第33卷第S1期苏州科技大学学报（工程技术版）Vol．33No．S1 2020年12月Journal of Suzhou University of Science and Technology（Engineering and Technology）Dec．2020
北斗位置服务在交通领域应用技术研究
汪威，陈林，朱松苗
（苏州市高新北斗导航平台有限公司，江苏苏州215163）
摘要：以北斗位置服务应用为核心，介绍了基于北斗位置服务的系统组成及架构，以及北斗位置服务与新技术相结合在“公交优先通行”中的应用，探讨了其核心关键技术及其在城市管理中的重要性。该系统可为不同行业用户提供导航、定位、授时等服务，有效推动北斗产业发展。
关键词：交通；5G；大数据；北斗；位置服务
中图分类号：P237文献标志码：A文章编号：2096－3270（2020）S1－0055－05
交通运输行业是国家重要战略产业，是保障国家安全的重要基础设施，是国民经济快速发展的基石[1]。创建现代文明城市、绿城市，交通管理要先行。虽然交通在我国得到了快速发展，但不可否认的是，当前我国仍是世界交通大国而非世界交通强国。随着我国城市的快速发展，交通堵塞这一“城市病”变得越来越
严重[2]，如何优化道路运输是摆在城市建设者面前的一道难题。目前，行业对车辆的监管是各自为政，信息孤岛明显，加之先前一些技术不成熟，使得城市交通管理理念仍停留在形式阶段，如何利用新技术、新手段来改变现行交通落后的局面，使传统交通方式向现代交通转型升级是迫切需要解决的问题，也是我国由交通大国走向交通强国的关键所在。针对上述问题，笔者基于北斗导航系统、5G通信技术、大数据技术等设计了一种基于北斗位置服务公交信息化管理系统，公交管理部门可依据该系统对交通数据进行分析，制定公交行驶的管制措施政策，及时优化公交车辆通行措施，拥堵时能够及时疏通交通。
1北斗应用现状分析
1.1北斗卫星导航系统
北斗卫星导航系统是我国独立自主设计的卫星导航系统，与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo 并列成为全球第四大卫星导航系统，与其他卫星导航系统不同之处在于，北斗在星座设计中采用了GEO/IG-SO/MEO三类不同的卫星星座，北斗系统集导航通讯与定位于一体，可作为一种新的通信方式，在定位方面克服了GPS在一些城市遮挡区、林荫道等区域信号易受干扰的影响。随着北斗卫星导航系统的快速发展，北斗已在我国国防建设、基础设施建设以及各行各业等得到了广泛的应用，我国多部委相继出台多项举措推进北斗应用，随着新基建的到来，北斗融合5G通信、大数据分析、云计算等前沿技术，将打破以往某些领域的技术瓶颈，得到更深层的应用。
1.2北斗位置服务
各行各业均需要与位置打交道，传统技术由于信息灵活性差使得各技术处于孤岛状态。传统位置服务信息较为单一，北斗位置服务系统是将北斗导航定位技术、地理信息技术、无线通信技术、互联网技术等交叉融合，实现了对传统模式的革命性变革，“北斗+”应用的实践实现了传统行业向智慧行业的转变。伴随着物联网、5G技术、大数据与云计算等新技术的兴起，使得基于北斗的位置服务可以依托这些前沿技术突破传统无法实现的技术瓶颈，如海量数据的实时存储与处理、高动态、高精度、低时延数据的采集与处理。北斗位置服务是一个服务体系，容纳管理的不仅仅是用户的位置信息，还有多种传感器数据以及一些附加信息，位置服务对不同的数据进行融合处理，得出不同类型的数据产品，供给不同的用户使用。
北斗位置服务中心所提供的服务类型很多，如车辆的跟踪与定位、公交在线查询、交通引导、位置寻、实时位置共享、天气播报、老人关爱、小孩看护、商务网点查询，以及在此基础之上衍生出的如餐馆查询、智慧旅游、智慧出行等特的信息服务。监控报警、政府部门的应急指挥调度等一系列的行为也可由此获得可靠的位置信息。
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系统设计2.1系统组成
北斗位置服务系统主要由北斗通信站、基础数据层、北斗地基增强系统、数据接口层、行业用户接入等几大部分组成[3-4]，如图1所示。
北斗通信站与北斗位置服务中心建有北斗专线，可以直接将RDSS 信息转至北斗位置服务中心，再由位置服务中心与其他行业进行信息交互。基础资源层为北斗位置服务中心提供基础的原始数据，根据用户的实际要求可提供多种方式的网络接入。北斗地基增强系统主要由基准站网子系统、数据传输中心、数据解算中心等组成，主要用于处理基准站观测数据，生成差分信息，并将差分数据传输至北斗位置服务中心。北斗位置服务中心接收差分信息完成高精度解算，接受各终端设备的接入，完成复杂的数据融合分析与处理，实现行业用户的位置需求，同时，与其他行业部门之间完成信息交互，也可实现行业部门对位置服务的定制化要求。
2.2系统架构
北斗位置服务平台就系统逻辑架构而言，主要包含五个层次，即基础平台层、数据资源层、业务实现层、门户展现层及行业接入层[5-7]，其架构逻辑图如图2所示。
2.2.1基础平台层
主要包含城市基础设施、北斗高精度地面站、北斗各类终端应用产品、各类传感器设备以及平台运营服务所需的网络设备等。
2.2.2数据资源层
主要包含基础数据库、地理空间数据库、存储数据库、应用数据库以及其他数据库。基础数据库一般包含城市的一些基本信息以及与民生密切相关的信息；地理空间数据库主要包含空间地理信息、城市土地资源、地形地貌、地图信息、城市环境、城市生态、城市交通等；存储数据库主要完成对海量数据的存储与管理，如用户位置数据、视频数据、高精度差分数据、各类传感器数据、气象数据等等；应用数据库是位置服务平台对外提供服务信息的数据库，主要面向用户需求提供服务类型，如用户的厘米级定位精度、亚米级定位精度以及米级精度等，其他数据库一般包含数据备份数据库、一些行业特殊要求的数据库类型。
图1北斗位置服务系统组成
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第S1期2.2.3业务实现层
该层是整个位置服务的核心模块，主要包含：海量数据融合与分析、数据模型建立与分类、高频率差分数据源的获取、北斗高精度位置解算与地图信息匹配、高并发解算以及分布式搭建，通过对不同数据处理分析生成各类数据产品等。
2.2.4门户展现层
该层主要利用大数据分析技术，利用业务实现层处理的数据结果进行可视化动态显示，如表格、图像、视频、态势感知等。
2.2.5行业接入层
该层主要介绍北斗位置服务能面向哪些用户需求，主要包含行业大众市场应用，如手机导航定位、车辆调度指挥、普通导航定位授时、智慧旅游、气象预报等，是位置服务最具潜力的市场，其定位精度一般为3~5m 。高精度应用市场主要包含国土测绘、变形监测、精细农业、自动驾驶、智能驾考、高精度地图制作等，该类用户对定位要求较高，一般为厘米级，变形监测要求达到毫米级，伴随着自动驾驶的到来，高精度地图的制作将是今后发展前景、发展潜力较大的行业应用。特殊行业应用主要应用于国防军事等领域，如飞机的导航、军用车辆的指挥调度、阅兵车辆高精度导航定位、导弹的定向与发射、制导等，其定位精度在厘米级至米级，如阅兵车辆定位精度要求达到厘米级。北斗位置服务应用远远不限于逻辑架构图所列，可结合不同行业的实际需求，实现定制化服务。
除此之外，贯穿着五个层次的还有安全保障体系、标准规范体系、组织管理体系以及运维管理体系。3
北斗在公交领域的典型应用3.1公交优先通行发展现状
我国早在1997年即开始实施“公交优先通行”发展战略，最早提出该发展战略的目的是方便民众出行，缓
解交通压力，该措施在一定程度上解决了城市交通拥堵现象。但随着我国经济的快速腾飞，人们生活水平质量的提高，越来越多的人拥有了汽车并选用私家车出行，这直接导致城市交通拥挤、环境污染、噪声污染以及交通事故现象频发，严重影响交通运输安全。为加强城市公交车的运行效率，我国不少城市建立了公交专
图2
北斗位置服务逻辑架构图
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用车道，一些城市还施行了单双号限行措施，鼓励市民选择公共交通出行，但这并未从根本上解决问题。目前“公交优先通行”仍停留在形式上，公交车与其他车辆一样仍要等红绿灯、实时位置上报不准确、车辆换乘等候时间长、管理模式传统化、服务质量不高、公交优势未凸显出来，整体运行效率偏低。因此，要想解决城市交通拥堵现象，落实“公交优先”政策，真正发挥其最大效能，不能仅靠行政手段解决，必须依赖现代科技信息手段，出导致其一直无法有效实施的根源所在并逐一解决才是正道。
3.2研究的思路与对象
围绕北斗高精度定位、GIS地图、5G通信、大数据与云计算等先进技术手段，构建一个适用于公交车辆的智能化、信息化、精细化的管理平台的服务体系架构，通过软硬件技术相结合的方式，解决城市拥堵，改善城市公共交通服务质量。通过以公交优先通行为切入点，利用北斗位置服务，逐步实现对公务车、危化品运输处、环卫车以及出租车等的监控。
研究对象主要面向苏州公交车运输相关部门提供服务，满足公交管理部门对公共交通运输与管理的相关要求，通过对交通大数据进行分析，构建基于北斗位置服务的交通大数据服务体系，对公交所产生的数据进行分析，提取有效数据信息，完成数据信息的融合与共享，实现不同部门对数据的要求。
3.3关键技术研究
3.3.1数据融合分析技术
公交车在运行过程中会产生较大的交通数据，主要包含车载摄像头视频数据、车辆位置数据、车辆信息数据、乘客刷卡信息数据、车载传感器数据、道路信息数据等，这些数据均需上传至北斗位置服务平台，位置服务平台需要对这些数据进行分析、归类及存储[8-9]。
3.3.2高并发数据解算及分布式部署
目前苏州大市范围公交数量在6000辆左右，假如同一时段有4000辆公交运行，其产生的数据量是惊人的，
位置服务平台必须能够对海量高并发车辆数据进行快速处理分析，及时输出有效的数据产品信息并可视化实时动态感知与显示。除此之外，位置服务中心还需要与北斗地基增强系统进行通信，其处理能力要求很高，有多少辆公交车接入位置服务平台，就要与北斗地基增强系统数据处理中心完成多少次连接。因此，平台必须具备分部式部署。
3.3.3高精度定位解算
高精度定位是“公交优先”通行得以有效实施最为关键的一环，对公交车精细化管理的前提是必须能够确定公交实时的精确位置，以往主要采用GPS设备，其定位精度低、位置上传频率低，且易受环境因素影响，其主要用于公交报站，位置信息价值体现不明显，而高精度定位在理念设计就高出一个数量级，其将高精度核心解算模块由设备转至服务端解算，提高了解算的效率，降低了通信流量，且终端设备采用“GPS+BDS+惯导”的组合定位方式，保证任意时刻均能获取高精度位置信息。
3.3.4高精度地图制作
北斗手机号定位高精度位置信息必须配合高精度地图才能发挥其精度优势，传统的公交定位主要采用百度、高德等普通地图，不仅精度低而且数据信息较少，高精度地图与普通地图相比不仅精度高，而且地图元素信息较多，如道路形态、车道坡度、曲率、航向、高程、侧倾、道路周围地物地貌等信息，将高精度地图加载至北斗位置服务平台可精确显示车辆在某一时刻的车道信息，同时结合各传感器设备的数据信息能对整
个道路交通信息进行动态感知，形成感知—分析—预测—感知循环途径，精确引导车辆行驶。位置服务平台提取有效信息至交通控制指挥中心，中心根据实时结果自动进行动态信号灯控制，切实保障公交信号优先，减少公交停靠时间，以达到智能化、精细化的管理模式。
3.3.55G通信技术[10]
公交车需要将实时采集的各项信息传至位置服务中心，公交优先精细化监控必须保证各项信息准确无误的呈现出来，数据不能出现丢失，尤其是高精度位置信息的输出，5G通信传输的高稳定、高速率，低时延的特性能很好地解决这一问题，车载终端设备与位置服务平台所获差分源的时间保持严格同步，使得位置信息几乎无失真。
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3.4应用效果分析
北斗公交优先通行项目的成功示范，将推动以北斗为核心的软硬件终端产品的技术创新，推动北斗位置服务战略性产业又快又好发展，既解决了目前所面临的困境，也打开了市场应用拓展的大门。公交优先通行可改善城市交通拥堵现象，实现公交精准报站与进站预告，能使车辆精细停靠站台，既提高了公交的运行效率，降低了运营成本，又提升公交服务质量与服务水平，整体提升苏州新一代城市新形象。将
北斗位置服务与其他部门联动，可提供不同类型的增值服务，如北斗位置服务与应急管理部门结合，可以提高公共安全以及应急事件的处置能力，提高救援工作的时效性，及时了解救援现场实况以便做出科学抉择。以上方面，将为北斗应用的拓展开辟新的途径。
4北斗位置服务未来展望与思考
随着我国北斗全球组网的步伐日益邻近，基于北斗的位置服务将对社会经济产生重大影响，经过近些年的发展与沉淀，北斗产业链已经形成，基于北斗的位置服务将形成产业，而且是发展空间、发展潜力较快的产业。目前一带一路沿线国家对北斗位置服务需求日趋明显，我国也在一些国家完成了北斗地面跟踪站建设，这对北斗的产业化发展进程至关重要，随着我国北斗公开服务接口文件的发布，国外厂商也将涉足北斗，这也为我国北斗相关企业带来了新的挑战。未来位置服务市场竞争将日趋激烈，竞争将从国内走向国外，产品质量、产品服务对未来市场的占有率起着至关重要的作用，国内国外市场拓展将掀起一场新的浪潮。
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（责任编辑：李文杰）