基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖坤

摘要：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為用戶提供了高質(zhì)量定位、導(dǎo)航及授時(shí)服務(wù)，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)，對于完善現(xiàn)有智能交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施具有積極作用。文章依據(jù)智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目規(guī)劃，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)，在遵循智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域及服務(wù)功能需求的基礎(chǔ)上，充分利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)快速、精準(zhǔn)定位的有利特征，對基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過信息采集、信息處理、信息發(fā)布3層次，實(shí)現(xiàn)了智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以期對后續(xù)智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和發(fā)展提供一定的啟發(fā)和輔助。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航；智能交通；運(yùn)輸系統(tǒng)；交通運(yùn)輸；自動化系統(tǒng)

中圖分類號：TP271

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

我國在基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)方面仍處于籌劃階段，短期內(nèi)在城市交通中實(shí)現(xiàn)智慧交通運(yùn)輸?shù)哪康妮^難達(dá)成^［1］?；诒倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套行之有效的智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)，能有效改善城市道路交通系統(tǒng)復(fù)雜性問題，對于優(yōu)化城市智慧交通管控模式具有積極意義。由此，本文設(shè)計(jì)了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)由信息采集、信息處理、信息發(fā)布3個(gè)重要模塊共同發(fā)揮作用，結(jié)合用戶實(shí)際需求，借助GPS數(shù)據(jù)及GNSS基準(zhǔn)站為智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)信息采集做鋪墊，利用車載終端、車輛智能導(dǎo)航及車路信息交互方式實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)營處理，以期為城市智慧交通的全面實(shí)行提供一定輔助。

1 基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能交通運(yùn)輸總體架構(gòu)

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能交通運(yùn)輸架構(gòu)由信息采集、采集處理及信息發(fā)布3部分構(gòu)成，設(shè)計(jì)總架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，信息采集工作主要由GPRS網(wǎng)絡(luò)攝像頭、高精度激光測量傳感器等設(shè)備完成，此類設(shè)備用于對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的相關(guān)交通數(shù)據(jù)信息做全方位采集；信息處理部分選用了H3C R4900 G3服務(wù)器，用于實(shí)現(xiàn)車輛終端車載及人員定位，并對車輛智能導(dǎo)航及車路信息交互的實(shí)現(xiàn)提供服務(wù)，該服務(wù)器能有效根據(jù)用戶所提需求，有針對性地對相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展或存儲^［2］；信息發(fā)布工作主要是經(jīng)信息采集處理后，清晰用戶需求，完善智能交通規(guī)劃方案，為用戶提供一定的車輛安全及駕駛輔助信息，為用戶提供直觀的數(shù)據(jù)信息，便于用戶利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智慧交通運(yùn)輸需求。

2 基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)硬件

基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能交通運(yùn)輸硬件主要由監(jiān)控終端、服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)、車輛終端構(gòu)成。監(jiān)控終端可以是一臺或多臺可連接網(wǎng)絡(luò)通信的普通計(jì)算機(jī)，使用該監(jiān)控終端可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控交通運(yùn)輸狀況。能直觀對終端車輛信息的地理位置、交通狀況、車輛故障等具體情況進(jìn)行上報(bào)顯示。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通過發(fā)射相關(guān)交通數(shù)據(jù)，由GPRS移動網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行采集，發(fā)送至服務(wù)器進(jìn)行存儲及相關(guān)處理^［3］。服務(wù)器接收到各類交通信息后，通過數(shù)字算法，優(yōu)化車輛排布，對交通情況提前做好規(guī)劃，優(yōu)化各路段交通情況。網(wǎng)絡(luò)通信由因特網(wǎng)及GPRS移動網(wǎng)絡(luò)組成，監(jiān)控終端與服務(wù)器連接因特網(wǎng)，交通運(yùn)輸終端連接GPRS移動網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各部門通信連接工作。GNSS基準(zhǔn)站由MS35SN2接收機(jī)、BestLink GPS-002天線及SDXDG55保護(hù)器等部分組成，使用MS35SN2接收機(jī)對于高精度板卡可提供良好支持。

3 基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)軟件模塊

結(jié)合系統(tǒng)總架構(gòu)與各模塊應(yīng)用功能，設(shè)計(jì)了集GPS數(shù)據(jù)采集、GNSS基準(zhǔn)、人車定位、智能導(dǎo)航、車路交互等功能的智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)模塊，如圖2所示。

圖2中，GPS數(shù)據(jù)采集、GNSS基準(zhǔn)站主要負(fù)責(zé)智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)信息部分的采集工作；車載終端、車輛智能導(dǎo)航及車路信息交互模塊負(fù)責(zé)對智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)信息內(nèi)容進(jìn)行處理；用戶終端用于接收最終發(fā)布的相關(guān)交通信息，通過信息顯示的方式，實(shí)現(xiàn)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.1 GPS數(shù)據(jù)采集

采用GPS數(shù)據(jù)采集功能模塊，實(shí)時(shí)了解車輛定位數(shù)據(jù)，將GPS數(shù)據(jù)采集應(yīng)用模塊加入車載系統(tǒng)，按照GPS設(shè)備規(guī)范顯示編碼，向服務(wù)器傳輸最近的道路交通信息情況，服務(wù)器通過對GPS定位信息作出詳細(xì)解讀，在第一時(shí)間可實(shí)現(xiàn)交通信息動態(tài)化管理；實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)采集可通過串口通信的方式進(jìn)行，一般采集間隔時(shí)間為1次/s。

3.2 設(shè)計(jì)GNSS基準(zhǔn)站

設(shè)計(jì)GNSS基準(zhǔn)站的目的在于接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號，并由GNSS基準(zhǔn)站向服務(wù)器安全傳輸原始測試數(shù)據(jù)。

3.3 人車定位車載終端

設(shè)計(jì)和應(yīng)用人車定位車載終端模塊，能有效提升車輛終端在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位中的精確性。通過采用5G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，可實(shí)現(xiàn)對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)的全面化收集。此外，應(yīng)用人車定位車載終端模塊，還能夠?qū)NSS結(jié)合原始衛(wèi)星信號，對交通路段中各行駛車輛進(jìn)行精確化計(jì)算，有助于提升智慧交通管理中車輛定位的便捷性及高精確性。通過對人車進(jìn)行定位，系統(tǒng)能收集到更為安全、可靠的交通車輛位置的所在信息。

3.3.1 車載定位

設(shè)計(jì)考慮到車輛定位的用電問題，對車輛終端的電量功耗及重量參數(shù)進(jìn)行了二次突破，通過選用TRK定位模塊，提升了車載定位的高精確性，一定程度上滿足了智慧道路交通運(yùn)輸?shù)能嚨缹?dǎo)航管控需求。

3.3.2 人員定位

通過借助DGPS定位功能模塊，實(shí)現(xiàn)人員定位的功能需求?；谌藛T在車輛運(yùn)行中一直處于動態(tài)模式，在設(shè)計(jì)中可以適當(dāng)降低人員流動的精確位置，采用單位“m”對人員流動情況進(jìn)行定位，為智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)的高效科學(xué)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

3.3.3 車輛智能導(dǎo)航計(jì)算方式

智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)需實(shí)時(shí)捕捉車輛運(yùn)動情況，然而GPS數(shù)據(jù)采集到的圖像往往以視頻變動的方式呈現(xiàn)，這要求在設(shè)計(jì)過程中，除了要考慮建立單幀圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制，還要依照視頻中圖像的變化進(jìn)度，提前對視頻接下來的播放幀節(jié)進(jìn)行預(yù)測。單一幀圖像運(yùn)動模型見式（1）。

式（1）中，g·（x）表示視頻圖片在運(yùn)動過程中，發(fā)生在x軸方向的變化速度；g¨（x）表示視頻圖片在運(yùn)動過程中，發(fā)生在x軸方向上的加速度圖像變化，g·（y）表示視頻圖片在y軸方向上出現(xiàn)的速度變化；g¨（y）表示視頻圖片發(fā)生在y軸方向期間，其加速度發(fā)生的變化；w（t）為連續(xù)性高斯噪聲的時(shí)間方程；w（v）為連續(xù)性高斯噪聲的速度方程。在觀察GPS視頻動態(tài)了解交通數(shù)據(jù)期間，若要獲取機(jī)動加速度，可通過式（2）得以實(shí)現(xiàn)。

x_Y（t）=-λx_y（v）+w_Y（t）（2）

式（2）中，x_Y（t）表示視頻圖像在播放期間，y軸的機(jī)動頻率變化;λ為公式方差;w_Y（t）為出現(xiàn)連續(xù)性高斯噪聲期間的時(shí)間加速度；x_y（v）為連續(xù)性高斯噪聲速度變化單位。在計(jì)算機(jī)幫助下，采用離散性定量或定性分析，能夠計(jì)算出視頻的運(yùn)動狀態(tài)及其模型性能，依據(jù)上述算法，可得出圖像運(yùn)動模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方程。系統(tǒng)運(yùn)行期間，通過將采集到的圖像數(shù)據(jù)相連接，可得出有效的車輛安全行駛數(shù)據(jù)建議。

3.4 車路信息交互

設(shè)計(jì)車路信息交互模塊，能幫助用戶根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求，將車載系統(tǒng)同道路交通路測單元相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)交互信息監(jiān)控。將短程通信應(yīng)用于路側(cè)單元與車載單元中，可實(shí)現(xiàn)道路交通運(yùn)輸障礙物預(yù)警。通過應(yīng)用RSU向路測單元進(jìn)行傳送，使RSU接收到相關(guān)車路信息，經(jīng)DSRC編碼后，車載單元數(shù)據(jù)可經(jīng)OBU進(jìn)行傳送。監(jiān)控中心與車載系統(tǒng)間通過對應(yīng)解碼協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行還原并得以顯現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)車路信息無線通信。

3.5 用戶終端設(shè)計(jì)

用戶終端由主控處理器、觸摸屏、無線網(wǎng)絡(luò)及藍(lán)牙語音識別系統(tǒng)構(gòu)成，良好的用戶端界面能直接提升用戶的操作體驗(yàn)感。主控處理器經(jīng)衛(wèi)星廣播信號采集信息后給予響應(yīng)，用戶通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航提供的數(shù)據(jù)，可及時(shí)獲知個(gè)人所在交通位置，與此同時(shí)，用戶端也是服務(wù)器采集數(shù)據(jù)的端口，在對接用戶需求和數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，具有關(guān)鍵作用，用戶端設(shè)置智能應(yīng)急接口，能有效降低車輛在交通運(yùn)輸中發(fā)生事故的可能。

3.6 數(shù)據(jù)信息顯示

采用DataGridView軟件可實(shí)現(xiàn)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)信息顯示，通過設(shè)置DataSoure的屬性，可以直接綁定數(shù)據(jù)中心，識別服務(wù)器信息內(nèi)容。在顯示數(shù)據(jù)信息模塊中，應(yīng)用高精度定位軟件即可建立與GNSS基準(zhǔn)站的良好連接渠道，用戶可以直接從GNSS基準(zhǔn)站中，獲取原始的測試數(shù)據(jù)。此外，應(yīng)用DataGridView及高精度定位軟件，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀察車輛終端的動態(tài)信息，當(dāng)車輛在道路交通中出現(xiàn)人車移動的情況時(shí)，由5 G通信網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)信息，對道路交通運(yùn)輸狀況進(jìn)行全方位播發(fā)，幫助用戶在第一時(shí)間獲取精準(zhǔn)道路交通信息。借助用戶端LED觸摸屏，可直接形成二維GIS實(shí)時(shí)地圖，并精準(zhǔn)定位人車位置。用戶可通過數(shù)據(jù)信息顯示屏，第一時(shí)間獲取形象、直觀的交通運(yùn)輸數(shù)據(jù)信息，科學(xué)保障人、車在道路交通運(yùn)行期間的有效性和規(guī)范性。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用其收集信息快速、人車定位精確等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了信息采集、信息處理及信息發(fā)布3個(gè)層級，用于滿足城市交通智能運(yùn)輸需求，推動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品在智慧交通上的應(yīng)用和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

［1］龔蘇寧，紀(jì)明媚，陳欣欣，等.OpenCV技術(shù)下的智能交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)——以南通崇川區(qū)工農(nóng)路段為例［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2022（9）：133-138.

［2］黃瑋，商林.基于云平臺的智能交通信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)——以軌道交通信號實(shí)驗(yàn)為例［J］.現(xiàn)代信息科技，2022（17）：13-16，20.

［3］王代君，傅俊敏，周天圖，等.區(qū)域交通基礎(chǔ)設(shè)施群監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.公路交通科技，2022（6）：124-135.

（編輯 沈 強(qiáng)）

Design of intelligent transportation system based on Beidou navigation satellite system

Liao Kun

（Jiangxi Intelligent Transportation Affairs Center， Nanchang 330008， China）

Abstract： Beidou Navigation Satellite System provides users with high-quality positioning， navigation and timing services， and the application of BeiDou Navigation Satellite System to intelligent transportation system has a positive effect on improving the existing intelligent transportation infrastructure. Based on the project planning of intelligent transportation system， this paper designs an intelligent transportation system based on BeiDou satellite navigation system， and designs an intelligent transportation system based on BeiDou satellite navigation system on the basis of following the requirements of intelligent transportation system field and service functions， and making full use of the favorable characteristics of fast and accurate positioning of BeiDou satellite navigation system. Through the three levels of information collection， information processing and information release， the design of intelligent transportation system is realized， in order to provide certain inspiration and assistance for the design and development of subsequent intelligent transportation system.

Key words： Beidou satellite navigation; intelligent transportation; transportation; transportation; automation systems