基于北斗衛星與物聯網的城市智能交通系統的研究

●　文| 秦奮羅列峰陳龍　　上海航天測控通信研究所　2　上海航天計算機技術研究所

技術進展 Technology Progress

基于北斗衛星與物聯網的城市智能交通系統的研究

●文| 秦奮1，2羅列峰1陳龍11上海航天測控通信研究所2上海航天計算機技術研究所

摘要：分析了北斗衛星和物聯網的發展現狀和技術優勢，提出一種基于北斗衛星與物聯網融合的城市智能交通系統，在城市交通中綜合運用北斗定位、衛星通信、物聯網、傳感器網絡等多種技術，闡述了車輛信息采集、路段路況采集和道路監控調度的綜合功能，可有效改善城市交通運行效率。

關鍵詞：北斗衛星 物聯網 智能交通

一、 概述

北斗衛星導航系統是我國自行研制的全球衛星導航定位系統，是繼美國GPS和俄羅斯GLONASS之后第三個全球衛星導航系統。北斗衛星，提供全球范圍、全天候、高精度的衛星導航定位和授時服務，并具有特有的短報文通信能力。2012年12月27日，北斗衛星導航系統啟動區域性正式服務，具備覆蓋亞太地區，是我國航天科技和衛星通信向產業化、市場化發展的里程碑。

物聯網，是通過射頻識別、傳感網絡等方式獲取各種信息，結合互聯網和移動通信網等進行信息交互，采用智能計算技術進行信息分析處理，提供智能化的感知物質世界能力，已被確立為國家大力發展的新興戰略性產業之一，在上海、江蘇等地先后應用在智能交通示范工程中。

北斗衛星導航系統，其優勢在于可提供全球范圍、全天候、高精度的基于位置服務，但物體間的交互通信方面存在不足；物聯網，其優勢在于利用區域內完整的網絡，提供物體間的基于通信的服務，但物體間位置關系是未知的。

北斗衛星與物聯網的融合應用，能夠將北斗定位、衛星通信、物聯網、傳感器網絡等多種技術，集成式運用到城市交通管理中，主要用于道路監控調度、路段路況采集和車輛實時信息采集，完成道路交通智能化和信息化管理，提升道路車輛通行效率，實現實時、準確、高效的城市智能交通系統。

二、 基于北斗衛星與物聯網的城市智能交通系統設計

城市智能交通系統，通過物聯網的RFID技術、傳感器網絡、移運通信等支撐技術，加上北斗衛星雙向通信、全天候不間斷工作等特點，建設城市地面交通智能管理平臺，實現任何時間、地點的實時道路狀況及數據的交互與傳輸。

該系統完成包括城市交通流量檢測、車輛定位測速、車輛運行狀態檢測、車輛應急處置、城市停車智能管理、城市實時交通信息發布等綜合功能，主要由車載智能終端、路段路況采集終端和智能交通監控調度中心三部分組成：

1）車載智能終端，利用北斗定位模塊解算位置，并通過無線網絡發送位置信息和接收實時交通信息，可通過網絡請求獲取動態交通路徑；

2）路段路況采集終端，分為上行和下行鏈路，上行鏈路接收路段內車載智能終端的位置信息、請求信息和狀態信息，下行鏈路發送實時交通信息、路徑誘導信息，為監控調度中心提供路段內車輛狀態、流量等信息；

3）智能交通監控調度中心，基于路段路況采集終端提供的路段交通信息，進行包括交通信息發布、視頻管理、流量統計與估計、路段狀態識別等交通大數據的分析與挖掘，動態計算最優交通指揮方案和路線，可為車載智能終端提供路線導航。

1.車載智能終端系統

車載智能終端系統，以單一車輛為單元，裝載支持衛星定位、衛星通信和無線通信的車載智能終端。該智能終端，將車載北斗定位、衛星通信、行車記錄、車載傳感器等功能集成起來，分配有IP地址，配合移動通信或者WiFi熱點等無線網絡與路段路況采集子系統通信，以實現對車輛及駕駛人員的實時信息采集，系統結構見圖1。

圖1　車輛實時信息采集子系統結構圖

其中各模塊具體功能如下：

北斗定位：采用多通道、快速捕獲、高靈敏度的北斗導航定位接收機，實時計算車輛的行駛位置、速度和方向。

衛星通信：我國北斗系統具有短報文通信功能，是其特有的技術優勢。車載終端可一次傳送多達120個漢字的短報文，提供異常應急通信，向監控調度中心報警，報警信息包括車輛位置、車輛狀態、人員情況等。

無線通信：車載智能終端將車輛的位置、速度和方向信息，以及車內傳感器的狀態信息，通過移動通信或者WiFi熱點等無線網絡，發送給路段路況采集控制系統。

3D導航：車載智能終端具有對無線網絡的支持，能夠在線提供精細化地圖信息，保證3D導航、實景導航的實現。

射頻識別：采用射頻識別讀卡器讀取車輛駕駛員的射頻卡信息，使得車輛駕駛員資格受控并進行身份確認。

警告信息：當路段路況采集控制系統發現車輛超速、超載等情況時，由車載終端接收并顯示警告信息。

路線規劃：通過無線通信模塊，接入交通監控調度中心提供的目的地路線規劃信息，接收路況交通信息。

傳感器檢測：通過定位模塊、加速度傳感器、傾角傳感器、圖像采集模塊等對車輛行駛過程進行監控,監測車輛運行狀態，記錄車輛碰撞、側翻等緊急情況。

2.路段路況采集控制系統

路段路況采集控制系統，以單一路段為單元，通過密集設置的路面探測點和交通探頭，收集路段內車輛信息數據，統計路段內道路車流量、交通事故、路段擁擠情況與車輛行駛速度等信息，對路口交通信號控制提供實時數據，采集路段內實時視頻圖像，完成與車載終端、監控調度中心的交互通信，結構見圖2。

圖2　路段路況采集控制系統

其中各模塊具體功能如下：

車輛信息收集：實時接收車載終端發送來的車輛位置、速度、方向等信息，并統計路段內車流量提供給監控調度中心。

交通燈控制：根據路段內車流量，按照交通空閑、中等、繁忙三種模式進行交通燈控制切換。

警告信息：根據路段內的限速、限重規則，對路段內超速、超載車輛發送警告信息；自動識別車牌號碼，實時警告違章車輛。

圖像采集：通過視頻采集模塊，實時提供路面交通視頻圖像，并記錄路段交通和超速現場。

傳感器檢測：通過溫/濕度、光照度、氣體檢測等傳感器，進行路面能見度、尾氣污染等檢測，為監控調度中心提供路段基礎數據。

停車信息輔助：根據車載終端的接入請求，發布路段內停車場的車位信息，實現車位信息查詢、車位預約和自動收費等功能。

交互通信模塊：該模塊分別完成與車載終端和監控調度中心的雙向通信。接收車載終端提供的車輛定位信息，根據請求提供路段內交通信息；接收監控調度中心設立的路段交通控制規則，發送路段內統計的車流量基礎數據。

3.智能交通監控調度中心系統

監控調度中心，利用車載終端、路段路況系統構建的物聯網，挖掘處理海量車輛、路段的交通數據，獲取各路段完備的動態交通信息，為路段交通規則和交通控制提供數據依據，實現城市交通智能識別、預警和調控的功能，建立信息分析、信息交互、應急處置和系統維護等綜合業務平臺，系統結構圖見圖3。

圖3　道路監控調度子系統結構圖

其中各模塊具體功能如下：

信息分析：基于車載終端、路段采集系統，接收處理車輛、路況信息，實時統計處理交通數據，建立交通信息數據庫，提供路段交通預估和路段交通歷史查詢。

信息交互：根據歷史和當前交通量及變化趨勢進行預測，向路段路況系統發送交通控制信息，并可視頻監測各路段交通情況；此外，可按照車載終端的通信接入請求，進行路線交通分析，發送規劃后的優選路徑至車載終端；通過移動網絡或者WiFi熱點等發布到車載終端、路面顯示終端、個人、公共顯示終端上，供市民交通信息查詢。

應急處理：根據交通流量的分析預測，實時識別和預警路段交通擁堵識別和擁擠；發布交通管制、災害氣象等信息；利用北斗衛星通信功能，通過衛星通信鏈路發送應急信息，提供車輛應急通信接入。

系統維護：對北斗衛星進行地面通信和監測，對路段路況控制模塊進行功能監測。

三、 結束語

物聯網與北斗衛星系統，在城市交通智能信息系統的融合應用能夠技術互補，在城市網絡環境下提供精確的位置服務，并提供北斗系統特有的雙向衛星通信業務，在智能交通系統具有廣闊的發展前景。基于兩者融合應用的城市交通智能信息系統是一個規模非常龐大的系統，涵蓋了衛星通信、導航定位、物聯網、智能交通、傳感器網絡等多種現代化技術，未來必將在城市交通、市民出行、公共信息管理等方面發揮越來越大的作用。