基于BDS 的智能誘導系統研究

張揚永

隨著我國經濟和科學技術的快速發展，城市和鄉村的道路建設速度和規模不斷提高，城市人口規模和機動車數量急劇增長，城市交通擁擠、交通污染等問題日益凸顯.為了緩解城市道路交通中存在的問題，提升道路交通管控水平，道路交通信息化和智能化管理已經成為當前研究的熱點［1?2］.道路交通信息化管理以智能交通系統（Intelligent Transport System，ITS）為主要代表，該系統主要運用了先進的計算機技術改變傳統的道路交通系統，它可讓有限的道路交通資源發揮更大作用，提升交通運輸系統的運行效率，為出行者提供良好的服務［3?5］.在早期ITS 應用中，以人工干預和管理為主，路面信息采集點少，車輛、道路管理分離，導致系統不完善、不精確、不及時.雖然近年來ITS 發展迅速，但它仍然依賴于定位模塊和誘導算法，全球定位系統（Global Positioning System，GPS）定位模塊占據ITS 應用80% 以上，然而GPS 定位不完全準確、信號延遲等問題日益暴露.在隧道、橋梁等通信信號不穩定的情況下，傳統GPS 車載導航系統采用慣性導航，定位誤差隨時間推移而不斷累積導致長期精度不夠，這也會對ITS 事故管理、調度系統和交通誘導產生一定的困惑，從而影響調度員的決策.隨著定位需求越來越精準，我國北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）應運而生，BDS提供的定位精度可以達到分米、厘米級別，因此，高精度、高可靠、高精準定位BDS 應用于ITS，較好地解決了多數GPS 模塊的車載導航系統定位不精準、信號延遲問題［6?7］.

基于BDS 的智能誘導系統以車載BDS 模塊作為終端，實現BDS 精準定位，一方面能夠提升復雜交叉路口、高架橋、多層道路的精準定位，有利于ITS 實時交通誘導；另一方面，系統能將突發事件、車流量大、交通擁堵等情況實時反饋給調度員，有利于ITS 決策與調控，為社會公眾提供更高品質、更便捷的出行服務.另外，該系統能夠采集道路信息、車輛信息等基礎數據，并依據北斗服務分析道路實時狀態，利用交通事故處理、智能誘導模塊促進整個交通運輸系統的信息共享，提高交通資源的利用率，有利于整合城市道路交通資源，也可以為“互聯網+”智能交通發展提供參考.

1 系統設計

1.1 工作原理

目前，我國各大城市已經建立比較完備的智能交通系統基礎資源，對于道路地理信息（Geographic Information System，GIS）、車輛定位信息（GPS、BDS）的采集、接口也相對健全，本系統可按照通信協議對車輛位置、道路狀況等數據進行解析，如車輛經緯度、車速、路況等信息［7?8］.BDS 信息傳輸主要 在通信管 理模塊完成，該模塊主要負責接收并處理手機、車載設備等車載終端信息，通過北斗衛星、互聯網、無線通信實現車載終端的雙向實時通信.隨著5G 通信技術應用越來越廣泛，基于BDS 的各項通信能力和精度都得到了提升，因此系統測速精度更高.基于BDS 的智能誘導系統既要考慮車輛位置和車速信息、道路運行狀況和實時路面情況，還要考慮交通事故、工作日及早晚高峰時段，才能讓調度管理子系統功能得到有效發揮，智能誘導系統工作原理如圖1 所示.

圖1 智能誘導系統工作原理

由圖1 可見，當車載終端響應BDS 定位請求時，BDS 服務不僅可以提供車輛定位信息，還可以獲得車輛行駛方向等信息，配合道路信息的GIS 即可生成有效行車指引.系統會根據出行者設置的出行目標，自動規劃路線，根據不同的誘導類型（時間優先、路程優先等）優化誘導路線.車載終端與BDS 即發生實時通信，不斷更新車輛定位、道路狀態信息，如果有事故發生，系統提供上報事故功能，方便更新道路信息.

1.2 系統總體設計

基于BDS 的智能誘導系統設計的主要目的是實現車輛定位信息、道路狀況（擁堵、交通控制）與交通管理的監控中心實時通信.地面控制中心通過BDS 通信衛星、基站、采集終端實時獲得道路狀況，通過互聯網將道路數據存儲到ITS 服務器.監控中心能及時通過地面控制中心獲得路面交通流量信息，通過BDS 通訊衛星可精準定位車輛信息，從而根據道路交通情況執行調度，為調度員提供決策參考［9?10］.出行者也可以運用車載終端、移動設備，獲取自己的位置信息和路面情況，方便管理自己的出行路線.該系統的系統架構如圖2 所示.

圖2 ITS 系統構架

基于BDS 的智能誘導系統以更加精準的BDS 定位模塊，通過道路管理、車輛管理功能結合定位信息和多方案誘導算法應用于ITS，在整個ITS 運行過程中，道路、車輛、監控中心通過互聯網、BDS 通訊衛星保持實時通信，因此，系統能夠進一步提升智能誘導、交通調度的效果.

1.3 功能設計

在傳統的ITS中，主要基于GIS、GPS 等技術，通過車輛管理、通信管理等核心模塊，實現城市道路交通中事故車輛、道路與調度中心實時的通信，最終實現智能誘導、智能調度功 能［11?12］.基 于BDS 的智能誘導 系統包括了地面控制中心、BDS 定位系統和智能誘導系統，地面控制中心和BDS 定位系統主要是為智能誘導系統服務，系統的整體功能設計如圖3 所示.地面控制中心主要負責收集道路數據、監測道路變化、車輛定位等；BDS 定位系統主要是建立在BDS 通信模塊和定位模塊基礎上實現通信管理和北斗服務，該系統與地面控制中心緊密聯系，支撐智能誘導系統的運行；智能誘導系統包括交通事故、調度管理、智能決策等子系統.

圖3 基于BDS 的智能誘導系統功能

該系統主要涉及交通管理部門、交通參與者、車載終端等；交通管理部門進行道路交通信息、車輛信息的采集和管理，同時提供系統運行的調度管理信息；交通參與者上報交通事故、誘導反饋等各種實時信息；車載終端由BDS 定位模塊、誘導路線選擇模塊構成，可方便獲取交通擁堵、事故及施工等信息.因此，交通管理部門的調度員可以通過BDS 服務更精準地實施調度；出行者可以制定自己的出行路線；車載終端可以根據智能誘導管理參考路線，并推薦行駛路線.

1.4 數據庫設計

根據系統框架設計和智能誘導系統需求分析，系統中有4 類基礎對象，分別是道路信息、駕駛員信息、車輛數據和車載終端數據，這4 類基礎對象構成了智能誘導系統的基礎數據，完成基礎信息和核心模塊的數據采集工作.該系統的業務系統和決策服務功能有4類關鍵對象，主要包括了交通事故信息、道路預測信息、道路規劃信息（含調度和誘導）、車輛調度信息等，具體數據庫實體之間的關系如圖4 所示.

圖4 數據庫總體設計

圖4中，道路信息、車輛信息為基礎數據表，分別圍繞這兩個基礎表展開一對一、多對多的關聯，每個車輛對應一個車載終端，并存儲該終端的定位信息；根據道路信息進行規劃、預測和事故信息存儲，由于篇幅有限，各個實體信息不一一說明，表1、表2、表3、表4分別為交通事故信息、道路預測信息、道路規劃信息、車輛調度信息的設計.

表1 交通事故信息表

表2 道路預測信息表

表3 道路規劃信息表

表4 車輛調度信息表

其中，駕駛員信息、車輛數據、公交站點、工作人員表等基礎表對象信息比較簡單，道路信息和車載終端數據除了通過北斗服務各自增加經度、緯度采集外，與其他ITS 系統基本相同，篇幅有限不作展開.

2 關鍵技術

2.1 開發技術

基于BDS 的智能誘導系統開發工具涉及Visual Studio 2015、Android移動端，以及SQL Server 2012 數據庫管理工具，Visual Studio 2015是微軟提供的開發工具，它不僅可以創建強大的應用程序和游戲，還能夠創建跨平臺運行的APS.NET 5 網站（包括Windows、Linux 和Mac）.Visual Studio 2015 還支持移動跨平臺的開發，如：C#全面支持WP、iOS、Android 三大平臺手機系統開發，大大方便了該系統移動設備的服務開發.該系統數據存儲采用SQL Server 2012，它是由微軟發布的比較成熟的、可擴展的、高性能的數據庫管理工具，在關系型數據和結構化數據方面提供了更安全可靠的存儲，與Visual Studio 2015 組建開發十分簡便.

2.2 定位技術

該系統在開發過程中還涉及到通信技術和定位技術，最為核心部分是BDS 服務模塊，BDS 是我國自行研制的全球衛星導航系統，也是繼美國GPS、俄羅斯GLONASS 之后的第三個成熟的衛星導航系統，其定位精度為分米、厘米級別，并廣泛應用于交通運輸、農林漁 業、水文監測等領域［7］.在智能誘導系統中，當車載終端有變化時，地面控制中心通過DBS 服務可以在通信模塊實時獲得響應，讀取變化的時間、位置等數據，并將數據傳遞給SQL Server 數據庫服務器［13?15］.服務器將接收的變化數據分塊讀取，時間、位置信息分別存入BDSTime、BDSPOS 隊列中，這兩個隊列需要不間斷、實時接收ITS 各個車載終端的數據，因此這兩個隊列會構成循環讀取隊列.Visual Studio 2015 可以非常方便地處理消息隊列，只需要根據BDS 通信接口協議，對接收的數據進行解析，如果為無效數據則不處理，如果為有效數據則解析數據塊，提取時間和位置信息，然后反饋解析結果［16?17］.該系統經過數據傳輸、解析和處理后存入SQL Server 數據庫服務器，同時再將數據表示到地面控制中心的地圖界面上，這樣系統就可以實時標記地圖上車輛的具體位置、變化軌跡和道路狀況等，通信模塊具體接收時間和位置Visual Studio 2015（C#）代碼實現如下所示.

時間解析代碼：

位置解析代碼：

3 系統實現

3.1 系統維護的實現

智能誘導系統功能的實現離不開基礎信息的維護，包括道路信息、車輛信息、駕駛員信息、車載終端等，這些基礎信息主要維護智能誘導系統所需要的支撐數據，在車輛信息維護中實現車輛的類型、國牌號、車主、購置時間、發動機數據等維護，同時記錄了車主是否為駕駛員信息和相關聯系方式；在駕駛員中主要記錄了駕駛證號碼、姓名、出生日期、證件有效期和準駕車型等；在車載終端中主要記錄型號、功耗、定位的精度和靈敏度等信息.這些信息為后續實時定位、故事處理、智能誘導提供了基礎數據，也方便核心功能實現實時的數據采集，具體效果如圖5、圖6、圖7 所示.

圖5 車輛信息維護

圖6 駕駛員信息維護

圖7 車載終端維護

在系統維護效果圖中，主要實現基礎信息的維護，這些維護數據的采集能方便后續功能的信息關聯，如事故處理時提取車輛信息，方便錄入，其中車輛類型為出租車、公交車等在車輛調度系統中，將根據調度需要調整執行行車路線.車載終端的設備型號決定了BDS 讀取數據效果，對于定位技術實現也有著重大影響，其設備型號對應接口不完全一致，BDS&GPS 大致定位接口規范如表5 所示［18?19］.

表5 BDS&GPS 定位信息輸出設置

系統維護的功能中還包括道路信息、地圖采集等其他信息，下面重點介紹基于BDS的智能誘導系統研究核心功能，分別是實時定位、事故處理、智能誘導、調度管理.

3.2 實時定位的實現

基于BDS 的智能誘導系統設計在實時定位功能上需要實現三個核心功能.第一，當車載終端在位置發生變化時，系統要從BDS 服務中實時獲取定位，并對定位在地圖上變化軌跡進行記錄；第二，當車載終端在天橋、復雜交叉路口等處啟用BDS 服務，BDS 可充分發揮其精準定位優勢，對其路線規劃能及時、有效地反饋行車路線；第三，當車載終端進入隧道等通信信號弱的情況下，系統需要對其位置發生變化進行估算，避免離線異常.車載終端設備BDS 獲取的經緯度格式一般如表6所示［18?19］.

表6 BDS 經緯度格式

當用戶輸入所要的定位目標，系統會自動關聯目標對應的坐標，默認最經常被查找的為第一項，并提供目標的相關定位數據的文字服務.如果選擇實時定位，則系統會獲取車載終端的位置信息，并根據其位置變化顯示位置的變化方向，為后續誘導分析功能做準備，具體經緯度定位的展示效果如圖8 所示.

圖8 基于BDS 的定位查找功能

基于BDS 的定位查找后臺功能中提供了比較精確的位置信息，如有問題可以訂正后發送到后臺，由后臺系統判斷處理；實時定位功能可以方便事故處理、智能誘導等功能的行車方向選擇、路線規劃等.

3.3 事故處理的實現

影響城市道路交通除了工作日早、晚高峰外，最主要的原因就是交通事故，這些意外發生時往往會給交通帶來巨大壓力，除了小事故快速處理、現場警察及時排除外，更重要的是需要依賴計算機科學技術加以引導［20］.基于BDS 的智能誘導系統設計在實時事故處理功能上實現了比較方便的錄入，通過車載終端可獲取定位和當前車輛信息，簡單選擇事故類型和行車方向，輸入相應車道、發生時間及預計時長和事故內容；其中影響相關車輛如有多輛則可以通過添加車輛進行關聯，同時事故處理在智能誘導中可以實現快速錄入，具體效果如圖9 所示.

圖9 事故處理功能

在事故處理功能中，定位模塊方便了事故維護的操作，為了更快速上報和維護交通事故，系統采用事故編號自動生成，事故類型分為：輕微、一般、嚴重等6 個級別，事故的影響方向分為：東西南北及東南等8 個方向，車道為數字，從道路外到內計數，默認均為BDS定位的行車方向和車道.傳統定位精準在車道方面有較大偏差，而BDS 可以實現比較精準的車道定位，提高了事故報送的精準定位.

3.4 智能誘導的實現

誘導系統功能設計主要在誘導系統體系結構和誘導流程的基礎上開發實現，在智能誘導功能中，其誘導算法的重要程度最大，根據出行目標合理規劃，提供多種出行和調度方案，并將各出行方案預覽和對比，方便出行者選擇［21］.智能誘導是在路況實時采集模塊、車載終端BDS 定位模塊、事故處理模塊等三大模塊的基礎上進行的，其誘導系統界面設計如圖10 所示，操作上實現了BDS 實時導航、記錄行駛軌跡、快速上報事故、當前路況變更、實時定位車輛位置信息、實時更新誘導路線等.

圖10 基于BDS 的智能誘導

智能誘導可以提供推薦時間最短路線或規避擁堵路線等智能方案，同時附加了快速上報事故、當前路況變更功能，可以方便出行者對當前路況的更新，進而提升智能誘導的效果.

3.5 調度管理

基于BDS 的智能誘導系統可進一步提升調度系統效率，它可以運用BDS 的實時定位技術，動態更新實時交通信息，實現出租車、公交車等公共出行車輛的實時監控和調度，從而提升公共出行車輛的出行效率，產生更好的社會服務效益.調度系統通過編制公交車輛行車路線、調度方案，發布調度指令，公共出行車輛接受調度指令后，相應司機、車載終端等的執行過程在監控系統中進行顯示，實現效果見圖11、圖12、圖13.

圖11 公交線路調度設置

圖12 公交調度配置

圖13 基于BDS 的公交調度管理

為了更合理安排、組織和控制公共出行車輛的運行和相關人員的工作，采用人工智能的方法，如算法選擇、調度方式、優化順序等，可以輔助調度員實現對車輛的計劃排班、實時調度、專家輔助決策，彌補調度員經驗不足.

在公交調度管理中，調度員可以在高峰時段規避擁堵、響應事故、應用調度等不同模式下設置不同的應急方案，在車輛實時運行狀態中實現車輛實時位置信息、客流量預警等實時調度.

4 結語

基于BDS 的智能誘導系統研究構建了智能誘導系統框架，以車輛數據、駕駛員信息、車載終端等基礎數據為支撐，通過車輛管理、通信管理、北斗服務等核心模塊實現車輛監測、數據通信、高精度導航，并將事故信息反饋給交通事故子系統，最終通過決策服務為出行者實時提供行車線路和策略.研究不僅包括了智能誘導系統工作原理和核心數據庫表的分析與設計，還對實時定位、事故處理、智能誘導、調度管理等核心功能進行實現，系統整體上便于出行者做好提前規劃，利于道路交通管理部門實時了解交通情況，實現對公共出行資源的調度.