北斗在智慧交通中的融合应用

文 | 姜慧

1.中铁第五勘察设计院集团有限公司

2.北斗导航装备与时空信息技术铁路行业工程研究中心

随着5G、云计算、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术的不断向前发展，融合北斗、建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）等技术的智慧交通解决方案成为解决当前复杂交通难题、提升交通管理效率、改善交通出行质量的有效途径，已在全国范围内得到不同程度的应用[1]。面向数字交通全面综合的立体感知、泛在的网络链接和智能融合的交通模型分析需求，加强基于北斗的交通基础设施建设，研发北斗智慧交通平台系统，有助于加快构建城市数字交通精准时空信息基座，建立高效畅通、绿色环保、安全统一的现代化数字化交通运输体系，为未来城市智慧交通规划、设计、建设、管理、运维等全生命周期提供关键支撑[2]。

一、智慧交通及北斗发展简述

1．智慧交通技术发展与应用

“智慧交通”起源于美国在20 世纪90 年代初提出的“智能交通”理念，智能交通主要是通过集成通信、数据传输、多元传感、卫星、计算机及交通工程等技术，并将其融合应用于交通运输管理流程中，发挥人、车、路的协同效应，提升交通运输效率，保障交通运输安全，改善交通运输环境与质量[3]。2009 年，IBM 基于自身信息技术发展与探索，创新型提出“智慧交通”概念，它将云计算、物联网、大数据等高新信息技术融入传统交通信息领域，旨在提供面向交通全生命周期的实时数据服务。通过构建多应用场景下的交通数据模型，搜集、分析并处理海量交通数据，实现了新技术体系下智慧交通综合系统的实时性、交互性、广泛性等[4]。随着智慧交通内涵的不断丰富与建设内容的不断实践，已逐步形成了多元、便捷、安全、舒适、环保的智慧交通新模式，通过加强人与技术的良性互动，聚焦交通数据价值，聚合交通业务生态，重视交通管理赋能，构建了能够广泛服务于大众交通出行、文化旅游、交通运输等一体的交通行业数字化服务与应用体系，有效解决了传统交通信息不畅、管理紊乱等问题。

早在20 世纪60 年代，美国、欧洲、日本、新加坡等便开始了在智慧交通领域的建设与应用探索[5]。美国专门成立智能交通协会，在车联网、自动驾驶、交通安全等多领域展开研究探索；欧洲提出实施联合计划，旨在打造基于交通信息、车辆控制、交通服务等系统在内的智能化道路协同网络；日本明确了交通道路信息化发展是交通运输行业发展的基本国策。国内在20 世纪90 年代开始关注智慧交通相关的技术研究与应用，致力于到2035 年实现全国交通基础设施数字化率达90%[6]。雄安新区开展了基于交通全生命周期数据的数字化交通运营；北京开展了“全车无人自动驾驶示范应用”，全市无人驾驶示范应用道路将扩至500km2；深圳着重搭建了交通监测预警平台体系，打造了近2500个信控路口；衢州开展了融合北斗的通航桥梁智能主动防撞监控系统研究。

2．北斗卫星导航系统发展与应用

目前，全球四大卫星导航系统包括美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）、中国北斗卫星导航系统（BDS）和欧洲伽利略卫星导航系统（Galileo）。基于国家卫星导航应用需求，我国秉承北斗系统建设“三步走”发展战略部署，经过近三十年的不懈努力与艰苦奋斗，中国卫星导航系统科学家们突破国外技术与原材料等多重封锁，于2020 年7 月31 日正式向全球宣告北斗三号全球卫星导航系统开通提供服务，由此拉开了北斗系统在全球范围内应用的帷幕。

截至目前，基于北斗高精度定位、北斗导航、北斗统一授时及北斗短报文通信技术的应用愈加丰富，产业生态体系不断完善，打造了涵盖政、产、学、研、用在内的北斗全产业链生态圈，形成了特色鲜明、形式多样、成效显著的北斗技术与产品融合应用体系[7]。我国使用北斗定位技术的终端设备已超过10 亿台/套；安装北斗模块的运营车辆近800 万辆；安装部署北斗自动驾驶系统的农用机械超10万台/套；近2600 处大中小型水库应用了北斗水文监测；在全国范围内，已投放配备国产自主北斗芯片的共享单车超500 万辆；基于国产自主北斗的车道级高精度导航，已在多个城市试点应用；发布了全球首款支持国产北斗短报文通信系统的智能手机终端。北斗卫星导航系统在各行业领域的全面综合应用，已成为推动国民经济与社会发展的时空基石和重要引擎[8]。

3．智慧交通发展政策导向

智慧交通作为未来智慧城市发展的重要内容，是未来数字经济发展的重要引擎。为了进一步加快数字化新兴技术与交通领域的融合创新应用，我国研究制定了一系列针对智慧交通基础设施建设、系统平台搭建、交通产业数字化发展等相关政策，助力打造涵盖交通全生命周期的产业链体系。在国家层面，国家《数字交通“十四五”发展规划》明确要求部署北斗信息基础设施应用网络，打造北斗全球海上遇险通信与搜救支持系统工程；《“十四五”交通领域科技创新规划》提出要加快北斗导航技术应用，开展交通先导应用项目试点；《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》阐述了未来国家交通自主创新发展的重要内涵。在地方层面，各省市地区纷纷响应国家号召，结合当地经济发展与交通现状特点，出台了符合自身发展需求的智慧交通发展政策与规划。如《湖北省综合交通运输发展“十四五”规划》强调了构建智慧交通数字采集体系、网络传输体系与智能应用体系；《江苏省“十四五”智慧交通发展规划》展望了2035 年江苏省智慧交通发展水平要迈入世界前列，交通基础设施数字化率达95%。总体来看，加强北斗、5G、大数据、人工智能等高新技术在交通行业的应用，提升智慧交通数字化技术研发与应用水平，打造综合、智慧、绿色、便捷、平安的数字化智能化交通体系是未来交通行业发展的核心方向。

二、北斗赋能智慧交通融合创新应用

时间信息、空间信息是人类社会生产生活的重要基准，在当前世界数字化发展格局下，依托全球卫星导航系统构建精准的时空信息基座已成为国家经济社会全方位立体发展的重要保障。北斗作为我国自主建设运行的全球卫星导航系统，是构建自主安全可控信息基础设施建设的重要基石，通过北斗综合PNT 技术与多元传感技术相融合，有助于提升传统交通行业的智慧化应用水平[9]。通过研发部署北斗智慧交通综合服务云平台、北斗智慧交通大数据中心，建设北斗地基增强站网系统，配置北斗高精度定位无人机、北斗智慧综合杆、北斗手持/车载终端等，形成融合北斗的智慧交通管控、服务、决策以及智能驾驶体系，为城市交通发展精准赋能[10]。

1．北斗智慧交通综合服务云平台

面向智慧交通发展与应用实际需求，以交通业务数字化为目标，构建交通泛在感知数据湖，打造北斗智慧交通综合服务云平台，形成“N”项智能感知能力、汇聚“1”个大数据平台、支撑“4”大服务应用体系的“N+1+4”智慧交通创新应用模式。通过综合运用北斗与新一代信息技术，形成泛在互联的智能感知能力，搭建涵盖北斗卫星通信在内的高效融合通信网，建设智慧交通综合管理平台、北斗综合PNT 服务平台、智慧交通大数据服务中心，为智慧交通上层服务与业务应用提供数据支撑，打造智能管控、智能服务、智能决策以及智能驾驶在内的智慧交通体系。北斗智慧交通综合服务云平台总体框架如图1 所示。

图1 北斗智慧交通综合服务云平台总体框架

2．北斗智慧交通基础设施建设

基于智慧交通北斗应用需求，开展区域智慧交通发展数字化基础设施建设，包括区域北斗地基增强站网系统、北斗无人机场、北斗智慧综合杆、北斗手持/车载终端、道路智能感知视频终端、RFID 基站、北斗短报文通信终端等综合交通基础设施。通过北斗智慧交通应用平台，对城市交通车辆位置数据、车辆基础属性数据、车辆行驶数据、道路综合状态数据、交通空间信息数据等进行实时采集、传输与分析处理，为城市综合交通提供高精度定位、高精度导航、应急通信保障、危险源识别处置、综合指挥决策等综合服务，实现城市交通智慧化管理。北斗智慧交通应用平台总体架构图如图2 所示。

1）北斗地基增强站网系统。根据国内北斗基准站网系统建设现状情况，结合智慧交通北斗高精度位置信息需求，开展面向智慧交通服务的北斗地基增强站网系统建设，充分利用包括地面移动通信、数字广播以及卫星转发等多种通信手段，实现对北斗卫星导航系统空间信号精度和完好性性能的增强。为智慧交通车辆、人员、交通基础设施等提供实时高精度位置服务。

2）北斗无人机场。通过部署北斗无人机、无人机场，配合北斗无人机管理系统等，实时标注各设备地图点位，实现交通道路无人值守状态下的高频次、常态化飞行和自动化巡检作业，通过实时采集、传输、分析处理无人机数据，能够及时感知分析路网事件，并将事件信息实时回传路网运行监控系统，大幅提高交通现场感知、应急处置与指挥调度能力[11]。

3）北斗智慧综合杆。通过建设部署新型北斗智慧综合杆，集成搭载边缘智能计算盒、北斗基准站、5G 微基站、视频监控等设备，提供智能照明、移动通信、城市监测、交通管理、信息交互和城市公共服务等功能，通过北斗智慧综合杆综合运营管理后台系统进行远程监测、控制和管理，实时采集交通流量、环境气象、通行状态等信息，提升道路综合感知能力与路网事件分析处置能力[12]。北斗智慧综合杆示意图如图3 所示。

图3 北斗智慧综合杆示意图

4）北斗手持/车载终端。根据智慧交通路网监测、养护巡查、道路资产管理等需求，配置北斗手持/车载终端，巡检人员可通过终端向指挥中心发送信息、打电话、写巡检日记，也可以通过手持终端完成道路病害、道路基础设施等实时数据的采集和上报；北斗车载智能道面巡查终端通过集成高分辨率高速相机、实时组合惯导系统、边缘智能计算、高速网络及4G/5G 通信等，实现搭载运动平台下的高精度实时道路病害巡查。

3．北斗智慧交通服务

（1）智能管控

基于安全高效的原则，借助北斗高精度位置服务能力，通过动态化智能感知，海量化数据支持，一体化通信保障，精准化业务分析，提供科学的技术支持，构建高速公路智能管控体系。如设置区域动态限速，通过限速及车道高精度控制等实现不同区段、不同车道、不同级别的车道限速，提前对车辆进行预告提示，最大限度减少对道路通行的影响；设置匝道控制及分合流预警系统，有效地调控进出高速公路的交通流量。智能管控服务示意图如图4所示。

（2）智能服务

通过信息集成、运营集成、支付集成等，为用户提供覆盖出行前、出行中以及出行后的全链条智慧出行服务。如通过设置出行时间预告系统，在道路的情报板上显示道路拥挤度及出行时间建议；基于北斗融合的路侧基础设施，开展智慧服务区、高速公路WiFi、智能收费等数字化应用，为公众提供更好的交通出行服务。北斗智慧交通智能服务示意图如图5 所示。

图4 智能管控服务示意图

（3）智能决策

基于智慧交通智能感知设备采集的海量交通数据，通过人工智能、数据挖掘等技术，构建智慧交通辅助决策系统，为交通智慧化运营管理提供智能辅助决策。如通过专网、公网、北斗卫星通信等空地一体化的全方位网络，实现语音、视频、数据多业务融合的应急指挥调度功能，从而满足交通应急事件过程中的处置需求；通过道路智能养护决策系统，实现道路的全寿命周期精准养护，大大节省后期的运维成本。道路养护巡查系统如图6 所示。

图6 道路养护巡查系统

（4）智能驾驶

基于智慧交通路侧多元感知设备和各型车载设备终端，融合北斗、现代通信与互联网技术，在车路协同、自动驾驶、智能网联车道等细分领域开展集成创新示范应用。如在车路协同方面主要包括前方紧急制动预警、前方事故预警、异常闯入物预警、自动变道超车、自动减速、自动紧急停车等场景。道路信息自动识别如图7 所示。

图7 道路信息自动识别

三、结束语

本文通过分析智慧交通及北斗发展历程，梳理智慧交通发展政策，重点介绍了北斗在智慧交通领域的融合创新应用。通过研发部署北斗智慧交通综合服务云平台，建设北斗智慧交通基础设施，开展北斗智慧交通服务,为北斗技术在交通领域的应用提供了新的思路。面向未来交通数字化发展需求，随着城市交通水平不断向前发展与行业特色应用场景的不断深化，基于北斗卫星导航技术与新一代信息技术等相融合的整体解决方案在未来智慧交通应用中将具有更广阔的想象空间。