北斗智能交通综合服务系统应用

● 文 |哈尔滨航天恒星数据系统科技有限公司 李东博 王景光 焦恒

北斗智能交通综合服务系统应用

● 文 |哈尔滨航天恒星数据系统科技有限公司 李东博 王景光 焦恒

北斗导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，将北斗导航定位技术应用于智慧交通，可以实现北斗导航技术与智慧城市建设的深度融合，一方面解决智慧城市建设中位置信息等动态数据的获取；另一方面以交通为切入点促进在智慧城市建设中各行业的应用，在实际应用中发现问题、解决问题，以达到加快北斗产业发展的效果。

北斗导航系统；智慧交通；应用示范

当前，国际卫星导航领域已形成较为完备的产业体系，GPS逐渐在各个信息领域占据主导位置，在诸多领域得到广泛应用，与此同时，我国的北斗卫星导航系统也在快速发展，虽然在技术、性能、成本、市场接受程度等方面与GPS还存在一定差距，但我们必须看到，随着北斗导航系统正式提供区域导航服务，北斗迎来了难得的发展机遇期，与GPS差距逐渐缩小[1]。随着北斗导航技术的不断提高和卫星定位系统日益完善，卫星导航定位技术已进入到我国国民经济众多领域。

交通运输在城市发展中起着重要的作用，对城市发展有巨大影响[2]。它是将社会生产、交换、分配、消费等各个环节紧密联系在一起的。虽然目前交通运输行业在我国有明显的发展成绩，但是相对于国外的发达国家而言，我国的交通运输业的发展仍然处于弱势状态。我国为促进交通领域的发展，2013年2月5日，《国务院关于推进物联网有序健康发展的指导意见》提出发展目标。在工业、农业、节能环保、商贸流通、交通能源等领域实现物联网试点示范应用，部分领域的规模化应用水平显著提升，推动应用示范。将北斗卫星导航技术应用到城市交通建设，形成北斗智能交通综合服务系统，既能促进城市交通发展，也可以对北斗导航卫星产业的发展起到很好的促进作用[3]。

一、卫星导航在智慧交通中的应用现状

1. 国外应用现状

近年来世界各国均将智慧城市建设作为助推经济增长和建立长期竞争优势的重要战略。智慧交通作为智慧城市整体构造中的重要组成部份，已成为智慧城市建设最为迫切的需求之一，而定位技术作为位置数据获取手段之一，得到了广泛的应用和发展。美国、欧洲、日本等发达国家对智慧交通系统建设投入了大量的财力，并取得了不小的成就。自20世纪60年代以来，美国政府部门和企业大力推进ITS（智慧交通系统）建设和发展，将导航技术、GIS技术、云计算技术等高新技术应用到车辆安全、电子收费、交通管理、商业车辆管理等方面并取得了极佳的效果。目前ITS在美国的应用已达80%以上，而且相关的产品也较先进[4]。

自20世纪80年代初期，欧洲开展智慧交通方面的研究和开发，充分利用CLONASS定位系统和GPS进行车辆定位，在ITS应用方面的进展介于日本和美国之间。目前正在进行Telematics的全面开发，计划在全欧洲建立专门的交通（以道路交通为主）无线数据通信网，正在开发先进的、应用GPS/GLONASS获取车辆的位置信息、对数据进行数据挖掘从而开发出行信息服务系统（ATIS），先进的车辆控制系统（AVCS），先进的商业车辆运行系统（ACVO），先进的电子收费系统等。通过该系统的建设，最终达到降低城市拥堵15%，降低环境污染的目的。同时，很多的发达国家为了方便旅客出行，汽车使用GPS定位系统并实时收集车载信息，有效的减少交通堵塞，实现交通智能化[5]。

2. 国内应用现状

为规范指导我国导航产业发展，国务院、国家发改委先后颁布了《国务院关于促进信息消费扩大内需的若干意见》、《国家卫星导航产业中长期发展规划》等政策性文件，对北斗导航产业发展做了重要指示。规划指出，2010-2020年我国卫星导航产业规模将从500亿元提升至4000亿元，其中北斗系统应占据约30%的份额，年产值到1200亿元，北斗导航将惠及国民经济各个方面。通过相关指导性文件的下发，一方面促进了我国导航产业的良性循环发展，领一方面促进了相关领域的信息化建设。

交通领域作为卫星导航应用的重要方向之一，应用卫星导航技术的智慧交通建设是解决交通领域三大难题包括交通安全、交通堵塞及环境污染的重要手段之一。近年来，国内很多城市开始了智慧交通的研究和建设，重点方向为将数据分析、导航定位、数据挖掘等技术融入到交通管理、公共交通服务等方向中去[6]。

二、北斗智能交通综合服务系统方案设计

系统通过融合北斗导航定位技术，再结合大数据、物联网、云计算和移动互联网等新一代信息技术，以城市空间信息数据为基础，整合动静态交通数据，研制北斗智能交通应用终端和电子车牌终端，打造智能交通综合服务平台，从而解决城市公共交通运营车辆和特种车辆在监管方面的问题，以推动北斗导航产品在智慧交通上的应用和发展。系统包括“一个平台、一项基础设施、两款终端和两项示范”，如图1所示。

北斗智能交通综合服务平台与应用示范基于SOA的体系架构进行技术体系的梳理和构建，系统包括智能交通综合服务平台、CORS网搭建、北斗车辆智能终端研发、车辆电子车牌终端研发、RFID基站研发及应用示范系统建设等几个部分。智能交通公共服务平台与应用示范之间通过专网、内网及互联网的有机整合与链接形成平台系统间的互联互通，构建开发的、可伸缩、可定制的智能交通服务系统体系架构，如图2所示。

三、北斗智能交通综合服务系统关键技术及解决途径

1. 多源异构数据处理

不同的数据集所应用的目的虽然不同，但是对它们进行加工处理的技术与方法却是通用的，主要的数据融合处理技术包括“多元异构交通数据预处理技术”、“海量数据存储技术”、“可视化数据处理技术”、“数据整合处理技术”、“数据挖掘处理技术”、“数据分析处理技术”以及“用户权限检查机制”，其具体的功能架构图如图3所示。

2. 高精度地图与高精度定位的融合

在涉车领域进行LBS的分析过程中，影响数据挖掘与分析的原因主要包括地图精度与终端定位精度。将高精度地图与高精度的定位方式相结合以最大的对数据进行挖掘分析，以获得可靠的分析结果以辅助用户进行决策。

为使北斗终端在应用中受环境的影响降到最低、获得高精度定位精度，对北斗终端的定位误差产生原因进行分析，在复杂的城区环境下对定位精度影响最大的误差源主要是电离层误差以及多路径偏差。对于以上两种误差对应的解决途径包括通过利用北斗二号卫星的多频观测量，并其进行合理的线性组合从而有效消除电离层误差，还可以加速整周模糊度的收敛；同时还要重点消除或抑制多径误差，可通过采用基于窄距相关器的的多路径估计延迟锁定环（MEDLL）技术，来提高终端的抗多径能力。

（1）基于北斗二号卫星导航系统的实时动态模糊度确定技术

高精度卫星导航定位中的RTK技术都必须使用载波相位观测值，但是由于载波相位观测值存在整周未知数即整周模糊度的问题。因此要获得高精度的定位结果，首先必须确定出整周未知数。研究设计实现北斗二号卫星三频接收机，可利用B2频点与B3频点快速解除模糊度，同时优选B1频点加B2频点的组合消除电离层误差。拟采用先固定宽巷模糊度、然后固定两个频点信号模糊度方法。利用宽巷观测值波长长、电离层影响和噪声相对较小的优点，有利于快速确定整周模糊度。同时为了实现多历元动态模糊度确定，消去动态定位中时刻变化的坐标参数后，可以采用卡尔曼滤波或序贯最小二乘来动态确定模糊度。同时在实时数据处理中的粗差探测方面，利用卫星星历提供的卫星的健康性、稳健估计、冗余观测值、残差相关性粗差探测、历元间差分等方法，可进行实时粗差探测和剔除；在实时数据处理的质量控制方面，将研究数据预处理、载波相位模糊度确定过程中的质量控制，以保证模糊度确定的正确性和可靠性。

（2）MEDLL多路径抑制技术

多路径估计延迟锁定环（MEDLL）是一种基于窄距相关器的软硬件结合的多路径信号抑制技术，实践证明能有效的减少码相位和载波相位测量值的多路径效应，消除窄距相关接收机中90%的多路径效应，性能上接近于没有多路径情况下的测量精度理论值，故拟采用该技术抑制多路径效应。MEDLL解决这一问题的思路是：在跟踪环路中充分考虑到多径的影响，在积分器进行本地相关运算的时候，在本地产生一个带有当前多径特性的信号，由于本地信号的波形更接近多径信道环境下的接收信号，因此可以抵消由于多径信号存在而对S曲线平衡点带来的影响。MEDLL在每一个接收通道上用一列窄距相关器采样、测量自相关函数主峰，应用最大似然法反解、估算直射信号和反射信号参数，实现多径误差校正。

四、北斗智能交通综合服务系统应用示范

1. 公共交通应用示范

公共交通系统是以智能交通综合服务平台的涉车数据、监测数据为基础，基于卫星导航定位技术、汽车专用电子标识技术、信息处理技术、电子通信技术、自动控制技术、计算机网络技术和地理信息技术等技术的综合运用，实现公交车与出租车的运营调度智能化、公共交通车辆的信息化和可视化，实现面向公众乘客的公共交通信息服务与车辆监管分析，通过建立营运管理系统和连接公共交通车辆的车载终端信息网络，加强对运营车辆的指挥调度、运营监管以及采集数据的分析，推动公共交通的健康发展。

建设本公共交通系统的思想内核是借助先进的科学技术，结合人性化的设计理念，构造一套精密、复杂、庞大的公交车联网视频监控管理系统，为公共交通运营体系提供可视化服务，进而为公众出行提供便捷服务，为公众出行安全提供有力的保障。系统总体架构如图4所示，包括公交示范应用、四个子系统、多个服务接口。

2. 车辆监管应用示范

车辆监管系统对城市的特种车辆包括公务用车、危险品车辆等安装北斗导航终端和电子车牌标识，建立基于北斗导航和电子车牌的车辆监管系统，本系统由车载终端子系统、车辆监管子系统、应急指挥子系统、公共服务子系统四部分组成。该系统利用北斗导航技术与车辆电子车牌相结合的方式实现全方位、全过程的实时监管与应急服务，可为相关部门提供车辆位置信息、车辆速度信息和驾驶员状态信息等，对正处于超速、抛锚、遇劫等情况的运输车辆采取报警、自动熄火等应急措施，建立涵盖运输市场管理、运政管理、运输安全管理等业务领域的综合车辆管理系统，进一步改目前车辆运营管理体系的效率，实现公务用车、特种车等车辆的安全监管与服务向信息化、精细化、智能化转变。

车辆监管系统在体系结构上可分为信息获取、通信网络和信息处理应用中心三个层次，其中，信息获取层集成多种信息采集方式，从CAN总线和各类传感器持续不断地采集发动机运行数据、车辆状况信息及驾驶员的操控行为，以及记录车辆所在位置；通信网络层完成信息的传递；数据处理应用中心将接收到的海量数据实时分析、整理，并将驾驶员不良的驾驶行为、油耗数据、车辆运行情况、维修保养计划等内容以直观的报告、图表等形式展现出来。车辆监管系统整体架构如图5所示。

五、结束语

根据城市交通当前发展状况，通过融合北斗导航定位技术，再结合大数据、物联网、云计算和移动互联网等新一代信息技术，以城市空间信息数据为基础，整合动静态交通数据，研制北斗智能交通应用终端和电子车牌终端，打造智能交通综合服务平台，形成公共交通应用示范和车辆监管应用示范，推动北斗导航产品在智慧交通上的应用和发展。

[1]于渊, 雷利军, 景泽涛, 等. 北斗卫星导航在国内智能交通等领域的应用分析[J].工程研究——跨学科视野中的工程, 2014, 6(1):86-91.

[2]Ding Z, Yang B, Chi Y, et al. Enabling Smart Transportation Systems: A Parallel Spatio-Temporal Database Approach [J].IEEE Transactions on Computers,2016, 65(5):1377-1391.

[3]周田, 张辉, 张翔. 北斗卫星导航系统在智慧城市建设中的应用[J]. 全球定位系统, 2015(1):82-85.

[4]Hu X, Giang N K, Shen J, et al. Towards Mobility-as-a-Service to Promote Smart Transportation[C]//Vehicular Technology Conference (VTC Fall), 2015 IEEE 82nd.IEEE,2015:1-5.

[5]Rathore M M, Ahmad A, Paul A, et al. Exploiting Real-Time Big Data to Empower Smart Transportation using Big Graphs[C]//Region 10 Symposium (TENSYMP),2016 IEEE.IEEE, 2016: 135-139.

[6]唐金元.北斗卫星导航区域系统发展应用综述[J].全球定位系统,2013(5):47-52.