张扬永
随着我国经济和科学技术的快速发展，城市和乡村的道路建设速度和规模不断提高，城市人口规模和机动车数量急剧增长，城市交通拥挤、交通污染等问题日益凸显.为了缓解城市道路交通中存在的问题，提升道路交通管控水平，道路交通信息化和智能化管理已经成为当前研究的热点［1−2］.道路交通信息化管理以智能交通系统（Intelligent Transport System，ITS）为主要代表，该系统主要运用了先进的计算机技术改变传统的道路交通系统，它可让有限的道路交通资源发挥更大作用，提升交通运输系统的运行效率，为出行者提供良好的服务［3−5］.在早期ITS 应用中，以人工干预和管理为主，路面信息采集点少，车辆、道路管理分离，导致系统不完善、不精确、不及时.虽然近年来ITS 发展迅速，但它仍然依赖于定位模块和诱导算法，全球定位系统（Global Positioning System，GPS）定位模块占据ITS 应用80% 以上，然而GPS 定位不完全准确、信号延迟等问题日益暴露.在隧道、桥梁等通信信号不稳定的情况下，传统GPS 车载导航系统采用惯性导航，定位误差随时间推移而不断累积导致长期精度不够，这也会对ITS 事故管理、调度系统和交通诱导产生一定的困惑，从而影响调度员的决策.随着定位需求越来越精准，我国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）应运而生，BDS提供的定位精度可以达到分米、厘米级别，因此，高精度、高可靠、高精准定位BDS 应用于ITS，较好地解决了多数GPS 模块的车载导航系统定位不精准、信号延迟问题［6−7］.
基于BDS 的智能诱导系统以车载BDS 模块作为终端，实现BDS 精准定位，一方面能够提升复杂交叉路口、高架桥、多层道路的精准定位，有利于ITS 实时交通诱导；
另一方面，系统能将突发事件、车流量大、交通拥堵等情况实时反馈给调度员，有利于ITS 决策与调控，为社会公众提供更高品质、更便捷的出行服务.另外，该系统能够采集道路信息、车辆信息等基础数据，并依据北斗服务分析道路实时状态，利用交通事故处理、智能诱导模块促进整个交通运输系统的信息共享，提高交通资源的利用率，有利于整合城市道路交通资源，也可以为“互联网+”智能交通发展提供参考.
1.1 工作原理
目前，我国各大城市已经建立比较完备的智能交通系统基础资源，对于道路地理信息（Geographic Information System，GIS）、车辆定位信息（GPS、BDS）的采集、接口也相对健全，本系统可按照通信协议对车辆位置、道路状况等数据进行解析，如车辆经纬度、车速、路况等信息［7−8］.BDS 信息传输主要 在通信管 理模块完成，该模块主要负责接收并处理手机、车载设备等车载终端信息，通过北斗卫星、互联网、无线通信实现车载终端的双向实时通信.随着5G 通信技术应用越来越广泛，基于BDS 的各项通信能力和精度都得到了提升，因此系统测速精度更高.基于BDS 的智能诱导系统既要考虑车辆位置和车速信息、道路运行状况和实时路面情况，还要考虑交通事故、工作日及早晚高峰时段，才能让调度管理子系统功能得到有效发挥，智能诱导系统工作原理如图1 所示.
图1 智能诱导系统工作原理
由图1 可见，当车载终端响应BDS 定位请求时，BDS 服务不仅可以提供车辆定位信息，还可以获得车辆行驶方向等信息，配合道路信息的GIS 即可生成有效行车指引.系统会根据出行者设置的出行目标，自动规划路线，根据不同的诱导类型（时间优先、路程优先等）优化诱导路线.车载终端与BDS 即发生实时通信，不断更新车辆定位、道路状态信息，如果有事故发生，系统提供上报事故功能，方便更新道路信息.
1.2 系统总体设计
基于BDS 的智能诱导系统设计的主要目的是实现车辆定位信息、道路状况（拥堵、交通控制）与交通管理的监控中心实时通信.地面控制中心通过BDS 通信卫星、基站、采集终端实时获得道路状况，通过互联网将道路数据存储到ITS 服务器.监控中心能及时通过地面控制中心获得路面交通流量信息，通过BDS 通讯卫星可精准定位车辆信息，从而根据道路交通情况执行调度，为调度员提供决策参考［9−10］.出行者也可以运用车载终端、移动设备，获取自己的位置信息和路面情况，方便管理自己的出行路线.该系统的系统架构如图2 所示.
图2 ITS 系统构架
基于BDS 的智能诱导系统以更加精准的BDS 定位模块，通过道路管理、车辆管理功能结合定位信息和多方案诱导算法应用于ITS，在整个ITS 运行过程中，道路、车辆、监控中心通过互联网、BDS 通讯卫星保持实时通信，因此，系统能够进一步提升智能诱导、交通调度的效果.
1.3 功能设计
在传统的ITS中，主要基于GIS、GPS 等技术，通过车辆管理、通信管理等核心模块，实现城市道路交通中事故车辆、道路与调度中心实时的通信，最终实现智能诱导、智能调度功 能［11−12］.基 于BDS 的智能诱导 系统包括了地面控制中心、BDS 定位系统和智能诱导系统，地面控制中心和BDS 定位系统主要是为智能诱导系统服务，系统的整体功能设计如图3 所示.地面控制中心主要负责收集道路数据、监测道路变化、车辆定位等；
BDS 定位系统主要是建立在BDS 通信模块和定位模块基础上实现通信管理和北斗服务，该系统与地面控制中心紧密联系，支撑智能诱导系统的运行；
智能诱导系统包括交通事故、调度管理、智能决策等子系统.
图3 基于BDS 的智能诱导系统功能
该系统主要涉及交通管理部门、交通参与者、车载终端等；
交通管理部门进行道路交通信息、车辆信息的采集和管理，同时提供系统运行的调度管理信息；
交通参与者上报交通事故、诱导反馈等各种实时信息；
车载终端由BDS 定位模块、诱导路线选择模块构成，可方便获取交通拥堵、事故及施工等信息.因此，交通管理部门的调度员可以通过BDS 服务更精准地实施调度；
出行者可以制定自己的出行路线；
车载终端可以根据智能诱导管理参考路线，并推荐行驶路线.
1.4 数据库设计
根据系统框架设计和智能诱导系统需求分析，系统中有4 类基础对象，分别是道路信息、驾驶员信息、车辆数据和车载终端数据，这4 类基础对象构成了智能诱导系统的基础数据，完成基础信息和核心模块的数据采集工作.该系统的业务系统和决策服务功能有4类关键对象，主要包括了交通事故信息、道路预测信息、道路规划信息（含调度和诱导）、车辆调度信息等，具体数据库实体之间的关系如图4 所示.
图4 数据库总体设计
图4中，道路信息、车辆信息为基础数据表，分别围绕这两个基础表展开一对一、多对多的关联，每个车辆对应一个车载终端，并存储该终端的定位信息；
根据道路信息进行规划、预测和事故信息存储，由于篇幅有限，各个实体信息不一一说明，表1、表2、表3、表4分别为交通事故信息、道路预测信息、道路规划信息、车辆调度信息的设计.
表1 交通事故信息表
表2 道路预测信息表
表3 道路规划信息表
表4 车辆调度信息表
其中，驾驶员信息、车辆数据、公交站点、工作人员表等基础表对象信息比较简单，道路信息和车载终端数据除了通过北斗服务各自增加经度、纬度采集外，与其他ITS 系统基本相同，篇幅有限不作展开.
2.1 开发技术
基于BDS 的智能诱导系统开发工具涉及Visual Studio 2015、Android移动端，以及SQL Server 2012 数据库管理工具，Visual Studio 2015是微软提供的开发工具，它不仅可以创建强大的应用程序和游戏，还能够创建跨平台运行的APS.NET 5 网站（包括Windows、Linux 和Mac）.Visual Studio 2015 还支持移动跨平台的开发，如：C#全面支持WP、iOS、Android 三大平台手机系统开发，大大方便了该系统移动设备的服务开发.该系统数据存储采用SQL Server 2012，它是由微软发布的比较成熟的、可扩展的、高性能的数据库管理工具，在关系型数据和结构化数据方面提供了更安全可靠的存储，与Visual Studio 2015 组建开发十分简便.
2.2 定位技术
该系统在开发过程中还涉及到通信技术和定位技术，最为核心部分是BDS 服务模块，BDS 是我国自行研制的全球卫星导航系统，也是继美国GPS、俄罗斯GLONASS 之后的第三个成熟的卫星导航系统，其定位精度为分米、厘米级别，并广泛应用于交通运输、农林渔 业、水文监测等领域［7］.在智能诱导系统中，当车载终端有变化时，地面控制中心通过DBS 服务可以在通信模块实时获得响应，读取变化的时间、位置等数据，并将数据传递给SQL Server 数据库服务器［13−15］.服务器将接收的变化数据分块读取，时间、位置信息分别存入BDSTime、BDSPOS 队列中，这两个队列需要不间断、实时接收ITS 各个车载终端的数据，因此这两个队列会构成循环读取队列.Visual Studio 2015 可以非常方便地处理消息队列，只需要根据BDS 通信接口协议，对接收的数据进行解析，如果为无效数据则不处理，如果为有效数据则解析数据块，提取时间和位置信息，然后反馈解析结果［16−17］.该系统经过数据传输、解析和处理后存入SQL Server 数据库服务器，同时再将数据表示到地面控制中心的地图界面上，这样系统就可以实时标记地图上车辆的具体位置、变化轨迹和道路状况等，通信模块具体接收时间和位置Visual Studio 2015（C#）代码实现如下所示.
时间解析代码：
位置解析代码：
3.1 系统维护的实现
智能诱导系统功能的实现离不开基础信息的维护，包括道路信息、车辆信息、驾驶员信息、车载终端等，这些基础信息主要维护智能诱导系统所需要的支撑数据，在车辆信息维护中实现车辆的类型、国牌号、车主、购置时间、发动机数据等维护，同时记录了车主是否为驾驶员信息和相关联系方式；
在驾驶员中主要记录了驾驶证号码、姓名、出生日期、证件有效期和准驾车型等；
在车载终端中主要记录型号、功耗、定位的精度和灵敏度等信息.这些信息为后续实时定位、故事处理、智能诱导提供了基础数据，也方便核心功能实现实时的数据采集，具体效果如图5、图6、图7 所示.
图5 车辆信息维护
图6 驾驶员信息维护
图7 车载终端维护
在系统维护效果图中，主要实现基础信息的维护，这些维护数据的采集能方便后续功能的信息关联，如事故处理时提取车辆信息，方便录入，其中车辆类型为出租车、公交车等在车辆调度系统中，将根据调度需要调整执行行车路线.车载终端的设备型号决定了BDS 读取数据效果，对于定位技术实现也有着重大影响，其设备型号对应接口不完全一致，BDS&GPS 大致定位接口规范如表5 所示［18−19］.
表5 BDS&GPS 定位信息输出设置
系统维护的功能中还包括道路信息、地图采集等其他信息，下面重点介绍基于BDS的智能诱导系统研究核心功能，分别是实时定位、事故处理、智能诱导、调度管理.
3.2 实时定位的实现
基于BDS 的智能诱导系统设计在实时定位功能上需要实现三个核心功能.第一，当车载终端在位置发生变化时，系统要从BDS 服务中实时获取定位，并对定位在地图上变化轨迹进行记录；
第二，当车载终端在天桥、复杂交叉路口等处启用BDS 服务，BDS 可充分发挥其精准定位优势，对其路线规划能及时、有效地反馈行车路线；
第三，当车载终端进入隧道等通信信号弱的情况下，系统需要对其位置发生变化进行估算，避免离线异常.车载终端设备BDS 获取的经纬度格式一般如表6所示［18−19］.
表6 BDS 经纬度格式
当用户输入所要的定位目标，系统会自动关联目标对应的坐标，默认最经常被查找的为第一项，并提供目标的相关定位数据的文字服务.如果选择实时定位，则系统会获取车载终端的位置信息，并根据其位置变化显示位置的变化方向，为后续诱导分析功能做准备，具体经纬度定位的展示效果如图8 所示.
图8 基于BDS 的定位查找功能
基于BDS 的定位查找后台功能中提供了比较精确的位置信息，如有问题可以订正后发送到后台，由后台系统判断处理；
实时定位功能可以方便事故处理、智能诱导等功能的行车方向选择、路线规划等.
3.3 事故处理的实现
影响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，这些意外发生时往往会给交通带来巨大压力，除了小事故快速处理、现场警察及时排除外，更重要的是需要依赖计算机科学技术加以引导［20］.基于BDS 的智能诱导系统设计在实时事故处理功能上实现了比较方便的录入，通过车载终端可获取定位和当前车辆信息，简单选择事故类型和行车方向，输入相应车道、发生时间及预计时长和事故内容；
其中影响相关车辆如有多辆则可以通过添加车辆进行关联，同时事故处理在智能诱导中可以实现快速录入，具体效果如图9 所示.
图9 事故处理功能
在事故处理功能中，定位模块方便了事故维护的操作，为了更快速上报和维护交通事故，系统采用事故编号自动生成，事故类型分为：轻微、一般、严重等6 个级别，事故的影响方向分为：东西南北及东南等8 个方向，车道为数字，从道路外到内计数，默认均为BDS定位的行车方向和车道.传统定位精准在车道方面有较大偏差，而BDS 可以实现比较精准的车道定位，提高了事故报送的精准定位.
3.4 智能诱导的实现
诱导系统功能设计主要在诱导系统体系结构和诱导流程的基础上开发实现，在智能诱导功能中，其诱导算法的重要程度最大，根据出行目标合理规划，提供多种出行和调度方案，并将各出行方案预览和对比，方便出行者选择［21］.智能诱导是在路况实时采集模块、车载终端BDS 定位模块、事故处理模块等三大模块的基础上进行的，其诱导系统界面设计如图10 所示，操作上实现了BDS 实时导航、记录行驶轨迹、快速上报事故、当前路况变更、实时定位车辆位置信息、实时更新诱导路线等.
图10 基于BDS 的智能诱导
智能诱导可以提供推荐时间最短路线或规避拥堵路线等智能方案，同时附加了快速上报事故、当前路况变更功能，可以方便出行者对当前路况的更新，进而提升智能诱导的效果.
3.5 调度管理
基于BDS 的智能诱导系统可进一步提升调度系统效率，它可以运用BDS 的实时定位技术，动态更新实时交通信息，实现出租车、公交车等公共出行车辆的实时监控和调度，从而提升公共出行车辆的出行效率，产生更好的社会服务效益.调度系统通过编制公交车辆行车路线、调度方案，发布调度指令，公共出行车辆接受调度指令后，相应司机、车载终端等的执行过程在监控系统中进行显示，实现效果见图11、图12、图13.
图11 公交线路调度设置
图12 公交调度配置
图13 基于BDS 的公交调度管理
为了更合理安排、组织和控制公共出行车辆的运行和相关人员的工作，采用人工智能的方法，如算法选择、调度方式、优化顺序等，可以辅助调度员实现对车辆的计划排班、实时调度、专家辅助决策，弥补调度员经验不足.
在公交调度管理中，调度员可以在高峰时段规避拥堵、响应事故、应用调度等不同模式下设置不同的应急方案，在车辆实时运行状态中实现车辆实时位置信息、客流量预警等实时调度.
基于BDS 的智能诱导系统研究构建了智能诱导系统框架，以车辆数据、驾驶员信息、车载终端等基础数据为支撑，通过车辆管理、通信管理、北斗服务等核心模块实现车辆监测、数据通信、高精度导航，并将事故信息反馈给交通事故子系统，最终通过决策服务为出行者实时提供行车线路和策略.研究不仅包括了智能诱导系统工作原理和核心数据库表的分析与设计，还对实时定位、事故处理、智能诱导、调度管理等核心功能进行实现，系统整体上便于出行者做好提前规划，利于道路交通管理部门实时了解交通情况，实现对公共出行资源的调度.
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