北京智能交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)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化的步伐，突出表現(xiàn)是建成區(qū)面積不斷擴大，全市機動車社會保有量持續(xù)高速增長。作為一個發(fā)展中的特大城市，北京的城市交通管理出現(xiàn)了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，特別是2008年在北京舉辦奧運會，將對北京交通帶來巨大的壓力。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(shè)規(guī)模、信息綜合利用、電子政務(wù)水平、社會化交通信息服務(wù)水平等，與世界先進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、實時動態(tài)信息不足等問題。

　　1、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)

　　是智能交通系統(tǒng) (Intelligent TransportationSystem，ITS)的重要子系統(tǒng)之一。它是諸多高新技術(shù)(如地理信息系統(tǒng)、定位技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、現(xiàn)代無線通信技術(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(dāng)前位置到達目的地的最佳行駛路線，協(xié)助出行者方便地進入到原先沒有去過的地方，如果有實時交通信息的支撐，交通誘導(dǎo)系統(tǒng)能夠有效地引導(dǎo)車輛在路網(wǎng)中運行，減少車輛在道路上的行駛時間，并最終實現(xiàn)交通量在整個路網(wǎng)中的均勻分配。

　　交通誘導(dǎo)系統(tǒng)自誕生以來，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，投入廠大量的人力、物力和財力對其進行研究。試驗和開發(fā)。隨著相關(guān)技術(shù)的成熟和系統(tǒng)的實用化，交通誘導(dǎo)系統(tǒng)在未來交通管理中將扮演越來越重要的角色。

　　2、北京交通誘導(dǎo)系統(tǒng)總體設(shè)計

　　系統(tǒng)目標車輛誘導(dǎo)系統(tǒng)是北京市交通綜合信息平臺的重要應(yīng)用模塊。系統(tǒng)建設(shè)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引導(dǎo)服務(wù)，同時也向交通綜合信息平臺及有關(guān)部門提供實時道路交通數(shù)據(jù)，通過動態(tài)交通信息的獲取及處理，引導(dǎo)駕駛員合理規(guī)避交通擁堵，以最佳路線到達目的地，從而達到充分利用城市路網(wǎng)能力，提高通行效率的目的。通過研究和開發(fā)，獲取交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與相應(yīng)的自主知識產(chǎn)權(quán)。在研究深度上，不僅要解決系統(tǒng)開發(fā)初期的關(guān)鍵技術(shù)問題，而且要設(shè)計安裝運行一批車載設(shè)備進行示范實驗，同時在奧運會期間實現(xiàn)車輛誘導(dǎo)信息服務(wù)(包括對特殊車輛的定位和導(dǎo)航服務(wù))。

　　國內(nèi)外交通誘導(dǎo)系統(tǒng)研發(fā)現(xiàn)狀交通誘導(dǎo)系統(tǒng)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)達國家非常重視車裁定位導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用，現(xiàn)已形成了日、美、歐三足鼎立的局面。

　　日本的典型車輛導(dǎo)航系統(tǒng)日本的導(dǎo)航系統(tǒng)以豐田公司與日本警察省、郵政省、建設(shè)省共同開發(fā)的基于全球定位系統(tǒng)(GPS)和道路車輛信息通信系統(tǒng)(VICS)的導(dǎo)航系統(tǒng)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，它將警察部門和高速公路管理部門提供的交通堵塞、駕駛所需時間、交通事故、道路施工、車速及路線限制，以及停車場空位等信息編輯處理后及時傳輸給交通參與者，特別是在汽車導(dǎo)航車載機上以文字、圖形顯示。目前日本已有多家大公司研制出車載裝置，如松下公司生產(chǎn)的KX-GA3L已在日本多種類型的車輛上得到了應(yīng)用。

　　美國的典型車輛導(dǎo)航系統(tǒng)TRAVTEK是美國有代表性的城市交通誘導(dǎo)系統(tǒng)。它以實時路線引導(dǎo)和服務(wù)信息系統(tǒng)實用化為目的，由交通管理中心、信息與服務(wù)中心、裝有導(dǎo)航裝置的車輛組成。交通管理中心進行道路交通信息的收集、管理與提供，同時還提供系統(tǒng)運行所必需的信息;信息服務(wù)中心收集觀光設(shè)施、旅館、飯店等為對象的各種服務(wù)信息;車載導(dǎo)航裝置由車輛定位模塊、路線選擇模塊及接口模塊構(gòu)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行的路線引導(dǎo)及提供服務(wù)的文字信息等。

　　歐洲的典型車輛導(dǎo)航系統(tǒng)Ali-Scout系統(tǒng)是歐洲最有代表性的車載導(dǎo)航系統(tǒng)，由西門子公司和Bosch/Blaupunkt公司聯(lián)合開發(fā)。系統(tǒng)包括車內(nèi)設(shè)備和車外設(shè)備兩部分。車內(nèi)有定位、導(dǎo)航設(shè)備、磁場傳感器、車輪轉(zhuǎn)數(shù)計、帶鍵盤和方向指示器的操作面板，行駛時間測量儀、紅外發(fā)射器、紅外接收器和目標存儲器等;車外設(shè)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(dǎo)計算機。車輛通過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(dǎo)計算機負責(zé)完成最優(yōu)路徑的計算、路段阻抗預(yù)測和數(shù)據(jù)庫管理等任務(wù)。

國內(nèi)交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢國內(nèi)車輛導(dǎo)航系統(tǒng)的研究起步較晚，主要由一些科研院所、學(xué)校及少數(shù)公司進行探索性研究實驗，目前還未取得實質(zhì)性成果。吉林大學(xué)在交通誘導(dǎo)系統(tǒng)方面做了一些研究，尤其在交通預(yù)測、交通分配等方面開展了大量研究，取得了一些成果;北京工業(yè)大學(xué)交通研究中心在車輛定位、臨控與導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)方面開展了多項研究，重點包括：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(shù)據(jù)融合，基于GSM進行數(shù)據(jù)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(wèi)導(dǎo)與三吉等公司通過與國外合作或引進或獨立研制，做了大量的工作，取得了一定進展，但均未達到實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的階段。

　　當(dāng)前，我國的交通、通信等基礎(chǔ)設(shè)施已有了重大改觀，研究開發(fā)我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的主，客觀條件已基本具備，本文正是在此背景下，對北京交通誘導(dǎo)系統(tǒng)提出了一套整體解決方案，為后期的研發(fā)奠定了堅實基礎(chǔ)。

　　誘導(dǎo)功能系統(tǒng)的原理

　　系統(tǒng)通信方案分析與設(shè)計交通誘導(dǎo)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是其基礎(chǔ)模塊之一，是數(shù)據(jù)下傳和上傳的通道。北京市區(qū)現(xiàn)有車輛210萬輛，如果按平均增長率17%計算，到2008年將達到600萬輛左右。終端用戶數(shù)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(tǒng)選擇的通信方式不僅要考慮系統(tǒng)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)量及傳輸需求，同時也要保證能夠滿足用戶不斷發(fā)展的需要。因此，本系統(tǒng)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(dǎo)通信系統(tǒng)進行分析設(shè)計。

　　下行數(shù)據(jù)通信方案分析交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的下行數(shù)據(jù)主要由兩部分組成：靜態(tài)交通地理信息和動態(tài)交通信息。靜態(tài)交通地理信息包括道路、交通附屬設(shè)施、停車場、橋梁等等;動態(tài)交通信息主要包括實時交通流量，路口/路段的交通服務(wù)信息等，此外還包括各類施工信息等。其中，靜態(tài)交通地理信息量比較大，但不必實時發(fā)布，而動態(tài)交通信息是用于確定路權(quán)和路徑引導(dǎo)的，因此需要實時下傳。

　　無論是靜態(tài)信息，還是動態(tài)信息，都需要通過無線通信的方式進行下傳。這里需要解決的主要問題是通信容量和通信系統(tǒng)的可靠性問題。目前可資利用的通信系統(tǒng)主要有無線公網(wǎng)(如GSM、GPRS、CDMA)、集群通信及專線網(wǎng)絡(luò)。就北京而言，設(shè)每輛車每次接收的信息量約為950bit，且市區(qū)內(nèi)有20萬輛車需要接收本系統(tǒng)的服務(wù)，假設(shè)釆用目前容量最大且功能較亢進CDMA2000數(shù)據(jù)通信方式，北京市四環(huán)以內(nèi)的城區(qū)面積大約為250平方公里，而城區(qū)內(nèi)的CDMA小區(qū)面積平均設(shè)為10平方公里，則城區(qū)內(nèi)的小區(qū)數(shù)量為25個。對于20萬輛車，設(shè)平均每個小區(qū)內(nèi)的車輛用戶數(shù)為8000個，設(shè)CDMA2000單信道的傳輸速率為12.8kbps(下比上在環(huán)境相對要好)時，如果考慮全向CDMA2000小區(qū)的全部資源都給數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑挘瑔涡^(qū)所能容納這種用戶數(shù)為60個用戶，則單小區(qū)僅可以滿足8000這種用戶0.75%的需求。如果考慮三扇區(qū)CDMA2000小區(qū)的全部資源都給數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑?，單小區(qū)所能容納這種用戶數(shù)為218個用戶，則單小區(qū)可以滿足8000這種用戶2.72%的需求。如果采用GSM或者GPRS方式，則通信帶寬以及用戶容量更小。

　　因此，目前的無線公網(wǎng)無法滿足實寸下發(fā)交通數(shù)據(jù)的需求。因此，在本方案中擬采用無線廣播式尋呼方式進行實時數(shù)據(jù)下發(fā)，對于大量的靜態(tài)數(shù)據(jù)下載可以用DSRC方式或者無線專網(wǎng)(如WLAN)的方式進行。

　　上行數(shù)據(jù)通信方案分析上行數(shù)據(jù)主要包括車載端的用戶請求信息，以及交通探測信息。用戶請求信息量小，且是間隙性的，而交通探測信息則相對較大。對于用戶請求信息，可以釆用無線公網(wǎng)，如GSM、GPRS、CDMA等，對于交通探測信息的上傳，需要做專門的分析。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(yīng)該將所有的車輛都作為交通探測信息的集對象，但實際分析可知，真正有代表性的車輛主要是出租車、公交車，將所有車輛作為交通探測車既無必要，也不可行，因此，本文研究提出采用出租車作為交通探測信息源，而出租車目前已經(jīng)建設(shè)了自己的通信專網(wǎng)，如集群通信系統(tǒng)，這樣我們可以直接利用這一有效的通信資源。

　　結(jié)論根據(jù)上面的分析，對于系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)下發(fā)，采用FLEX和DSRC相結(jié)合的通信方式。FLEX(Flexible HighSpeed Paging)已是集高速、移動、雙向和語言等先進功能于一體的無線尋呼標準體系。它傳輸?shù)奈淖中畔⒘恳埠艽螅梢灾未罅坑脩?，另外系統(tǒng)在收費站或者車輛進入一個新城市的時候需要下載地圖信息時，可以使用WLAN或者DSRC的方法進行數(shù)據(jù)傳輸。同時對于系統(tǒng)中的用戶也可以提供無線公網(wǎng)(GSM/GPRS/CDMA)接口。

　　對于用戶查詢請求數(shù)據(jù)，由于并發(fā)用戶數(shù)較少，一般可以釆用無線公網(wǎng)或者專網(wǎng)方式傳輸數(shù)據(jù)。在上行數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性方面，考慮到用戶的不同層次和不同需求，車載定位導(dǎo)航設(shè)備在設(shè)計時也將留有CDPD及無線公網(wǎng)(GSM/GPRS/CDMA)接人方式的通信接口，以滿足用戶個性化的需求，尤其適用于不處于集群通信系統(tǒng)內(nèi)的私家車及其他車輛用戶的劫盜報警。

　　對于大量一般車輛的定位信息等不建議實時上傳。對于交通探測車信息上傳，可以釆用專網(wǎng)方式。

　　系統(tǒng)總體方案設(shè)計借鑒國外先進成果的設(shè)計思想，如美國的TravTek系統(tǒng)的分布式交通誘導(dǎo)設(shè)計，日本的VICS系統(tǒng)的通信方案，德國的Ali-Scout系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與發(fā)布方案，針對北京的通信資源、交通基礎(chǔ)設(shè)施等資源，結(jié)合前面的分析比較結(jié)果，我們設(shè)計了如圖1所示的北京交通誘導(dǎo)系統(tǒng)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(diào)度平臺)、車輛導(dǎo)航管理中心、路邊可變信息板、停車誘導(dǎo)牌、無線尋呼通信系統(tǒng)、車載定位導(dǎo)航設(shè)備等。車載定位導(dǎo)航設(shè)備由車載定位導(dǎo)航軟硬件設(shè)備構(gòu)成，如顯示器、嵌入式系統(tǒng)、語音箱、功能鍵、通信模塊、多媒體導(dǎo)航電子地圖等。車輛實時接收由交通綜合信息平臺通過無線尋呼通信系統(tǒng)下傳的動態(tài)交通信息，由車載計算機據(jù)此計算最優(yōu)路徑，以圖形、文本或語音等方式引導(dǎo)駕駛員安全、快捷地到達目的地。駕駛員也可以通過多種方式(如PDA、手機等)向車輛導(dǎo)航管理中心上傳服務(wù)請求(如救助、查詢股票信息等)。

　　誘導(dǎo)功能系統(tǒng)的特色

　　方案特色從前面的分析與設(shè)計可知，本方案具有以下幾個方面的特色：

　　(1) 系統(tǒng)與北京市交通綜合信息平臺無縫接合交通誘導(dǎo)系統(tǒng)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重要應(yīng)用功能模塊，對北京交通綜合信息平臺是一個有力的支持。為實現(xiàn)交通探測車功能，系統(tǒng)設(shè)計了利用交通綜合信息平臺下屬的公交車指揮調(diào)度系統(tǒng)、出租車調(diào)度系統(tǒng)、警車調(diào)度系統(tǒng)的信息通道，實現(xiàn)交通探測車信息的上傳，避免了重復(fù)建設(shè)，促進了交通信息的系統(tǒng)整合。

　　(2)充分利用現(xiàn)有的多方式通信資源，降低建設(shè)成本對于系統(tǒng)中的下行數(shù)據(jù)釆用FLEX和無線公網(wǎng)相結(jié)合的通信方式，上行數(shù)據(jù)利用無線公網(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(xiàn)了系統(tǒng)的靈活性，以滿足不同層次的用戶需求。FLEX作為現(xiàn)有的在全國范圍內(nèi)業(yè)已建立的通信系統(tǒng)，具有傳輸大量文字信息量，支撐多用戶的特點，再加上現(xiàn)有個體尋呼業(yè)務(wù)萎縮的事實，以FLEX系統(tǒng)實現(xiàn)對動態(tài)系統(tǒng)的發(fā)布，是對現(xiàn)有通信資源的最好保護，也是降低交通誘導(dǎo)系統(tǒng)建設(shè)成本的有效手段。

　　(3)系統(tǒng)設(shè)計具有前瞻性，同時具有可操作的產(chǎn)業(yè)化前景車載終端具有豐富的功能，將給開發(fā)商帶來直接的經(jīng)濟效益，吸引大量的廠商投入到交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化進程中，從而盡快推進該系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化。

　　車載導(dǎo)航設(shè)備部分有系列產(chǎn)品配置方案，提供多種選件供用戶選擇配置，設(shè)計了多模式接口的選件，可以適應(yīng)不同用戶的需求，也為該系統(tǒng)的易用性和通用性提供良好的基礎(chǔ)。

　　盡管現(xiàn)階段的研究工作主要集中在單個的城市范圍內(nèi)進行，考慮到將來產(chǎn)業(yè)化后，城市間的銜接關(guān)系，同時考慮到系統(tǒng)釆用技術(shù)與將來技術(shù)標準的關(guān)系，本系統(tǒng)設(shè)計以全國作為系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，釆用FLEX和無線公網(wǎng)相結(jié)合的下行通信方式，實現(xiàn)為異地來京車輛提供交通信息服務(wù)的功能，解決了奧運交通車輛的導(dǎo)航問題。采用FLEX的下行通信方式也很好地解決了導(dǎo)航系統(tǒng)將來全國聯(lián)網(wǎng)的問題。

　　(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(tǒng)設(shè)計是民用設(shè)施，但是由于目前導(dǎo)航系統(tǒng)采用的GPS、GLONASS或?qū)淼腉ALILEO衛(wèi)星定位系統(tǒng)都是國外的技術(shù)，且多數(shù)具有軍事功能。為了減少對這些國外系統(tǒng)的過分依賴，保障定位系統(tǒng)的連續(xù)性和完好性，本系統(tǒng)設(shè)計釆用多國衛(wèi)星定位組合DR定位的方案，在保證系統(tǒng)的定位精度與可靠性的同時，滿足國家安全的需要。

　　3、北京市交通誘導(dǎo)系統(tǒng)功能設(shè)計

　　中遠期功能設(shè)計

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

　　·充分實現(xiàn)交通領(lǐng)域信息化，使裝備有導(dǎo)航車載設(shè)備的車輛既接受交通綜合信息平臺提供的信息服務(wù)，同時也為釆集實時交通信息服務(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(jié)約能源，提高安全水平和舒適水平。