基于BDS/GPS導(dǎo)航的公路智能化作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

朱光祖

摘要：廣西一些橫穿崇山峻嶺地帶的高速公路具有橋隧多、邊坡多且陡峭等特征，為了保障這些高速公路施工作業(yè)人員的安全并提高管理效率，文章提出并設(shè)計(jì)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)，通過智能導(dǎo)航、感知和預(yù)警等方式，有效突破傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)管理的短板，使施工管理達(dá)到高效化和智能化。

關(guān)鍵詞：高速公路；智能化；DBS；GPS

中圖分類號(hào)：U491.2 A 61 202 3

0 引言

近年來，隨著高速公路里程的不斷增加，各地高速公路在施工養(yǎng)護(hù)上投入了大量的人力和資金。隨著智慧交通“云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”等新一代信息技術(shù)的發(fā)展和突破，公路養(yǎng)護(hù)也逐漸邁入“智能養(yǎng)護(hù)”的行列［1］。

處于廣西山川地帶的高速公路，其養(yǎng)護(hù)困難、成本高，且由于地勢(shì)問題，極大地降低了養(yǎng)護(hù)施工人員的安全系數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)的管理效率，尤其是在夜間搶修中。為了提高現(xiàn)場(chǎng)的管理效率、保證施工人員的安全，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)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高速公路施工作業(yè)方式。系統(tǒng)中利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)為施工作業(yè)人員提供導(dǎo)航、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(chǎng)管理的短板，達(dá)到高效化和智能化養(yǎng)護(hù)管理的目的。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

智能公路作業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)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)平臺(tái)組成。系統(tǒng)以智慧施工安全產(chǎn)品云平臺(tái)為核心，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(dòng)通信和BDS/GPS導(dǎo)航，將施工人員地理位置結(jié)合地圖進(jìn)行了可視化，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(chǎng)管理水平。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

本系統(tǒng)的核心技術(shù)為DBS/GPS組合導(dǎo)航技術(shù)，該系統(tǒng)可以通過BDS和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)BDS或GPS導(dǎo)航信息作測(cè)量并解算，以形成測(cè)量值，并從這些測(cè)量值中計(jì)算出BDS和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差并校正。其相對(duì)于基于BDS或GPS單模式導(dǎo)航具有更高的精度［2］。

衛(wèi)星導(dǎo)航的實(shí)質(zhì)就是通過測(cè)量衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離來確定用戶的位置［3］，即：

P=c×（T0－T1）（1）

式中：P——用戶位置距離；

c——常數(shù)，3×108 m/s；

T0——衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)刻；

T1——接收機(jī)信號(hào)接收時(shí)刻。

由三角形定理可得，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(jī)的時(shí)鐘差，因此傳統(tǒng)的單一模式導(dǎo)航至少需要4顆衛(wèi)星才能求解，關(guān)于偽距觀測(cè)值的四參數(shù)方程為：

ρn=（xn－x）2+（yn－y）2+（zn－z）2+c·tr （2）

式中：ρn——偽距觀測(cè)值；

（xn，yn，zn）——衛(wèi)星坐標(biāo)；

（x，y，z）——接收機(jī)坐標(biāo)；

c——常數(shù)；

tr——接收機(jī)時(shí)鐘差。

本文采用的BDS/GPS組合導(dǎo)航技術(shù)還需要考慮BDS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的時(shí)間差TB_D，因此該系統(tǒng)關(guān)于偽距觀測(cè)值的五參數(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+nρB1ρB2=（x－xB2）2+（y－yB2）2+（z－zB2）2+c·tr+nρB2ρBm=（x－xBm）2+（y－yBm）2+（z－zBm）2+c·tr+nρBmρG1=（x－xG1）2+（y－yG1）2+（z－zG1）2+c·tr+TB_D+nρG1ρG2=（x－xG2）2+（y－yG2）2+（z－zG2）2+c·tr+TB_D+nρG2ρGn=（x－xGn）2+（y－yGn）2+（z－zGn）2+c·tr+TB_D+nρGn

（3）

式中，（m+n）≥5，nρ為偽距觀測(cè)的總誤差項(xiàng)，偽距觀測(cè)值ρBm、ρGn可由導(dǎo)航電文報(bào)獲取，（xBm，yBm，zBm），（xGn，yGn，zGn）可由發(fā)射時(shí)刻的星歷數(shù)計(jì)算出。由BDS/GPS雙模式系統(tǒng)的導(dǎo)航流程如圖2所示。

2 硬件系統(tǒng)及功能介紹

在硬件設(shè)計(jì)中，Luat Air820UG導(dǎo)航模塊和4G通信模塊為各終端的核心模塊?；诖藰?gòu)建了終端的導(dǎo)航電路、通信電路和預(yù)警電路等。并用中科微的測(cè)試軟件和程序?qū)υO(shè)計(jì)的導(dǎo)航模塊進(jìn)行了效果測(cè)試，其結(jié)果如圖3所示。圖3（a）Gn（n=6，7，10…）的縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)GPS衛(wèi)星搜星值，Bm（m=1，2，3…）的縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)BDS衛(wèi)星搜星值，該值越高越利于導(dǎo)航。由圖3（a）可知，通過BDS/GPS雙模式導(dǎo)航獲得不小于5顆可視衛(wèi)星的平均搜星值大于單獨(dú)的GPS或BDS模式不小于4顆可視衛(wèi)星的平均搜星值，說明通過BDS/GPS雙模導(dǎo)航相對(duì)于BDS或GPS單模式具有更精確的導(dǎo)航效果。圖3（b）展示了終端分別在GPS和DBS模式下導(dǎo)航所需時(shí)長(zhǎng)，對(duì)于DBS導(dǎo)航，其導(dǎo)航質(zhì)量高于No Fix即為導(dǎo)航成功；對(duì)于GPS導(dǎo)航，其導(dǎo)航質(zhì)量高于Invalid即為導(dǎo)航成功。由圖3（b）可知，本文所設(shè)計(jì)的終端無論是在GPS還是在DBS模式下均可實(shí)現(xiàn)秒級(jí)的導(dǎo)航。基于導(dǎo)航電路和通信電路，構(gòu)建了語(yǔ)音播報(bào)電路、接近感應(yīng)電路、視頻電路等，形成了智慧反光衣、智慧安全帽和智慧錐筒等一系列智能終端［4］。

2.1 智慧反光衣

智慧反光衣在導(dǎo)航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(dòng)示警電路等。該終端導(dǎo)航精度可達(dá)到10 m以內(nèi)，配合平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)軌跡、歷史軌跡回放，可以滿足管理人員對(duì)公路現(xiàn)場(chǎng)施工人員的有效管理、精準(zhǔn)調(diào)配。同時(shí)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(dòng)警示，為施工人員作業(yè)提供安全保障。

2.2 智慧安全帽

智慧安全帽在導(dǎo)航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，支持衛(wèi)星導(dǎo)航、軌跡跟蹤，并集成了高清攝像的功能，管理者可以實(shí)現(xiàn)對(duì)佩戴安全帽養(yǎng)護(hù)人員的高效調(diào)用。當(dāng)遇見緊急情況時(shí)，還可一鍵攝像進(jìn)行本地存儲(chǔ)，為事后事件分析提供有效的證據(jù)。在安全方面，智慧安全帽實(shí)現(xiàn)了佩戴檢測(cè)、加速度檢測(cè)、靜默警示、一鍵求救等功能，來保證佩戴人員的安全。

2.3 智慧錐筒

智慧錐筒在導(dǎo)航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(yǔ)音播報(bào)模塊等。智慧錐筒通過GPS和BDS系統(tǒng)的導(dǎo)航和視頻技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)道路異常信息的實(shí)時(shí)采集，并接入百度地圖交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)。施工人員在施工區(qū)域擺放后，設(shè)備自動(dòng)導(dǎo)航，自動(dòng)上傳位置，通過導(dǎo)航等移動(dòng)終端軟件產(chǎn)品實(shí)時(shí)發(fā)布，并在距離施工現(xiàn)場(chǎng)超過2 km的位置精準(zhǔn)推送施工預(yù)警信息，播報(bào)語(yǔ)音提示車輛提前減速，安全通過施工區(qū)域，保障人身安全，提升社會(huì)安全效益。

3 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

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(tái)管理中心和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器。后臺(tái)服務(wù)器軟件將4G節(jié)點(diǎn)傳輸回來的各終端數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，并通過自定義數(shù)據(jù)處理方案進(jìn)行分析。然后通過SVG矢量圖技術(shù)將后臺(tái)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［5］。

軟件平臺(tái)的主要功能包括信息采集、遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)警示三大部分。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖4所示。

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(tái)服務(wù)器端通過4G網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，并通過加密的MQTT服務(wù)會(huì)話，提升數(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(shí)時(shí)收發(fā)和處理。

在用戶端可以通過手機(jī)APP、微信小程序或PC網(wǎng)頁(yè)，觀察智能終端佩戴者的行動(dòng)軌跡或安裝狀況，以及控制智能終端發(fā)出示警或語(yǔ)音播報(bào)。實(shí)現(xiàn)智慧反光衣、智慧安全帽和智慧錐桶等的聯(lián)動(dòng)，為現(xiàn)場(chǎng)的施工人員提供安全保障。如圖5所示，監(jiān)控界面可顯示智能反光衣佩戴者的行動(dòng)軌跡以及由智慧錐桶圈起來的危險(xiǎn)區(qū)域，上級(jí)管理人員可以通過用戶平臺(tái)有效調(diào)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員，提高施工的效率。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

目前，本系統(tǒng)已應(yīng)用于賀州至巴馬高速公路、南平高速公路等各個(gè)路段的養(yǎng)護(hù)。所提出系統(tǒng)所包含的終端，均為道路養(yǎng)護(hù)人員作業(yè)的必需品，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。使用智慧安全錐桶加警示牌提醒過往車輛減速，降低車速率平均可達(dá)40%，而使用傳統(tǒng)錐桶加警示牌，平均降低車速率僅為25%；在高速公路邊坡橋梁等危險(xiǎn)地段作業(yè)，穿戴智能安全帽作業(yè)時(shí)，平均每小時(shí)通過現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境分析對(duì)施工人員的安全提示可達(dá)13次，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全防范意識(shí)；在現(xiàn)場(chǎng)施工人員調(diào)用中，調(diào)用智慧安全衣和安全帽穿戴人員相對(duì)于調(diào)用穿戴傳統(tǒng)安全衣和安全帽的施工人員節(jié)省了60%的時(shí)間［時(shí)間節(jié)省率=（傳統(tǒng)安全調(diào)用時(shí)間-智慧安全調(diào)用時(shí)間）/傳統(tǒng)安全調(diào)用時(shí)間］。通過應(yīng)用期間維護(hù)通信光纜的過程表明，使用智能作業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行施工作業(yè)，相對(duì)于使用傳統(tǒng)產(chǎn)品在施工人員的安全保障、管理效率方面均有提高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前高速公路施工存在的安全隱患設(shè)計(jì)了一套適用于高速公路流動(dòng)性的智能作業(yè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用BDS/GPS雙模式導(dǎo)航技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的單一模式導(dǎo)航方式，導(dǎo)航的效果得到了提升，并通過4G無線通信的方式，保證了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)返回的可靠性和時(shí)效性。該系統(tǒng)提高了高速公路上流動(dòng)性施工作業(yè)人員的安全保障，結(jié)合軟件運(yùn)維平臺(tái)有效地提高了管理的可調(diào)性，節(jié)省了運(yùn)維人力，并通過實(shí)際運(yùn)用案例驗(yàn)證了所提出系統(tǒng)的可實(shí)施性。

參考文獻(xiàn)

［1］高輝光.基于大數(shù)據(jù)的高速公路智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)研究［J］.交通科技與管理，2021（25）：2.

［2］邵志超，熊偉峰，張建通，等.高速公路智慧養(yǎng)護(hù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究［J］.中國(guó)交通信息化，2022（S1）：444-448.

［3］康朋飛.GPS/BDS組合系統(tǒng)偽距聯(lián)合單點(diǎn)導(dǎo)航算法的對(duì)比分析［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2019，27（19）：127-130，135.

［4］陳 亮，李 超，師鵬宇，等.BDS/GPS組合導(dǎo)航定位研究［J］.無線電工程，2020，50（3）：227-231.

［5］李苗華，戴劍軍，李向東，等.基于智慧路錐的取消高速公路省界收費(fèi)站工程占道施工安全保障方案研究［J］.湖南交通科技，2021，47（4）：138-140.

收稿日期：2023-07-20