基于BDS/GPS系統(tǒng)的智能公路作業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘要：為優(yōu)化高速公路養(yǎng)護系統(tǒng)，文章提出了基于BDS/GPS雙模式導(dǎo)航系統(tǒng)的智能公路作業(yè)系統(tǒng)，通過智能定位、感知和預(yù)警等方式，有效突破傳統(tǒng)現(xiàn)場管理的短板，達到高效化和智能化養(yǎng)護管理的目的。

關(guān)鍵詞：高速公路；智能定位；DBS；GPS

中圖分類號：U491.5+9 A 54 178 3

0 引言

“十三五”以來，全國累計投入養(yǎng)護資金1.29萬億元，實施公路預(yù)防養(yǎng)護135.6萬km、修復(fù)養(yǎng)護165.2萬km，實施公路安全生命防護工程116萬km，在公路的養(yǎng)護上投入了大量的人力和資金。從工業(yè)智能、農(nóng)業(yè)智能、醫(yī)療智能等智能化管理的有效實施經(jīng)驗來看，公路“智能養(yǎng)護”亦可以有效地降低在公路養(yǎng)護上投入的人力和資金。隨著智慧交通“云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市”等新一代信息技術(shù)的突破和發(fā)展，公路養(yǎng)護領(lǐng)域也逐漸向“智能養(yǎng)護”發(fā)展［1］。

交通運輸部印發(fā)了《“十四五”公路養(yǎng)護管理發(fā)展綱要》，再次強調(diào)了研制推廣基于人工智能的自動化巡查、基于物聯(lián)網(wǎng)的養(yǎng)護工程質(zhì)量管理等養(yǎng)護智能化應(yīng)用。針對傳統(tǒng)的公路養(yǎng)護管理方式，對現(xiàn)場人員調(diào)度、安全生產(chǎn)、應(yīng)急指揮通訊慢、成本高和管理難等多方面的問題，本文提出了基于BDS/GPS雙模式導(dǎo)航系統(tǒng)的智能公路作業(yè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)為施工作業(yè)人員提供定位、感知和預(yù)警三位一體的智能終端，可有效突破傳統(tǒng)現(xiàn)場管理的短板，達到高效化和智能化的養(yǎng)護管理目的。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)簡介

智能公路作業(yè)系統(tǒng)由智能安全衣、智能安全帽、智能錐桶等智能終端和軟件系統(tǒng)組成。系統(tǒng)以智慧施工安全產(chǎn)品云平臺為核心，以智慧反光衣及相關(guān)智慧施工安全用品作為終端，利用4G移動通信和BDS/GPS定位，將施工人員地理位置結(jié)合地圖進行可視化，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)智能分析，向終端發(fā)出預(yù)警，提高施工安全和現(xiàn)場管理水平。如圖1所示。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)的核心技術(shù)為BDS/GPS組合定位技術(shù)，該系統(tǒng)可以通過BDS和GPS對導(dǎo)航信息作測量并解算，以形成量測值，并從這些量測值中計算出BDS和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差并校正。其相對于BDS或GPS單模式定位具有更高的精度［2］。其技術(shù)理論如下。

衛(wèi)星定位的實質(zhì)就是通過測量衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離來確定用戶的位置［3］，即：

c×（T0-T1）（1）

式中：c——取3×108 m/s；

T0——衛(wèi)星信號發(fā)射時刻；

T1——接收機信號接收時刻。

求解衛(wèi)星的空間坐標(biāo)至少需要3顆衛(wèi)星，由于存在接收機的時差，因此傳統(tǒng)的單一模式定位至少需要4顆衛(wèi)星才能求解。關(guān)于偽距離觀測量的四參數(shù)方程為：

ρn=（xn-x）2+（yn-y）2+（zn-z）2+c·tr（2）

式中：ρn——偽距離觀測量；

（xn，yn，zn）——衛(wèi)星坐標(biāo)；

（x，y，z）——接收機坐標(biāo)；

c——常數(shù)；

tr——接收機時鐘差。

本文采用的BDS/GPS組合定位技術(shù)還需要考慮BDS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的時間差TB_D，因此關(guān)于偽距離觀測量的五參數(shù)（x，y，z，tr，TB_D）方程組可表示為：

ρB1=（x-xB1）2+（y-yB1）2+（z-zB1）2+c·tr+nρB1

ρB2=（x-xB2）2+（y-yB2）2+（z-zB2）2+c·tr+nρB2

ρBm=（x-xBm）2+（y-yBm）2+（z-zBm）2+c·tr+nρBm

ρG1=（x-xG1）2+（y-yG1）2+（z-zG1）2+c·tr+TB_D+nρG1

ρG2=（x-xG2）2+（y-yG2）2+（z-zG2）2+c·tr+TB_D+nρG2

ρGn=（x-xGn）2+（y-yGn）2+（z-zGm）2+c·tr+TB_D+nρGn

（3）

式中：（m+n）——取值≥5；

nρ——偽距離觀測的總誤差項；

ρBm——偽距離觀測量；

ρGn——可由導(dǎo)航電文報獲??；

（xBm，yBm，zBm），（xGn，yGn，zGn）——可由發(fā)射時刻的星歷數(shù)計算出。

基于BDS/GPS系統(tǒng)的智能公路作業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用研究/韋國標(biāo)

那么，BDS/GPS雙模式系統(tǒng)的定位流程如圖2所示。

圖2 BDS/GPS雙模式系統(tǒng)定位流程圖

2 硬件系統(tǒng)及功能介紹

在硬件設(shè)計中，Luat Air820UG定位模塊和4G通信模塊為各終端的核心模塊?；诖藰?gòu)建了終端的定位電路和通信電路，并用中科微的測試軟件和程序進行定位測試，其結(jié)果如圖3所示。圖3（a）中縱坐標(biāo)表示該衛(wèi)星的搜星值，該值越高越利于定位。圖3（b）為終端的定位時長，兩條虛線分別為GPS衛(wèi)星和BDS衛(wèi)星的定位情況，若虛線部分高于NO Fix點或Invalid點，則表示為定位成功，反之表示無法定位。由圖3（b）可知，本文所設(shè)計的終端的坐標(biāo)定位是可以秒響應(yīng)的。以該定位電路和通信電路為核心，構(gòu)建了語音播報電路、接近感應(yīng)電路、視頻電路等，形成了智能反光衣、智能安全帽和智能錐桶等一系列智能終端［4］。

2.1 智能反光衣

智能反光衣在定位電路和通信電路的基礎(chǔ)上構(gòu)建了接近感應(yīng)電路、震動示警電路等。該終端定位精度可達到10 m以內(nèi)，配合平臺可實現(xiàn)實時軌跡、歷史軌跡回放，可以滿足管理人員對公路現(xiàn)場施工人員的有效管理、精準(zhǔn)調(diào)配。在安全方面，其可根據(jù)環(huán)境亮度，智能開啟LED燈閃爍，并配合聲音、震動警示，提高養(yǎng)護人員在施工作業(yè)時的安全保障。

2.2 智能安全帽

智能安全帽在定位電路和通信電路的基礎(chǔ)上構(gòu)建了視頻電路、加速度感應(yīng)電路等，同樣支持衛(wèi)星定位、軌跡跟蹤，并集成了高清攝像的功能，管理者可以實現(xiàn)對佩戴安全帽養(yǎng)護人員的高效調(diào)用。當(dāng)遇見緊急情況時，還可一鍵攝像進行本地存儲，為事后事件的分析提供有效的證據(jù)。在安全方面，智慧安全帽實現(xiàn)了佩戴檢測、加速度檢測、靜默警示、一鍵求救等功能，以保證佩戴人員的安全。

2.3 智能錐桶

智能錐桶在定位電路和通信電路的基礎(chǔ)上構(gòu)建了放倒感應(yīng)電路以及無線語音播報模塊等，其通過GPS和BDS系統(tǒng)的定位，可自動實現(xiàn)道路異常信息的實時精準(zhǔn)采集，并與百度地圖交通大數(shù)據(jù)平臺進行無縫對接，施工人員在施工區(qū)域無感擺放后，設(shè)備自動定位、自動上傳位置，實時通過導(dǎo)航等移動終端軟件產(chǎn)品予以發(fā)布，并在距離施工現(xiàn)場2 km的位置精準(zhǔn)推送施工預(yù)警信息，播報語音提示社會車輛提前減速，安全通過施工區(qū)域，保障人身安全，提升社會安全效益［5］。

3 軟件平臺設(shè)計

基于BDS/GPS雙模式導(dǎo)航系統(tǒng)的智能公路作業(yè)系統(tǒng)軟件主要分為后臺管理中心和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。后臺服務(wù)器軟件將4G節(jié)點傳輸回來的各終端數(shù)據(jù)進行分類存儲，并通過自定義數(shù)據(jù)處理方案進行分析；然后通過SVG矢量圖技術(shù)將后臺數(shù)據(jù)可視化，并提供給標(biāo)準(zhǔn)化接口的前端軟件應(yīng)用。

系統(tǒng)的主要功能包括信息采集、遠程控制和自動警示三大部分。其網(wǎng)路拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 BDS/GPS雙模式導(dǎo)航系統(tǒng)的智能公路作業(yè)系統(tǒng)軟件

設(shè)計圖

軟件拓?fù)鋱D包含了智能反光衣、安全帽、錐桶等終端，以及4G通信模塊、服務(wù)器、管理中心和用戶端。在服務(wù)器端，后臺服務(wù)器端通過4G網(wǎng)關(guān)服務(wù)器進行通信，并通過加密的MQTT服務(wù)會話，解決數(shù)據(jù)并發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院桶踩?，保證了數(shù)據(jù)的實時收發(fā)和處理。

用戶端可以通過手機APP、微信小程序或PC網(wǎng)頁，觀察智能終端佩戴者的行動軌跡或安裝狀況，以及控制智能終端發(fā)出示警或語音播報，實現(xiàn)智能反光衣和智能錐桶、智能安全帽和智能錐桶等終端的聯(lián)動，為現(xiàn)場的施工人員提供安全保障。同時上級管理人員可以通過用戶平臺有效調(diào)動現(xiàn)場工作人員，提高施工的效率。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

目前所提出的基于BDS/GPS雙模式導(dǎo)航系統(tǒng)的智能公路作業(yè)系統(tǒng)，主要運用于廣西沿海高速公路的施工現(xiàn)場。系統(tǒng)所包含的終端，皆為道路養(yǎng)護人員道路作業(yè)的必須用品，可以有效地使施工人員從傳統(tǒng)的反光衣、安全帽、錐桶等過渡到智能產(chǎn)品使用中。通過移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、感知傳感器、高清防抖攝像頭、人工智能等技術(shù)，實現(xiàn)語音操控、實時視頻、拍照、錄像、錄音、實時對講、定位、電子圍欄、安全防護預(yù)警、人臉識別、視頻行為分析等功能。數(shù)據(jù)傳輸有在線實時上傳與離線存儲兩種方式，通過與現(xiàn)場作業(yè)智能管控平臺交互，可實現(xiàn)遠程調(diào)度、專家指導(dǎo)。在智能安全帽中還融合人工智能技術(shù)進行現(xiàn)場視頻的行為分析、物體檢測、人臉識別等，實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)、安全管控、缺陷分析、風(fēng)險預(yù)警等業(yè)務(wù)場景與行業(yè)解決方案。

5 結(jié)語

本文對當(dāng)前高速公路施工的現(xiàn)狀和存在的問題進行了分析，針對性地設(shè)計了一套適用于高速公路流動性作業(yè)的智能系統(tǒng)。通過設(shè)計BDS/GPS雙模式定位系統(tǒng)，相對傳統(tǒng)的單一模式定位方式，定位的效果得到了提高，并通過4G通信的方式，保證了現(xiàn)場數(shù)據(jù)返回的可靠性和時效性，提高了高速公路上流動性施工作業(yè)人員的安全保障，結(jié)合軟件運維平臺有效提高了管理的可調(diào)性，節(jié)省了運維人力，并通過實際運用案例驗證了該系統(tǒng)的可實施性。

參考文獻

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收稿日期：2022-12-10