北斗在智慧交通中的融合應(yīng)用

文 | 姜慧

1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司

2.北斗導(dǎo)航裝備與時空信息技術(shù)鐵路行業(yè)工程研究中心

隨著5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)的不斷向前發(fā)展，融合北斗、建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(tǒng)（GIS）等技術(shù)的智慧交通解決方案成為解決當(dāng)前復(fù)雜交通難題、提升交通管理效率、改善交通出行質(zhì)量的有效途徑，已在全國范圍內(nèi)得到不同程度的應(yīng)用[1]。面向數(shù)字交通全面綜合的立體感知、泛在的網(wǎng)絡(luò)鏈接和智能融合的交通模型分析需求，加強(qiáng)基于北斗的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，研發(fā)北斗智慧交通平臺系統(tǒng)，有助于加快構(gòu)建城市數(shù)字交通精準(zhǔn)時空信息基座，建立高效暢通、綠色環(huán)保、安全統(tǒng)一的現(xiàn)代化數(shù)字化交通運(yùn)輸體系，為未來城市智慧交通規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、管理、運(yùn)維等全生命周期提供關(guān)鍵支撐[2]。

一、智慧交通及北斗發(fā)展簡述

1．智慧交通技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

“智慧交通”起源于美國在20 世紀(jì)90 年代初提出的“智能交通”理念，智能交通主要是通過集成通信、數(shù)據(jù)傳輸、多元傳感、衛(wèi)星、計(jì)算機(jī)及交通工程等技術(shù)，并將其融合應(yīng)用于交通運(yùn)輸管理流程中，發(fā)揮人、車、路的協(xié)同效應(yīng)，提升交通運(yùn)輸效率，保障交通運(yùn)輸安全，改善交通運(yùn)輸環(huán)境與質(zhì)量[3]。2009 年，IBM 基于自身信息技術(shù)發(fā)展與探索，創(chuàng)新型提出“智慧交通”概念，它將云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等高新信息技術(shù)融入傳統(tǒng)交通信息領(lǐng)域，旨在提供面向交通全生命周期的實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)。通過構(gòu)建多應(yīng)用場景下的交通數(shù)據(jù)模型，搜集、分析并處理海量交通數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了新技術(shù)體系下智慧交通綜合系統(tǒng)的實(shí)時性、交互性、廣泛性等[4]。隨著智慧交通內(nèi)涵的不斷豐富與建設(shè)內(nèi)容的不斷實(shí)踐，已逐步形成了多元、便捷、安全、舒適、環(huán)保的智慧交通新模式，通過加強(qiáng)人與技術(shù)的良性互動，聚焦交通數(shù)據(jù)價值，聚合交通業(yè)務(wù)生態(tài)，重視交通管理賦能，構(gòu)建了能夠廣泛服務(wù)于大眾交通出行、文化旅游、交通運(yùn)輸?shù)纫惑w的交通行業(yè)數(shù)字化服務(wù)與應(yīng)用體系，有效解決了傳統(tǒng)交通信息不暢、管理紊亂等問題。

早在20 世紀(jì)60 年代，美國、歐洲、日本、新加坡等便開始了在智慧交通領(lǐng)域的建設(shè)與應(yīng)用探索[5]。美國專門成立智能交通協(xié)會，在車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、交通安全等多領(lǐng)域展開研究探索；歐洲提出實(shí)施聯(lián)合計(jì)劃，旨在打造基于交通信息、車輛控制、交通服務(wù)等系統(tǒng)在內(nèi)的智能化道路協(xié)同網(wǎng)絡(luò)；日本明確了交通道路信息化發(fā)展是交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展的基本國策。國內(nèi)在20 世紀(jì)90 年代開始關(guān)注智慧交通相關(guān)的技術(shù)研究與應(yīng)用，致力于到2035 年實(shí)現(xiàn)全國交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化率達(dá)90%[6]。雄安新區(qū)開展了基于交通全生命周期數(shù)據(jù)的數(shù)字化交通運(yùn)營；北京開展了“全車無人自動駕駛示范應(yīng)用”，全市無人駕駛示范應(yīng)用道路將擴(kuò)至500km2；深圳著重搭建了交通監(jiān)測預(yù)警平臺體系，打造了近2500個信控路口；衢州開展了融合北斗的通航橋梁智能主動防撞監(jiān)控系統(tǒng)研究。

2．北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展與應(yīng)用

目前，全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo）。基于國家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用需求，我國秉承北斗系統(tǒng)建設(shè)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略部署，經(jīng)過近三十年的不懈努力與艱苦奮斗，中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)科學(xué)家們突破國外技術(shù)與原材料等多重封鎖，于2020 年7 月31 日正式向全球宣告北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)開通提供服務(wù)，由此拉開了北斗系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)應(yīng)用的帷幕。

截至目前，基于北斗高精度定位、北斗導(dǎo)航、北斗統(tǒng)一授時及北斗短報(bào)文通信技術(shù)的應(yīng)用愈加豐富，產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系不斷完善，打造了涵蓋政、產(chǎn)、學(xué)、研、用在內(nèi)的北斗全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈，形成了特色鮮明、形式多樣、成效顯著的北斗技術(shù)與產(chǎn)品融合應(yīng)用體系[7]。我國使用北斗定位技術(shù)的終端設(shè)備已超過10 億臺/套；安裝北斗模塊的運(yùn)營車輛近800 萬輛；安裝部署北斗自動駕駛系統(tǒng)的農(nóng)用機(jī)械超10萬臺/套；近2600 處大中小型水庫應(yīng)用了北斗水文監(jiān)測；在全國范圍內(nèi)，已投放配備國產(chǎn)自主北斗芯片的共享單車超500 萬輛；基于國產(chǎn)自主北斗的車道級高精度導(dǎo)航，已在多個城市試點(diǎn)應(yīng)用；發(fā)布了全球首款支持國產(chǎn)北斗短報(bào)文通信系統(tǒng)的智能手機(jī)終端。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在各行業(yè)領(lǐng)域的全面綜合應(yīng)用，已成為推動國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展的時空基石和重要引擎[8]。

3．智慧交通發(fā)展政策導(dǎo)向

智慧交通作為未來智慧城市發(fā)展的重要內(nèi)容，是未來數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要引擎。為了進(jìn)一步加快數(shù)字化新興技術(shù)與交通領(lǐng)域的融合創(chuàng)新應(yīng)用，我國研究制定了一系列針對智慧交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、系統(tǒng)平臺搭建、交通產(chǎn)業(yè)數(shù)字化發(fā)展等相關(guān)政策，助力打造涵蓋交通全生命周期的產(chǎn)業(yè)鏈體系。在國家層面，國家《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》明確要求部署北斗信息基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，打造北斗全球海上遇險通信與搜救支持系統(tǒng)工程；《“十四五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》提出要加快北斗導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用，開展交通先導(dǎo)應(yīng)用項(xiàng)目試點(diǎn)；《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》闡述了未來國家交通自主創(chuàng)新發(fā)展的重要內(nèi)涵。在地方層面，各省市地區(qū)紛紛響應(yīng)國家號召，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展與交通現(xiàn)狀特點(diǎn)，出臺了符合自身發(fā)展需求的智慧交通發(fā)展政策與規(guī)劃。如《湖北省綜合交通運(yùn)輸發(fā)展“十四五”規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)了構(gòu)建智慧交通數(shù)字采集體系、網(wǎng)絡(luò)傳輸體系與智能應(yīng)用體系；《江蘇省“十四五”智慧交通發(fā)展規(guī)劃》展望了2035 年江蘇省智慧交通發(fā)展水平要邁入世界前列，交通基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化率達(dá)95%。總體來看，加強(qiáng)北斗、5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等高新技術(shù)在交通行業(yè)的應(yīng)用，提升智慧交通數(shù)字化技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用水平，打造綜合、智慧、綠色、便捷、平安的數(shù)字化智能化交通體系是未來交通行業(yè)發(fā)展的核心方向。

二、北斗賦能智慧交通融合創(chuàng)新應(yīng)用

時間信息、空間信息是人類社會生產(chǎn)生活的重要基準(zhǔn)，在當(dāng)前世界數(shù)字化發(fā)展格局下，依托全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)建精準(zhǔn)的時空信息基座已成為國家經(jīng)濟(jì)社會全方位立體發(fā)展的重要保障。北斗作為我國自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是構(gòu)建自主安全可控信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要基石，通過北斗綜合PNT 技術(shù)與多元傳感技術(shù)相融合，有助于提升傳統(tǒng)交通行業(yè)的智慧化應(yīng)用水平[9]。通過研發(fā)部署北斗智慧交通綜合服務(wù)云平臺、北斗智慧交通大數(shù)據(jù)中心，建設(shè)北斗地基增強(qiáng)站網(wǎng)系統(tǒng)，配置北斗高精度定位無人機(jī)、北斗智慧綜合桿、北斗手持/車載終端等，形成融合北斗的智慧交通管控、服務(wù)、決策以及智能駕駛體系，為城市交通發(fā)展精準(zhǔn)賦能[10]。

1．北斗智慧交通綜合服務(wù)云平臺

面向智慧交通發(fā)展與應(yīng)用實(shí)際需求，以交通業(yè)務(wù)數(shù)字化為目標(biāo)，構(gòu)建交通泛在感知數(shù)據(jù)湖，打造北斗智慧交通綜合服務(wù)云平臺，形成“N”項(xiàng)智能感知能力、匯聚“1”個大數(shù)據(jù)平臺、支撐“4”大服務(wù)應(yīng)用體系的“N+1+4”智慧交通創(chuàng)新應(yīng)用模式。通過綜合運(yùn)用北斗與新一代信息技術(shù)，形成泛在互聯(lián)的智能感知能力，搭建涵蓋北斗衛(wèi)星通信在內(nèi)的高效融合通信網(wǎng)，建設(shè)智慧交通綜合管理平臺、北斗綜合PNT 服務(wù)平臺、智慧交通大數(shù)據(jù)服務(wù)中心，為智慧交通上層服務(wù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，打造智能管控、智能服務(wù)、智能決策以及智能駕駛在內(nèi)的智慧交通體系。北斗智慧交通綜合服務(wù)云平臺總體框架如圖1 所示。

圖1 北斗智慧交通綜合服務(wù)云平臺總體框架

2．北斗智慧交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

基于智慧交通北斗應(yīng)用需求，開展區(qū)域智慧交通發(fā)展數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，包括區(qū)域北斗地基增強(qiáng)站網(wǎng)系統(tǒng)、北斗無人機(jī)場、北斗智慧綜合桿、北斗手持/車載終端、道路智能感知視頻終端、RFID 基站、北斗短報(bào)文通信終端等綜合交通基礎(chǔ)設(shè)施。通過北斗智慧交通應(yīng)用平臺，對城市交通車輛位置數(shù)據(jù)、車輛基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)、車輛行駛數(shù)據(jù)、道路綜合狀態(tài)數(shù)據(jù)、交通空間信息數(shù)據(jù)等進(jìn)行實(shí)時采集、傳輸與分析處理，為城市綜合交通提供高精度定位、高精度導(dǎo)航、應(yīng)急通信保障、危險源識別處置、綜合指揮決策等綜合服務(wù)，實(shí)現(xiàn)城市交通智慧化管理。北斗智慧交通應(yīng)用平臺總體架構(gòu)圖如圖2 所示。

1）北斗地基增強(qiáng)站網(wǎng)系統(tǒng)。根據(jù)國內(nèi)北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀情況，結(jié)合智慧交通北斗高精度位置信息需求，開展面向智慧交通服務(wù)的北斗地基增強(qiáng)站網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，充分利用包括地面移動通信、數(shù)字廣播以及衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)等多種通信手段，實(shí)現(xiàn)對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號精度和完好性性能的增強(qiáng)。為智慧交通車輛、人員、交通基礎(chǔ)設(shè)施等提供實(shí)時高精度位置服務(wù)。

2）北斗無人機(jī)場。通過部署北斗無人機(jī)、無人機(jī)場，配合北斗無人機(jī)管理系統(tǒng)等，實(shí)時標(biāo)注各設(shè)備地圖點(diǎn)位，實(shí)現(xiàn)交通道路無人值守狀態(tài)下的高頻次、常態(tài)化飛行和自動化巡檢作業(yè)，通過實(shí)時采集、傳輸、分析處理無人機(jī)數(shù)據(jù)，能夠及時感知分析路網(wǎng)事件，并將事件信息實(shí)時回傳路網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，大幅提高交通現(xiàn)場感知、應(yīng)急處置與指揮調(diào)度能力[11]。

3）北斗智慧綜合桿。通過建設(shè)部署新型北斗智慧綜合桿，集成搭載邊緣智能計(jì)算盒、北斗基準(zhǔn)站、5G 微基站、視頻監(jiān)控等設(shè)備，提供智能照明、移動通信、城市監(jiān)測、交通管理、信息交互和城市公共服務(wù)等功能，通過北斗智慧綜合桿綜合運(yùn)營管理后臺系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制和管理，實(shí)時采集交通流量、環(huán)境氣象、通行狀態(tài)等信息，提升道路綜合感知能力與路網(wǎng)事件分析處置能力[12]。北斗智慧綜合桿示意圖如圖3 所示。

圖3 北斗智慧綜合桿示意圖

4）北斗手持/車載終端。根據(jù)智慧交通路網(wǎng)監(jiān)測、養(yǎng)護(hù)巡查、道路資產(chǎn)管理等需求，配置北斗手持/車載終端，巡檢人員可通過終端向指揮中心發(fā)送信息、打電話、寫巡檢日記，也可以通過手持終端完成道路病害、道路基礎(chǔ)設(shè)施等實(shí)時數(shù)據(jù)的采集和上報(bào)；北斗車載智能道面巡查終端通過集成高分辨率高速相機(jī)、實(shí)時組合慣導(dǎo)系統(tǒng)、邊緣智能計(jì)算、高速網(wǎng)絡(luò)及4G/5G 通信等，實(shí)現(xiàn)搭載運(yùn)動平臺下的高精度實(shí)時道路病害巡查。

3．北斗智慧交通服務(wù)

（1）智能管控

基于安全高效的原則，借助北斗高精度位置服務(wù)能力，通過動態(tài)化智能感知，海量化數(shù)據(jù)支持，一體化通信保障，精準(zhǔn)化業(yè)務(wù)分析，提供科學(xué)的技術(shù)支持，構(gòu)建高速公路智能管控體系。如設(shè)置區(qū)域動態(tài)限速，通過限速及車道高精度控制等實(shí)現(xiàn)不同區(qū)段、不同車道、不同級別的車道限速，提前對車輛進(jìn)行預(yù)告提示，最大限度減少對道路通行的影響；設(shè)置匝道控制及分合流預(yù)警系統(tǒng)，有效地調(diào)控進(jìn)出高速公路的交通流量。智能管控服務(wù)示意圖如圖4所示。

（2）智能服務(wù)

通過信息集成、運(yùn)營集成、支付集成等，為用戶提供覆蓋出行前、出行中以及出行后的全鏈條智慧出行服務(wù)。如通過設(shè)置出行時間預(yù)告系統(tǒng)，在道路的情報(bào)板上顯示道路擁擠度及出行時間建議；基于北斗融合的路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施，開展智慧服務(wù)區(qū)、高速公路WiFi、智能收費(fèi)等數(shù)字化應(yīng)用，為公眾提供更好的交通出行服務(wù)。北斗智慧交通智能服務(wù)示意圖如圖5 所示。

圖4 智能管控服務(wù)示意圖

（3）智能決策

基于智慧交通智能感知設(shè)備采集的海量交通數(shù)據(jù)，通過人工智能、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，構(gòu)建智慧交通輔助決策系統(tǒng)，為交通智慧化運(yùn)營管理提供智能輔助決策。如通過專網(wǎng)、公網(wǎng)、北斗衛(wèi)星通信等空地一體化的全方位網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)語音、視頻、數(shù)據(jù)多業(yè)務(wù)融合的應(yīng)急指揮調(diào)度功能，從而滿足交通應(yīng)急事件過程中的處置需求；通過道路智能養(yǎng)護(hù)決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)道路的全壽命周期精準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，大大節(jié)省后期的運(yùn)維成本。道路養(yǎng)護(hù)巡查系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 道路養(yǎng)護(hù)巡查系統(tǒng)

（4）智能駕駛

基于智慧交通路側(cè)多元感知設(shè)備和各型車載設(shè)備終端，融合北斗、現(xiàn)代通信與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在車路協(xié)同、自動駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)車道等細(xì)分領(lǐng)域開展集成創(chuàng)新示范應(yīng)用。如在車路協(xié)同方面主要包括前方緊急制動預(yù)警、前方事故預(yù)警、異常闖入物預(yù)警、自動變道超車、自動減速、自動緊急停車等場景。道路信息自動識別如圖7 所示。

圖7 道路信息自動識別

三、結(jié)束語

本文通過分析智慧交通及北斗發(fā)展歷程，梳理智慧交通發(fā)展政策，重點(diǎn)介紹了北斗在智慧交通領(lǐng)域的融合創(chuàng)新應(yīng)用。通過研發(fā)部署北斗智慧交通綜合服務(wù)云平臺，建設(shè)北斗智慧交通基礎(chǔ)設(shè)施，開展北斗智慧交通服務(wù),為北斗技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。面向未來交通數(shù)字化發(fā)展需求，隨著城市交通水平不斷向前發(fā)展與行業(yè)特色應(yīng)用場景的不斷深化，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與新一代信息技術(shù)等相融合的整體解決方案在未來智慧交通應(yīng)用中將具有更廣闊的想象空間。