网络环境下城市车辆智能监控系统的设计与研究_汪磊 (1).docx

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1、 分类号： TP273+.4 密 级 ： 公 开 单位代码： 10363 学 号： 2120210105 題 目 网络环境下城市车辆智能监控系统的设计与研究 英文并列 题 百 Design of Vehicles Monitoring System about City Based on the network environment _ 学生姓名： _ 汪磊 指导教师： 周 力 教 授 专 业： 控制理论与控制工程 研究方向： 先进传感与检测技术 论文答辩日期 ： 2015 年 5 月 31 日 安徽工程大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是

2、本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 后果由本人承担。 安徽工程大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权安徽工程科技学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 _年解密后适用本版权书。 本学位论

3、文属于 不保密 安徽工程大学硕士学位论文 网络环境下城市车辆智能监控系统的设计与研究 摘要 随着社会科技的发展，人们生活水平日益提高，汽车保有量增长 迅速，汽车给人们的出行提供了很大的方便。但与此同时，城市道路 堵塞、车辆被盗、车辆管理效率低下以及交通事故分析困难等系列问 题同样诱人深思。所以，世界各个国家都纷纷投入大量的人力物力发 展更为先进的城市智能车辆监控系统。本文结合我国城市车辆监控管 理的现状以及我国城市交通的特点，提出了一种新颖的网络环境下城 市车辆智能监控系统。该系统运用了北斗卫星导航技术、 GPS 全球卫 星定位技术、计算机编程技术、现代数据通信技术、地理信息系统和 全球移动通

4、信系统相关技术，可实现电子地图显示和车辆实时位置监 控等功能。本系 统能够提高城市车辆监控管理效率，并且可以带来极 大的经济效益和社会效益。 通过对国内外车辆监控技术的发展状况的研宂与分析，本文首先 对系统的总体进行分析和设计，介绍了系统的组成和工作原理，对系 统各个功能的流程进行了分析，对车辆监控系统的车载终端的定位技 术、无线传输方法、监控中心基于 GIS 的监控软件系统进行了详细的 分析和探讨。选择 GPRS作为系统的通讯平台制定了通信协议，采用 Microsoft Visual Studio 2008 作为监控系统的软件开发平台，运用 SQL I 安徽工程大学硕士学位论文 Server

5、2005 设计数据库系统，采用 MapX3.0 作为本系统的 GIS 平台， 利用组件式 GIS 进行二次开发，设计了电子地图管理、车辆实时监控 以及报警等功能，最后给出了车辆动态轨迹显示的实现方法。 4 文采用 GPS、 .北斗卫星定位以及 GIS 等技术， .从而使监控、管 理车辆的效果更佳。无论是正在行驶的车辆或是已经停车的车辆相关 的信息，均能够实时地把信息传送到监控中心。基于网络环境下城市 车辆智能监控系统具有很髙的实用价值，有助于对交通事故的分析和 道路通行状况的监测并且为改善交通拥堵、加强车辆管理及防盗等方 面提出了一种解决方法。 关键词：网络环境，智能交通，监控系统， GPS，

6、 北斗卫星 安徽工程大学硕士学位论文 DESIGN OF VEHICLES MONITORING SYSTEM ABOUT CITY BAAED ON THE NETWORK ENVIRONMENT ABSTRACT With the development of social science and technology, peoples life is gradually improved. As a result, car ownership is growing fast, for cars can bring great convenience to peoples daily li

7、fe. However, at the same time, urban road congestion, vehicles stealing, the low efficiency of vehicle management and difficulty in traffic accident analysis also appear and deserve our close attention. Therefore, many countries around the world invest a lot to facilitate the development of new urba

8、n intelligent vehicle monitoring system. This paper tends to propose an intelligent monitoring system of urban vehicles under the network environment based on the current traffic status and property of our country. The system employs the Beidou satellite positioning technology, GPS global satellite

9、positioning system (GPS), computer programming technology, modem data communication technology, geographic information system and global system for mobile communications. And it can realize real-time electronic map display and vehicle location and monitoring functions. This system in 安徽工程大学硕士学位论文 ca

10、n improve the efficiency of urban vehicle monitoring management, and can bring great economic and social benefits. According to the research and analysis of the development of the vehicle monitoring technology at home and abroad, firstly, this paper designs and analyzes the system as a whole, introd

11、ucing the components and working principle of the system, and the function of each process. Then this paper also gives a detailed description of the vehicle terminal positioning technology, wireless transmission method, the monitoring centers monitoring software system based on GIS. Secondly, the sy

12、stem chooses GPRS as a communication platform to formulate the communication protocol, Microsoft Visual Studio 2008 as software development platform of the system. It uses SQL Server2005 to form database system, MapX3.0 as the GIS platform, using component GIS to realize a secondary development, wit

13、h electronic map management, vehicle real-time monitoring and alarm function. Finally， this paper gives out the methods of the vehicle dynamic trajectory. This paper uses the technologies, such as GPS and Beidou satellite positioning and GIS， which can optimize the efficiency of vehicles monitoring

14、and management. The information of either running vehicles or parking vehicles can be transmitted to the monitoring center in real-time. Under the network environment, the urban vehicle intelligent monitoring system has very high practical value. It can ease the analysis of traffic IV 安徽工程大学硕士学位论文 a

15、ccidents and traffic condition monitoring, and can also help to improve the traffic congestion, strengthen the vehicle management and security. KEY WORDS: network, intelligent transportation monitoring system, GPS id Beidou satellite Wang Lei(Control Theory and Control Engineering) Supervised by pro

16、fessor Zhou Li _ v 安徽工程大学硕士学位论文 目录 摘要 . I ABSTRACT III 第 1 章绪论 . 1 1.1 论文研宂背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2. 1 国外研宄概况 . 2 1.2.2 国内研宄概况 . 3 1. 3 论文的主要内容 及组织结构 . 4 1.3.1 论文的主要研宂内容 . 4 1. 3. 2 论文的组织结构 . 4 第 2 章车辆监控系统相关技术 . 6 2. 1 地理信息系统 GIS . 6 2.1.1 地理信息系统 . 6 2.1. 2 地理信息系统的构成 . 7 2.1.3 地理信息系统中的数据 . 7 2.

17、1. 4 地理信息系统空间数据结构及其编码 . 8 2. 2 全球卫星定位系统 GPS . 9 2.2.1 GPS 系统组成 . 9 2.2.2 GPS 卫星信号及美国的 SA 和 AS 政策 . 11 2. 2. 3 GPS 卫星定位基本原理 . 12 2. 2. 4 动态 GPS 定位 . 13 2. 3 北斗卫星导航技术 . 13 2.3.1 BDS 系统组成 . 14 2. 3. 2 北斗卫星定位基本原理 . 14 2.3.3BDS 的功能 . 15 2. 4 通用分组无线业务 GPRS . 16 VI 安徽工程大学硕士学位论文 2.4.1 GPRS 简介 . 16 2.4.2 GPR

18、S 的主要特点 . 16 2.4. 4 GPRS 的优势 . 17 2. 5 本章小结 . 17 第 3 章车辆智能监控系统的分析和设计 . . . 18 3.1 系统的组成及其工作原理 . 18 3. 2 系统的流程分析 . 19 3.2.1 实时定位要求 . “ . 20 3. 2. 2 车况信息采集要求 . 20 3. 2. 3 报警要求 . 21 3. 2. 4 车辆控制指令要求 . 22 3.3 系统的要求和目标功能 . 22 3.3.1 系统的要求 . 22 3. 3. 2.系统的目标功能 . 23 3. 4 本章小结 . 24 第 4 章系统的各组成单元研究 . 25 4.1 车

19、载终端 . 25 4.1.1 车载终端的工作原理和终端的组成 . 26 4.1.2 GPRS 通信协议的制定 . 27 4. 2 射频系 0 . 28 4. 3 监控系统 . 29 4. 3.1 监控中心的各个硬件丽 组成 . 29 4.3.2 系统监控中心的软件组成 . 30 4.3.3 监控系统的软件开发平台 . 30 4.4 数据库 . 31 4.41 数据库设计的 E-R 图 . 32 4.4.2 数据库的表的设计 . 32 4. 5 本章小结 . 33 第 5 章监控中心的实现 . 34 VII 安徽工程大学硕士学位论文 5.1 通讯子系统的实现 . 34 5.1.1 通信技术的选择

20、 . 34 5.1.2 系统功能设计 . 37 5.1.3 系统数据流程 . 37 5.1.4 GPRS 通讯模块 . 37 - “ - - “ : “ . . 5.1_ 5 数据处理模块 . 39 5.1.6 数据存储模块 . 40 5.1.7 登陆模块 . . 40 5.2 监控子系统的实现 . 41 5.2.1 GIS 技术 . 41 5. 2. 2 电子地图管理模块 . 43 5. 2. 3. 实 时 追 踪 监 控 模 块44 5. 2. 4 报警模块 . 49 5. 3 本章小结 . 50 第 6 章结论与展望 . 51 6.1 总结 . 51 6.2 展望 . 51 参考文献 .

21、 53 攻读学位期间发表的学术论文目录 . 56 m m . 57 VIII 安徽工程大学硕士学位论文 第 1 章 绪 论 1.1 论文研究背景及意义 近年来，世界科技水平飞速发展，汽车工业也得到了大幅进步。当前，汽车 越来越多地成为人们出行不可或缺的交通工具了。它的出现不仅给人们的生活带 来了极大的便利，而且还推动了社会经济的发展和人类物质文明的进步。但是， 随着汽车数量的疯狂增加，这引发了很多交通问题，比如城市交通拥挤，交通事 故多发等。 迄今，全球各地的道路安全问题都十分严重。世界卫生组织 （ WHO)表明 1: 每年，全球于交通事故中受到伤害的人数大概有 2000 万至 5000 万人

22、。于道路交 通事故死亡的人数大概有 130 万人。每年由于道路交通事故所造成的经济损失大 概为 5180 亿美金。在人类死亡和致病的原因中，道路交通伤亡排名第三位，远高 于艾滋病等疾病。道路交通事故即将成为除精神压力症和心血管病外致使人们不 正常死亡的第三大直接原因。据专家预测：再过五年，全球每年将有两百多万人 会因为交通原因而丧失生命。 我国的交通的事故非常严重，随着我国经济的强势发展，越来越多的国人拥 有了自己的汽车。据统计，我国的汽车数量平均每年都要增加 1100 多万辆。到 2013 年，汽车保有量已经达到了 1.37 亿辆，是 2003 年汽车数量的 5. 7 倍，约占世界 的 2%

23、2】 。我国道路交通事故每年约发生 400 万起，受伤人数约 30 万，死亡人数达 到 7 万左右，直接经济损失 近 10 亿元。至此，随着我国逐步进入 汽车社会 ， 道路交通安全问题十分严峻，道路交通运行系统正面临着前所未有的压力，道路 交通监控系统也急需现代化。有一个完善的城市车辆智能监控系统对于日渐复杂 的城市交通来说是十分有必要的。具体的交通事故类型所占比例如表 1-1 所示。 安徽工程大学硕士学位论文 表 M 各交通事故类型所占比例 交通事故类型 所占比例（ ) 追尾事故 33.4 .接触事故 “ . 4.0 翻车事故 8.0 冲撞防护栏 28.3 其他 24.9 目前，已经有城市投

24、入使用了一些车辆监控系统，不过其中大部分城市车辆 的监控系统已经不能满足现有的交通状况需求 3。所以，本文主要研宄在网络环境 下如何去实现城市车辆的智能监控系统。城市智能车辆监控系统应该功能完善， 操作性能稳定简洁，控制精确，反应快速。这就涉及到很多专业技术的运用，其 中，最重要的莫过于车辆定位所采集到的信息比较精确，通讯的信息具有时变性， 与此同时对操作界面也有要求，一定要简便明了。这就需要依靠 GIS， GPS 全球 定位技术，北斗卫星导航技术和 GPRS 移动通信技术得支持，所以城市车辆智能 监控系统会在网络环境下得到更好的发展和应用，也更加完善。 城市车辆智能交通监控系统的主要优势是将

25、交通系统的各个组成部分整合起 来，各部分之间各种信息的及时传输，提高服务效率和服务范围。利用网络进行 信息传递，极大地提高了城市智能交通管理效率，减少了人力的投入，极大地节 约了成本。城市车辆智能监控系统使城市车辆管理网络化，信息化，所以网络环 境下的城市车辆智能系统必定在今后的生活中得到广泛应用，为人们的美好生活 提供便利。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外研究概况 上个世纪 90 年代初，智能交通系统的研宄 已经开始兴起于欧美和日本。在这 之后的10 年里，以美国和日本以及德国等为代表的一些发达国家十分热衷于此项 研宂。他们将监控技术与城市道路很好地结合在一起，以此来提高城市的交通

26、管 安徽工程大学硕士学位论文 理效率，近些年来，伴随着 GPS 技术、信息技术、北斗卫星技术、微电子技术等 快速发展，所以借与此，车辆智能监控系统得到了很大的发展助力。 美国是最早研究智能交通系统的国家，因为美国在全球定位系统技术上的独 特优势使美国在车辆监控，车辆定位以及导航技术上要领先于其他国家，随后欧 洲各国很多机构又重新开始研究智能交通项目 4。 其中，在日本和德国， GPS 也等到了很好的发展和运用，在车辆导航，车辆 定位，车辆监控上都被广泛运用 5。特别是与此同时，计算机技术的快速发展，这 在车辆监控技术中得到了非常大的运用，计算机控制系统的功能比较齐全如果 监视中心安装此系统，便

27、能够随时检测到车辆的相关信息，使车辆监控系统效率 大为提高，更好地为用户服务。 目前，欧洲的智能交通系统的技术也在快速发展，也处于世界的领先水平， 他 们从来没有停止过对智能交通的研究，然而欧洲多个国家比较重视的只有一点， 那就是怎样才能全面提高该系统的服务，最终让智能交通在人们的日常生活中得 到更为全面的服务。 此外，四分之三的发展中国家己经在全力投入到智能交通的研究领域，因为 他们己经发现智能交通的研究可以给其国家带来丰厚的经济回报，提髙经济效率， 所以智能交通系统研究必将成为一个国家重要的研究课题。 1.2.2 国内研究概况 我国经济发展相对落后，直到 90 年代中期，我国才开始对智能交

28、通系统 (ITS) 进行研究，并将智能交通系统的研究纳入了国务院的关于科 技发展发布的 九五 计划。此外，国家科技部于 1998 年 1 月成立了中国 ITS 政府协调小组，建立了智 能交通运输系统工程研究中心。由于国家政策的支持，我国在对智能交通监控系 统的研究上也取得了不错的成绩。 目前，国内的城市车辆智能监控系统与发达国家城市车辆监控系统相比还是 较为落后的，因为 GPS， GIS 等技术最早开始于国外。随着近几年我国科学技术 的快速发展，智能交通系统的研究越来越受到国家的重视，越来越多的人都拥有 了自己的汽车，城市交通问题也越来越严重，这也促进了城市车辆智能监控系统 的发展，要求一个新

29、的完整的，完善的监控系统的出现。伴随着 GPS 全球定位技 术带的发展，特别是我国北斗卫星定位技术的日渐成熟，无线通讯网络技术的突 3 安徽工程大学硕士学位论文 飞猛进，我国的智能交通系统的研究正处于一个蓬勃发展的状态 6。现在，我国很 多城市都已经实现了城市车辆智能监控，但是很多系统并不能满足现在的复杂的 交通状况，比如应对突发交通事故不及时，监控信息传输不及时，车辆相关服务 不全面等。交通是国家的发展命脉，所以大力发展智能交通系统对我国经济发展， 人民生活幸福，社会繁荣起到非常重要的作用。我坚信，很快一个更加完善，更 加智能的车辆智能监控系统便会应运而生，在城市生活中发挥着特有的作用。 1

30、.3 论文的主要内容及组织结构 1.3.1 论文的主要研究内容 针对现有的车辆智能监控系统所存在的不足，本文利用先进的 GIS 技术 、 GPS 定位技术以和北斗卫星定位技术，研宄和设计了一种城市车辆智能监控系统。该 系统利用北斗卫星和 GPS 双模定位，大大提高了系统应用的灵活性和可靠性。本 文具体的研宄内容如下： (1) 合适车载终端的研宄选择，以满足系统通讯及实时定位等功能的需求。 (2) 通信协议的选择，运用 Microsoft Visual Studio 2008 作为监控的平台并运 用微软公司的 SQL Server 2005 设计数据库系统。 (3) 通讯子系统的研宄是本课题难点

31、和监控子系统的研宄是本课题的重点， 选取MapX3.0 为系统的 GIS 平台。 1.3.2 论文的组织结构 本文的结构安排如下： 第 1 章绪论。详细地介绍了车 辆智能 监控系统的研究背景、意义以及国内外 研宄现状。然后，在此基础上阐述了本文的主要工作和结构安排。 第 2 章车辆监控系统的关键技术概述。分别介绍了北斗卫星定位系统 BDS 技术，全球卫星定位系统 GPS 技术，地理信息系统 GIS 技术、通用无线分组业务 GPRS。 第 3 章车辆智能监控系统的总体分析与设计。包括监控系统的组成，要求， 工作原理，功能，期望达到的目标等。 第 4 章介绍了车辆智能监控系统各个模块，主要包括车载

32、终端，车牌识别系 4 安徽工程大学硕士学位论文 统，监控系统等。 第 5 章讲述了车辆智能监控系统的实现过程，主要是对监控子系统和通讯 子系统的各方面进行选择和设计。 第 6 章结论与展望。主要是总结本论文的研究思想，并指出在设计该系统 时所存在的问题。 5 安徽工程大学硕士学位论文 第 2 章车辆监控系统相关技术 3S 技术是三种技术的统称，全球定位系统 GPS、 地理信息系统 GIS、 遥感 RS 的统称 3S 技术在计算机、测量、通信以及卫星等技术的快速发展的环境下得 到了大力发展。作为一种获取空间信息的新兴的、实时的、客观的技术手段，全 球定位系统和遥感成为地理信息系统的重要的数据来源

33、，地理信息系统可以对其 所获得的数据进行处理和分析，从而提取到所需要的信息。另外，我国自主研发 的北斗卫星全球定位系统的成功， 对数字地球、智能交通系统的发展起到极大的 推动力。 2.1 地理信息系统 GIS 地理信息系统在 20 世纪中期出现，它主要用于空间数据管理、信息分析、交 通运输、城市规划、资源管理、土地利用以及政府各智能部门 8。 地理信息系统是传统学科与现代科学技术相结合的产物，它不断地发展成处 理空间数据的现代化综合性的一门学科。为了使分析和产生新的地理信息更为方 便， GIS 是以一种新方式去管理和组织地理信息；同时，地理信息系统分发和交换 的方式也因为地理信息系统的出现与快

34、速发展发生了改变。地理信息系统提供了 一种新的认识地理信息的方式。 2.1.1 地理信息系统 地理信息系统是处理地理信息的系统，它属于空间信息，它区别于其它类型 的信息有一个很重要的标志，那就是其位置的识别是与数据联系在一起的。此定 位特征建立地理坐标来实现空间位置识别的，而且它是通过经纬度或公路网来完 成的。另外，地理信息还具有多维结构的特征。通过属性码使得各个专题之间的 产生联系，这为分析地理系统，传输信息提供了很大的方便 9。 相比较其他信息系统，地理信息系统有着它独特的地方，它一般使用空间数 据和属性数据对问题进行分析，通常利用空间分析 解析式模型来分析空间数据。 安徽工程大学硕士学位

35、论文 2.1.2 地理信息系统的构成 一般来说，地理信息系统是由计算机硬件环境、地理空间数据、软件环境、 系统维护人员这四个部分组成。 2.1.3 地理信息系统中的数据 地理信息系统中的数据是指描述自然、社会和人文经济景观等的数据，它是 将地球表面作为参照。地理信息系统中的数据可以是图表、文字和数字等。地理 信息系统中的数据一般具有以下三个特征：属性特征，例如变量，级别、数量特 征和名称等等；空间特征，又称为定位特征，一般用坐标数据来进行表示；时间 尺度，指物体或现象随时间的变化而变化，其变化的周期有短有长各个相同。综 上所述地理信息系统中的数据大致可以分为以下两种 1G。 (1) 空间特征数

36、据 空间特征数据可分为几何数据和关系数据两种，这是将地理信息系统同其它 各种数据库管理系统区分开的标志。几何数据的表达方式是坐标值，用它来描述 实体的大小、位置、形状的度量信息。 关系数据一般用于空间分析。对地理信息系统而言，图形数据是基础，是专 题数据的载体，图形数据在联系地理实体的非图形信息中起到了纽带作用 11。 (2) 属性特征数据 属性特征数据是地理信息系统的主要处理的对象，宇符串是它的主要表达方 式。空间特征数据的很大的一个补充便是属性特征数据。它有利于对地理信息的 分析，提高了对地理位置信息等的管理、规划的效率。车辆监控系统 GIS 功能如 图 2-1 所示。 图 2-1 车载监

37、控系统 GIS 功能图 7 安徽工程大学硕士学位论文 2. L4 地理信息系统空间数据结构及其编码 数据结构常常用来描述数据记录的数据和编码格式间的关系 12。在地理信息 系统中，有三个方面的内容被记录，用来描述地理现象和要素，它们分别是拓扑 关系、空间实体的位置和几何特征。地理信息系统的空间数据结构由矢量结构和 栅格结构这两个结构组成。 (1) 栅格数据结构及其编码 栅格结构是一种最简单的空间数据结构，地球表面被划分为均匀且大小一样 的网格阵列，网格之间彼此相邻，每个网格由行或列定义。属性明显和定位隐含 是它的特点。此结构易实现，修改扩充更容易，而且算法简单。 (2) 矢量数据结构及其编码 矢量数据结构作为最常见的一种图形数据结构，通过记录坐标的方式来精确 地对点、线、面等地理实体加以表示，允许任意面积、位置还有长度精确地定义， 所以它比栅格结构的精度要高 13。 (3) 矢量结构和栅格结构的比较 这两种结构都有各自的优缺点，如表 2.1 所示。 表 2-1 两结构的优 缺点比较 名称 优点 缺点 矢量数据结构 1.表示地理数据精度高 1.数据结构与处理算法均较复杂 2.数据结构紧凑，存储空间小 2.多边形叠置分析比较 3.有利于网络分析 3.对软件、硬件的技术要求较高 4.图形输出质量好，精度高 4.显示和绘图成本高 5.图