论文部分内容阅读
[摘 要]本文针对城市路况，设计出一种基于北斗的模块化路况检测系统。在车辆上安装北斗信号发射机，与北斗卫星通过GPRS信号进行双向信息传播，同时通过装于红绿灯上的微波雷达计算道路上汽车的车速和汽车流量，并且通过配套的集成芯片电路进行数据预处理并得出初步结论。上述两部分的信息传输到控制中心，经过最终分析后将结论上传到客户端。
[关键词]北斗系统 模块化 微波雷达 数据预处理
中图分类号：R61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0116-02
随着经济发展，交通拥堵问题成为了世界性难题，同时也带来了巨大的损失。针对这一问题，世界各国都采取了一定的措施如扩宽路面、限制汽车持有数量和限行等措施。但从实施效果来看，扩宽路面建设省成本高、周期长；限制汽车数量在短时间内也不可能实现；实行限行在一定程度上能够减少路面上汽车数量，但同时也会刺激人们去购买更多的汽车以满足使用要求，进而导致汽车总数上升。
在此，我们提出一种基于北斗的模块化城市路况监测系统。通过北斗系统得到汽车行驶数据，同时将城市交通依据道路分割，将每一条路作为最基本的交通单元，并依靠不同模单元之间的信息交流，快速准确高效的将路况信息传递到用户和管理中心。
1模块化交通系统的建立
1.1前期分析
通过对交通拥堵现象的分析发现，在发生拥堵的时候，并不是所有的路段全部拥堵，当司机发现发生拥堵以后，已经无法改变行驶道路。同时，与拥堵点可以相互替代的路段很可能很少有车辆行驶。
针对这一现象，结合国内外的经验和不足，设计出以道路为基础单元的城市交通管理系统。
国内外研究现状：
通過调查发现，现有道路监控系统大多都是导航软件上的配套服务，例如百度地图，高德地图上的路况检测系统。这种导航软件的原理是通过检测装有此类导航装置的机动车的车速等情况，通过对同一道路或地区的车辆数据分析来判断出次地区的交通状况。其缺点是
1.由于过大的数据流，很多车主反映高得地图需要二十分钟才能进行一次更新，而这段延迟给信息造成了很大的误差。
2.监测存在偶然性，由于它是检测装载地图软件的机动车的行进情况，所以说如果一条道路上有两辆装有此软件的车辆同时偶然停车，系统会自动判断此路拥堵。而本文的设计则大大改善这种问题。
1.2模块化城市路况监测系统分析
通过对现有的交通导航和管理系统的分析，我们设计出如下图所示的三级城市交通管理检控模式。
在该模式中，车载北斗系统、道路交通模块和交通指挥中心三者之间的信息相互交换，同时不同道路模块之间也存在蜂群式信息共享合作。
①车载北斗模块
北斗卫星导航系统中国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。依靠该系统我们可以建成技术先进、稳定可靠的城市交通导航系统。
我们采用的北斗定位系统的设计原理框图，如图2所示。从图2可以看出，北斗系统组成包括定位节点和中枢控制端。定位节点安装在机动车上，北斗系统的上位机设置在监控中心内，实时接受平台回传的位置坐标如图2所示。
我们在汽车端设置车在北斗模块，测出汽车的速度和位置，通过无线信息传递给道路模块后，将道路模块单元上所有的汽车信息整合后，再反馈到汽车的车载终端。
在汽车的车载平台上，北斗和汽车本身的导航平台结合，将自身周围的道路环境呈现到导航仪屏幕上，用户可以在图上看出周围道路环境的车辆数和速度，进而预判周围道路的实时变化，选择最佳的前进路线。
（圆点代表十字路口、彩色块代表汽车、灰色块代表道路）
②道路模块设计方案
交通信号灯上的接收机和机动车上的发射机通过小功率无线电信号实现单向通讯。红绿灯上的接收机实时通过2.4G无线网络回传位置坐标给控制中心，同时和接收机配套的集成芯片对数据流进行处理。另一方面，北斗系统将车辆位置信息回传给控制中心，控制中心将车辆位置与交通信息机进行配对，达到最终确定的效果。对于车载模块部分通过车载电源对车载系统供电，信号灯上的接收机则采用太阳能供电。
③控制中心基于多准则判断路况机制
控制中心对道路的最终判定结果由路端接收机数据分析结果和北斗对地面车辆的宏观监控数据两方面共同决定。路端接收机的分析结果由机动车车速和流量两方面组成，而北斗监控则起到辅助作用。
下图为应用MATLAB对单行车道进行模拟之后拟合出的车流量与车流密度之间的关系，和城市环岛之间的实际状况。
通过路端分析，我们得出四种道路情况。车速高流量大，车速低流量大，车速高流量小，车速低流量小。
但只有车速低流量小这种情况为道路拥堵。而北斗系统则排除了一些特殊情况列如道路中间出现事故占用车道造成前方拥堵后方畅通的状况。
所以当（v，q）落在左下方的格子之中时此车道一定拥堵。当（v，q）落在其他区域时，一般不会堵车，但是要分析要北斗提供的车辆信息从而确定是否存在特殊情况。然后实时的路况信息传输到用户的app客户端中，提醒车辆进行避让。其中要注意，不同的车道和周边不同情况都会影响网格的划分界限，所以要提前进行实地勘察，确定出拥堵的具体数值标准，
2 技术支持
2.1北斗系统设计方案
利用多普勒测速法对用户的运动进行测算。
通过查阅文献得到卫星和用户相对运动引起的多普勒频移。
（1）
该方法不仅可以计算出接收机的速度，还可以确定接收机的时钟漂移。
2.2GPRS通讯
GPRS网络的工作原理体现在它的分组数据路由传输和传输协议模式上，用户通讯数据通过串行或无线方式连接到GPRS终端上，然后GPRS终端与GSM基站通信，这种方式与电路交换式数据呼叫不同，GPRS分组是从基站发送到GPRS服务支持节点（SGSN），而不是通过移动交换中心（MSC）连接到语音网络上。因此，SGSN与GPRS网关支持节点（GGSN）进行通信，GGSN对分组数据进行相应的处理后，再发送到目的网络，如Internet或X.25网络。 其具体的数据传输流程分为四步：
第一步：用户设备通过串行接口向GPRS终端传输数据；
第二步：经过处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站；
第三步：分组数据经GSM基站的SGSN封装后，然后发送到GPRS骨干网；
第四步：在GPRS网关支持节点GGSN对SGSN分组数据进行相应的处理后，再发送到目的网络移动台（MS），和GPRS之间的分层传输协议模型主要由GTPLLC和RLC协议构成，Um接口是GSM的空中接口，Um接口上的通信协议有5层，自下而上依次为物理层、MAC层、LLC层、SNDC层和网络层，RLC/MAC为无线链路控制、媒质接入控制层，LLC层为逻辑链路控制层，GTP是将用户数据及信令用隧道技术在GPRS网络GSN节点之间传送
2.3北斗定位与测速单元设计
该单元为车载设备，在可靠性要求满足的前提下，尽量做到结构简单便捷。单元主体采用基于ARM-CORTEX-M4的stm32F407处理器，配合北斗ATK-S1216F8-BD模块与多普勒测速法作为路面个体位置与运动数据采集及处理单元。
2.4车流量监测单元设计
出于對安装与维护简单的考虑，车流量监测单元选取非接触式传感器对通过某一横向路面的车辆进行计数。不同于传统基于线圈技术对车流量进行统计，基于FMCW体制双波束微波雷达技术具有监测精度高、抗干扰能力强、可多车道同时监测的优点。该技术特点：双波束投射到路面上在车行方向形成2道检测线，相当于2个具有相关性的单波束雷达放置在相邻位置；检测时安装于道路边立杆上因而克服了安装带来的问题；高频微波短距离传输不受气候和光照影响因而可全天候工作；双波束所形成的2道检测线用来准确测量车速和车辆长度；同时由于2道检测线具有相关性，降低了误判，检测精度得到提升。
2.5信号通讯系统设计
信号通讯单元为路面载体与监测站点信息沟通的桥梁，其通讯具有传输量大、信号波动幅度大、通讯距离较远及设备须长期在线的特点。该系统由两个单元组成：服务器端（监测中心）与客户端（车载设备）。服务器端与客户端之间通过GPRS无线数据连接，某路段载体客户端将由主芯片处理后的采集设备（北斗模块）获取的设备载体位置与速度信息发送给服务器，然后服务器端将该路段的客户端（车载设备）对应的位置与速度信息反馈到GPRS网络，则个客户端可以通过访问网络得到实时的路况信息。
3具体使用方法
车主用户：首先用户需要在客户端上选择自己的出行路线，设置起始点和终止点，之后软件会为用户标识出这块区域内的路况，不同的道路情况用不同的颜色来表示。每当车辆走过路端，系统便不再显示已走过道路的情况，从而进行二次的数据流简化。数据也就可以进行高频率的更新。所以如果路况发生突变，就可以临时改变最优路线，避免遇到拥堵的情况。
概念图如下：
参考文献
[1]李志斌，蔡成林，王利杰等.基于北斗系统测速方法的对比分析[J].导航定位学报，2014.6
[2]杨俊，武奇生.GPS基本原理及其matlab仿真[M].西安电子科技大学出版社，2006
[3]何海波，杨元喜，孙中苗.几种GPS测速方法的比较分析[J].测绘学报，2002
[4]李鹤峰，党亚民，秘金钟，等.北斗卫星导航系统的发展、优势及建议[J].导航定位学报，2013
[5]凌万利.基于GPRS的无线传输技术在智能交通系统中的应用研究[M].哈尔滨工业大学出版社，2006
[6]唐定富，孙晓玮，余稳等.基于微波雷达技术的城市快速交通信息检测方案[J]
[7]纪婉玉，“北斗”产业发展浅析[J].国际太空，2012（4）：19-21
[8]何海波.高精度GPS动态测量及质量控制[D].郑州：解放军信息工程大学，2002
[9]张明，王宏涛，王强，利用GPS多普勒观测值精确确定运动载体的速度[J].电光与控制，2006，13（3）：98-101
[10]杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报，2010，39（1）：1-6
项目基金
大学生创新训练项目基于北斗的模块化路况监测系统
闫周，男，助理实验师。
[关键词]北斗系统 模块化 微波雷达 数据预处理
中图分类号：R61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0116-02
随着经济发展，交通拥堵问题成为了世界性难题，同时也带来了巨大的损失。针对这一问题，世界各国都采取了一定的措施如扩宽路面、限制汽车持有数量和限行等措施。但从实施效果来看，扩宽路面建设省成本高、周期长；限制汽车数量在短时间内也不可能实现；实行限行在一定程度上能够减少路面上汽车数量，但同时也会刺激人们去购买更多的汽车以满足使用要求，进而导致汽车总数上升。
在此，我们提出一种基于北斗的模块化城市路况监测系统。通过北斗系统得到汽车行驶数据，同时将城市交通依据道路分割，将每一条路作为最基本的交通单元，并依靠不同模单元之间的信息交流，快速准确高效的将路况信息传递到用户和管理中心。
1模块化交通系统的建立
1.1前期分析
通过对交通拥堵现象的分析发现，在发生拥堵的时候，并不是所有的路段全部拥堵，当司机发现发生拥堵以后，已经无法改变行驶道路。同时，与拥堵点可以相互替代的路段很可能很少有车辆行驶。
针对这一现象，结合国内外的经验和不足，设计出以道路为基础单元的城市交通管理系统。
国内外研究现状：
通過调查发现，现有道路监控系统大多都是导航软件上的配套服务，例如百度地图，高德地图上的路况检测系统。这种导航软件的原理是通过检测装有此类导航装置的机动车的车速等情况，通过对同一道路或地区的车辆数据分析来判断出次地区的交通状况。其缺点是
1.由于过大的数据流，很多车主反映高得地图需要二十分钟才能进行一次更新，而这段延迟给信息造成了很大的误差。
2.监测存在偶然性，由于它是检测装载地图软件的机动车的行进情况，所以说如果一条道路上有两辆装有此软件的车辆同时偶然停车，系统会自动判断此路拥堵。而本文的设计则大大改善这种问题。
1.2模块化城市路况监测系统分析
通过对现有的交通导航和管理系统的分析，我们设计出如下图所示的三级城市交通管理检控模式。
在该模式中，车载北斗系统、道路交通模块和交通指挥中心三者之间的信息相互交换，同时不同道路模块之间也存在蜂群式信息共享合作。
①车载北斗模块
北斗卫星导航系统中国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。依靠该系统我们可以建成技术先进、稳定可靠的城市交通导航系统。
我们采用的北斗定位系统的设计原理框图，如图2所示。从图2可以看出，北斗系统组成包括定位节点和中枢控制端。定位节点安装在机动车上，北斗系统的上位机设置在监控中心内，实时接受平台回传的位置坐标如图2所示。
我们在汽车端设置车在北斗模块，测出汽车的速度和位置，通过无线信息传递给道路模块后，将道路模块单元上所有的汽车信息整合后，再反馈到汽车的车载终端。
在汽车的车载平台上，北斗和汽车本身的导航平台结合，将自身周围的道路环境呈现到导航仪屏幕上，用户可以在图上看出周围道路环境的车辆数和速度，进而预判周围道路的实时变化，选择最佳的前进路线。
（圆点代表十字路口、彩色块代表汽车、灰色块代表道路）
②道路模块设计方案
交通信号灯上的接收机和机动车上的发射机通过小功率无线电信号实现单向通讯。红绿灯上的接收机实时通过2.4G无线网络回传位置坐标给控制中心，同时和接收机配套的集成芯片对数据流进行处理。另一方面，北斗系统将车辆位置信息回传给控制中心，控制中心将车辆位置与交通信息机进行配对，达到最终确定的效果。对于车载模块部分通过车载电源对车载系统供电，信号灯上的接收机则采用太阳能供电。
③控制中心基于多准则判断路况机制
控制中心对道路的最终判定结果由路端接收机数据分析结果和北斗对地面车辆的宏观监控数据两方面共同决定。路端接收机的分析结果由机动车车速和流量两方面组成，而北斗监控则起到辅助作用。
下图为应用MATLAB对单行车道进行模拟之后拟合出的车流量与车流密度之间的关系，和城市环岛之间的实际状况。
通过路端分析，我们得出四种道路情况。车速高流量大，车速低流量大，车速高流量小，车速低流量小。
但只有车速低流量小这种情况为道路拥堵。而北斗系统则排除了一些特殊情况列如道路中间出现事故占用车道造成前方拥堵后方畅通的状况。
所以当（v，q）落在左下方的格子之中时此车道一定拥堵。当（v，q）落在其他区域时，一般不会堵车，但是要分析要北斗提供的车辆信息从而确定是否存在特殊情况。然后实时的路况信息传输到用户的app客户端中，提醒车辆进行避让。其中要注意，不同的车道和周边不同情况都会影响网格的划分界限，所以要提前进行实地勘察，确定出拥堵的具体数值标准，
2 技术支持
2.1北斗系统设计方案
利用多普勒测速法对用户的运动进行测算。
通过查阅文献得到卫星和用户相对运动引起的多普勒频移。
（1）
该方法不仅可以计算出接收机的速度，还可以确定接收机的时钟漂移。
2.2GPRS通讯
GPRS网络的工作原理体现在它的分组数据路由传输和传输协议模式上，用户通讯数据通过串行或无线方式连接到GPRS终端上，然后GPRS终端与GSM基站通信，这种方式与电路交换式数据呼叫不同，GPRS分组是从基站发送到GPRS服务支持节点（SGSN），而不是通过移动交换中心（MSC）连接到语音网络上。因此，SGSN与GPRS网关支持节点（GGSN）进行通信，GGSN对分组数据进行相应的处理后，再发送到目的网络，如Internet或X.25网络。 其具体的数据传输流程分为四步：
第一步：用户设备通过串行接口向GPRS终端传输数据；
第二步：经过处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站；
第三步：分组数据经GSM基站的SGSN封装后，然后发送到GPRS骨干网；
第四步：在GPRS网关支持节点GGSN对SGSN分组数据进行相应的处理后，再发送到目的网络移动台（MS），和GPRS之间的分层传输协议模型主要由GTPLLC和RLC协议构成，Um接口是GSM的空中接口，Um接口上的通信协议有5层，自下而上依次为物理层、MAC层、LLC层、SNDC层和网络层，RLC/MAC为无线链路控制、媒质接入控制层，LLC层为逻辑链路控制层，GTP是将用户数据及信令用隧道技术在GPRS网络GSN节点之间传送
2.3北斗定位与测速单元设计
该单元为车载设备，在可靠性要求满足的前提下，尽量做到结构简单便捷。单元主体采用基于ARM-CORTEX-M4的stm32F407处理器，配合北斗ATK-S1216F8-BD模块与多普勒测速法作为路面个体位置与运动数据采集及处理单元。
2.4车流量监测单元设计
出于對安装与维护简单的考虑，车流量监测单元选取非接触式传感器对通过某一横向路面的车辆进行计数。不同于传统基于线圈技术对车流量进行统计，基于FMCW体制双波束微波雷达技术具有监测精度高、抗干扰能力强、可多车道同时监测的优点。该技术特点：双波束投射到路面上在车行方向形成2道检测线，相当于2个具有相关性的单波束雷达放置在相邻位置；检测时安装于道路边立杆上因而克服了安装带来的问题；高频微波短距离传输不受气候和光照影响因而可全天候工作；双波束所形成的2道检测线用来准确测量车速和车辆长度；同时由于2道检测线具有相关性，降低了误判，检测精度得到提升。
2.5信号通讯系统设计
信号通讯单元为路面载体与监测站点信息沟通的桥梁，其通讯具有传输量大、信号波动幅度大、通讯距离较远及设备须长期在线的特点。该系统由两个单元组成：服务器端（监测中心）与客户端（车载设备）。服务器端与客户端之间通过GPRS无线数据连接，某路段载体客户端将由主芯片处理后的采集设备（北斗模块）获取的设备载体位置与速度信息发送给服务器，然后服务器端将该路段的客户端（车载设备）对应的位置与速度信息反馈到GPRS网络，则个客户端可以通过访问网络得到实时的路况信息。
3具体使用方法
车主用户：首先用户需要在客户端上选择自己的出行路线，设置起始点和终止点，之后软件会为用户标识出这块区域内的路况，不同的道路情况用不同的颜色来表示。每当车辆走过路端，系统便不再显示已走过道路的情况，从而进行二次的数据流简化。数据也就可以进行高频率的更新。所以如果路况发生突变，就可以临时改变最优路线，避免遇到拥堵的情况。
概念图如下：
参考文献
[1]李志斌，蔡成林，王利杰等.基于北斗系统测速方法的对比分析[J].导航定位学报，2014.6
[2]杨俊，武奇生.GPS基本原理及其matlab仿真[M].西安电子科技大学出版社，2006
[3]何海波，杨元喜，孙中苗.几种GPS测速方法的比较分析[J].测绘学报，2002
[4]李鹤峰，党亚民，秘金钟，等.北斗卫星导航系统的发展、优势及建议[J].导航定位学报，2013
[5]凌万利.基于GPRS的无线传输技术在智能交通系统中的应用研究[M].哈尔滨工业大学出版社，2006
[6]唐定富，孙晓玮，余稳等.基于微波雷达技术的城市快速交通信息检测方案[J]
[7]纪婉玉，“北斗”产业发展浅析[J].国际太空，2012（4）：19-21
[8]何海波.高精度GPS动态测量及质量控制[D].郑州：解放军信息工程大学，2002
[9]张明，王宏涛，王强，利用GPS多普勒观测值精确确定运动载体的速度[J].电光与控制，2006，13（3）：98-101
[10]杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报，2010，39（1）：1-6
项目基金
大学生创新训练项目基于北斗的模块化路况监测系统
闫周，男，助理实验师。