基于RTK/VRS技術(shù)的車輛智能監(jiān)控管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄒 浜,周文勝,王偉權(quán),高云志,張 良

(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

在國(guó)家提倡構(gòu)建“智慧城市”的時(shí)代背景下,“智能交通”作為“智慧城市”的重要組成部分,迅速成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)導(dǎo)致了各省市城內(nèi)、城鄉(xiāng)和城際道路的大規(guī)模修建,機(jī)動(dòng)車的平民化普及使得車流量迅速提高,由此導(dǎo)致了多城市多路段,尤其是城市主干道和高速公路的交通擁堵現(xiàn)象和交通事故時(shí)有發(fā)生,對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)民人身安全造成嚴(yán)重威脅[1]。因此,符合當(dāng)今時(shí)代需求的實(shí)時(shí)、高效、和智能化的車輛智能監(jiān)控管理平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。

網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)(RTK)是一種集衛(wèi)星大地測(cè)量技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體的空間信息實(shí)時(shí)服務(wù)技術(shù)[2],借助國(guó)家建立的大規(guī)模CORS網(wǎng)絡(luò),可以快速、實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確地向授權(quán)用戶提供導(dǎo)航定位、測(cè)速和授時(shí)等服務(wù)。將網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)應(yīng)用于車輛智能監(jiān)控管理平臺(tái)中可以為授權(quán)用戶提供以下服務(wù):1)對(duì)指定路段進(jìn)行車流量監(jiān)控,實(shí)時(shí)反饋車輛詳細(xì)信息;2)對(duì)所有的車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,對(duì)越界、頻繁變道和長(zhǎng)期違章占道的車輛進(jìn)行警告和處理;3)通過(guò)對(duì)車速和行駛方向進(jìn)行監(jiān)控,對(duì)超速和違章行駛的車輛進(jìn)行警告與處理;4)對(duì)發(fā)生故障的車輛進(jìn)行跟蹤鎖定,并通過(guò)調(diào)度系統(tǒng)對(duì)其實(shí)施有效救援;5)在道路發(fā)生突發(fā)狀況(如公路堵塞、泥石流沖斷公路)時(shí),引導(dǎo)車輛在最佳行車路線上行駛[3];6)和高精度城市三維立體影像進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)高精度城市三維導(dǎo)航[4-7]。

課題組研制了基于網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的成綿高速公路車輛智能監(jiān)控管理平臺(tái),目前在四川成綿高速公路上進(jìn)行了試運(yùn)行,取得了良好的效果。

1 網(wǎng)絡(luò)RTK的相關(guān)技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

1.1 傳統(tǒng)導(dǎo)航定位技術(shù)的不足

傳統(tǒng)的車輛監(jiān)控平臺(tái)基本上都采用GPS單點(diǎn)定位技術(shù)[8-9]對(duì)車輛進(jìn)行定位和跟蹤,而GPS單點(diǎn)定位由于是偽距絕對(duì)定位,因此定位誤差均為米級(jí),在對(duì)空條件差的地區(qū)甚至能達(dá)到±10 m以上的誤差,這將導(dǎo)致在道路重疊區(qū)(如立交橋)出現(xiàn)定位錯(cuò)區(qū),給監(jiān)控和管理帶來(lái)不良影響,而且由于定位誤差較大,目前已經(jīng)難以滿足智能交警、高精度城市三維導(dǎo)航等新應(yīng)用的要求。

傳統(tǒng)的RTK技術(shù)雖然在一定程度上能為需要進(jìn)行高精度(厘米級(jí)誤差)動(dòng)態(tài)定位的用戶提供良好的服務(wù),但在實(shí)際運(yùn)用中仍然存在以下不足[1]:1)可靠性低,由于流動(dòng)站只能接收單一基準(zhǔn)站的差分改正值,一旦基準(zhǔn)站發(fā)生故障,則會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)站定位錯(cuò)誤甚至不能定位;2)覆蓋范圍小,由于流動(dòng)站需要通過(guò)基準(zhǔn)站進(jìn)行差分改正,隨著流動(dòng)站與基準(zhǔn)站間的距離逐步增大,空間相關(guān)誤差(如電離層延遲、對(duì)流層延遲和星歷誤差等)也會(huì)逐步增大,甚至?xí)?dǎo)致流動(dòng)站與基準(zhǔn)站的空間誤差失相關(guān),因此流動(dòng)站只能在基準(zhǔn)站附近10～15 km的距離內(nèi)進(jìn)行定位;3)通信鏈路不暢,由于基準(zhǔn)站上裝載的多為小功率無(wú)線電臺(tái),難以向遠(yuǎn)距離的流動(dòng)站發(fā)送差分信息。

顯然,傳統(tǒng)的導(dǎo)航技術(shù)限制了它在新時(shí)代交通運(yùn)輸領(lǐng)域中的使用,因此需要運(yùn)用作用范圍廣、高可靠性和通訊鏈路暢通穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。

1.2 VRS技術(shù)的定位方法及優(yōu)勢(shì)

隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的快速發(fā)展,GPS/BDS雙模定位可以在一定程度上改善GPS單模定位時(shí)衛(wèi)星數(shù)量少和定位精度不高的缺點(diǎn),因此被應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)RTK中。網(wǎng)絡(luò)RTK中目前使用較為廣泛的是虛擬參考站(VRS)技術(shù)[10],其主要硬件構(gòu)成包括主控中心、CORS網(wǎng)絡(luò)和若干流動(dòng)站,其定位方法大致如下:在需要進(jìn)行定位的區(qū)域按照一定的位置規(guī)律布設(shè)若干CORS站(基準(zhǔn)站),各CORS站以光纖連接共同組成CORS網(wǎng)絡(luò),對(duì)視野內(nèi)的衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)觀測(cè),借助通信網(wǎng)絡(luò)將觀測(cè)值實(shí)時(shí)上傳到主控中心;流動(dòng)站進(jìn)行定位時(shí)先獲取自身概略坐標(biāo),通過(guò)GSM/GPRS/CDMA將概略坐標(biāo)發(fā)送至主控中心;主控中心對(duì)所有基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)源進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理與融合再處理,根據(jù)流動(dòng)站提供的概略坐標(biāo)在其位置上產(chǎn)生一個(gè)物理上并不存在的虛擬參考站,并生成包含對(duì)流層延遲修正值和電離層延遲修正值等信息的VRS觀測(cè)值或RTCM差分改正數(shù),再以無(wú)線通信的方式實(shí)時(shí)提供給用戶,供其進(jìn)行常規(guī)差分解算,最終得到用戶需要的精確坐標(biāo)(平面坐標(biāo)誤差一般為厘米級(jí)定位精度)。上述基于VRS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)稱VRS系統(tǒng),VRS系統(tǒng)應(yīng)用于公路交通運(yùn)輸導(dǎo)航中,需要將CORS站布設(shè)于能完全覆蓋公路段的區(qū)域中,將流動(dòng)站改裝為車載接收機(jī),主控中心和車載接收機(jī)均需要雙向數(shù)據(jù)傳輸,用戶的數(shù)量不能無(wú)限增加,主要取決于網(wǎng)絡(luò)帶寬和主控中心服務(wù)器的荷載承受能力。車輛智能監(jiān)控管理平臺(tái)中VRS系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車輛智能監(jiān)控管理平臺(tái)中VRS系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

VRS有以下優(yōu)勢(shì)[10]:1)定位精度高,且具有較好的均勻性;2)更高的可靠性和可用性,如果某個(gè)CORS站發(fā)生故障,系統(tǒng)還可以通過(guò)剩余的CORS站估計(jì)空間相關(guān)誤差,繼續(xù)為用戶提供服務(wù),系統(tǒng)還可以根據(jù)冗余信息有效探測(cè)某個(gè)基準(zhǔn)站的觀測(cè)粗差,提高RTK的可靠性和完好性;3)更大的作用范圍,只要在CORS網(wǎng)和GSM/GPRS/CDMA網(wǎng)信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi),均可以進(jìn)行有效定位;4)通暢的數(shù)據(jù)鏈路,由于GSM/GPRS/CDMA網(wǎng)的信號(hào)覆蓋范圍廣,且具有足夠的數(shù)據(jù)帶寬,完全可以作為通信數(shù)據(jù)鏈的載體;5)用戶接收機(jī)只承擔(dān)少部分的計(jì)算,大部分的計(jì)算由主控中心承擔(dān),因此可適當(dāng)減少用戶接收機(jī)的制造成本。

2 成綿高速公路車輛智能監(jiān)控平臺(tái)的構(gòu)建

2.1 用戶需求分析

成綿高速公路起于成都市三合場(chǎng),止于綿陽(yáng)磨家,全長(zhǎng)92.4 km,是路基寬度約為24 m,設(shè)計(jì)行車速度為120 km/h的全封閉、全立交、四車道的高速公路。經(jīng)綜合考慮,沿線布設(shè)3臺(tái)CORS站,各CORS站與主控中心以光纖相連形成局域?qū)＞W(wǎng)。

在用戶需求方面,由于成綿高速公路為事故多發(fā)地段,尤其在節(jié)假日,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)交通擁堵、車輛違章和車輛追尾等現(xiàn)象。因此,該平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)在車輛監(jiān)控管理方面的實(shí)用化,平臺(tái)主要分為本地監(jiān)控管理端和被監(jiān)控終端。本地監(jiān)控管理終端應(yīng)具有的功能:1)能夠根據(jù)用戶權(quán)限維護(hù)對(duì)被監(jiān)控車輛運(yùn)行情況進(jìn)行查詢和統(tǒng)計(jì);2)能夠?qū)Ρ槐O(jiān)控車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,對(duì)越界、頻繁變道、超速和長(zhǎng)期違章占道的車輛進(jìn)行警告和處理;3)能在發(fā)生突發(fā)狀況時(shí),引導(dǎo)車輛在最佳行車路線上行駛;4)能夠快速處理被監(jiān)控端發(fā)送的救援請(qǐng)求等信息;5)能夠與電子地圖進(jìn)行融合,將各車輛位置以及道路周邊環(huán)境展現(xiàn)在電子地圖上,并支持在地圖上直接點(diǎn)擊查詢被監(jiān)控車輛的屬性以及運(yùn)行情況(如歷史行車軌跡)等信息;6)提供平臺(tái)運(yùn)營(yíng)維護(hù)、信息管理和后臺(tái)用戶權(quán)限管理等功能。

被監(jiān)控端應(yīng)具有以下功能:1)顯示本車相關(guān)的屬性信息;2)能夠進(jìn)行厘米級(jí)精度(要求能精確區(qū)分車道)定位的實(shí)時(shí)導(dǎo)航;3)能夠向本地監(jiān)控管理端實(shí)時(shí)發(fā)送請(qǐng)求信息,并能實(shí)時(shí)處理本地監(jiān)控管理端發(fā)送而來(lái)的警告、違章處理和請(qǐng)求應(yīng)答等信息;4)能在電子地圖上顯示本車的歷史行車軌跡。

因此,這是一個(gè)融合了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)、GIS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新性車輛智能監(jiān)控管理平臺(tái)。

2.2 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)的硬件部分分為本地監(jiān)控管理端和被監(jiān)控端,其硬件構(gòu)成和總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示,本地監(jiān)控管理端由服務(wù)器群、瀏覽器工作站和CORS站通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)和局域?qū)＞W(wǎng)連接而成,移動(dòng)公網(wǎng)和專網(wǎng)之間設(shè)置防火墻,防止病毒和木馬入侵,對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)造成損壞。服務(wù)器群包括主控中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。瀏覽器工作站指的是使用帶視頻輸出的瀏覽器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接到服務(wù)器的PC電腦,采用流行的瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu),能對(duì)被監(jiān)控端的的相關(guān)信息進(jìn)行顯示、查詢、管理和請(qǐng)求處理等操作。被監(jiān)控端則是各個(gè)車載終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)的方式進(jìn)行連接。

圖2 平臺(tái)硬件構(gòu)成和總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

圖3 平臺(tái)總體的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

平臺(tái)總體的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示,分為支撐層、數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層共五層架構(gòu)。

支撐層包括成綿高速公路車輛智能監(jiān)控平臺(tái)運(yùn)行的硬件網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和軟件運(yùn)行環(huán)境。硬件網(wǎng)絡(luò)環(huán)境包括GPRS通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和導(dǎo)航定位設(shè)備等硬件的運(yùn)行環(huán)境;軟件運(yùn)行環(huán)境包括服務(wù)器操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件和GIS平臺(tái)軟件(Super Map)等軟件的運(yùn)行環(huán)境。

數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)兩大類數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)包括基本的地形圖矢量數(shù)據(jù)、圍欄數(shù)據(jù)、道路界線數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)以及三維場(chǎng)景數(shù)據(jù);業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)中包括車輛基本屬性信息數(shù)據(jù)、系統(tǒng)維護(hù)信息數(shù)據(jù)、車輛告警信息數(shù)據(jù)、車輛警情處理數(shù)據(jù)以及車輛位置信息數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù);元數(shù)據(jù)信息主要用于管理與描述整體系統(tǒng)數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等相關(guān)信息,并且能夠用于維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

系統(tǒng)層包括車輛定位監(jiān)控子平臺(tái)和車輛綜合管理子平臺(tái)兩大子平臺(tái)。車輛定位監(jiān)控子平臺(tái)主要用于車輛位置監(jiān)控和告警監(jiān)控,在這個(gè)子平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)地圖展現(xiàn)模塊、車輛實(shí)時(shí)位置展現(xiàn)模塊、車輛告警模塊和警情處理模塊,這些模塊綜合了整套基于網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的車輛監(jiān)控業(yè)務(wù)流程;車輛綜合管理子平臺(tái)是整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)以及服務(wù)器監(jiān)控服務(wù)中心,主要用于進(jìn)行車輛監(jiān)控基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理和維護(hù),以及對(duì)服務(wù)器進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)監(jiān)控。

應(yīng)用層就是基于系統(tǒng)層的功能模塊,集成了地圖展現(xiàn)瀏覽模塊、高精度車輛監(jiān)控模塊、車輛調(diào)度控制模塊、車輛報(bào)警模塊、警情處理模塊、終端管理與控制模塊、系統(tǒng)管理模塊、信息維護(hù)模塊和平臺(tái)運(yùn)維模塊等功能模塊。

表現(xiàn)層是整個(gè)成綿高速公路車輛智能監(jiān)控管理平臺(tái)所支持的幾個(gè)表現(xiàn)形式,根據(jù)業(yè)務(wù)需求,平臺(tái)不僅需要在傳統(tǒng)PC機(jī)上運(yùn)行,可以讓用戶在監(jiān)控指揮中心對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及警情處理,而且還需要向被監(jiān)控用戶提供基于Android設(shè)備的APP應(yīng)用,該APP集成了信息維護(hù)、監(jiān)控和遇緊急情況時(shí)告警信息上報(bào)等功能。

2.3 平臺(tái)整體服務(wù)流程與功能實(shí)現(xiàn)

由于高速公路上的交通事故75%以上均由于貨運(yùn)車造成,因此政府規(guī)定對(duì)進(jìn)入成綿高速公路的貨運(yùn)車實(shí)行強(qiáng)制監(jiān)控,平臺(tái)的服務(wù)流程和實(shí)現(xiàn)的功能為

1)貨車在進(jìn)入成綿高速公路前,用戶應(yīng)首先通過(guò)客戶端登陸平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行注冊(cè),錄入車主信息和車輛屬性信息,成為平臺(tái)認(rèn)定的授權(quán)用戶。

2)當(dāng)貨車進(jìn)入成綿高速公路時(shí),會(huì)被安裝車載終端,用戶進(jìn)行登錄后會(huì)通過(guò)移動(dòng)公網(wǎng)與平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行自動(dòng)連接,以便能實(shí)時(shí)接收主控中心發(fā)送的差分信息用以實(shí)時(shí)進(jìn)行高精度定位、導(dǎo)航與測(cè)速,以及接收服務(wù)器發(fā)播的其他信息。車載終端顯示器可以在電子地圖上顯示本車的行車軌跡和相關(guān)屬性信息,而本地監(jiān)控工作站的顯示器上會(huì)顯示該授權(quán)車輛的相關(guān)屬性信息、位置以及行車狀態(tài)等信息,也可選擇性地顯示該車的歷史行車軌跡。

3)當(dāng)貨車靠近圍欄或界線(一般為≤0.5 m,也可自行設(shè)定)、接近限制速度(差值≤5 km/h,也可自行設(shè)定)、長(zhǎng)期占用超車道和頻繁變道時(shí),平臺(tái)服務(wù)器會(huì)自動(dòng)向用戶發(fā)送告警信息。

4)當(dāng)貨車出現(xiàn)進(jìn)圍欄、越界和超速等違章情況時(shí),平臺(tái)服務(wù)器會(huì)對(duì)該車輛進(jìn)行標(biāo)記,工作人員可以實(shí)時(shí)在監(jiān)控客戶端填寫違章處理意見,并向用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)發(fā)送,也可延后綜合處理,并將處理意見發(fā)送給相關(guān)交通管理部門。

5)當(dāng)貨車遇險(xiǎn)時(shí),可通過(guò)車載終端向平臺(tái)服務(wù)器發(fā)送警情請(qǐng)求,服務(wù)器接收到請(qǐng)求后會(huì)將其顯示在平臺(tái)監(jiān)控顯示器上,監(jiān)控工作人員可根據(jù)具體險(xiǎn)情對(duì)遇險(xiǎn)車輛進(jìn)行救援、調(diào)度和處理意見發(fā)送等操作。

6)當(dāng)出現(xiàn)道路損壞、交通擁堵或車輛追尾等事故時(shí),平臺(tái)服務(wù)器會(huì)向后續(xù)車輛發(fā)送事故預(yù)警信息,必要時(shí)還可發(fā)送最佳路線導(dǎo)航指令,供用戶進(jìn)行參考,合理規(guī)避事故風(fēng)險(xiǎn)。

7)當(dāng)貨車駛出成綿高速公路時(shí),則脫離平臺(tái)監(jiān)控范圍,車載終端被回收,平臺(tái)數(shù)據(jù)中心將會(huì)根據(jù)工作人員的設(shè)置自動(dòng)對(duì)該車輛的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存或刪除等操作。

此外,平臺(tái)還提供很多外部接口,便于對(duì)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)象和功能方面的擴(kuò)展和更新。

3 結(jié)束語(yǔ)

成綿高速公路車輛智能監(jiān)控管理平臺(tái)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試運(yùn)行,可以得出以下結(jié)論:

1)將RTK/VRS技術(shù)應(yīng)用于車輛導(dǎo)航中,能達(dá)到厘米級(jí)定位精度,配合高分辨率電子地圖,能對(duì)越界、頻繁變道、超速和長(zhǎng)期違章占道的車輛進(jìn)行精確定位、監(jiān)控和處理,即實(shí)現(xiàn)真正的車道級(jí)監(jiān)控,這是傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)所做不到的。

2)將網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)與高精度三維實(shí)景地圖進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的三維實(shí)景導(dǎo)航,符合目前智能交通的新需求。

3)成綿高速公路車輛智能監(jiān)控管理平臺(tái)綜合運(yùn)用了多項(xiàng)高新技術(shù),能對(duì)車輛進(jìn)行智能化的定位、監(jiān)控和管理,有效減少交通事故發(fā)生率。經(jīng)初步測(cè)算,平臺(tái)試運(yùn)行期間,事故發(fā)生率相比同期減少約30%,為政府節(jié)省費(fèi)用400余萬(wàn),因此,具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性。

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