北斗在智慧交通中的融合應用

文 | 姜慧

1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司

2.北斗導航裝備與時空信息技術鐵路行業工程研究中心

隨著5G、云計算、大數據、物聯網、人工智能等新一代信息技術的不斷向前發展，融合北斗、建筑信息模型（BIM）、地理信息系統（GIS）等技術的智慧交通解決方案成為解決當前復雜交通難題、提升交通管理效率、改善交通出行質量的有效途徑，已在全國范圍內得到不同程度的應用[1]。面向數字交通全面綜合的立體感知、泛在的網絡鏈接和智能融合的交通模型分析需求，加強基于北斗的交通基礎設施建設，研發北斗智慧交通平臺系統，有助于加快構建城市數字交通精準時空信息基座，建立高效暢通、綠色環保、安全統一的現代化數字化交通運輸體系，為未來城市智慧交通規劃、設計、建設、管理、運維等全生命周期提供關鍵支撐[2]。

一、智慧交通及北斗發展簡述

1．智慧交通技術發展與應用

“智慧交通”起源于美國在20 世紀90 年代初提出的“智能交通”理念，智能交通主要是通過集成通信、數據傳輸、多元傳感、衛星、計算機及交通工程等技術，并將其融合應用于交通運輸管理流程中，發揮人、車、路的協同效應，提升交通運輸效率，保障交通運輸安全，改善交通運輸環境與質量[3]。2009 年，IBM 基于自身信息技術發展與探索，創新型提出“智慧交通”概念，它將云計算、物聯網、大數據等高新信息技術融入傳統交通信息領域，旨在提供面向交通全生命周期的實時數據服務。通過構建多應用場景下的交通數據模型，搜集、分析并處理海量交通數據，實現了新技術體系下智慧交通綜合系統的實時性、交互性、廣泛性等[4]。隨著智慧交通內涵的不斷豐富與建設內容的不斷實踐，已逐步形成了多元、便捷、安全、舒適、環保的智慧交通新模式，通過加強人與技術的良性互動，聚焦交通數據價值，聚合交通業務生態，重視交通管理賦能，構建了能夠廣泛服務于大眾交通出行、文化旅游、交通運輸等一體的交通行業數字化服務與應用體系，有效解決了傳統交通信息不暢、管理紊亂等問題。

早在20 世紀60 年代，美國、歐洲、日本、新加坡等便開始了在智慧交通領域的建設與應用探索[5]。美國專門成立智能交通協會，在車聯網、自動駕駛、交通安全等多領域展開研究探索；歐洲提出實施聯合計劃，旨在打造基于交通信息、車輛控制、交通服務等系統在內的智能化道路協同網絡；日本明確了交通道路信息化發展是交通運輸行業發展的基本國策。國內在20 世紀90 年代開始關注智慧交通相關的技術研究與應用，致力于到2035 年實現全國交通基礎設施數字化率達90%[6]。雄安新區開展了基于交通全生命周期數據的數字化交通運營；北京開展了“全車無人自動駕駛示范應用”，全市無人駕駛示范應用道路將擴至500km2；深圳著重搭建了交通監測預警平臺體系，打造了近2500個信控路口；衢州開展了融合北斗的通航橋梁智能主動防撞監控系統研究。

2．北斗衛星導航系統發展與應用

目前，全球四大衛星導航系統包括美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）、中國北斗衛星導航系統（BDS）和歐洲伽利略衛星導航系統（Galileo）。基于國家衛星導航應用需求，我國秉承北斗系統建設“三步走”發展戰略部署，經過近三十年的不懈努力與艱苦奮斗，中國衛星導航系統科學家們突破國外技術與原材料等多重封鎖，于2020 年7 月31 日正式向全球宣告北斗三號全球衛星導航系統開通提供服務，由此拉開了北斗系統在全球范圍內應用的帷幕。

截至目前，基于北斗高精度定位、北斗導航、北斗統一授時及北斗短報文通信技術的應用愈加豐富，產業生態體系不斷完善，打造了涵蓋政、產、學、研、用在內的北斗全產業鏈生態圈，形成了特色鮮明、形式多樣、成效顯著的北斗技術與產品融合應用體系[7]。我國使用北斗定位技術的終端設備已超過10 億臺/套；安裝北斗模塊的運營車輛近800 萬輛；安裝部署北斗自動駕駛系統的農用機械超10萬臺/套；近2600 處大中小型水庫應用了北斗水文監測；在全國范圍內，已投放配備國產自主北斗芯片的共享單車超500 萬輛；基于國產自主北斗的車道級高精度導航，已在多個城市試點應用；發布了全球首款支持國產北斗短報文通信系統的智能手機終端。北斗衛星導航系統在各行業領域的全面綜合應用，已成為推動國民經濟與社會發展的時空基石和重要引擎[8]。

3．智慧交通發展政策導向

智慧交通作為未來智慧城市發展的重要內容，是未來數字經濟發展的重要引擎。為了進一步加快數字化新興技術與交通領域的融合創新應用，我國研究制定了一系列針對智慧交通基礎設施建設、系統平臺搭建、交通產業數字化發展等相關政策，助力打造涵蓋交通全生命周期的產業鏈體系。在國家層面，國家《數字交通“十四五”發展規劃》明確要求部署北斗信息基礎設施應用網絡，打造北斗全球海上遇險通信與搜救支持系統工程；《“十四五”交通領域科技創新規劃》提出要加快北斗導航技術應用，開展交通先導應用項目試點；《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》闡述了未來國家交通自主創新發展的重要內涵。在地方層面，各省市地區紛紛響應國家號召，結合當地經濟發展與交通現狀特點，出臺了符合自身發展需求的智慧交通發展政策與規劃。如《湖北省綜合交通運輸發展“十四五”規劃》強調了構建智慧交通數字采集體系、網絡傳輸體系與智能應用體系；《江蘇省“十四五”智慧交通發展規劃》展望了2035 年江蘇省智慧交通發展水平要邁入世界前列，交通基礎設施數字化率達95%。總體來看，加強北斗、5G、大數據、人工智能等高新技術在交通行業的應用，提升智慧交通數字化技術研發與應用水平，打造綜合、智慧、綠色、便捷、平安的數字化智能化交通體系是未來交通行業發展的核心方向。

二、北斗賦能智慧交通融合創新應用

時間信息、空間信息是人類社會生產生活的重要基準，在當前世界數字化發展格局下，依托全球衛星導航系統構建精準的時空信息基座已成為國家經濟社會全方位立體發展的重要保障。北斗作為我國自主建設運行的全球衛星導航系統，是構建自主安全可控信息基礎設施建設的重要基石，通過北斗綜合PNT 技術與多元傳感技術相融合，有助于提升傳統交通行業的智慧化應用水平[9]。通過研發部署北斗智慧交通綜合服務云平臺、北斗智慧交通大數據中心，建設北斗地基增強站網系統，配置北斗高精度定位無人機、北斗智慧綜合桿、北斗手持/車載終端等，形成融合北斗的智慧交通管控、服務、決策以及智能駕駛體系，為城市交通發展精準賦能[10]。

1．北斗智慧交通綜合服務云平臺

面向智慧交通發展與應用實際需求，以交通業務數字化為目標，構建交通泛在感知數據湖，打造北斗智慧交通綜合服務云平臺，形成“N”項智能感知能力、匯聚“1”個大數據平臺、支撐“4”大服務應用體系的“N+1+4”智慧交通創新應用模式。通過綜合運用北斗與新一代信息技術，形成泛在互聯的智能感知能力，搭建涵蓋北斗衛星通信在內的高效融合通信網，建設智慧交通綜合管理平臺、北斗綜合PNT 服務平臺、智慧交通大數據服務中心，為智慧交通上層服務與業務應用提供數據支撐，打造智能管控、智能服務、智能決策以及智能駕駛在內的智慧交通體系。北斗智慧交通綜合服務云平臺總體框架如圖1 所示。

圖1 北斗智慧交通綜合服務云平臺總體框架

2．北斗智慧交通基礎設施建設

基于智慧交通北斗應用需求，開展區域智慧交通發展數字化基礎設施建設，包括區域北斗地基增強站網系統、北斗無人機場、北斗智慧綜合桿、北斗手持/車載終端、道路智能感知視頻終端、RFID 基站、北斗短報文通信終端等綜合交通基礎設施。通過北斗智慧交通應用平臺，對城市交通車輛位置數據、車輛基礎屬性數據、車輛行駛數據、道路綜合狀態數據、交通空間信息數據等進行實時采集、傳輸與分析處理，為城市綜合交通提供高精度定位、高精度導航、應急通信保障、危險源識別處置、綜合指揮決策等綜合服務，實現城市交通智慧化管理。北斗智慧交通應用平臺總體架構圖如圖2 所示。

1）北斗地基增強站網系統。根據國內北斗基準站網系統建設現狀情況，結合智慧交通北斗高精度位置信息需求，開展面向智慧交通服務的北斗地基增強站網系統建設，充分利用包括地面移動通信、數字廣播以及衛星轉發等多種通信手段，實現對北斗衛星導航系統空間信號精度和完好性性能的增強。為智慧交通車輛、人員、交通基礎設施等提供實時高精度位置服務。

2）北斗無人機場。通過部署北斗無人機、無人機場，配合北斗無人機管理系統等，實時標注各設備地圖點位，實現交通道路無人值守狀態下的高頻次、常態化飛行和自動化巡檢作業，通過實時采集、傳輸、分析處理無人機數據，能夠及時感知分析路網事件，并將事件信息實時回傳路網運行監控系統，大幅提高交通現場感知、應急處置與指揮調度能力[11]。

3）北斗智慧綜合桿。通過建設部署新型北斗智慧綜合桿，集成搭載邊緣智能計算盒、北斗基準站、5G 微基站、視頻監控等設備，提供智能照明、移動通信、城市監測、交通管理、信息交互和城市公共服務等功能，通過北斗智慧綜合桿綜合運營管理后臺系統進行遠程監測、控制和管理，實時采集交通流量、環境氣象、通行狀態等信息，提升道路綜合感知能力與路網事件分析處置能力[12]。北斗智慧綜合桿示意圖如圖3 所示。

圖3 北斗智慧綜合桿示意圖

4）北斗手持/車載終端。根據智慧交通路網監測、養護巡查、道路資產管理等需求，配置北斗手持/車載終端，巡檢人員可通過終端向指揮中心發送信息、打電話、寫巡檢日記，也可以通過手持終端完成道路病害、道路基礎設施等實時數據的采集和上報；北斗車載智能道面巡查終端通過集成高分辨率高速相機、實時組合慣導系統、邊緣智能計算、高速網絡及4G/5G 通信等，實現搭載運動平臺下的高精度實時道路病害巡查。

3．北斗智慧交通服務

（1）智能管控

基于安全高效的原則，借助北斗高精度位置服務能力，通過動態化智能感知，海量化數據支持，一體化通信保障，精準化業務分析，提供科學的技術支持，構建高速公路智能管控體系。如設置區域動態限速，通過限速及車道高精度控制等實現不同區段、不同車道、不同級別的車道限速，提前對車輛進行預告提示，最大限度減少對道路通行的影響；設置匝道控制及分合流預警系統，有效地調控進出高速公路的交通流量。智能管控服務示意圖如圖4所示。

（2）智能服務

通過信息集成、運營集成、支付集成等，為用戶提供覆蓋出行前、出行中以及出行后的全鏈條智慧出行服務。如通過設置出行時間預告系統，在道路的情報板上顯示道路擁擠度及出行時間建議；基于北斗融合的路側基礎設施，開展智慧服務區、高速公路WiFi、智能收費等數字化應用，為公眾提供更好的交通出行服務。北斗智慧交通智能服務示意圖如圖5 所示。

圖4 智能管控服務示意圖

（3）智能決策

基于智慧交通智能感知設備采集的海量交通數據，通過人工智能、數據挖掘等技術，構建智慧交通輔助決策系統，為交通智慧化運營管理提供智能輔助決策。如通過專網、公網、北斗衛星通信等空地一體化的全方位網絡，實現語音、視頻、數據多業務融合的應急指揮調度功能，從而滿足交通應急事件過程中的處置需求；通過道路智能養護決策系統，實現道路的全壽命周期精準養護，大大節省后期的運維成本。道路養護巡查系統如圖6 所示。

圖6 道路養護巡查系統

（4）智能駕駛

基于智慧交通路側多元感知設備和各型車載設備終端，融合北斗、現代通信與互聯網技術，在車路協同、自動駕駛、智能網聯車道等細分領域開展集成創新示范應用。如在車路協同方面主要包括前方緊急制動預警、前方事故預警、異常闖入物預警、自動變道超車、自動減速、自動緊急停車等場景。道路信息自動識別如圖7 所示。

圖7 道路信息自動識別

三、結束語

本文通過分析智慧交通及北斗發展歷程，梳理智慧交通發展政策，重點介紹了北斗在智慧交通領域的融合創新應用。通過研發部署北斗智慧交通綜合服務云平臺，建設北斗智慧交通基礎設施，開展北斗智慧交通服務,為北斗技術在交通領域的應用提供了新的思路。面向未來交通數字化發展需求，隨著城市交通水平不斷向前發展與行業特色應用場景的不斷深化，基于北斗衛星導航技術與新一代信息技術等相融合的整體解決方案在未來智慧交通應用中將具有更廣闊的想象空間。