● 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系統(tǒng)應用

● 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

北斗導航系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，將北斗導航定位技術(shù)應用于智慧交通，可以實現(xiàn)北斗導航技術(shù)與智慧城市建設的深度融合，一方面解決智慧城市建設中位置信息等動態(tài)數(shù)據(jù)的獲??；另一方面以交通為切入點促進在智慧城市建設中各行業(yè)的應用，在實際應用中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，以達到加快北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展的效果。

北斗導航系統(tǒng)；智慧交通；應用示范

當前，國際衛(wèi)星導航領域已形成較為完備的產(chǎn)業(yè)體系，GPS逐漸在各個信息領域占據(jù)主導位置，在諸多領域得到廣泛應用，與此同時，我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)也在快速發(fā)展，雖然在技術(shù)、性能、成本、市場接受程度等方面與GPS還存在一定差距，但我們必須看到，隨著北斗導航系統(tǒng)正式提供區(qū)域?qū)Ш椒眨倍酚瓉砹穗y得的發(fā)展機遇期，與GPS差距逐漸縮小[1]。隨著北斗導航技術(shù)的不斷提高和衛(wèi)星定位系統(tǒng)日益完善，衛(wèi)星導航定位技術(shù)已進入到我國國民經(jīng)濟眾多領域。

交通運輸在城市發(fā)展中起著重要的作用，對城市發(fā)展有巨大影響[2]。它是將社會生產(chǎn)、交換、分配、消費等各個環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系在一起的。雖然目前交通運輸行業(yè)在我國有明顯的發(fā)展成績，但是相對于國外的發(fā)達國家而言，我國的交通運輸業(yè)的發(fā)展仍然處于弱勢狀態(tài)。我國為促進交通領域的發(fā)展，2013年2月5日，《國務院關(guān)于推進物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導意見》提出發(fā)展目標。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、節(jié)能環(huán)保、商貿(mào)流通、交通能源等領域?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)試點示范應用，部分領域的規(guī)?；瘧盟斤@著提升，推動應用示范。將北斗衛(wèi)星導航技術(shù)應用到城市交通建設，形成北斗智能交通綜合服務系統(tǒng)，既能促進城市交通發(fā)展，也可以對北斗導航衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到很好的促進作用[3]。

一、衛(wèi)星導航在智慧交通中的應用現(xiàn)狀

1. 國外應用現(xiàn)狀

近年來世界各國均將智慧城市建設作為助推經(jīng)濟增長和建立長期競爭優(yōu)勢的重要戰(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，得到了廣泛的應用和發(fā)展。美國、歐洲、日本等發(fā)達國家對智慧交通系統(tǒng)建設投入了大量的財力，并取得了不小的成就。自20世紀60年代以來，美國政府部門和企業(yè)大力推進ITS（智慧交通系統(tǒng)）建設和發(fā)展，將導航技術(shù)、GIS技術(shù)、云計算技術(shù)等高新技術(shù)應用到車輛安全、電子收費、交通管理、商業(yè)車輛管理等方面并取得了極佳的效果。目前ITS在美國的應用已達80%以上，而且相關(guān)的產(chǎn)品也較先進[4]。

自20世紀80年代初期，歐洲開展智慧交通方面的研究和開發(fā)，充分利用CLONASS定位系統(tǒng)和GPS進行車輛定位，在ITS應用方面的進展介于日本和美國之間。目前正在進行Telematics的全面開發(fā)，計劃在全歐洲建立專門的交通（以道路交通為主）無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，正在開發(fā)先進的、應用GPS/GLONASS獲取車輛的位置信息、對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘從而開發(fā)出行信息服務系統(tǒng)（ATIS），先進的車輛控制系統(tǒng)（AVCS），先進的商業(yè)車輛運行系統(tǒng)（ACVO），先進的電子收費系統(tǒng)等。通過該系統(tǒng)的建設，最終達到降低城市擁堵15%，降低環(huán)境污染的目的。同時，很多的發(fā)達國家為了方便旅客出行，汽車使用GPS定位系統(tǒng)并實時收集車載信息，有效的減少交通堵塞，實現(xiàn)交通智能化[5]。

2. 國內(nèi)應用現(xiàn)狀

為規(guī)范指導我國導航產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國務院、國家發(fā)改委先后頒布了《國務院關(guān)于促進信息消費擴大內(nèi)需的若干意見》、《國家衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》等政策性文件，對北斗導航產(chǎn)業(yè)發(fā)展做了重要指示。規(guī)劃指出，2010-2020年我國衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)規(guī)模將從500億元提升至4000億元，其中北斗系統(tǒng)應占據(jù)約30%的份額，年產(chǎn)值到1200億元，北斗導航將惠及國民經(jīng)濟各個方面。通過相關(guān)指導性文件的下發(fā)，一方面促進了我國導航產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)發(fā)展，領一方面促進了相關(guān)領域的信息化建設。

交通領域作為衛(wèi)星導航應用的重要方向之一，應用衛(wèi)星導航技術(shù)的智慧交通建設是解決交通領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，國內(nèi)很多城市開始了智慧交通的研究和建設，重點方向為將數(shù)據(jù)分析、導航定位、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)融入到交通管理、公共交通服務等方向中去[6]。

二、北斗智能交通綜合服務系統(tǒng)方案設計

系統(tǒng)通過融合北斗導航定位技術(shù)，再結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和移動互聯(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，整合動靜態(tài)交通數(shù)據(jù)，研制北斗智能交通應用終端和電子車牌終端，打造智能交通綜合服務平臺，從而解決城市公共交通運營車輛和特種車輛在監(jiān)管方面的問題，以推動北斗導航產(chǎn)品在智慧交通上的應用和發(fā)展。系統(tǒng)包括“一個平臺、一項基礎設施、兩款終端和兩項示范”，如圖1所示。

北斗智能交通綜合服務平臺與應用示范基于SOA的體系架構(gòu)進行技術(shù)體系的梳理和構(gòu)建，系統(tǒng)包括智能交通綜合服務平臺、CORS網(wǎng)搭建、北斗車輛智能終端研發(fā)、車輛電子車牌終端研發(fā)、RFID基站研發(fā)及應用示范系統(tǒng)建設等幾個部分。智能交通公共服務平臺與應用示范之間通過專網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)的有機整合與鏈接形成平臺系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，構(gòu)建開發(fā)的、可伸縮、可定制的智能交通服務系統(tǒng)體系架構(gòu)，如圖2所示。

三、北斗智能交通綜合服務系統(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)集所應用的目的雖然不同，但是對它們進行加工處理的技術(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)預處理技術(shù)”、“海量數(shù)據(jù)存儲技術(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

在涉車領域進行LBS的分析過程中，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)合以最大的對數(shù)據(jù)進行挖掘分析，以獲得可靠的分析結(jié)果以輔助用戶進行決策。

為使北斗終端在應用中受環(huán)境的影響降到最低、獲得高精度定位精度，對北斗終端的定位誤差產(chǎn)生原因進行分析，在復雜的城區(qū)環(huán)境下對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。對于以上兩種誤差對應的解決途徑包括通過利用北斗二號衛(wèi)星的多頻觀測量，并其進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；同時還要重點消除或抑制多徑誤差，可通過采用基于窄距相關(guān)器的的多路徑估計延遲鎖定環(huán)（MEDLL）技術(shù)，來提高終端的抗多徑能力。

（1）基于北斗二號衛(wèi)星導航系統(tǒng)的實時動態(tài)模糊度確定技術(shù)

高精度衛(wèi)星導航定位中的RTK技術(shù)都必須使用載波相位觀測值，但是由于載波相位觀測值存在整周未知數(shù)即整周模糊度的問題。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)。研究設計實現(xiàn)北斗二號衛(wèi)星三頻接收機，可利用B2頻點與B3頻點快速解除模糊度，同時優(yōu)選B1頻點加B2頻點的組合消除電離層誤差。擬采用先固定寬巷模糊度、然后固定兩個頻點信號模糊度方法。利用寬巷觀測值波長長、電離層影響和噪聲相對較小的優(yōu)點，有利于快速確定整周模糊度。同時為了實現(xiàn)多歷元動態(tài)模糊度確定，消去動態(tài)定位中時刻變化的坐標參數(shù)后，可以采用卡爾曼濾波或序貫最小二乘來動態(tài)確定模糊度。同時在實時數(shù)據(jù)處理中的粗差探測方面，利用衛(wèi)星星歷提供的衛(wèi)星的健康性、穩(wěn)健估計、冗余觀測值、殘差相關(guān)性粗差探測、歷元間差分等方法，可進行實時粗差探測和剔除；在實時數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量控制方面，將研究數(shù)據(jù)預處理、載波相位模糊度確定過程中的質(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)合的多路徑信號抑制技術(shù)，實踐證明能有效的減少碼相位和載波相位測量值的多路徑效應，消除窄距相關(guān)接收機中90%的多路徑效應，性能上接近于沒有多路徑情況下的測量精度理論值，故擬采用該技術(shù)抑制多路徑效應。MEDLL解決這一問題的思路是：在跟蹤環(huán)路中充分考慮到多徑的影響，在積分器進行本地相關(guān)運算的時候，在本地產(chǎn)生一個帶有當前多徑特性的信號，由于本地信號的波形更接近多徑信道環(huán)境下的接收信號，因此可以抵消由于多徑信號存在而對S曲線平衡點帶來的影響。MEDLL在每一個接收通道上用一列窄距相關(guān)器采樣、測量自相關(guān)函數(shù)主峰，應用最大似然法反解、估算直射信號和反射信號參數(shù)，實現(xiàn)多徑誤差校正。

四、北斗智能交通綜合服務系統(tǒng)應用示范

1. 公共交通應用示范

公共交通系統(tǒng)是以智能交通綜合服務平臺的涉車數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，基于衛(wèi)星導航定位技術(shù)、汽車專用電子標識技術(shù)、信息處理技術(shù)、電子通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機網(wǎng)絡技術(shù)和地理信息技術(shù)等技術(shù)的綜合運用，實現(xiàn)公交車與出租車的運營調(diào)度智能化、公共交通車輛的信息化和可視化，實現(xiàn)面向公眾乘客的公共交通信息服務與車輛監(jiān)管分析，通過建立營運管理系統(tǒng)和連接公共交通車輛的車載終端信息網(wǎng)絡，加強對運營車輛的指揮調(diào)度、運營監(jiān)管以及采集數(shù)據(jù)的分析，推動公共交通的健康發(fā)展。

建設本公共交通系統(tǒng)的思想內(nèi)核是借助先進的科學技術(shù)，結(jié)合人性化的設計理念，構(gòu)造一套精密、復雜、龐大的公交車聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)，為公共交通運營體系提供可視化服務，進而為公眾出行提供便捷服務，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，包括公交示范應用、四個子系統(tǒng)、多個服務接口。

2. 車輛監(jiān)管應用示范

車輛監(jiān)管系統(tǒng)對城市的特種車輛包括公務用車、危險品車輛等安裝北斗導航終端和電子車牌標識，建立基于北斗導航和電子車牌的車輛監(jiān)管系統(tǒng)，本系統(tǒng)由車載終端子系統(tǒng)、車輛監(jiān)管子系統(tǒng)、應急指揮子系統(tǒng)、公共服務子系統(tǒng)四部分組成。該系統(tǒng)利用北斗導航技術(shù)與車輛電子車牌相結(jié)合的方式實現(xiàn)全方位、全過程的實時監(jiān)管與應急服務，可為相關(guān)部門提供車輛位置信息、車輛速度信息和駕駛員狀態(tài)信息等，對正處于超速、拋錨、遇劫等情況的運輸車輛采取報警、自動熄火等應急措施，建立涵蓋運輸市場管理、運政管理、運輸安全管理等業(yè)務領域的綜合車輛管理系統(tǒng)，進一步改目前車輛運營管理體系的效率，實現(xiàn)公務用車、特種車等車輛的安全監(jiān)管與服務向信息化、精細化、智能化轉(zhuǎn)變。

車輛監(jiān)管系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上可分為信息獲取、通信網(wǎng)絡和信息處理應用中心三個層次，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)動機運行數(shù)據(jù)、車輛狀況信息及駕駛員的操控行為，以及記錄車輛所在位置；通信網(wǎng)絡層完成信息的傳遞；數(shù)據(jù)處理應用中心將接收到的海量數(shù)據(jù)實時分析、整理，并將駕駛員不良的駕駛行為、油耗數(shù)據(jù)、車輛運行情況、維修保養(yǎng)計劃等內(nèi)容以直觀的報告、圖表等形式展現(xiàn)出來。車輛監(jiān)管系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖5所示。

五、結(jié)束語

根據(jù)城市交通當前發(fā)展狀況，通過融合北斗導航定位技術(shù)，再結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算和移動互聯(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，整合動靜態(tài)交通數(shù)據(jù)，研制北斗智能交通應用終端和電子車牌終端，打造智能交通綜合服務平臺，形成公共交通應用示范和車輛監(jiān)管應用示范，推動北斗導航產(chǎn)品在智慧交通上的應用和發(fā)展。

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