北京智能交通誘導系統的設計與研究分析

　　首都經(jīng)濟的快速發(fā)展，加快了北京城市化和道路交通機動(dòng)化的步伐，突出表現是建成區面積不斷擴大，全市機動(dòng)車(chē)社會(huì )保有量持續高速增長(cháng)。作為一個(gè)發(fā)展中的特大城市，北京的城市交通管理出現了前所未有的機遇和挑戰，特別是2008年在北京舉辦奧運會(huì )，將對北京交通帶來(lái)巨大的壓力。交通需求的不斷增加，使交通管理面臨形勢更加嚴峻，任務(wù)更加繁重。目前北京市交通管理的信息化程度低，包括網(wǎng)絡(luò )建設規模、信息綜合利用、電子政務(wù)水平、社會(huì )化交通信息服務(wù)水平等，與世界先進(jìn)水平相比都存在明顯差距，特別是在交通信息對外發(fā)布方面，存在渠道少、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息不足等問(wèn)題。

　　1、交通誘導系統

　　是智能交通系統 (Intelligent TransportationSystem，ITS)的重要子系統之一。它是諸多高新技術(shù)(如地理信息系統、定位技術(shù)、導航技術(shù)、現代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)等)的集成，具有多種功能。利用它可幫助駕駛員迅速找到從當前位置到達目的地的最佳行駛路線(xiàn)，協(xié)助出行者方便地進(jìn)入到原先沒(méi)有去過(guò)的地方，如果有實(shí)時(shí)交通信息的支撐，交通誘導系統能夠有效地引導車(chē)輛在路網(wǎng)中運行，減少車(chē)輛在道路上的行駛時(shí)間，并最終實(shí)現交通量在整個(gè)路網(wǎng)中的均勻分配。

　　交通誘導系統自誕生以來(lái)，就受到了人們的普遍關(guān)注。許多發(fā)達國家如美國、德國、日本等將其列入國家研究計劃，投入廠(chǎng)大量的人力、物力和財力對其進(jìn)行研究。試驗和開(kāi)發(fā)。隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的成熟和系統的實(shí)用化，交通誘導系統在未來(lái)交通管理中將扮演越來(lái)越重要的角色。

　　2、北京交通誘導系統總體設計

　　系統目標車(chē)輛誘導系統是北京市交通綜合信息平臺的重要應用模塊。系統建設目標是：基于北京交通綜合信息平臺及各子平臺向市民提供出行路線(xiàn)引導服務(wù)，同時(shí)也向交通綜合信息平臺及有關(guān)部門(mén)提供實(shí)時(shí)道路交通數據，通過(guò)動(dòng)態(tài)交通信息的獲取及處理，引導駕駛員合理規避交通擁堵，以最佳路線(xiàn)到達目的地，從而達到充分利用城市路網(wǎng)能力，提高通行效率的目的。通過(guò)研究和開(kāi)發(fā)，獲取交通誘導系統的關(guān)鍵技術(shù)與相應的自主知識產(chǎn)權。在研究深度上，不僅要解決系統開(kāi)發(fā)初期的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，而且要設計安裝運行一批車(chē)載設備進(jìn)行示范實(shí)驗，同時(shí)在奧運會(huì )期間實(shí)現車(chē)輛誘導信息服務(wù)(包括對特殊車(chē)輛的定位和導航服務(wù))。

　　國內外交通誘導系統研發(fā)現狀交通誘導系統能有效地解決，城市交通擁擠、減少交通事故、降低空氣污染、提高運輸效率，發(fā)達國家非常重視車(chē)裁定位導航系統的開(kāi)發(fā)和應用，現已形成了日、美、歐三足鼎立的局面。

　　日本的典型車(chē)輛導航系統日本的導航系統以豐田公司與日本警察省、郵政省、建設省共同開(kāi)發(fā)的基于全球定位系統(GPS)和道路車(chē)輛信息通信系統(VICS)的導航系統為代表。VICS是日本東京一家具有半官半民性質(zhì)的交通信息處理、發(fā)布中心，它將警察部門(mén)和高速公路管理部門(mén)提供的交通堵塞、駕駛所需時(shí)間、交通事故、道路施工、車(chē)速及路線(xiàn)限制，以及停車(chē)場(chǎng)空位等信息編輯處理后及時(shí)傳輸給交通參與者，特別是在汽車(chē)導航車(chē)載機上以文字、圖形顯示。目前日本已有多家大公司研制出車(chē)載裝置，如松下公司生產(chǎn)的KX-GA3L已在日本多種類(lèi)型的車(chē)輛上得到了應用。

　　美國的典型車(chē)輛導航系統TRAVTEK是美國有代表性的城市交通誘導系統。它以實(shí)時(shí)路線(xiàn)引導和服務(wù)信息系統實(shí)用化為目的，由交通管理中心、信息與服務(wù)中心、裝有導航裝置的車(chē)輛組成。交通管理中心進(jìn)行道路交通信息的收集、管理與提供，同時(shí)還提供系統運行所必需的信息;信息服務(wù)中心收集觀(guān)光設施、旅館、飯店等為對象的各種服務(wù)信息;車(chē)載導航裝置由車(chē)輛定位模塊、路線(xiàn)選擇模塊及接口模塊構成，可顯示交通堵塞地段、事故及施工等信息的地圖，以及按駕駛員需要進(jìn)行的路線(xiàn)引導及提供服務(wù)的文字信息等。

　　歐洲的典型車(chē)輛導航系統Ali-Scout系統是歐洲最有代表性的車(chē)載導航系統，由西門(mén)子公司和Bosch/Blaupunkt公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)。系統包括車(chē)內設備和車(chē)外設備兩部分。車(chē)內有定位、導航設備、磁場(chǎng)傳感器、車(chē)輪轉數計、帶鍵盤(pán)和方向指示器的操作面板，行駛時(shí)間測量?jì)x、紅外發(fā)射器、紅外接收器和目標存儲器等;車(chē)外設備有信標紅外發(fā)射器、信標紅外接收器、信標控制器和交通誘導計算機。車(chē)輛通過(guò)信標以紅外通信方式與中心交換信息。信標安裝在路口兩旁，典型的是與交通信號燈安裝在一起。交通誘導計算機負責完成最優(yōu)路徑的計算、路段阻抗預測和數據庫管理等任務(wù)。

國內交通誘導系統的研發(fā)現狀及趨勢國內車(chē)輛導航系統的研究起步較晚，主要由一些科研院所、學(xué)校及少數公司進(jìn)行探索性研究實(shí)驗，目前還未取得實(shí)質(zhì)性成果。吉林大學(xué)在交通誘導系統方面做了一些研究，尤其在交通預測、交通分配等方面開(kāi)展了大量研究，取得了一些成果;北京工業(yè)大學(xué)交通研究中心在車(chē)輛定位、臨控與導航關(guān)鍵技術(shù)方面開(kāi)展了多項研究，重點(diǎn)包括：城市交通網(wǎng)絡(luò )及其拓撲關(guān)系的表達，GPS/DR組合定位數據融合，基于GSM進(jìn)行數據通信等;四維公司、大通公司和鞍山科信、南大善鄰、西安東強、上海衛導與三吉等公司通過(guò)與國外合作或引進(jìn)或獨立研制，做了大量的工作，取得了一定進(jìn)展，但均未達到實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的階段。

　　當前，我國的交通、通信等基礎設施已有了重大改觀(guān)，研究開(kāi)發(fā)我國具有自主知識產(chǎn)權的交通誘導系統的主，客觀(guān)條件已基本具備，本文正是在此背景下，對北京交通誘導系統提出了一套整體解決方案，為后期的研發(fā)奠定了堅實(shí)基礎。

　　誘導功能系統的原理

　　系統通信方案分析與設計交通誘導系統中，數據通信系統是其基礎模塊之一，是數據下傳和上傳的通道。北京市區現有車(chē)輛210萬(wàn)輛，如果按平均增長(cháng)率17%計算，到2008年將達到600萬(wàn)輛左右。終端用戶(hù)數量的不斷發(fā)展，對通信網(wǎng)絡(luò )環(huán)境具有較高要求。因此，本系統選擇的通信方式不僅要考慮系統現有的數據量及傳輸需求，同時(shí)也要保證能夠滿(mǎn)足用戶(hù)不斷發(fā)展的需要。因此，本系統所選擇的通信方式和采用的通信方案必須符合高速、安全性、可靠性、可擴展性等原則。下面我們主要針對北京市的交通誘導通信系統進(jìn)行分析設計。

　　下行數據通信方案分析交通誘導系統的下行數據主要由兩部分組成：靜態(tài)交通地理信息和動(dòng)態(tài)交通信息。靜態(tài)交通地理信息包括道路、交通附屬設施、停車(chē)場(chǎng)、橋梁等等;動(dòng)態(tài)交通信息主要包括實(shí)時(shí)交通流量，路口/路段的交通服務(wù)信息等，此外還包括各類(lèi)施工信息等。其中，靜態(tài)交通地理信息量比較大，但不必實(shí)時(shí)發(fā)布，而動(dòng)態(tài)交通信息是用于確定路權和路徑引導的，因此需要實(shí)時(shí)下傳。

　　無(wú)論是靜態(tài)信息，還是動(dòng)態(tài)信息，都需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式進(jìn)行下傳。這里需要解決的主要問(wèn)題是通信容量和通信系統的可靠性問(wèn)題。目前可資利用的通信系統主要有無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)(如GSM、GPRS、CDMA)、集群通信及專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。就北京而言，設每輛車(chē)每次接收的信息量約為950bit，且市區內有20萬(wàn)輛車(chē)需要接收本系統的服務(wù)，假設釆用目前容量最大且功能較亢進(jìn)CDMA2000數據通信方式，北京市四環(huán)以?xún)鹊某菂^面積大約為250平方公里，而城區內的CDMA小區面積平均設為10平方公里，則城區內的小區數量為25個(gè)。對于20萬(wàn)輛車(chē)，設平均每個(gè)小區內的車(chē)輛用戶(hù)數為8000個(gè)，設CDMA2000單信道的傳輸速率為12.8kbps(下比上在環(huán)境相對要好)時(shí)，如果考慮全向CDMA2000小區的全部資源都給數據傳輸的話(huà)，單小區所能容納這種用戶(hù)數為60個(gè)用戶(hù)，則單小區僅可以滿(mǎn)足8000這種用戶(hù)0.75%的需求。如果考慮三扇區CDMA2000小區的全部資源都給數據傳輸的話(huà)，單小區所能容納這種用戶(hù)數為218個(gè)用戶(hù)，則單小區可以滿(mǎn)足8000這種用戶(hù)2.72%的需求。如果采用GSM或者GPRS方式，則通信帶寬以及用戶(hù)容量更小。

　　因此，目前的無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)寸下發(fā)交通數據的需求。因此，在本方案中擬采用無(wú)線(xiàn)廣播式尋呼方式進(jìn)行實(shí)時(shí)數據下發(fā)，對于大量的靜態(tài)數據下載可以用DSRC方式或者無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)(如WLAN)的方式進(jìn)行。

　　上行數據通信方案分析上行數據主要包括車(chē)載端的用戶(hù)請求信息，以及交通探測信息。用戶(hù)請求信息量小，且是間隙性的，而交通探測信息則相對較大。對于用戶(hù)請求信息，可以釆用無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)，如GSM、GPRS、CDMA等，對于交通探測信息的上傳，需要做專(zhuān)門(mén)的分析。交通探測信息是反映城市路網(wǎng)整體交通狀態(tài)的信息，理論上講，應該將所有的車(chē)輛都作為交通探測信息的集對象，但實(shí)際分析可知，真正有代表性的車(chē)輛主要是出租車(chē)、公交車(chē)，將所有車(chē)輛作為交通探測車(chē)既無(wú)必要，也不可行，因此，本文研究提出采用出租車(chē)作為交通探測信息源，而出租車(chē)目前已經(jīng)建設了自己的通信專(zhuān)網(wǎng)，如集群通信系統，這樣我們可以直接利用這一有效的通信資源。

　　結論根據上面的分析，對于系統中實(shí)時(shí)數據下發(fā)，采用FLEX和DSRC相結合的通信方式。FLEX(Flexible HighSpeed Paging)已是集高速、移動(dòng)、雙向和語(yǔ)言等先進(jìn)功能于一體的無(wú)線(xiàn)尋呼標準體系。它傳輸的文字信息量也很大，可以支撐大量用戶(hù)，另外系統在收費站或者車(chē)輛進(jìn)入一個(gè)新城市的時(shí)候需要下載地圖信息時(shí)，可以使用WLAN或者DSRC的方法進(jìn)行數據傳輸。同時(shí)對于系統中的用戶(hù)也可以提供無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)(GSM/GPRS/CDMA)接口。

　　對于用戶(hù)查詢(xún)請求數據，由于并發(fā)用戶(hù)數較少，一般可以釆用無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)或者專(zhuān)網(wǎng)方式傳輸數據。在上行數據傳輸的靈活性方面，考慮到用戶(hù)的不同層次和不同需求，車(chē)載定位導航設備在設計時(shí)也將留有CDPD及無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)(GSM/GPRS/CDMA)接人方式的通信接口，以滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化的需求，尤其適用于不處于集群通信系統內的私家車(chē)及其他車(chē)輛用戶(hù)的劫盜報警。

　　對于大量一般車(chē)輛的定位信息等不建議實(shí)時(shí)上傳。對于交通探測車(chē)信息上傳，可以釆用專(zhuān)網(wǎng)方式。

　　系統總體方案設計借鑒國外先進(jìn)成果的設計思想，如美國的TravTek系統的分布式交通誘導設計，日本的VICS系統的通信方案，德國的Ali-Scout系統的數據處理與發(fā)布方案，針對北京的通信資源、交通基礎設施等資源，結合前面的分析比較結果，我們設計了如圖1所示的北京交通誘導系統總體解決方案。

　　本方案涉及交通信息中心(與信息辦信息平臺、交管局信息平臺、公交公司信息中心、交通局信息中心相連的虛擬調度平臺)、車(chē)輛導航管理中心、路邊可變信息板、停車(chē)誘導牌、無(wú)線(xiàn)尋呼通信系統、車(chē)載定位導航設備等。車(chē)載定位導航設備由車(chē)載定位導航軟硬件設備構成，如顯示器、嵌入式系統、語(yǔ)音箱、功能鍵、通信模塊、多媒體導航電子地圖等。車(chē)輛實(shí)時(shí)接收由交通綜合信息平臺通過(guò)無(wú)線(xiàn)尋呼通信系統下傳的動(dòng)態(tài)交通信息，由車(chē)載計算機據此計算最優(yōu)路徑，以圖形、文本或語(yǔ)音等方式引導駕駛員安全、快捷地到達目的地。駕駛員也可以通過(guò)多種方式(如PDA、手機等)向車(chē)輛導航管理中心上傳服務(wù)請求(如救助、查詢(xún)股票信息等)。

　　誘導功能系統的特色

　　方案特色從前面的分析與設計可知，本方案具有以下幾個(gè)方面的特色：

　　(1) 系統與北京市交通綜合信息平臺無(wú)縫接合交通誘導系統可充分利用交通綜合信息平臺提供的信息服務(wù)，并成為交通綜合信息平臺的一個(gè)重要應用功能模塊，對北京交通綜合信息平臺是一個(gè)有力的支持。為實(shí)現交通探測車(chē)功能，系統設計了利用交通綜合信息平臺下屬的公交車(chē)指揮調度系統、出租車(chē)調度系統、警車(chē)調度系統的信息通道，實(shí)現交通探測車(chē)信息的上傳，避免了重復建設，促進(jìn)了交通信息的系統整合。

　　(2)充分利用現有的多方式通信資源，降低建設成本對于系統中的下行數據釆用FLEX和無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)相結合的通信方式，上行數據利用無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)(本方案采用CDPD、GSM、GPRS或CDMA)上傳的通信方式，充分考慮了各種通信方式在不同特性的信息傳輸方面的優(yōu)勢，體現了系統的靈活性，以滿(mǎn)足不同層次的用戶(hù)需求。FLEX作為現有的在全國范圍內業(yè)已建立的通信系統，具有傳輸大量文字信息量，支撐多用戶(hù)的特點(diǎn)，再加上現有個(gè)體尋呼業(yè)務(wù)萎縮的事實(shí)，以FLEX系統實(shí)現對動(dòng)態(tài)系統的發(fā)布，是對現有通信資源的最好保護，也是降低交通誘導系統建設成本的有效手段。

　　(3)系統設計具有前瞻性，同時(shí)具有可操作的產(chǎn)業(yè)化前景車(chē)載終端具有豐富的功能，將給開(kāi)發(fā)商帶來(lái)直接的經(jīng)濟效益，吸引大量的廠(chǎng)商投入到交通誘導系統的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，從而盡快推進(jìn)該系統的產(chǎn)業(yè)化。

　　車(chē)載導航設備部分有系列產(chǎn)品配置方案，提供多種選件供用戶(hù)選擇配置，設計了多模式接口的選件，可以適應不同用戶(hù)的需求，也為該系統的易用性和通用性提供良好的基礎。

　　盡管現階段的研究工作主要集中在單個(gè)的城市范圍內進(jìn)行，考慮到將來(lái)產(chǎn)業(yè)化后，城市間的銜接關(guān)系，同時(shí)考慮到系統釆用技術(shù)與將來(lái)技術(shù)標準的關(guān)系，本系統設計以全國作為系統的應用范圍，釆用FLEX和無(wú)線(xiàn)公網(wǎng)相結合的下行通信方式，實(shí)現為異地來(lái)京車(chē)輛提供交通信息服務(wù)的功能，解決了奧運交通車(chē)輛的導航問(wèn)題。采用FLEX的下行通信方式也很好地解決了導航系統將來(lái)全國聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)題。

　　(4)技術(shù)方案的選擇充分考慮到國家安全的需要盡管本系統設計是民用設施，但是由于目前導航系統采用的GPS、GLONASS或將來(lái)的GALILEO衛星定位系統都是國外的技術(shù)，且多數具有軍事功能。為了減少對這些國外系統的過(guò)分依賴(lài)，保障定位系統的連續性和完好性，本系統設計釆用多國衛星定位組合DR定位的方案，在保證系統的定位精度與可靠性的同時(shí)，滿(mǎn)足國家安全的需要。

　　3、北京市交通誘導系統功能設計

　　中遠期功能設計

　　·為市民出行提供方便、舒適、快捷的交通信息服務(wù)，引導出行路線(xiàn)選擇，提高生活水準;

　　·充分實(shí)現交通領(lǐng)域信息化，使裝備有導航車(chē)載設備的車(chē)輛既接受交通綜合信息平臺提供的信息服務(wù)，同時(shí)也為釆集實(shí)時(shí)交通信息服務(wù);

　　·充分利用城市道路資源，提高交通運輸效率，緩解交通擁堵，節約能源，提高安全水平和舒適水平。