基于北斗卫星与物联网的城市智能交通系统的研究

●　文| 秦奋罗列峰陈龙　　上海航天测控通信研究所　2　上海航天计算机技术研究所

技术进展 Technology Progress

基于北斗卫星与物联网的城市智能交通系统的研究

●文| 秦奋1，2罗列峰1陈龙11上海航天测控通信研究所2上海航天计算机技术研究所

摘要：分析了北斗卫星和物联网的发展现状和技术优势，提出一种基于北斗卫星与物联网融合的城市智能交通系统，在城市交通中综合运用北斗定位、卫星通信、物联网、传感器网络等多种技术，阐述了车辆信息采集、路段路况采集和道路监控调度的综合功能，可有效改善城市交通运行效率。

关键词：北斗卫星 物联网 智能交通

一、 概述

北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航定位系统，是继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后第三个全球卫星导航系统。北斗卫星，提供全球范围、全天候、高精度的卫星导航定位和授时服务，并具有特有的短报文通信能力。2012年12月27日，北斗卫星导航系统启动区域性正式服务，具备覆盖亚太地区，是我国航天科技和卫星通信向产业化、市场化发展的里程碑。

物联网，是通过射频识别、传感网络等方式获取各种信息，结合互联网和移动通信网等进行信息交互，采用智能计算技术进行信息分析处理，提供智能化的感知物质世界能力，已被确立为国家大力发展的新兴战略性产业之一，在上海、江苏等地先后应用在智能交通示范工程中。

北斗卫星导航系统，其优势在于可提供全球范围、全天候、高精度的基于位置服务，但物体间的交互通信方面存在不足；物联网，其优势在于利用区域内完整的网络，提供物体间的基于通信的服务，但物体间位置关系是未知的。

北斗卫星与物联网的融合应用，能够将北斗定位、卫星通信、物联网、传感器网络等多种技术，集成式运用到城市交通管理中，主要用于道路监控调度、路段路况采集和车辆实时信息采集，完成道路交通智能化和信息化管理，提升道路车辆通行效率，实现实时、准确、高效的城市智能交通系统。

二、 基于北斗卫星与物联网的城市智能交通系统设计

城市智能交通系统，通过物联网的RFID技术、传感器网络、移运通信等支撑技术，加上北斗卫星双向通信、全天候不间断工作等特点，建设城市地面交通智能管理平台，实现任何时间、地点的实时道路状况及数据的交互与传输。

该系统完成包括城市交通流量检测、车辆定位测速、车辆运行状态检测、车辆应急处置、城市停车智能管理、城市实时交通信息发布等综合功能，主要由车载智能终端、路段路况采集终端和智能交通监控调度中心三部分组成：

1）车载智能终端，利用北斗定位模块解算位置，并通过无线网络发送位置信息和接收实时交通信息，可通过网络请求获取动态交通路径；

2）路段路况采集终端，分为上行和下行链路，上行链路接收路段内车载智能终端的位置信息、请求信息和状态信息，下行链路发送实时交通信息、路径诱导信息，为监控调度中心提供路段内车辆状态、流量等信息；

3）智能交通监控调度中心，基于路段路况采集终端提供的路段交通信息，进行包括交通信息发布、视频管理、流量统计与估计、路段状态识别等交通大数据的分析与挖掘，动态计算最优交通指挥方案和路线，可为车载智能终端提供路线导航。

1.车载智能终端系统

车载智能终端系统，以单一车辆为单元，装载支持卫星定位、卫星通信和无线通信的车载智能终端。该智能终端，将车载北斗定位、卫星通信、行车记录、车载传感器等功能集成起来，分配有IP地址，配合移动通信或者WiFi热点等无线网络与路段路况采集子系统通信，以实现对车辆及驾驶人员的实时信息采集，系统结构见图1。

图1　车辆实时信息采集子系统结构图

其中各模块具体功能如下：

北斗定位：采用多通道、快速捕获、高灵敏度的北斗导航定位接收机，实时计算车辆的行驶位置、速度和方向。

卫星通信：我国北斗系统具有短报文通信功能，是其特有的技术优势。车载终端可一次传送多达120个汉字的短报文，提供异常应急通信，向监控调度中心报警，报警信息包括车辆位置、车辆状态、人员情况等。

无线通信：车载智能终端将车辆的位置、速度和方向信息，以及车内传感器的状态信息，通过移动通信或者WiFi热点等无线网络，发送给路段路况采集控制系统。

3D导航：车载智能终端具有对无线网络的支持，能够在线提供精细化地图信息，保证3D导航、实景导航的实现。

射频识别：采用射频识别读卡器读取车辆驾驶员的射频卡信息，使得车辆驾驶员资格受控并进行身份确认。

警告信息：当路段路况采集控制系统发现车辆超速、超载等情况时，由车载终端接收并显示警告信息。

路线规划：通过无线通信模块，接入交通监控调度中心提供的目的地路线规划信息，接收路况交通信息。

传感器检测：通过定位模块、加速度传感器、倾角传感器、图像采集模块等对车辆行驶过程进行监控,监测车辆运行状态，记录车辆碰撞、侧翻等紧急情况。

2.路段路况采集控制系统

路段路况采集控制系统，以单一路段为单元，通过密集设置的路面探测点和交通探头，收集路段内车辆信息数据，统计路段内道路车流量、交通事故、路段拥挤情况与车辆行驶速度等信息，对路口交通信号控制提供实时数据，采集路段内实时视频图像，完成与车载终端、监控调度中心的交互通信，结构见图2。

图2　路段路况采集控制系统

其中各模块具体功能如下：

车辆信息收集：实时接收车载终端发送来的车辆位置、速度、方向等信息，并统计路段内车流量提供给监控调度中心。

交通灯控制：根据路段内车流量，按照交通空闲、中等、繁忙三种模式进行交通灯控制切换。

警告信息：根据路段内的限速、限重规则，对路段内超速、超载车辆发送警告信息；自动识别车牌号码，实时警告违章车辆。

图像采集：通过视频采集模块，实时提供路面交通视频图像，并记录路段交通和超速现场。

传感器检测：通过温/湿度、光照度、气体检测等传感器，进行路面能见度、尾气污染等检测，为监控调度中心提供路段基础数据。

停车信息辅助：根据车载终端的接入请求，发布路段内停车场的车位信息，实现车位信息查询、车位预约和自动收费等功能。

交互通信模块：该模块分别完成与车载终端和监控调度中心的双向通信。接收车载终端提供的车辆定位信息，根据请求提供路段内交通信息；接收监控调度中心设立的路段交通控制规则，发送路段内统计的车流量基础数据。

3.智能交通监控调度中心系统

监控调度中心，利用车载终端、路段路况系统构建的物联网，挖掘处理海量车辆、路段的交通数据，获取各路段完备的动态交通信息，为路段交通规则和交通控制提供数据依据，实现城市交通智能识别、预警和调控的功能，建立信息分析、信息交互、应急处置和系统维护等综合业务平台，系统结构图见图3。

图3　道路监控调度子系统结构图

其中各模块具体功能如下：

信息分析：基于车载终端、路段采集系统，接收处理车辆、路况信息，实时统计处理交通数据，建立交通信息数据库，提供路段交通预估和路段交通历史查询。

信息交互：根据历史和当前交通量及变化趋势进行预测，向路段路况系统发送交通控制信息，并可视频监测各路段交通情况；此外，可按照车载终端的通信接入请求，进行路线交通分析，发送规划后的优选路径至车载终端；通过移动网络或者WiFi热点等发布到车载终端、路面显示终端、个人、公共显示终端上，供市民交通信息查询。

应急处理：根据交通流量的分析预测，实时识别和预警路段交通拥堵识别和拥挤；发布交通管制、灾害气象等信息；利用北斗卫星通信功能，通过卫星通信链路发送应急信息，提供车辆应急通信接入。

系统维护：对北斗卫星进行地面通信和监测，对路段路况控制模块进行功能监测。

三、 结束语

物联网与北斗卫星系统，在城市交通智能信息系统的融合应用能够技术互补，在城市网络环境下提供精确的位置服务，并提供北斗系统特有的双向卫星通信业务，在智能交通系统具有广阔的发展前景。基于两者融合应用的城市交通智能信息系统是一个规模非常庞大的系统，涵盖了卫星通信、导航定位、物联网、智能交通、传感器网络等多种现代化技术，未来必将在城市交通、市民出行、公共信息管理等方面发挥越来越大的作用。