基于RTK/VRS技術的車輛智能監控管理平臺的設計與實現

鄒 浜,周文勝,王偉權,高云志,張 良

(四川九洲電器集團有限責任公司,四川 綿陽 621000)

0 引 言

在國家提倡構建“智慧城市”的時代背景下,“智能交通”作為“智慧城市”的重要組成部分,迅速成為相關領域的研究熱點。城市化進程的快速推進導致了各省市城內、城鄉和城際道路的大規模修建,機動車的平民化普及使得車流量迅速提高,由此導致了多城市多路段,尤其是城市主干道和高速公路的交通擁堵現象和交通事故時有發生,對我國的經濟發展和國民人身安全造成嚴重威脅[1]。因此,符合當今時代需求的實時、高效、和智能化的車輛智能監控管理平臺應運而生。

網絡實時動態定位技術(RTK)是一種集衛星大地測量技術、通信技術和計算機網絡技術于一體的空間信息實時服務技術[2],借助國家建立的大規模CORS網絡,可以快速、實時和準確地向授權用戶提供導航定位、測速和授時等服務。將網絡RTK技術應用于車輛智能監控管理平臺中可以為授權用戶提供以下服務:1)對指定路段進行車流量監控,實時反饋車輛詳細信息;2)對所有的車輛進行實時定位,對越界、頻繁變道和長期違章占道的車輛進行警告和處理;3)通過對車速和行駛方向進行監控,對超速和違章行駛的車輛進行警告與處理;4)對發生故障的車輛進行跟蹤鎖定,并通過調度系統對其實施有效救援;5)在道路發生突發狀況(如公路堵塞、泥石流沖斷公路)時,引導車輛在最佳行車路線上行駛[3];6)和高精度城市三維立體影像進行融合,實現高精度城市三維導航[4-7]。

課題組研制了基于網絡RTK技術的成綿高速公路車輛智能監控管理平臺,目前在四川成綿高速公路上進行了試運行,取得了良好的效果。

1 網絡RTK的相關技術及其優勢

1.1 傳統導航定位技術的不足

傳統的車輛監控平臺基本上都采用GPS單點定位技術[8-9]對車輛進行定位和跟蹤,而GPS單點定位由于是偽距絕對定位,因此定位誤差均為米級,在對空條件差的地區甚至能達到±10 m以上的誤差,這將導致在道路重疊區(如立交橋)出現定位錯區,給監控和管理帶來不良影響,而且由于定位誤差較大,目前已經難以滿足智能交警、高精度城市三維導航等新應用的要求。

傳統的RTK技術雖然在一定程度上能為需要進行高精度(厘米級誤差)動態定位的用戶提供良好的服務,但在實際運用中仍然存在以下不足[1]:1)可靠性低,由于流動站只能接收單一基準站的差分改正值,一旦基準站發生故障,則會導致流動站定位錯誤甚至不能定位;2)覆蓋范圍小,由于流動站需要通過基準站進行差分改正,隨著流動站與基準站間的距離逐步增大,空間相關誤差(如電離層延遲、對流層延遲和星歷誤差等)也會逐步增大,甚至會導致流動站與基準站的空間誤差失相關,因此流動站只能在基準站附近10～15 km的距離內進行定位;3)通信鏈路不暢,由于基準站上裝載的多為小功率無線電臺,難以向遠距離的流動站發送差分信息。

顯然,傳統的導航技術限制了它在新時代交通運輸領域中的使用,因此需要運用作用范圍廣、高可靠性和通訊鏈路暢通穩定的網絡RTK技術。

1.2 VRS技術的定位方法及優勢

隨著北斗導航系統(BDS)的快速發展,GPS/BDS雙模定位可以在一定程度上改善GPS單模定位時衛星數量少和定位精度不高的缺點,因此被應用于網絡RTK中。網絡RTK中目前使用較為廣泛的是虛擬參考站(VRS)技術[10],其主要硬件構成包括主控中心、CORS網絡和若干流動站,其定位方法大致如下:在需要進行定位的區域按照一定的位置規律布設若干CORS站(基準站),各CORS站以光纖連接共同組成CORS網絡,對視野內的衛星進行連續實時觀測,借助通信網絡將觀測值實時上傳到主控中心;流動站進行定位時先獲取自身概略坐標,通過GSM/GPRS/CDMA將概略坐標發送至主控中心;主控中心對所有基準站數據源進行實時采集,對數據進行分布式處理與融合再處理,根據流動站提供的概略坐標在其位置上產生一個物理上并不存在的虛擬參考站,并生成包含對流層延遲修正值和電離層延遲修正值等信息的VRS觀測值或RTCM差分改正數,再以無線通信的方式實時提供給用戶,供其進行常規差分解算,最終得到用戶需要的精確坐標(平面坐標誤差一般為厘米級定位精度)。上述基于VRS技術的網絡RTK系統稱VRS系統,VRS系統應用于公路交通運輸導航中,需要將CORS站布設于能完全覆蓋公路段的區域中,將流動站改裝為車載接收機,主控中心和車載接收機均需要雙向數據傳輸,用戶的數量不能無限增加,主要取決于網絡帶寬和主控中心服務器的荷載承受能力。車輛智能監控管理平臺中VRS系統的組成結構如圖1所示。

圖1 車輛智能監控管理平臺中VRS系統的組成結構

VRS有以下優勢[10]:1)定位精度高,且具有較好的均勻性;2)更高的可靠性和可用性,如果某個CORS站發生故障,系統還可以通過剩余的CORS站估計空間相關誤差,繼續為用戶提供服務,系統還可以根據冗余信息有效探測某個基準站的觀測粗差,提高RTK的可靠性和完好性;3)更大的作用范圍,只要在CORS網和GSM/GPRS/CDMA網信號覆蓋的范圍內,均可以進行有效定位;4)通暢的數據鏈路,由于GSM/GPRS/CDMA網的信號覆蓋范圍廣,且具有足夠的數據帶寬,完全可以作為通信數據鏈的載體;5)用戶接收機只承擔少部分的計算,大部分的計算由主控中心承擔,因此可適當減少用戶接收機的制造成本。

2 成綿高速公路車輛智能監控平臺的構建

2.1 用戶需求分析

成綿高速公路起于成都市三合場,止于綿陽磨家,全長92.4 km,是路基寬度約為24 m,設計行車速度為120 km/h的全封閉、全立交、四車道的高速公路。經綜合考慮,沿線布設3臺CORS站,各CORS站與主控中心以光纖相連形成局域專網。

在用戶需求方面,由于成綿高速公路為事故多發地段,尤其在節假日,經常會出現交通擁堵、車輛違章和車輛追尾等現象。因此,該平臺需要實現網絡RTK技術在車輛監控管理方面的實用化,平臺主要分為本地監控管理端和被監控終端。本地監控管理終端應具有的功能:1)能夠根據用戶權限維護對被監控車輛運行情況進行查詢和統計;2)能夠對被監控車輛進行實時定位,對越界、頻繁變道、超速和長期違章占道的車輛進行警告和處理;3)能在發生突發狀況時,引導車輛在最佳行車路線上行駛;4)能夠快速處理被監控端發送的救援請求等信息;5)能夠與電子地圖進行融合,將各車輛位置以及道路周邊環境展現在電子地圖上,并支持在地圖上直接點擊查詢被監控車輛的屬性以及運行情況(如歷史行車軌跡)等信息;6)提供平臺運營維護、信息管理和后臺用戶權限管理等功能。

被監控端應具有以下功能:1)顯示本車相關的屬性信息;2)能夠進行厘米級精度(要求能精確區分車道)定位的實時導航;3)能夠向本地監控管理端實時發送請求信息,并能實時處理本地監控管理端發送而來的警告、違章處理和請求應答等信息;4)能在電子地圖上顯示本車的歷史行車軌跡。

因此,這是一個融合了網絡RTK技術、GIS技術、計算機技術和無線通信技術等先進技術的創新性車輛智能監控管理平臺。

2.2 平臺整體結構設計

平臺的硬件部分分為本地監控管理端和被監控端,其硬件構成和總體網絡結構設計如圖2所示,本地監控管理端由服務器群、瀏覽器工作站和CORS站通過移動公網和局域專網連接而成,移動公網和專網之間設置防火墻,防止病毒和木馬入侵,對設備和系統造成損壞。服務器群包括主控中心服務器、數據庫服務器和應用服務器。瀏覽器工作站指的是使用帶視頻輸出的瀏覽器通過互聯網連接到服務器的PC電腦,采用流行的瀏覽器/服務器(B/S)結構,能對被監控端的的相關信息進行顯示、查詢、管理和請求處理等操作。被監控端則是各個車載終端通過網絡拓補的方式進行連接。

圖2 平臺硬件構成和總體網絡結構設計示意圖

圖3 平臺總體的技術架構設計示意圖

平臺總體的技術架構設計如圖3所示,分為支撐層、數據層、系統層、應用層和表現層共五層架構。

支撐層包括成綿高速公路車輛智能監控平臺運行的硬件網絡環境和軟件運行環境。硬件網絡環境包括GPRS通信網絡、互聯網、服務器、存儲設備和導航定位設備等硬件的運行環境;軟件運行環境包括服務器操作系統、數據庫軟件和GIS平臺軟件(Super Map)等軟件的運行環境。

數據層包括數據層中的數據包括空間數據和業務專題數據兩大類數據。空間數據包括基本的地形圖矢量數據、圍欄數據、道路界線數據、影像數據、DEM數據以及三維場景數據;業務專題數據中包括車輛基本屬性信息數據、系統維護信息數據、車輛告警信息數據、車輛警情處理數據以及車輛位置信息數據等業務數據;元數據信息主要用于管理與描述整體系統數據分類、數據結構等相關信息,并且能夠用于維護系統數據庫。

系統層包括車輛定位監控子平臺和車輛綜合管理子平臺兩大子平臺。車輛定位監控子平臺主要用于車輛位置監控和告警監控,在這個子平臺上,實現了基礎地圖展現模塊、車輛實時位置展現模塊、車輛告警模塊和警情處理模塊,這些模塊綜合了整套基于網絡RTK技術的車輛監控業務流程;車輛綜合管理子平臺是整個平臺的基礎數據維護以及服務器監控服務中心,主要用于進行車輛監控基礎數據的管理和維護,以及對服務器進行運行維護監控。

應用層就是基于系統層的功能模塊,集成了地圖展現瀏覽模塊、高精度車輛監控模塊、車輛調度控制模塊、車輛報警模塊、警情處理模塊、終端管理與控制模塊、系統管理模塊、信息維護模塊和平臺運維模塊等功能模塊。

表現層是整個成綿高速公路車輛智能監控管理平臺所支持的幾個表現形式,根據業務需求,平臺不僅需要在傳統PC機上運行,可以讓用戶在監控指揮中心對車輛進行實時監控以及警情處理,而且還需要向被監控用戶提供基于Android設備的APP應用,該APP集成了信息維護、監控和遇緊急情況時告警信息上報等功能。

2.3 平臺整體服務流程與功能實現

由于高速公路上的交通事故75%以上均由于貨運車造成,因此政府規定對進入成綿高速公路的貨運車實行強制監控,平臺的服務流程和實現的功能為

1)貨車在進入成綿高速公路前,用戶應首先通過客戶端登陸平臺服務器進行注冊,錄入車主信息和車輛屬性信息,成為平臺認定的授權用戶。

2)當貨車進入成綿高速公路時,會被安裝車載終端,用戶進行登錄后會通過移動公網與平臺服務器進行自動連接,以便能實時接收主控中心發送的差分信息用以實時進行高精度定位、導航與測速,以及接收服務器發播的其他信息。車載終端顯示器可以在電子地圖上顯示本車的行車軌跡和相關屬性信息,而本地監控工作站的顯示器上會顯示該授權車輛的相關屬性信息、位置以及行車狀態等信息,也可選擇性地顯示該車的歷史行車軌跡。

3)當貨車靠近圍欄或界線(一般為≤0.5 m,也可自行設定)、接近限制速度(差值≤5 km/h,也可自行設定)、長期占用超車道和頻繁變道時,平臺服務器會自動向用戶發送告警信息。

4)當貨車出現進圍欄、越界和超速等違章情況時,平臺服務器會對該車輛進行標記,工作人員可以實時在監控客戶端填寫違章處理意見,并向用戶進行實時發送,也可延后綜合處理,并將處理意見發送給相關交通管理部門。

5)當貨車遇險時,可通過車載終端向平臺服務器發送警情請求,服務器接收到請求后會將其顯示在平臺監控顯示器上,監控工作人員可根據具體險情對遇險車輛進行救援、調度和處理意見發送等操作。

6)當出現道路損壞、交通擁堵或車輛追尾等事故時,平臺服務器會向后續車輛發送事故預警信息,必要時還可發送最佳路線導航指令,供用戶進行參考,合理規避事故風險。

7)當貨車駛出成綿高速公路時,則脫離平臺監控范圍,車載終端被回收,平臺數據中心將會根據工作人員的設置自動對該車輛的歷史數據進行保存或刪除等操作。

此外,平臺還提供很多外部接口,便于對平臺進行對象和功能方面的擴展和更新。

3 結束語

成綿高速公路車輛智能監控管理平臺經過一段時間的試運行,可以得出以下結論:

1)將RTK/VRS技術應用于車輛導航中,能達到厘米級定位精度,配合高分辨率電子地圖,能對越界、頻繁變道、超速和長期違章占道的車輛進行精確定位、監控和處理,即實現真正的車道級監控,這是傳統導航技術所做不到的。

2)將網絡RTK技術與高精度三維實景地圖進行融合,實現了真正意義上的三維實景導航,符合目前智能交通的新需求。

3)成綿高速公路車輛智能監控管理平臺綜合運用了多項高新技術,能對車輛進行智能化的定位、監控和管理,有效減少交通事故發生率。經初步測算,平臺試運行期間,事故發生率相比同期減少約30%,為政府節省費用400余萬,因此,具有一定的創新性和實用性。

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