基于北斗衛(wèi)星與物聯(lián)網(wǎng)的城市智能交通系統(tǒng)的研究

●　文| 秦奮羅列峰陳龍　　上海航天測控通信研究所　2　上海航天計算機技術(shù)研究所

技術(shù)進展 Technology Progress

基于北斗衛(wèi)星與物聯(lián)網(wǎng)的城市智能交通系統(tǒng)的研究

●文| 秦奮1，2羅列峰1陳龍11上海航天測控通信研究所2上海航天計算機技術(shù)研究所

摘要：分析了北斗衛(wèi)星和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)優(yōu)勢，提出一種基于北斗衛(wèi)星與物聯(lián)網(wǎng)融合的城市智能交通系統(tǒng)，在城市交通中綜合運用北斗定位、衛(wèi)星通信、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)，闡述了車輛信息采集、路段路況采集和道路監(jiān)控調(diào)度的綜合功能，可有效改善城市交通運行效率。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星 物聯(lián)網(wǎng) 智能交通

一、 概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，是繼美國GPS和俄羅斯GLONASS之后第三個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星，提供全球范圍、全天候、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航定位和授時服務(wù)，并具有特有的短報文通信能力。2012年12月27日，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)啟動區(qū)域性正式服務(wù)，具備覆蓋亞太地區(qū)，是我國航天科技和衛(wèi)星通信向產(chǎn)業(yè)化、市場化發(fā)展的里程碑。

物聯(lián)網(wǎng)，是通過射頻識別、傳感網(wǎng)絡(luò)等方式獲取各種信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)等進行信息交互，采用智能計算技術(shù)進行信息分析處理，提供智能化的感知物質(zhì)世界能力，已被確立為國家大力發(fā)展的新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，在上海、江蘇等地先后應(yīng)用在智能交通示范工程中。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于可提供全球范圍、全天候、高精度的基于位置服務(wù)，但物體間的交互通信方面存在不足；物聯(lián)網(wǎng)，其優(yōu)勢在于利用區(qū)域內(nèi)完整的網(wǎng)絡(luò)，提供物體間的基于通信的服務(wù)，但物體間位置關(guān)系是未知的。

北斗衛(wèi)星與物聯(lián)網(wǎng)的融合應(yīng)用，能夠?qū)⒈倍范ㄎ?、衛(wèi)星通信、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等多種技術(shù)，集成式運用到城市交通管理中，主要用于道路監(jiān)控調(diào)度、路段路況采集和車輛實時信息采集，完成道路交通智能化和信息化管理，提升道路車輛通行效率，實現(xiàn)實時、準(zhǔn)確、高效的城市智能交通系統(tǒng)。

二、 基于北斗衛(wèi)星與物聯(lián)網(wǎng)的城市智能交通系統(tǒng)設(shè)計

城市智能交通系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)的RFID技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、移運通信等支撐技術(shù)，加上北斗衛(wèi)星雙向通信、全天候不間斷工作等特點，建設(shè)城市地面交通智能管理平臺，實現(xiàn)任何時間、地點的實時道路狀況及數(shù)據(jù)的交互與傳輸。

該系統(tǒng)完成包括城市交通流量檢測、車輛定位測速、車輛運行狀態(tài)檢測、車輛應(yīng)急處置、城市停車智能管理、城市實時交通信息發(fā)布等綜合功能，主要由車載智能終端、路段路況采集終端和智能交通監(jiān)控調(diào)度中心三部分組成：

1）車載智能終端，利用北斗定位模塊解算位置，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送位置信息和接收實時交通信息，可通過網(wǎng)絡(luò)請求獲取動態(tài)交通路徑；

2）路段路況采集終端，分為上行和下行鏈路，上行鏈路接收路段內(nèi)車載智能終端的位置信息、請求信息和狀態(tài)信息，下行鏈路發(fā)送實時交通信息、路徑誘導(dǎo)信息，為監(jiān)控調(diào)度中心提供路段內(nèi)車輛狀態(tài)、流量等信息；

3）智能交通監(jiān)控調(diào)度中心，基于路段路況采集終端提供的路段交通信息，進行包括交通信息發(fā)布、視頻管理、流量統(tǒng)計與估計、路段狀態(tài)識別等交通大數(shù)據(jù)的分析與挖掘，動態(tài)計算最優(yōu)交通指揮方案和路線，可為車載智能終端提供路線導(dǎo)航。

1.車載智能終端系統(tǒng)

車載智能終端系統(tǒng)，以單一車輛為單元，裝載支持衛(wèi)星定位、衛(wèi)星通信和無線通信的車載智能終端。該智能終端，將車載北斗定位、衛(wèi)星通信、行車記錄、車載傳感器等功能集成起來，分配有IP地址，配合移動通信或者WiFi熱點等無線網(wǎng)絡(luò)與路段路況采集子系統(tǒng)通信，以實現(xiàn)對車輛及駕駛?cè)藛T的實時信息采集，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　車輛實時信息采集子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中各模塊具體功能如下：

北斗定位：采用多通道、快速捕獲、高靈敏度的北斗導(dǎo)航定位接收機，實時計算車輛的行駛位置、速度和方向。

衛(wèi)星通信：我國北斗系統(tǒng)具有短報文通信功能，是其特有的技術(shù)優(yōu)勢。車載終端可一次傳送多達120個漢字的短報文，提供異常應(yīng)急通信，向監(jiān)控調(diào)度中心報警，報警信息包括車輛位置、車輛狀態(tài)、人員情況等。

無線通信：車載智能終端將車輛的位置、速度和方向信息，以及車內(nèi)傳感器的狀態(tài)信息，通過移動通信或者WiFi熱點等無線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送給路段路況采集控制系統(tǒng)。

3D導(dǎo)航：車載智能終端具有對無線網(wǎng)絡(luò)的支持，能夠在線提供精細化地圖信息，保證3D導(dǎo)航、實景導(dǎo)航的實現(xiàn)。

射頻識別：采用射頻識別讀卡器讀取車輛駕駛員的射頻卡信息，使得車輛駕駛員資格受控并進行身份確認(rèn)。

警告信息：當(dāng)路段路況采集控制系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)車輛超速、超載等情況時，由車載終端接收并顯示警告信息。

路線規(guī)劃：通過無線通信模塊，接入交通監(jiān)控調(diào)度中心提供的目的地路線規(guī)劃信息，接收路況交通信息。

傳感器檢測：通過定位模塊、加速度傳感器、傾角傳感器、圖像采集模塊等對車輛行駛過程進行監(jiān)控,監(jiān)測車輛運行狀態(tài)，記錄車輛碰撞、側(cè)翻等緊急情況。

2.路段路況采集控制系統(tǒng)

路段路況采集控制系統(tǒng)，以單一路段為單元，通過密集設(shè)置的路面探測點和交通探頭，收集路段內(nèi)車輛信息數(shù)據(jù)，統(tǒng)計路段內(nèi)道路車流量、交通事故、路段擁擠情況與車輛行駛速度等信息，對路口交通信號控制提供實時數(shù)據(jù)，采集路段內(nèi)實時視頻圖像，完成與車載終端、監(jiān)控調(diào)度中心的交互通信，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　路段路況采集控制系統(tǒng)

其中各模塊具體功能如下：

車輛信息收集：實時接收車載終端發(fā)送來的車輛位置、速度、方向等信息，并統(tǒng)計路段內(nèi)車流量提供給監(jiān)控調(diào)度中心。

交通燈控制：根據(jù)路段內(nèi)車流量，按照交通空閑、中等、繁忙三種模式進行交通燈控制切換。

警告信息：根據(jù)路段內(nèi)的限速、限重規(guī)則，對路段內(nèi)超速、超載車輛發(fā)送警告信息；自動識別車牌號碼，實時警告違章車輛。

圖像采集：通過視頻采集模塊，實時提供路面交通視頻圖像，并記錄路段交通和超速現(xiàn)場。

傳感器檢測：通過溫/濕度、光照度、氣體檢測等傳感器，進行路面能見度、尾氣污染等檢測，為監(jiān)控調(diào)度中心提供路段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

停車信息輔助：根據(jù)車載終端的接入請求，發(fā)布路段內(nèi)停車場的車位信息，實現(xiàn)車位信息查詢、車位預(yù)約和自動收費等功能。

交互通信模塊：該模塊分別完成與車載終端和監(jiān)控調(diào)度中心的雙向通信。接收車載終端提供的車輛定位信息，根據(jù)請求提供路段內(nèi)交通信息；接收監(jiān)控調(diào)度中心設(shè)立的路段交通控制規(guī)則，發(fā)送路段內(nèi)統(tǒng)計的車流量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.智能交通監(jiān)控調(diào)度中心系統(tǒng)

監(jiān)控調(diào)度中心，利用車載終端、路段路況系統(tǒng)構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)，挖掘處理海量車輛、路段的交通數(shù)據(jù)，獲取各路段完備的動態(tài)交通信息，為路段交通規(guī)則和交通控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)，實現(xiàn)城市交通智能識別、預(yù)警和調(diào)控的功能，建立信息分析、信息交互、應(yīng)急處置和系統(tǒng)維護等綜合業(yè)務(wù)平臺，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3　道路監(jiān)控調(diào)度子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中各模塊具體功能如下：

信息分析：基于車載終端、路段采集系統(tǒng)，接收處理車輛、路況信息，實時統(tǒng)計處理交通數(shù)據(jù)，建立交通信息數(shù)據(jù)庫，提供路段交通預(yù)估和路段交通歷史查詢。

信息交互：根據(jù)歷史和當(dāng)前交通量及變化趨勢進行預(yù)測，向路段路況系統(tǒng)發(fā)送交通控制信息，并可視頻監(jiān)測各路段交通情況；此外，可按照車載終端的通信接入請求，進行路線交通分析，發(fā)送規(guī)劃后的優(yōu)選路徑至車載終端；通過移動網(wǎng)絡(luò)或者WiFi熱點等發(fā)布到車載終端、路面顯示終端、個人、公共顯示終端上，供市民交通信息查詢。

應(yīng)急處理：根據(jù)交通流量的分析預(yù)測，實時識別和預(yù)警路段交通擁堵識別和擁擠；發(fā)布交通管制、災(zāi)害氣象等信息；利用北斗衛(wèi)星通信功能，通過衛(wèi)星通信鏈路發(fā)送應(yīng)急信息，提供車輛應(yīng)急通信接入。

系統(tǒng)維護：對北斗衛(wèi)星進行地面通信和監(jiān)測，對路段路況控制模塊進行功能監(jiān)測。

三、 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)與北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，在城市交通智能信息系統(tǒng)的融合應(yīng)用能夠技術(shù)互補，在城市網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供精確的位置服務(wù)，并提供北斗系統(tǒng)特有的雙向衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，在智能交通系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景?；趦烧呷诤蠎?yīng)用的城市交通智能信息系統(tǒng)是一個規(guī)模非常龐大的系統(tǒng)，涵蓋了衛(wèi)星通信、導(dǎo)航定位、物聯(lián)網(wǎng)、智能交通、傳感器網(wǎng)絡(luò)等多種現(xiàn)代化技術(shù)，未來必將在城市交通、市民出行、公共信息管理等方面發(fā)揮越來越大的作用。