北斗智能交通綜合服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用

● 文 |哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 李東博 王景光 焦恒

北斗智能交通綜合服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用

● 文 |哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司 李東博 王景光 焦恒

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，將北斗導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用于智慧交通，可以實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航技術(shù)與智慧城市建設(shè)的深度融合，一方面解決智慧城市建設(shè)中位置信息等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的獲??；另一方面以交通為切入點(diǎn)促進(jìn)在智慧城市建設(shè)中各行業(yè)的應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，以達(dá)到加快北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的效果。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)；智慧交通；應(yīng)用示范

當(dāng)前，國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域已形成較為完備的產(chǎn)業(yè)體系，GPS逐漸在各個(gè)信息領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)位置，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)，我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也在快速發(fā)展，雖然在技術(shù)、性能、成本、市場(chǎng)接受程度等方面與GPS還存在一定差距，但我們必須看到，隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供區(qū)域?qū)Ш椒?wù)，北斗迎來(lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇期，與GPS差距逐漸縮小[1]。隨著北斗導(dǎo)航技術(shù)的不斷提高和衛(wèi)星定位系統(tǒng)日益完善，衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)已進(jìn)入到我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域。

交通運(yùn)輸在城市發(fā)展中起著重要的作用，對(duì)城市發(fā)展有巨大影響[2]。它是將社會(huì)生產(chǎn)、交換、分配、消費(fèi)等各個(gè)環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系在一起的。雖然目前交通運(yùn)輸行業(yè)在我國(guó)有明顯的發(fā)展成績(jī)，但是相對(duì)于國(guó)外的發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)的交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展仍然處于弱勢(shì)狀態(tài)。我國(guó)為促進(jìn)交通領(lǐng)域的發(fā)展，2013年2月5日，《國(guó)務(wù)院關(guān)于推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出發(fā)展目標(biāo)。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、節(jié)能環(huán)保、商貿(mào)流通、交通能源等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)試點(diǎn)示范應(yīng)用，部分領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用水平顯著提升，推動(dòng)應(yīng)用示范。將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用到城市交通建設(shè)，形成北斗智能交通綜合服務(wù)系統(tǒng)，既能促進(jìn)城市交通發(fā)展，也可以對(duì)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到很好的促進(jìn)作用[3]。

一、衛(wèi)星導(dǎo)航在智慧交通中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1. 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)世界各國(guó)均將智慧城市建設(shè)作為助推經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和建立長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要戰(zhàn)略。智慧交通作為智慧城市整體構(gòu)造中的重要組成部份，已成為智慧城市建設(shè)最為迫切的需求之一，而定位技術(shù)作為位置數(shù)據(jù)獲取手段之一，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)智慧交通系統(tǒng)建設(shè)投入了大量的財(cái)力，并取得了不小的成就。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，美國(guó)政府部門(mén)和企業(yè)大力推進(jìn)ITS（智慧交通系統(tǒng)）建設(shè)和發(fā)展，將導(dǎo)航技術(shù)、GIS技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用到車(chē)輛安全、電子收費(fèi)、交通管理、商業(yè)車(chē)輛管理等方面并取得了極佳的效果。目前ITS在美國(guó)的應(yīng)用已達(dá)80%以上，而且相關(guān)的產(chǎn)品也較先進(jìn)[4]。

自20世紀(jì)80年代初期，歐洲開(kāi)展智慧交通方面的研究和開(kāi)發(fā)，充分利用CLONASS定位系統(tǒng)和GPS進(jìn)行車(chē)輛定位，在ITS應(yīng)用方面的進(jìn)展介于日本和美國(guó)之間。目前正在進(jìn)行Telematics的全面開(kāi)發(fā)，計(jì)劃在全歐洲建立專門(mén)的交通（以道路交通為主）無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，正在開(kāi)發(fā)先進(jìn)的、應(yīng)用GPS/GLONASS獲取車(chē)輛的位置信息、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘從而開(kāi)發(fā)出行信息服務(wù)系統(tǒng)（ATIS），先進(jìn)的車(chē)輛控制系統(tǒng)（AVCS），先進(jìn)的商業(yè)車(chē)輛運(yùn)行系統(tǒng)（ACVO），先進(jìn)的電子收費(fèi)系統(tǒng)等。通過(guò)該系統(tǒng)的建設(shè)，最終達(dá)到降低城市擁堵15%，降低環(huán)境污染的目的。同時(shí)，很多的發(fā)達(dá)國(guó)家為了方便旅客出行，汽車(chē)使用GPS定位系統(tǒng)并實(shí)時(shí)收集車(chē)載信息，有效的減少交通堵塞，實(shí)現(xiàn)交通智能化[5]。

2. 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

為規(guī)范指導(dǎo)我國(guó)導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國(guó)務(wù)院、國(guó)家發(fā)改委先后頒布了《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)信息消費(fèi)擴(kuò)大內(nèi)需的若干意見(jiàn)》、《國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》等政策性文件，對(duì)北斗導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)發(fā)展做了重要指示。規(guī)劃指出，2010-2020年我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)規(guī)模將從500億元提升至4000億元，其中北斗系統(tǒng)應(yīng)占據(jù)約30%的份額，年產(chǎn)值到1200億元，北斗導(dǎo)航將惠及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)方面。通過(guò)相關(guān)指導(dǎo)性文件的下發(fā)，一方面促進(jìn)了我國(guó)導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)發(fā)展，領(lǐng)一方面促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的信息化建設(shè)。

交通領(lǐng)域作為衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的重要方向之一，應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的智慧交通建設(shè)是解決交通領(lǐng)域三大難題包括交通安全、交通堵塞及環(huán)境污染的重要手段之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多城市開(kāi)始了智慧交通的研究和建設(shè)，重點(diǎn)方向?yàn)閷?shù)據(jù)分析、導(dǎo)航定位、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)融入到交通管理、公共交通服務(wù)等方向中去[6]。

二、北斗智能交通綜合服務(wù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)融合北斗導(dǎo)航定位技術(shù)，再結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，以城市空間信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，整合動(dòng)靜態(tài)交通數(shù)據(jù)，研制北斗智能交通應(yīng)用終端和電子車(chē)牌終端，打造智能交通綜合服務(wù)平臺(tái)，從而解決城市公共交通運(yùn)營(yíng)車(chē)輛和特種車(chē)輛在監(jiān)管方面的問(wèn)題，以推動(dòng)北斗導(dǎo)航產(chǎn)品在智慧交通上的應(yīng)用和發(fā)展。系統(tǒng)包括“一個(gè)平臺(tái)、一項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施、兩款終端和兩項(xiàng)示范”，如圖1所示。

北斗智能交通綜合服務(wù)平臺(tái)與應(yīng)用示范基于SOA的體系架構(gòu)進(jìn)行技術(shù)體系的梳理和構(gòu)建，系統(tǒng)包括智能交通綜合服務(wù)平臺(tái)、CORS網(wǎng)搭建、北斗車(chē)輛智能終端研發(fā)、車(chē)輛電子車(chē)牌終端研發(fā)、RFID基站研發(fā)及應(yīng)用示范系統(tǒng)建設(shè)等幾個(gè)部分。智能交通公共服務(wù)平臺(tái)與應(yīng)用示范之間通過(guò)專網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)整合與鏈接形成平臺(tái)系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，構(gòu)建開(kāi)發(fā)的、可伸縮、可定制的智能交通服務(wù)系統(tǒng)體系架構(gòu)，如圖2所示。

三、北斗智能交通綜合服務(wù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

1. 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理

不同的數(shù)據(jù)集所應(yīng)用的目的雖然不同，但是對(duì)它們進(jìn)行加工處理的技術(shù)與方法卻是通用的，主要的數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)包括“多元異構(gòu)交通數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)”、“海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)”、“可視化數(shù)據(jù)處理技術(shù)”、“數(shù)據(jù)整合處理技術(shù)”、“數(shù)據(jù)挖掘處理技術(shù)”、“數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)”以及“用戶權(quán)限檢查機(jī)制”，其具體的功能架構(gòu)圖如圖3所示。

2. 高精度地圖與高精度定位的融合

在涉車(chē)領(lǐng)域進(jìn)行LBS的分析過(guò)程中，影響數(shù)據(jù)挖掘與分析的原因主要包括地圖精度與終端定位精度。將高精度地圖與高精度的定位方式相結(jié)合以最大的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，以獲得可靠的分析結(jié)果以輔助用戶進(jìn)行決策。

為使北斗終端在應(yīng)用中受環(huán)境的影響降到最低、獲得高精度定位精度，對(duì)北斗終端的定位誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，在復(fù)雜的城區(qū)環(huán)境下對(duì)定位精度影響最大的誤差源主要是電離層誤差以及多路徑偏差。對(duì)于以上兩種誤差對(duì)應(yīng)的解決途徑包括通過(guò)利用北斗二號(hào)衛(wèi)星的多頻觀測(cè)量，并其進(jìn)行合理的線性組合從而有效消除電離層誤差，還可以加速整周模糊度的收斂；同時(shí)還要重點(diǎn)消除或抑制多徑誤差，可通過(guò)采用基于窄距相關(guān)器的的多路徑估計(jì)延遲鎖定環(huán)（MEDLL）技術(shù)，來(lái)提高終端的抗多徑能力。

（1）基于北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模糊度確定技術(shù)

高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位中的RTK技術(shù)都必須使用載波相位觀測(cè)值，但是由于載波相位觀測(cè)值存在整周未知數(shù)即整周模糊度的問(wèn)題。因此要獲得高精度的定位結(jié)果，首先必須確定出整周未知數(shù)。研究設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)北斗二號(hào)衛(wèi)星三頻接收機(jī)，可利用B2頻點(diǎn)與B3頻點(diǎn)快速解除模糊度，同時(shí)優(yōu)選B1頻點(diǎn)加B2頻點(diǎn)的組合消除電離層誤差。擬采用先固定寬巷模糊度、然后固定兩個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)模糊度方法。利用寬巷觀測(cè)值波長(zhǎng)長(zhǎng)、電離層影響和噪聲相對(duì)較小的優(yōu)點(diǎn)，有利于快速確定整周模糊度。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)多歷元?jiǎng)討B(tài)模糊度確定，消去動(dòng)態(tài)定位中時(shí)刻變化的坐標(biāo)參數(shù)后，可以采用卡爾曼濾波或序貫最小二乘來(lái)動(dòng)態(tài)確定模糊度。同時(shí)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理中的粗差探測(cè)方面，利用衛(wèi)星星歷提供的衛(wèi)星的健康性、穩(wěn)健估計(jì)、冗余觀測(cè)值、殘差相關(guān)性粗差探測(cè)、歷元間差分等方法，可進(jìn)行實(shí)時(shí)粗差探測(cè)和剔除；在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量控制方面，將研究數(shù)據(jù)預(yù)處理、載波相位模糊度確定過(guò)程中的質(zhì)量控制，以保證模糊度確定的正確性和可靠性。

（2）MEDLL多路徑抑制技術(shù)

多路徑估計(jì)延遲鎖定環(huán)（MEDLL）是一種基于窄距相關(guān)器的軟硬件結(jié)合的多路徑信號(hào)抑制技術(shù)，實(shí)踐證明能有效的減少碼相位和載波相位測(cè)量值的多路徑效應(yīng)，消除窄距相關(guān)接收機(jī)中90%的多路徑效應(yīng)，性能上接近于沒(méi)有多路徑情況下的測(cè)量精度理論值，故擬采用該技術(shù)抑制多路徑效應(yīng)。MEDLL解決這一問(wèn)題的思路是：在跟蹤環(huán)路中充分考慮到多徑的影響，在積分器進(jìn)行本地相關(guān)運(yùn)算的時(shí)候，在本地產(chǎn)生一個(gè)帶有當(dāng)前多徑特性的信號(hào)，由于本地信號(hào)的波形更接近多徑信道環(huán)境下的接收信號(hào)，因此可以抵消由于多徑信號(hào)存在而對(duì)S曲線平衡點(diǎn)帶來(lái)的影響。MEDLL在每一個(gè)接收通道上用一列窄距相關(guān)器采樣、測(cè)量自相關(guān)函數(shù)主峰，應(yīng)用最大似然法反解、估算直射信號(hào)和反射信號(hào)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多徑誤差校正。

四、北斗智能交通綜合服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用示范

1. 公共交通應(yīng)用示范

公共交通系統(tǒng)是以智能交通綜合服務(wù)平臺(tái)的涉車(chē)數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、汽車(chē)專用電子標(biāo)識(shí)技術(shù)、信息處理技術(shù)、電子通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和地理信息技術(shù)等技術(shù)的綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)公交車(chē)與出租車(chē)的運(yùn)營(yíng)調(diào)度智能化、公共交通車(chē)輛的信息化和可視化，實(shí)現(xiàn)面向公眾乘客的公共交通信息服務(wù)與車(chē)輛監(jiān)管分析，通過(guò)建立營(yíng)運(yùn)管理系統(tǒng)和連接公共交通車(chē)輛的車(chē)載終端信息網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)對(duì)運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的指揮調(diào)度、運(yùn)營(yíng)監(jiān)管以及采集數(shù)據(jù)的分析，推動(dòng)公共交通的健康發(fā)展。

建設(shè)本公共交通系統(tǒng)的思想內(nèi)核是借助先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，結(jié)合人性化的設(shè)計(jì)理念，構(gòu)造一套精密、復(fù)雜、龐大的公交車(chē)聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)，為公共交通運(yùn)營(yíng)體系提供可視化服務(wù)，進(jìn)而為公眾出行提供便捷服務(wù)，為公眾出行安全提供有力的保障。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖4所示，包括公交示范應(yīng)用、四個(gè)子系統(tǒng)、多個(gè)服務(wù)接口。

2. 車(chē)輛監(jiān)管應(yīng)用示范

車(chē)輛監(jiān)管系統(tǒng)對(duì)城市的特種車(chē)輛包括公務(wù)用車(chē)、危險(xiǎn)品車(chē)輛等安裝北斗導(dǎo)航終端和電子車(chē)牌標(biāo)識(shí)，建立基于北斗導(dǎo)航和電子車(chē)牌的車(chē)輛監(jiān)管系統(tǒng)，本系統(tǒng)由車(chē)載終端子系統(tǒng)、車(chē)輛監(jiān)管子系統(tǒng)、應(yīng)急指揮子系統(tǒng)、公共服務(wù)子系統(tǒng)四部分組成。該系統(tǒng)利用北斗導(dǎo)航技術(shù)與車(chē)輛電子車(chē)牌相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)全方位、全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)管與應(yīng)急服務(wù)，可為相關(guān)部門(mén)提供車(chē)輛位置信息、車(chē)輛速度信息和駕駛員狀態(tài)信息等，對(duì)正處于超速、拋錨、遇劫等情況的運(yùn)輸車(chē)輛采取報(bào)警、自動(dòng)熄火等應(yīng)急措施，建立涵蓋運(yùn)輸市場(chǎng)管理、運(yùn)政管理、運(yùn)輸安全管理等業(yè)務(wù)領(lǐng)域的綜合車(chē)輛管理系統(tǒng)，進(jìn)一步改目前車(chē)輛運(yùn)營(yíng)管理體系的效率，實(shí)現(xiàn)公務(wù)用車(chē)、特種車(chē)等車(chē)輛的安全監(jiān)管與服務(wù)向信息化、精細(xì)化、智能化轉(zhuǎn)變。

車(chē)輛監(jiān)管系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上可分為信息獲取、通信網(wǎng)絡(luò)和信息處理應(yīng)用中心三個(gè)層次，其中，信息獲取層集成多種信息采集方式，從CAN總線和各類傳感器持續(xù)不斷地采集發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)、車(chē)輛狀況信息及駕駛員的操控行為，以及記錄車(chē)輛所在位置；通信網(wǎng)絡(luò)層完成信息的傳遞；數(shù)據(jù)處理應(yīng)用中心將接收到的海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、整理，并將駕駛員不良的駕駛行為、油耗數(shù)據(jù)、車(chē)輛運(yùn)行情況、維修保養(yǎng)計(jì)劃等內(nèi)容以直觀的報(bào)告、圖表等形式展現(xiàn)出來(lái)。車(chē)輛監(jiān)管系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖5所示。

五、結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)城市交通當(dāng)前發(fā)展?fàn)顩r，通過(guò)融合北斗導(dǎo)航定位技術(shù)，再結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，以城市空間信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，整合動(dòng)靜態(tài)交通數(shù)據(jù)，研制北斗智能交通應(yīng)用終端和電子車(chē)牌終端，打造智能交通綜合服務(wù)平臺(tái)，形成公共交通應(yīng)用示范和車(chē)輛監(jiān)管應(yīng)用示范，推動(dòng)北斗導(dǎo)航產(chǎn)品在智慧交通上的應(yīng)用和發(fā)展。

[1]于淵, 雷利軍, 景澤濤, 等. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)內(nèi)智能交通等領(lǐng)域的應(yīng)用分析[J].工程研究——跨學(xué)科視野中的工程, 2014, 6(1):86-91.

[2]Ding Z, Yang B, Chi Y, et al. Enabling Smart Transportation Systems: A Parallel Spatio-Temporal Database Approach [J].IEEE Transactions on Computers,2016, 65(5):1377-1391.

[3]周田, 張輝, 張翔. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用[J]. 全球定位系統(tǒng), 2015(1):82-85.

[4]Hu X, Giang N K, Shen J, et al. Towards Mobility-as-a-Service to Promote Smart Transportation[C]//Vehicular Technology Conference (VTC Fall), 2015 IEEE 82nd.IEEE,2015:1-5.

[5]Rathore M M, Ahmad A, Paul A, et al. Exploiting Real-Time Big Data to Empower Smart Transportation using Big Graphs[C]//Region 10 Symposium (TENSYMP),2016 IEEE.IEEE, 2016: 135-139.

[6]唐金元.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用綜述[J].全球定位系統(tǒng),2013(5):47-52.