2 系統(tǒng)框架及主要功能設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì) 基于北斗的車(chē)輛管理系統(tǒng)分為監(jiān)控中心、用戶
終端兩大部分（如圖 1 所示）。監(jiān)控中心主要由中心 計(jì)算機(jī)和北斗指揮型用戶機(jī)組成，中心計(jì)算機(jī)用于 運(yùn)行監(jiān)控軟件來(lái)完成車(chē)輛和駕駛員的信息管理，并 通過(guò)北斗指揮型用戶機(jī)獲取用戶終端的地理信息來(lái) 實(shí)現(xiàn)車(chē)輛定位監(jiān)視以及發(fā)送命令來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等功能。用戶終端主要由車(chē)載北斗用戶機(jī)或北斗嵌入
式模塊、通用北斗終端擴(kuò)展平臺(tái)模塊、車(chē)輛遠(yuǎn)程防 盜控制模塊、PDA 和智能手機(jī)或車(chē)載計(jì)算機(jī)組成，主 要實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自主導(dǎo)航、接收和處理監(jiān)控中心發(fā)來(lái) 的遠(yuǎn)程控制命令。
2.2 系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì) 車(chē)輛監(jiān)控中心監(jiān)控軟件的主要有如下功能：
（1）車(chē)輛和駕駛員檔案信息的登統(tǒng)計(jì)管理和信 息查詢。
（2）車(chē)輛監(jiān)控和電子地圖定位顯示功能。
（3）定位歷史信息的管理和查詢功能。
（4）與車(chē)輛用戶終端之間的短報(bào)文通信功能。
（5）通信信息管理和查詢功能。
（6）車(chē)輛行駛路線回放功能。
（7）車(chē)輛遠(yuǎn)程啟動(dòng)/熄火控制功能。 用戶終端包含的通用北斗終端擴(kuò)展平臺(tái)模塊主
要實(shí)現(xiàn)北斗用戶終端（車(chē)載用戶機(jī)或北斗嵌入式模 塊）與其他外設(shè)之間的通訊控制功能，在本研究中 實(shí)現(xiàn)與 PDA 和智能手機(jī)的藍(lán)牙通訊、與軍用車(chē)載計(jì) 算機(jī)的 USB 通訊以及控制車(chē)輛遠(yuǎn)程防盜功能（具體 架構(gòu)見(jiàn)圖 2）。
用戶終端軟件分別在 XP 和 Mobile 環(huán)境下開(kāi)發(fā)， 可在 PDA、智能手機(jī)和車(chē)載計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。終端軟件 功能主要如下：
（1）電子地圖顯示功能，主要實(shí)現(xiàn)電子地圖的 局部顯示、全圖顯示和等比例顯示。
（2）電子地圖操作功能，主要實(shí)現(xiàn)電子地圖漫 游操作和縮放操作。
（3）圖文雙向查詢功能，用戶可根據(jù)需要在整個(gè)圖幅范圍內(nèi)對(duì)電子地圖進(jìn)行圖文互查。
（4）圖層管理功能，主要實(shí)現(xiàn)電子地圖的分層 管理、分層繪制和分層顯示。
（5）空間量算功能，可量算地圖上任意兩點(diǎn)或 者多點(diǎn)間的距離和任意多邊形區(qū)域的面積。
（6）車(chē)輛位置顯示和控制功能，通過(guò)北斗的定 位功能可將車(chē)輛的位置顯示在地圖的相應(yīng)位置上， 車(chē)輛行駛出規(guī)定范圍或未按照規(guī)定路線行駛時(shí)，軟 件自動(dòng)通過(guò)北斗系統(tǒng)向監(jiān)控中心報(bào)警。
3 關(guān)鍵技術(shù)分析
研發(fā)基于北斗的車(chē)輛管理系統(tǒng)所涉及主要關(guān)鍵 技術(shù)包括北斗導(dǎo)航定位技術(shù)、空間數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和多 尺度電子地圖顯示技術(shù)、基于 SOPC 的嵌入式系統(tǒng)設(shè) 計(jì)技術(shù)。
3.1 北斗導(dǎo)航定位技術(shù) 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS）是中國(guó)正在實(shí)施
的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系 統(tǒng)目前可以對(duì)我國(guó)領(lǐng)土、領(lǐng)海及周邊地區(qū)的用戶進(jìn) 行定位及授時(shí)，并且可以實(shí)現(xiàn)各用戶之間、用戶與 中心控制站之間的簡(jiǎn)短報(bào)文通信，未來(lái)十年內(nèi)，將 建成覆蓋全球的導(dǎo)航定位系統(tǒng)體系?！盎诒倍返能?chē) 輛管理系統(tǒng)”主要利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位導(dǎo) 航、報(bào)文通信實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自主導(dǎo)航和車(chē)輛的監(jiān)控。
3.2 空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì) 車(chē)輛的自主導(dǎo)航使用了嵌入式地理信息系統(tǒng)，
對(duì)于地理信息系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)格式定義的優(yōu)劣將直 接影響到各功能模塊的效果和速度，甚至決定某項(xiàng) 功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)，特別是嵌入式處理器要求地理信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)要清晰，因此設(shè)計(jì)一種精確、簡(jiǎn)要
的地理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，才能保證嵌入式 GIS 模塊的圖形 圖像的顯示與瀏覽、信息查詢、拓?fù)潢P(guān)系、空間分 析等功能高效運(yùn)行。
（1）圖形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冗余度小 電子地圖主要包含點(diǎn)、線、面等空間對(duì)象，簡(jiǎn)
單的圖形結(jié)構(gòu)具有數(shù)據(jù)量小、運(yùn)行速度快、圖形裁 剪方便等特點(diǎn)；冗余度小將使信息查詢、路徑搜索 的速度提高，也將減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。
（2）拓?fù)潢P(guān)系簡(jiǎn)單 電子地圖的拓?fù)潢P(guān)系用于路徑搜索、最優(yōu)路徑
規(guī)劃，簡(jiǎn)單明了而又實(shí)用的拓?fù)潢P(guān)系將縮短路徑搜 索的時(shí)間。
（3）空間信息查詢與分析速度快 空間信息查詢主要包括單個(gè)空間對(duì)象的查詢和
多個(gè)空間對(duì)象的查詢，良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將使空間查 詢和空間分析的速度快捷，結(jié)果準(zhǔn)確。
（4）開(kāi)放的數(shù)據(jù)接口
GIS 矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的數(shù)據(jù)接口，使之 能夠兼容更多已定型的數(shù)據(jù)。
3.3 電子地圖多尺度表達(dá) 在車(chē)輛管理使用的中心監(jiān)控軟件和用戶終端軟
件中，電子地圖是進(jìn)行車(chē)輛監(jiān)控、導(dǎo)航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 車(chē)輛管理是高精度、高效率的過(guò)程，而電子地圖的 顯示則要求適應(yīng)使用者的習(xí)慣，將使用者在面對(duì)電 子地圖與傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖時(shí)所獲得的視覺(jué)差異控制 在一定范圍之內(nèi)，這就需要研究電子地圖的多尺度 表達(dá)。
（1）單一比例尺電子地圖的多尺度表達(dá) 單一比例尺電子地圖的多尺度表達(dá)就是要決定
在圖形縮放到某種程度時(shí)地圖上哪些要素顯示，哪 些要素不顯示，也就是要建立圖形的縮放比例與要 素間的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系。簡(jiǎn)單一點(diǎn)可以理解為每個(gè)地 圖要素都 有 一個(gè)顯示 的 等級(jí)參數(shù) DLOD(Display Level of Detail)，通過(guò)一定的計(jì)算得到每個(gè)地圖 要素的顯示等級(jí)參數(shù)，通過(guò) DLOD 與圖形的縮放比例 間的簡(jiǎn)單比較關(guān)系即可確定要素顯示與否，從而實(shí) 現(xiàn)電子地圖的多尺度顯示。
（2）不同比例尺電子地圖的多尺度表達(dá) 電子地圖的數(shù)據(jù)文件組織和多比例尺數(shù)據(jù)的合
理調(diào)度是影響地圖顯示速度和顯示效果的重要因 素。不同比例尺多尺度電子地圖的數(shù)據(jù)文件組織關(guān) 鍵是要解決兩個(gè)問(wèn)題：①當(dāng)存在多個(gè)比例尺數(shù)據(jù)時(shí)， 怎樣快速選定所需的比例尺數(shù)據(jù)；②當(dāng)比例尺選定 后，怎樣快速在眾多該比例尺的圖幅中確定應(yīng)顯示 的圖幅數(shù)據(jù)。
3.4 基于 SOPC 的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)
用戶終端使用的通用北斗終端擴(kuò)展平臺(tái)模塊采 用基于 SOPC 的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，體積小、 功耗低、工作穩(wěn)定，有效地?cái)U(kuò)展了北斗終端設(shè)備的 應(yīng)用范圍。目前嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)以 SOC 和 SOPC 為主要應(yīng)用方向，SOPC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)際上就是一個(gè)基于 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）的 SOC 解決方案。
利用目前技術(shù)成熟的超大規(guī)模集成度的 FPGA 芯片，
SOPC 方案提供了相較于 SOC 更有特色和優(yōu)勢(shì)的技術(shù) 功能。其優(yōu)勢(shì)一方面體現(xiàn)在 SOPC 技術(shù)可以靈活地植 入微處理器軟硬核和其他功能 IP 核（IntellectualProperty，知識(shí)產(chǎn)權(quán)），另外一方面 SOPC 實(shí)現(xiàn)了 MCU、DSP、邏輯控制的完美結(jié)合，減小電路板面積和成本，提高系統(tǒng)的集成度，更重要的是在不改變電路板設(shè)
計(jì)的情況下可方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)和改動(dòng)，系統(tǒng) 重構(gòu)的難度很小，對(duì)于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化和向上兼 容性有深遠(yuǎn)的意義。
4 應(yīng)用前景和展望
基于北斗的車(chē)輛管理系統(tǒng)是一套集地理信息處理、車(chē)輛監(jiān)控、駕駛員管理為一體的集成管理系統(tǒng)，可以輔助車(chē)輛管理部門(mén)對(duì)車(chē)輛和駕駛員進(jìn)行有效管
理，并可以為駕駛員提供有效的車(chē)輛導(dǎo)航信息。通 用北斗終端擴(kuò)展平臺(tái)模塊可以充分發(fā)揮北斗的通信 優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于遠(yuǎn)程測(cè)控設(shè)備控制、傳感器數(shù)據(jù)傳 輸和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等方面，具有相當(dāng)?shù)能娛潞兔裼脙r(jià) 值，為北斗一代用戶提供廣泛的應(yīng)用方式，同時(shí)作 為北斗二代用戶終端擴(kuò)展性應(yīng)用的前瞻性試驗(yàn)。