基于BDS/GPS系統的智能公路作業系統應用研究

摘要：為優化高速公路養護系統，文章提出了基于BDS/GPS雙模式導航系統的智能公路作業系統，通過智能定位、感知和預警等方式，有效突破傳統現場管理的短板，達到高效化和智能化養護管理的目的。

關鍵詞：高速公路；智能定位；DBS；GPS

中圖分類號：U491.5+9 A 54 178 3

0 引言

“十三五”以來，全國累計投入養護資金1.29萬億元，實施公路預防養護135.6萬km、修復養護165.2萬km，實施公路安全生命防護工程116萬km，在公路的養護上投入了大量的人力和資金。從工業智能、農業智能、醫療智能等智能化管理的有效實施經驗來看，公路“智能養護”亦可以有效地降低在公路養護上投入的人力和資金。隨著智慧交通“云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、智慧城市”等新一代信息技術的突破和發展，公路養護領域也逐漸向“智能養護”發展［1］。

交通運輸部印發了《“十四五”公路養護管理發展綱要》，再次強調了研制推廣基于人工智能的自動化巡查、基于物聯網的養護工程質量管理等養護智能化應用。針對傳統的公路養護管理方式，對現場人員調度、安全生產、應急指揮通訊慢、成本高和管理難等多方面的問題，本文提出了基于BDS/GPS雙模式導航系統的智能公路作業系統。該系統利用物聯網、大數據和云計算技術為施工作業人員提供定位、感知和預警三位一體的智能終端，可有效突破傳統現場管理的短板，達到高效化和智能化的養護管理目的。

1 系統概述

1.1 系統簡介

智能公路作業系統由智能安全衣、智能安全帽、智能錐桶等智能終端和軟件系統組成。系統以智慧施工安全產品云平臺為核心，以智慧反光衣及相關智慧施工安全用品作為終端，利用4G移動通信和BDS/GPS定位，將施工人員地理位置結合地圖進行可視化，通過大數據技術智能分析，向終端發出預警，提高施工安全和現場管理水平。如圖1所示。

1.2 關鍵技術

本系統的核心技術為BDS/GPS組合定位技術，該系統可以通過BDS和GPS對導航信息作測量并解算，以形成量測值，并從這些量測值中計算出BDS和GPS導航系統的誤差并校正。其相對于BDS或GPS單模式定位具有更高的精度［2］。其技術理論如下。

衛星定位的實質就是通過測量衛星到用戶接收機之間的距離來確定用戶的位置［3］，即：

c×（T0-T1）（1）

式中：c——取3×108 m/s；

T0——衛星信號發射時刻；

T1——接收機信號接收時刻。

求解衛星的空間坐標至少需要3顆衛星，由于存在接收機的時差，因此傳統的單一模式定位至少需要4顆衛星才能求解。關于偽距離觀測量的四參數方程為：

ρn=（xn-x）2+（yn-y）2+（zn-z）2+c·tr（2）

式中：ρn——偽距離觀測量；

（xn，yn，zn）——衛星坐標；

（x，y，z）——接收機坐標；

c——常數；

tr——接收機時鐘差。

本文采用的BDS/GPS組合定位技術還需要考慮BDS系統和GPS系統的時間差TB_D，因此關于偽距離觀測量的五參數（x，y，z，tr，TB_D）方程組可表示為：

ρB1=（x-xB1）2+（y-yB1）2+（z-zB1）2+c·tr+nρB1

ρB2=（x-xB2）2+（y-yB2）2+（z-zB2）2+c·tr+nρB2

ρBm=（x-xBm）2+（y-yBm）2+（z-zBm）2+c·tr+nρBm

ρG1=（x-xG1）2+（y-yG1）2+（z-zG1）2+c·tr+TB_D+nρG1

ρG2=（x-xG2）2+（y-yG2）2+（z-zG2）2+c·tr+TB_D+nρG2

ρGn=（x-xGn）2+（y-yGn）2+（z-zGm）2+c·tr+TB_D+nρGn

（3）

式中：（m+n）——取值≥5；

nρ——偽距離觀測的總誤差項；

ρBm——偽距離觀測量；

ρGn——可由導航電文報獲取；

（xBm，yBm，zBm），（xGn，yGn，zGn）——可由發射時刻的星歷數計算出。

基于BDS/GPS系統的智能公路作業系統應用研究/韋國標

那么，BDS/GPS雙模式系統的定位流程如圖2所示。

圖2 BDS/GPS雙模式系統定位流程圖

2 硬件系統及功能介紹

在硬件設計中，Luat Air820UG定位模塊和4G通信模塊為各終端的核心模塊。基于此構建了終端的定位電路和通信電路，并用中科微的測試軟件和程序進行定位測試，其結果如圖3所示。圖3（a）中縱坐標表示該衛星的搜星值，該值越高越利于定位。圖3（b）為終端的定位時長，兩條虛線分別為GPS衛星和BDS衛星的定位情況，若虛線部分高于NO Fix點或Invalid點，則表示為定位成功，反之表示無法定位。由圖3（b）可知，本文所設計的終端的坐標定位是可以秒響應的。以該定位電路和通信電路為核心，構建了語音播報電路、接近感應電路、視頻電路等，形成了智能反光衣、智能安全帽和智能錐桶等一系列智能終端［4］。

2.1 智能反光衣

智能反光衣在定位電路和通信電路的基礎上構建了接近感應電路、震動示警電路等。該終端定位精度可達到10 m以內，配合平臺可實現實時軌跡、歷史軌跡回放，可以滿足管理人員對公路現場施工人員的有效管理、精準調配。在安全方面，其可根據環境亮度，智能開啟LED燈閃爍，并配合聲音、震動警示，提高養護人員在施工作業時的安全保障。

2.2 智能安全帽

智能安全帽在定位電路和通信電路的基礎上構建了視頻電路、加速度感應電路等，同樣支持衛星定位、軌跡跟蹤，并集成了高清攝像的功能，管理者可以實現對佩戴安全帽養護人員的高效調用。當遇見緊急情況時，還可一鍵攝像進行本地存儲，為事后事件的分析提供有效的證據。在安全方面，智慧安全帽實現了佩戴檢測、加速度檢測、靜默警示、一鍵求救等功能，以保證佩戴人員的安全。

2.3 智能錐桶

智能錐桶在定位電路和通信電路的基礎上構建了放倒感應電路以及無線語音播報模塊等，其通過GPS和BDS系統的定位，可自動實現道路異常信息的實時精準采集，并與百度地圖交通大數據平臺進行無縫對接，施工人員在施工區域無感擺放后，設備自動定位、自動上傳位置，實時通過導航等移動終端軟件產品予以發布，并在距離施工現場2 km的位置精準推送施工預警信息，播報語音提示社會車輛提前減速，安全通過施工區域，保障人身安全，提升社會安全效益［5］。

3 軟件平臺設計

基于BDS/GPS雙模式導航系統的智能公路作業系統軟件主要分為后臺管理中心和數據處理服務器。后臺服務器軟件將4G節點傳輸回來的各終端數據進行分類存儲，并通過自定義數據處理方案進行分析；然后通過SVG矢量圖技術將后臺數據可視化，并提供給標準化接口的前端軟件應用。

系統的主要功能包括信息采集、遠程控制和自動警示三大部分。其網路拓撲圖如圖4所示。

圖4 BDS/GPS雙模式導航系統的智能公路作業系統軟件

設計圖

軟件拓撲圖包含了智能反光衣、安全帽、錐桶等終端，以及4G通信模塊、服務器、管理中心和用戶端。在服務器端，后臺服務器端通過4G網關服務器進行通信，并通過加密的MQTT服務會話，解決數據并發和數據傳輸的有效性和安全性，保證了數據的實時收發和處理。

用戶端可以通過手機APP、微信小程序或PC網頁，觀察智能終端佩戴者的行動軌跡或安裝狀況，以及控制智能終端發出示警或語音播報，實現智能反光衣和智能錐桶、智能安全帽和智能錐桶等終端的聯動，為現場的施工人員提供安全保障。同時上級管理人員可以通過用戶平臺有效調動現場工作人員，提高施工的效率。

4 系統的應用

目前所提出的基于BDS/GPS雙模式導航系統的智能公路作業系統，主要運用于廣西沿海高速公路的施工現場。系統所包含的終端，皆為道路養護人員道路作業的必須用品，可以有效地使施工人員從傳統的反光衣、安全帽、錐桶等過渡到智能產品使用中。通過移動互聯網、物聯網、感知傳感器、高清防抖攝像頭、人工智能等技術，實現語音操控、實時視頻、拍照、錄像、錄音、實時對講、定位、電子圍欄、安全防護預警、人臉識別、視頻行為分析等功能。數據傳輸有在線實時上傳與離線存儲兩種方式，通過與現場作業智能管控平臺交互，可實現遠程調度、專家指導。在智能安全帽中還融合人工智能技術進行現場視頻的行為分析、物體檢測、人臉識別等，實現現場作業指導、安全管控、缺陷分析、風險預警等業務場景與行業解決方案。

5 結語

本文對當前高速公路施工的現狀和存在的問題進行了分析，針對性地設計了一套適用于高速公路流動性作業的智能系統。通過設計BDS/GPS雙模式定位系統，相對傳統的單一模式定位方式，定位的效果得到了提高，并通過4G通信的方式，保證了現場數據返回的可靠性和時效性，提高了高速公路上流動性施工作業人員的安全保障，結合軟件運維平臺有效提高了管理的可調性，節省了運維人力，并通過實際運用案例驗證了該系統的可實施性。

參考文獻

［1］高輝光.基于大數據的高速公路智能養護系統研究［J］.交通科技與管理，2021（25）：23-24.

［2］邵志超，熊偉峰，張建通，等.高速公路智慧養護管理系統設計探究［J］.中國交通信息化，2022（S1）：444-448.

［3］康朋飛.GPS/BDS組合系統偽距聯合單點定位算法的對比分析［J］.電子設計工程，2019，27（19）：127-130，135.

［4］陳 亮，李 超，師鵬宇，等.BDS/GPS組合導航定位研究［J］.無線電工程，2020，50（3）：227-231.

［5］余子龍，沈 亮，李佳鵬，等.基于北斗的智能安全帽系統設計［J］.物聯網技術，2021，11（2）：63-65.

收稿日期：2022-12-10