胡輝，胡松，蔡映雪，陳伽，尹輝，蔡昭權(quán)

（惠州學(xué)院，惠州 516007)

基于北斗衛(wèi)星定位的智能交通車輛管理系統(tǒng)

胡輝，胡松，蔡映雪，陳伽，尹輝，蔡昭權(quán)

（惠州學(xué)院，惠州 516007)

北斗衛(wèi)星定位技術(shù)是我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星定位技術(shù)，其應(yīng)用產(chǎn)品北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是同類型的美國(guó)GPS和俄羅斯GLONASS。北斗衛(wèi)星定位技術(shù)是空間信息系統(tǒng)的核心技術(shù)，在地理測(cè)繪、水利、救災(zāi)等方面具有重大意義，并在北京奧運(yùn)會(huì)及汶川抗震中起到關(guān)鍵作用。經(jīng)過(guò)深入研究北斗衛(wèi)星定位技術(shù)，提出一種基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的只能交通車輛管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)及組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳盡的描述。

北斗衛(wèi)星定位；空間信息系統(tǒng)；智能交通；車輛管理系統(tǒng)

0 引言

北斗衛(wèi)星定位技術(shù)[1]是我國(guó)科學(xué)家根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和基于國(guó)家國(guó)防安全角度的考慮開(kāi)發(fā)出來(lái)的空間定位技術(shù)，并獨(dú)立自主的完成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)及建設(shè)，自2000年以來(lái)已經(jīng)陸續(xù)發(fā)射十幾顆北斗衛(wèi)星，逐步完善北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步完善，相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于交通運(yùn)輸、地理測(cè)繪、抗震救災(zāi)等多領(lǐng)域多行業(yè)，為國(guó)家空間信息的采集及應(yīng)用提供了基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也在自然災(zāi)害發(fā)生的時(shí)候?yàn)閲?guó)家挽回了不菲的損失[2-3]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)屬于軍民兩用的全球性資源，目前尚處于高投入低使用率的瓶頸，如何深入挖掘其巨額投資背后的潛在價(jià)值就成為了當(dāng)下北斗衛(wèi)星定位技術(shù)推廣過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)[4]。

本文提出的基于北斗衛(wèi)星定位的只能交通車輛管理系統(tǒng)，將北斗衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域的車輛管理系統(tǒng)，利用其定位功能為車輛提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航服務(wù)，通過(guò)短報(bào)文通訊功能收集車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)的智能交通大數(shù)據(jù)分析。

1 研究現(xiàn)狀

美國(guó)軍方早在1958年就開(kāi)始了在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的探索，到1964年，初步建成衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的雛形——“子午儀”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[5]，雖無(wú)法做到精確定位，但卻為空間地理定位的科學(xué)實(shí)驗(yàn)積累了大量經(jīng)驗(yàn)，也為后來(lái)的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)提供了研究方向。20世紀(jì)70年代，美國(guó)海陸空三軍聯(lián)合研發(fā)的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲得成功，利用24顆GPS衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)無(wú)死角覆蓋地球表面，為美軍艦船和飛行器提供動(dòng)態(tài)的空間定位服務(wù)[6]。從此，人類在空間定位技術(shù)及空間信息收集領(lǐng)域邁出了最重要的一步。當(dāng)前，GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)是世界上應(yīng)用最廣泛的一種空間定位系統(tǒng)，涉及到科學(xué)實(shí)驗(yàn)、國(guó)防軍事、民用導(dǎo)航等方面，主要為人們提供精確的地理位置定位和目標(biāo)位置導(dǎo)航服務(wù)[7]。

我國(guó)出于避免國(guó)防安全受制于人的考慮，于上世紀(jì)末期開(kāi)始加大投入研制獨(dú)立自主的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并最終將國(guó)產(chǎn)化衛(wèi)星定位系統(tǒng)命名為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。邁入21世界的十多年以來(lái)，陸續(xù)發(fā)射了十多顆北斗衛(wèi)星，先后完成了北斗一代和北斗二代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，到2012年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已面向亞太地區(qū)用戶提供定位、測(cè)速、授時(shí)等服務(wù)[8]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)下一階段的目標(biāo)是2020年前后完成35顆衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，為“一帶一路”沿線及周邊國(guó)家提供基礎(chǔ)服務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 精確定位技術(shù)

隨著我國(guó)高速交通的普及，車輛在道路上行駛的速度也越來(lái)越快，當(dāng)時(shí)速達(dá)到120km/h或以上的時(shí)候，對(duì)車輛位置坐標(biāo)的實(shí)時(shí)性獲取就具有相當(dāng)高的要求了。由于用戶接收到的數(shù)據(jù)值包含有載波相位觀測(cè)值，能夠較為精確地反映偽距的變化，但整周的模糊度和周跳無(wú)法避免，因此需要對(duì)載波進(jìn)行平滑，卡爾曼濾波法就是其中一種典型算法。

車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模型可表示為：

其中m為歷元號(hào)，S為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)向量，δ為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，K為噪聲向量。若T為采樣間隔，則有：

聯(lián)合偽距可得：

結(jié)合公式（1）和（3）即可組成卡爾曼濾波系統(tǒng)。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化提取技術(shù)

車輛裝有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收器之后，能夠從車輛的日常運(yùn)行過(guò)程中獲得大量的狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為交通的智能分析提供了基礎(chǔ)。由于數(shù)據(jù)的多樣性及零散性，難以從海量的復(fù)雜數(shù)據(jù)中獲取有用信息，因而需要在前期對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化提取。

以檢測(cè)車流量為例，設(shè)同一路段每小時(shí)車流量為M，平均數(shù)為G，計(jì)算Mn與G的增量比Vn，則有：

設(shè)閾值P為相同車道數(shù)的道路車流增量比，若Vn大于P時(shí)判定該時(shí)間段為擁堵時(shí)間段，閾值P為實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)值。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于北斗衛(wèi)星定位的智能交通車輛管理系統(tǒng)主要利用適配北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的專用接收器接收車輛的地理位置等數(shù)據(jù)，通過(guò)記錄、存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)分析提供原始材料，在經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析技術(shù)的充分計(jì)算后，得到一系列結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，便于進(jìn)一步的信息提取，從而達(dá)到交通狀況的智能化管控。

系統(tǒng)由以下關(guān)鍵模塊組成：

（1）車輛日常管理模塊。

車輛的日常管理模塊主要負(fù)責(zé)接入智能交通車輛管理系統(tǒng)的車輛登記及定期檢查等操作。在該模塊中需實(shí)現(xiàn)車輛信息的錄入、存儲(chǔ)、查詢等功能。

（2）衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收機(jī)。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)的獲取車輛當(dāng)前的位置數(shù)據(jù)等信息，并將這些信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)反饋到服務(wù)端，由服務(wù)端進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，為數(shù)據(jù)信息的結(jié)構(gòu)化提取以及交通智能化分析提供原材料。

（3）通訊模塊。

通訊模塊主要實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)特定端口，保持服務(wù)端和衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收機(jī)的通訊連接狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)到服務(wù)端時(shí)，第一時(shí)間接收數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

（4）數(shù)據(jù)匯聚模塊。

數(shù)據(jù)匯聚模塊是從數(shù)據(jù)庫(kù)中將同類型或相關(guān)聯(lián)的多種類型的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，通過(guò)特定的預(yù)設(shè)公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化整理，并從中提取出有用的聚合信息，為智能化分析提供基礎(chǔ)。

（5）數(shù)據(jù)分析模塊。

數(shù)據(jù)分析模塊需要將數(shù)據(jù)匯聚模塊整理出來(lái)的有效信息以表格、圖形等方式呈現(xiàn)出來(lái)，能夠直觀的表述交通車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)變化，甚至更為深入的得出一些有用的結(jié)果或結(jié)論，有助于車輛單位、政府職能部門、廣告商等單位或部門、公司對(duì)特定路段實(shí)施富有針對(duì)性的策略。

（6）系統(tǒng)管理模塊。系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、用戶管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)等，是系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊。

圖1 智能交通車輛管理系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語(yǔ)

出于推廣北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的考慮，結(jié)合當(dāng)前日漸成熟的北斗衛(wèi)星定位技術(shù)，本文從智能交通和大數(shù)據(jù)分析的角度，提出了一種基于北斗衛(wèi)星定位的智能交通車輛管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，將北斗衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域的車輛管理系統(tǒng)，利用其定位功能為車輛提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航服務(wù)，通過(guò)短報(bào)文通訊功能收集車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)的智能交通大數(shù)據(jù)分析。

[1]尹芳芳,沈昱明.北斗衛(wèi)星/偽衛(wèi)星組合定位關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子科技,2016,29(9):72-74.

[2]劉經(jīng)南.北斗導(dǎo)航三系統(tǒng)及其作用[J].唯實(shí):現(xiàn)代管理,2012(3):64.

[3]劉晉平.北斗一號(hào)民用運(yùn)營(yíng)中心在北斗系統(tǒng)民用應(yīng)用中的作用[J].中國(guó)全球定位系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用協(xié)會(huì)第八次年會(huì),2010.

[4]三木.北斗導(dǎo)航:從技術(shù)價(jià)值到用戶價(jià)值——徐港發(fā)起中國(guó)北斗車載民用市場(chǎng)發(fā)展論壇[J].音響改裝技術(shù),2013(7):76-77.

[5]鄭東英.論數(shù)字化地形測(cè)量中GPS技術(shù)的應(yīng)用[J].環(huán)球人文地理,2016(20).

[6]李校雯,付宇彤,丁家圣.淺談全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS發(fā)展[J].通訊世界,2016(13):69-69.

[7]張治宇.GPS應(yīng)用與發(fā)展[J].新絲路,2016(14):144-144.

[8]贠敏.“一箭雙星”加速組網(wǎng)北斗產(chǎn)業(yè)前景可期[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2012(4):53-59.

Abstract：Beidou satellite positioning technology is China's independent research and development of satellite positioning technology,its application products Beidou satellite navigation system is the same type of US GPS and Russia GLONASS.Beidou satellite positioning technology is the core technology of spatial information system,in the geographical surveying,water conservancy,disaster relief and other aspects of great significance,and in the Beijing Olympic Games and Wenchuan earthquake played a key role.Based on the deep research of Beidou satellite positioning technology,puts forward a scheme of traffic vehicle management system based on Beidou satellite positioning technolo?gy,and describes the key technology and composition structure in detail.

Keywords：Beidou Satellite Positioning;Spatial Information System;Smart Transportation;Vehicle Management System

Intelligent Traffic Vehicle Management System Based on Beidou Satellite

HU Hui，HU Song，CAI Ying-xue，CHEN Jia，YIN Hui，CAI Zhao-quan
(Huizhou University,Huizhou 516007)

1007-1423（2017）25-0048-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.25.013

惠州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（No.2014B020004023、No.2015B010002002）、廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才類項(xiàng)目（No.2015B010002002）

胡輝（1979-），女，江蘇鹽城人，碩士，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件

胡松（1985-），女，河北秦皇島人，碩士，講師，研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)和信息管理

蔡映雪（1983-），女，廣東汕尾人，本科，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件

陳伽（1979-），男，廣東惠東人，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

尹輝（1983-），男，廣西桂林人，碩士，研究方向?yàn)?s應(yīng)用

蔡昭權(quán)（1970-），男，廣東陸豐人，碩士，教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、智能計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)

2017-07-11

2017-08-30