基于P／G结构的移动定位导航系统

引 言

个人导航系统是智能交通系统向纵深方向发展的一个重要分支。近几年来，在普及计算理论的指导下，个人导航系统已冲出了车载导航的范畴，转向了便携式的移动设备上。

一方面，普及计算所涉及的移动通信技术、制造技术、嵌入式操作系统技术及软件技术等，为个人导航系统的发展注入了新的活力。另一方面，地图显示、路径规划、路径引导、GPS定位、地图检索和无线通讯等功能需要强大的计算资源做支撑，而普及计算设备本身并不能满足这个要求，所以如何解决普及计算的设备与其提供服务的多样性与嵌人其中的计算机系统资源受限的矛盾，为普及计算的上层服务提供设备级软件体系结构上的技术保证，迫切需要一个能提供强大计算能力服务的分布式平台。

在这个背景下，为普及计算做支持的分布式系统的需求导致众多平台的开发，其中网格平台是为建立普及计算应用最理想的平台。网格计算与普及计算之间有着千丝万缕的联系，网格侧重的是把整个因特网整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享，普适计算侧重人们从互相融合的信息和物理空间中随时随地、透明地获得数字化的服务，将二者结合起来将会给网络的发展注入新的活力，同时也会给传统的网络体系结构提出新的挑战。本文详细研究了网格计算和普及计算的综合及其在个人导航系统中的应用。

1 P/G结构

随着网格技术和嵌入式系统的发展，传统的体系结构和提供服务的方式已经不能满足日益普及的移动设备和嵌入式设备的需求，这就是P/G(Pervasive/Grid)引入的原因。在P/G结构中，普适客户端可以只存放表示层软件，也可以包含一部分计算量较小的应用，主要的应用逻辑包括事务处理、监控、信息排队、数据处理、Web服务等。Pervasive客户端和Grid服务器端由网格门户(portal)相连，通过它，用户可以透明地使用整个网络资源。P/G结构从逻辑上可以分为3个部分，Grid端、Pervasive端和网格门户，Pervasive端是资源有限的各式各样的移动设备、嵌入式设备、通信设备和无线传感网络等，Grid端由多个网格节点组成，网格门户是Grid端和Pervasive端之间的桥梁。

2 基于P/G体系结构的导航系统

2.1 交通控制中心网格平台的搭建

目前大部分智能交通导航系统是基于C/C结构的，在这里我们以大连市智能交通导航系统为例，来介绍如何把原系统从C/C结构扩展到P/G结构。原有的基于C/C结构的公安交通紧急事件快速反应处理系统。主要分成这样几个模块：交通控制中心、SCOOT系统、视频监测系统、车载导航仪、手持导航设备、电话导航和手机导航。SCOOT系统负责控制信号灯并收集实时交通信息，视频监测系统负责观察当前路况，车载导航仪、手持导航仪、电话导航和手机导航为使用不同终端的用户提供路径规划、路径引导、地图检索等服务。构建基于P/G结构的大连市智能交通导航系统的重点和难点放在交通控制中心网格平台的搭建和网格门户的建立上。

2.2 关键技术

2.2.1 网格服务

网格服务节点安装网格开发平台，包括：主机，并行计算集群等。网格服务提供如下服务：网格安全基础设施服务GSI，负责在广域网络下的安全认证和加密通信，提供单点登陆，远地身份鉴别等功能;资源分配管理服务GRAM，提供远程应用的资源请求处理，远程任务调度处理和远程任务管理等功能;资源监视和发现服务MDS，主要完成对网格计算环境中信息的发现，注册，查询，修改等工作。

数据库包括地图数据库，实时交通数据库等。地图数据是交通系统的基础数据，使应用系统能够以图形、图像的方式为用户提供简单、直观的操作环境。实时交通数据主要是来自交通信号控制系统(SCOOT)的道路拥挤度信息和信号灯状态信息，为交通预测提供实时交通流量，图1以交通流预测服务为例显示了预测服务的应用过程。

交通流预测执行流程：

(1)数据采集处理中间件采集和处理传感器发送的交通流量数据，然后将数据存人数据库中。

(2)用户以浏览器的方式或者通过交通GIS系统客户端程序向代理服务发送预测请求，请求内容为需要预测的路段。

(3)代理服务通过订阅注册服务中涉及服务节点信息的服务数据，获得所有可用的服务节点的当前状态信息。

(4)代理节点根据事先定义好的服务节点选择策略，如最优CPU性能、最优内存、最优带宽等，选择网格节点。

(5)预测服务根据请求的路段信息，从数据库中取得响应的参数表和历史流量数据进行计算，返回计算结果。

(6)代理服务接收到路段的预测结果后，将结果转换为用户需要的形式，以Web Service的形式返回。

2.2.2 网格门户的建立

本系统的网格门户在windows系统平台下，Globus网格平台之上使用Java语言开发的，应用服务器使用Tomcat5.0。网格门户引擎我们采用Servlet来开发，用bean来开发应用逻辑，使用JSP生成显示结果的页面返回客户端。目前已经完成了程序的设计，并在教研室的实验网格上调试通过。举例说明一下具体的过程：(1)客户端发出Http请求，Servlet创建门户引擎实例，继而门户引擎启动门户注册、作业监控等功能函数并初始化信息数据库。(2)门户引擎根据请求Http头里的行为值(actionvalue)遍历页面查询表(Page lookup Table)找到相应的行为页AP(Action Page)。(3)AP执行相应的业务逻辑(例如路径引导、地图控制、路径规划、交通流预测等)并调用服务beans实现相应的功能。(4)Servlet根据AP的执行结果返回给服务请求者。

2.2.3 移动agent中间件

移动Agent作为全新分布式计算工具，通过将自身代码、状态传送到远程主机，并在远程主机上执行的方式克服了Client/Server的不足，成为普及环境下个人导航系统的主要解决方案之一。总的来说，基于移动Agent的通信中间件要达到如下的设计目标：屏蔽底层无线网络的恶劣环境、简化上层应用程序的设计、节省系统资源的消耗、提高系统运行的效率。

本文使用JADE-LEAP的开发包按照FIPA标准定义了一套适应需求的ITSOntology。Ontology是自己定义的ITSOntology，其中定义了6个概念和3个Agent动作。概念包括Point(地图坐标)、PointSet(点集合)、RoadSection(路段)、Intersect(路口)、SignalLampRealtimeData(信号灯实时信息)、SectionRealtimeData(路段拥挤度实时信息)和MapTimestamp(地图时间戳)。动作包括Program(路径规划)、GerRealtimeData(获取实时数据)和GetMap(更新地图)。

2.3 实施效果

本系统选用的是诺基亚首款图象智能手机6600，操作系统为symbian，使用columbus v-700蓝牙GPS接收器。并可以通过GPRS无线上网，平均带宽约为30～50 kB/s。本系统采用Sun公司的j2me为开发工具，使用CLDC1.0，如图2。软件系统的开发工具我们采用Ecllipse编程环境。应用以上的关键技术，经过反复的调试，在现有的GPRS网络的基础上完成了导航平台的开发，各项服务请求响应时间已经基本达到要求，其中包括数据传输量较大的地图数据请求服务，交通流预测服务和路径规划服务等。交通流预测服务是动态路径规划服务的基础，动态路径规划服务根据交通流预测服务所返回的未来交通流信息计算出未来时刻的路段上车辆通过时间。最后根据个路段的通过时间计算出最短路径。图3对主要的交通流预测服务请求给出了测试的结果。曲线的吻合程度反映了预测的精度。从图3中可以看出，学习后的神经网络预测结果基本达到了使用要求，较好的克服了交通流预测中受随机因素影响大的缺点。

3 结束语

本文所提出的基于P/G体系结构的智能交通导航系统还有许多可扩展的地方：第一，网格门户是为用户提供透明访问交通局域网内资源的一个门户，将来可以扩展到广域网使用户利用更多的资源并且获取更多的服务。第二，基于P/G体系结构的智能交通导航系统沿用了以前的SCOOT系统，随着无线网络和普适计算理论的不断成熟，以灵活的、自适应的和高可靠的无线传感网络替代传统有线传感网络已成为必然。