北京智能交通诱导系统的设计与研究分析

　　首都经济的快速发展，加快了北京城市化和道路交通机动化的步伐，突出表现是建成区面积不断扩大，全市机动车社会保有量持续高速增长。作为一个发展中的特大城市，北京的城市交通管理出现了前所未有的机遇和挑战，特别是2008年在北京举办奥运会，将对北京交通带来巨大的压力。交通需求的不断增加，使交通管理面临形势更加严峻，任务更加繁重。目前北京市交通管理的信息化程度低，包括网络建设规模、信息综合利用、电子政务水平、社会化交通信息服务水平等，与世界先进水平相比都存在明显差距，特别是在交通信息对外发布方面，存在渠道少、实时动态信息不足等问题。

　1、交通诱导系统

　　是智能交通系统 (Intelligent TransportationSystem，ITS)的重要子系统之一。它是诸多高新技术(如地理信息系统、定位技术、导航技术、现代无线通信技术等)的集成，具有多种功能。利用它可帮助驾驶员迅速找到从当前位置到达目的地的最佳行驶路线，协助出行者方便地进入到原先没有去过的地方，如果有实时交通信息的支撑，交通诱导系统能够有效地引导车辆在路网中运行，减少车辆在道路上的行驶时间，并最终实现交通量在整个路网中的均匀分配。

　　交通诱导系统自诞生以来，就受到了人们的普遍关注。许多发达国家如美国、德国、日本等将其列入国家研究计划，投入厂大量的人力、物力和财力对其进行研究。试验和开发。随着相关技术的成熟和系统的实用化，交通诱导系统在未来交通管理中将扮演越来越重要的角色。

2、北京交通诱导系统总体设计

　　系统目标车辆诱导系统是北京市交通综合信息平台的重要应用模块。系统建设目标是：基于北京交通综合信息平台及各子平台向市民提供出行路线引导服务，同时也向交通综合信息平台及有关部门提供实时道路交通数据，通过动态交通信息的获取及处理，引导驾驶员合理规避交通拥堵，以最佳路线到达目的地，从而达到充分利用城市路网能力，提高通行效率的目的。通过研究和开发，获取交通诱导系统的关键技术与相应的自主知识产权。在研究深度上，不仅要解决系统开发初期的关键技术问题，而且要设计安装运行一批车载设备进行示范实验，同时在奥运会期间实现车辆诱导信息服务(包括对特殊车辆的定位和导航服务)。

　　国内外交通诱导系统研发现状交通诱导系统能有效地解决，城市交通拥挤、减少交通事故、降低空气污染、提高运输效率，发达国家非常重视车裁定位导航系统的开发和应用，现已形成了日、美、欧三足鼎立的局面。

　　日本的典型车辆导航系统日本的导航系统以丰田公司与日本警察省、邮政省、建设省共同开发的基于全球定位系统(GPS)和道路车辆信息通信系统(VICS)的导航系统为代表。VICS是日本东京一家具有半官半民性质的交通信息处理、发布中心，它将警察部门和高速公路管理部门提供的交通堵塞、驾驶所需时间、交通事故、道路施工、车速及路线限制，以及停车场空位等信息编辑处理后及时传输给交通参与者，特别是在汽车导航车载机上以文字、图形显示。目前日本已有多家大公司研制出车载装置，如松下公司生产的KX-GA3L已在日本多种类型的车辆上得到了应用。

　　美国的典型车辆导航系统TRAVTEK是美国有代表性的城市交通诱导系统。它以实时路线引导和服务信息系统实用化为目的，由交通管理中心、信息与服务中心、装有导航装置的车辆组成。交通管理中心进行道路交通信息的收集、管理与提供，同时还提供系统运行所必需的信息;信息服务中心收集观光设施、旅馆、饭店等为对象的各种服务信息;车载导航装置由车辆定位模块、路线选择模块及接口模块构成，可显示交通堵塞地段、事故及施工等信息的地图，以及按驾驶员需要进行的路线引导及提供服务的文字信息等。

　　欧洲的典型车辆导航系统Ali-Scout系统是欧洲最有代表性的车载导航系统，由西门子公司和Bosch/Blaupunkt公司联合开发。系统包括车内设备和车外设备两部分。车内有定位、导航设备、磁场传感器、车轮转数计、带键盘和方向指示器的操作面板，行驶时间测量仪、红外发射器、红外接收器和目标存储器等;车外设备有信标红外发射器、信标红外接收器、信标控制器和交通诱导计算机。车辆通过信标以红外通信方式与中心交换信息。信标安装在路口两旁，典型的是与交通信号灯安装在一起。交通诱导计算机负责完成最优路径的计算、路段阻抗预测和数据库管理等任务。

国内交通诱导系统的研发现状及趋势国内车辆导航系统的研究起步较晚，主要由一些科研院所、学校及少数公司进行探索性研究实验，目前还未取得实质性成果。吉林大学在交通诱导系统方面做了一些研究，尤其在交通预测、交通分配等方面开展了大量研究，取得了一些成果;北京工业大学交通研究中心在车辆定位、临控与导航关键技术方面开展了多项研究，重点包括：城市交通网络及其拓扑关系的表达，GPS/DR组合定位数据融合，基于GSM进行数据通信等;四维公司、大通公司和鞍山科信、南大善邻、西安东强、上海卫导与三吉等公司通过与国外合作或引进或独立研制，做了大量的工作，取得了一定进展，但均未达到实现产业化的阶段。

　　当前，我国的交通、通信等基础设施已有了重大改观，研究开发我国具有自主知识产权的交通诱导系统的主，客观条件已基本具备，本文正是在此背景下，对北京交通诱导系统提出了一套整体解决方案，为后期的研发奠定了坚实基础。

　　诱导功能系统的原理

　　系统通信方案分析与设计交通诱导系统中，数据通信系统是其基础模块之一，是数据下传和上传的通道。北京市区现有车辆210万辆，如果按平均增长率17%计算，到2008年将达到600万辆左右。终端用户数量的不断发展，对通信网络环境具有较高要求。因此，本系统选择的通信方式不仅要考虑系统现有的数据量及传输需求，同时也要保证能够满足用户不断发展的需要。因此，本系统所选择的通信方式和采用的通信方案必须符合高速、安全性、可靠性、可扩展性等原则。下面我们主要针对北京市的交通诱导通信系统进行分析设计。

　　下行数据通信方案分析交通诱导系统的下行数据主要由两部分组成：静态交通地理信息和动态交通信息。静态交通地理信息包括道路、交通附属设施、停车场、桥梁等等;动态交通信息主要包括实时交通流量，路口/路段的交通服务信息等，此外还包括各类施工信息等。其中，静态交通地理信息量比较大，但不必实时发布，而动态交通信息是用于确定路权和路径引导的，因此需要实时下传。

　　无论是静态信息，还是动态信息，都需要通过无线通信的方式进行下传。这里需要解决的主要问题是通信容量和通信系统的可靠性问题。目前可资利用的通信系统主要有无线公网(如GSM、GPRS、CDMA)、集群通信及专线网络。就北京而言，设每辆车每次接收的信息量约为950bit，且市区内有20万辆车需要接收本系统的服务，假设釆用目前容量最大且功能较亢进CDMA2000数据通信方式，北京市四环以内的城区面积大约为250平方公里，而城区内的CDMA小区面积平均设为10平方公里，则城区内的小区数量为25个。对于20万辆车，设平均每个小区内的车辆用户数为8000个，设CDMA2000单信道的传输速率为12.8kbps(下比上在环境相对要好)时，如果考虑全向CDMA2000小区的全部资源都给数据传输的话，单小区所能容纳这种用户数为60个用户，则单小区仅可以满足8000这种用户0.75%的需求。如果考虑三扇区CDMA2000小区的全部资源都给数据传输的话，单小区所能容纳这种用户数为218个用户，则单小区可以满足8000这种用户2.72%的需求。如果采用GSM或者GPRS方式，则通信带宽以及用户容量更小。

　　因此，目前的无线公网无法满足实寸下发交通数据的需求。因此，在本方案中拟采用无线广播式寻呼方式进行实时数据下发，对于大量的静态数据下载可以用DSRC方式或者无线专网(如WLAN)的方式进行。

　　上行数据通信方案分析上行数据主要包括车载端的用户请求信息，以及交通探测信息。用户请求信息量小，且是间隙性的，而交通探测信息则相对较大。对于用户请求信息，可以釆用无线公网，如GSM、GPRS、CDMA等，对于交通探测信息的上传，需要做专门的分析。交通探测信息是反映城市路网整体交通状态的信息，理论上讲，应该将所有的车辆都作为交通探测信息的集对象，但实际分析可知，真正有代表性的车辆主要是出租车、公交车，将所有车辆作为交通探测车既无必要，也不可行，因此，本文研究提出采用出租车作为交通探测信息源，而出租车目前已经建设了自己的通信专网，如集群通信系统，这样我们可以直接利用这一有效的通信资源。

　　结论根据上面的分析，对于系统中实时数据下发，采用FLEX和DSRC相结合的通信方式。FLEX(Flexible HighSpeed Paging)已是集高速、移动、双向和语言等先进功能于一体的无线寻呼标准体系。它传输的文字信息量也很大，可以支撑大量用户，另外系统在收费站或者车辆进入一个新城市的时候需要下载地图信息时，可以使用WLAN或者DSRC的方法进行数据传输。同时对于系统中的用户也可以提供无线公网(GSM/GPRS/CDMA)接口。

　　对于用户查询请求数据，由于并发用户数较少，一般可以釆用无线公网或者专网方式传输数据。在上行数据传输的灵活性方面，考虑到用户的不同层次和不同需求，车载定位导航设备在设计时也将留有CDPD及无线公网(GSM/GPRS/CDMA)接人方式的通信接口，以满足用户个性化的需求，尤其适用于不处于集群通信系统内的私家车及其他车辆用户的劫盗报警。

　　对于大量一般车辆的定位信息等不建议实时上传。对于交通探测车信息上传，可以釆用专网方式。

　　系统总体方案设计借鉴国外先进成果的设计思想，如美国的TravTek系统的分布式交通诱导设计，日本的VICS系统的通信方案，德国的Ali-Scout系统的数据处理与发布方案，针对北京的通信资源、交通基础设施等资源，结合前面的分析比较结果，我们设计了如图1所示的北京交通诱导系统总体解决方案。

　　本方案涉及交通信息中心(与信息办信息平台、交管局信息平台、公交公司信息中心、交通局信息中心相连的虚拟调度平台)、车辆导航管理中心、路边可变信息板、停车诱导牌、无线寻呼通信系统、车载定位导航设备等。车载定位导航设备由车载定位导航软硬件设备构成，如显示器、嵌入式系统、语音箱、功能键、通信模块、多媒体导航电子地图等。车辆实时接收由交通综合信息平台通过无线寻呼通信系统下传的动态交通信息，由车载计算机据此计算最优路径，以图形、文本或语音等方式引导驾驶员安全、快捷地到达目的地。驾驶员也可以通过多种方式(如PDA、手机等)向车辆导航管理中心上传服务请求(如救助、查询股票信息等)。

诱导功能系统的特色

　　方案特色从前面的分析与设计可知，本方案具有以下几个方面的特色：

　　(1) 系统与北京市交通综合信息平台无缝接合交通诱导系统可充分利用交通综合信息平台提供的信息服务，并成为交通综合信息平台的一个重要应用功能模块，对北京交通综合信息平台是一个有力的支持。为实现交通探测车功能，系统设计了利用交通综合信息平台下属的公交车指挥调度系统、出租车调度系统、警车调度系统的信息通道，实现交通探测车信息的上传，避免了重复建设，促进了交通信息的系统整合。

　　(2)充分利用现有的多方式通信资源，降低建设成本对于系统中的下行数据釆用FLEX和无线公网相结合的通信方式，上行数据利用无线公网(本方案采用CDPD、GSM、GPRS或CDMA)上传的通信方式，充分考虑了各种通信方式在不同特性的信息传输方面的优势，体现了系统的灵活性，以满足不同层次的用户需求。FLEX作为现有的在全国范围内业已建立的通信系统，具有传输大量文字信息量，支撑多用户的特点，再加上现有个体寻呼业务萎缩的事实，以FLEX系统实现对动态系统的发布，是对现有通信资源的最好保护，也是降低交通诱导系统建设成本的有效手段。

　　(3)系统设计具有前瞻性，同时具有可操作的产业化前景车载终端具有丰富的功能，将给开发商带来直接的经济效益，吸引大量的厂商投入到交通诱导系统的产业化进程中，从而尽快推进该系统的产业化。

　　车载导航设备部分有系列产品配置方案，提供多种选件供用户选择配置，设计了多模式接口的选件，可以适应不同用户的需求，也为该系统的易用性和通用性提供良好的基础。

　　尽管现阶段的研究工作主要集中在单个的城市范围内进行，考虑到将来产业化后，城市间的衔接关系，同时考虑到系统釆用技术与将来技术标准的关系，本系统设计以全国作为系统的应用范围，釆用FLEX和无线公网相结合的下行通信方式，实现为异地来京车辆提供交通信息服务的功能，解决了奥运交通车辆的导航问题。采用FLEX的下行通信方式也很好地解决了导航系统将来全国联网的问题。

　　(4)技术方案的选择充分考虑到国家安全的需要尽管本系统设计是民用设施，但是由于目前导航系统采用的GPS、GLONASS或将来的GALILEO卫星定位系统都是国外的技术，且多数具有军事功能。为了减少对这些国外系统的过分依赖，保障定位系统的连续性和完好性，本系统设计釆用多国卫星定位组合DR定位的方案，在保证系统的定位精度与可靠性的同时，满足国家安全的需要。

　　3、北京市交通诱导系统功能设计

　　中远期功能设计

　　·为市民出行提供方便、舒适、快捷的交通信息服务，引导出行路线选择，提高生活水准;

　　·充分实现交通领域信息化，使装备有导航车载设备的车辆既接受交通综合信息平台提供的信息服务，同时也为釆集实时交通信息服务;

　　·充分利用城市道路资源，提高交通运输效率，缓解交通拥堵，节约能源，提高安全水平和舒适水平。