基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研究

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民生活質(zhì)量越來越高，現(xiàn)在汽車不僅僅是代步工具，消費者還需要更多先進(jìn)的智能高端功能，所以對汽車制造業(yè)的要求越來越高，因此車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)運而生。車聯(lián)網(wǎng)通過車輛裝載的相應(yīng)終端借助高端識別技術(shù)獲取車輛的各項信息、靜態(tài)屬性信息及動態(tài)運行狀態(tài)信息等 [1]。目前我國車輛所安裝的車載終端均為 GPS 定位系統(tǒng)， 然而一旦美國不再提供 GPS 信號，就會導(dǎo)致系統(tǒng)完全失效， 尤其在戰(zhàn)時緊急狀態(tài)，國家需要對車輛進(jìn)行緊急管控時，若因 GPS 信號的實效性導(dǎo)致調(diào)度失敗，將產(chǎn)生重大影響 [2]，因此基于我國北斗衛(wèi)星的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)勢在必行。

美國 GPS 的精度只有 20 m，需要經(jīng)過地面站的加強系統(tǒng)處理，才可以達(dá)到水平 1 m、垂直 1.5 m 的精度。而我國自主研發(fā)的北斗系統(tǒng)，民用級別精確度高達(dá) 10 m，軍用級別精確度更高，基于北斗的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)覆蓋了全國乃至東北亞、東南亞以及西亞邊貿(mào)口岸，到 2020 年，北斗系統(tǒng)將覆蓋全世界，精度達(dá)到毫米級 [3]。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)符合國家產(chǎn)業(yè)政策方向，是政府未來幾年力推的重點產(chǎn)業(yè)。而車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)正是基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)的車與車、車與人、車與路、車與傳感設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)互通的動態(tài)移動通信系統(tǒng)，具有一定的創(chuàng)新性和產(chǎn)業(yè)發(fā)展能力 [4]。

北斗車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為每輛車配有 10多個傳感器對其進(jìn)行信息監(jiān)控，并將得到的信息匯集到黑匣子中，北斗衛(wèi)星通過黑匣子實時獲取監(jiān)控狀態(tài)信號，如駕駛員的駕駛狀態(tài)等，指揮中心可以通過北斗衛(wèi)星獲取狀態(tài)信息從而更全面地對車輛進(jìn)行控制監(jiān)管 [5]。若車輛在運行過程中發(fā)生異?，F(xiàn)象，如改變行車路線或者發(fā)生交通事故時，指揮中心會立即報警，呼叫就近的救援團(tuán)隊趕赴現(xiàn)場救援。該系統(tǒng)較傳統(tǒng)的 GPS 導(dǎo)航更為先進(jìn)，在手機沒有信號的情況下同樣適用，大大縮短了信息從地面反饋到指揮中心的時間，用時縮短到 0.01 s 左右。

1 北斗車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體概述

1.1 北斗車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的全國網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.1.1 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)是指利用傳感、計算、網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)對大范圍、大容量的車輛、道路及交通狀況進(jìn)行感知與控制， 以便提高交通效率和交通安全。北斗車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)如圖 1 所示。

從網(wǎng)絡(luò)的角度來看，北斗車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有三層體系架構(gòu)， 分別是端系統(tǒng)、管系統(tǒng)和云系統(tǒng) [6]。

(1) 端系統(tǒng)負(fù)責(zé)感知與采集車輛的行車狀態(tài)與環(huán)境信息，同時作為一個通信終端，可以實現(xiàn)車與車、車與網(wǎng)間的通信，使汽車能夠進(jìn)行 IOV尋址，具備網(wǎng)絡(luò)可信標(biāo)識等能力。

(2) 管系統(tǒng)統(tǒng)一了公網(wǎng)與專網(wǎng)，實現(xiàn)了車輛間自組織網(wǎng)絡(luò)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的通信漫游，提升了網(wǎng)絡(luò)廣泛性，可解決車與車、車與網(wǎng)、車與路之間的聯(lián)通問題，保障系統(tǒng)的實時性 [7]。

(3) 云系統(tǒng)可以虛擬化并存儲各行業(yè)類型車輛的海量運行信息，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、計算，進(jìn)而對車輛進(jìn)行調(diào)度、監(jiān)控與管理。

1.1.2 云平臺架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由覆蓋全國車聯(lián)網(wǎng)指揮中心及網(wǎng)絡(luò)、車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)及應(yīng)用平臺的建設(shè)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心、車聯(lián)網(wǎng)國家級產(chǎn)業(yè)園的建設(shè)、車聯(lián)網(wǎng)運營服務(wù)公司等構(gòu)成 [8]。

系統(tǒng)采用矩陣式部署，在全國組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要面向與銀行、電信、移動、交通、公安等重點行業(yè)進(jìn)行專業(yè)對接。北斗車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的云平臺架構(gòu)如圖 2 所示。

北斗車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)利用 GIS 技術(shù)進(jìn)行科學(xué)的管理和決策 ： 將 GIS 應(yīng)用到車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，增加行業(yè)的應(yīng)用分析功能，科學(xué)地管理好橋隧信息 [9]。北斗車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的遙感地理信息系統(tǒng)如圖 3 所示。

(1) 全國路網(wǎng)及其地形信息、屬性信息以數(shù)據(jù)形式保存 在全國云數(shù)據(jù)磁盤陣列中，通過專業(yè)光纖傳輸至各省市車聯(lián) 網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫，無需重復(fù)勘測和投資，避免精度降低 引起誤差從而降低數(shù)據(jù)的利用率，可大幅提高工作處理效率 ；

(2) 通過 BDS 和 RS 及時更新 GIS 中的數(shù)據(jù)，為車聯(lián)網(wǎng)用戶提供最新最準(zhǔn)確的路網(wǎng)圖，保證信息數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性 ；

(3) GIS 可以自動計算車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的業(yè)務(wù)量，減少人工計算引起的誤差，如車輛路徑尋優(yōu)技術(shù)，貨運的多任務(wù)規(guī)劃與協(xié)同等，有效提高了資源利用率 [10]。

1.2 北斗車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的省級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

北斗車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)分為省外和省內(nèi)兩部分，省外通過高速光纖專線信道將本省北斗車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用中心與全國北斗車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用中心相連，通過該通道與全國其他省級和國際口岸進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，形成開放的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

省內(nèi)系統(tǒng)由省級北斗車聯(lián)網(wǎng)平臺和已有車輛業(yè)務(wù)平臺系統(tǒng)構(gòu)成，它們通過信息交換服務(wù)與數(shù)據(jù)共享網(wǎng)關(guān)進(jìn)行松耦合連接，彼此業(yè)務(wù)獨立，數(shù)據(jù)共享，相互支撐 [11]。其中省級北斗車聯(lián)網(wǎng)平臺包括省北斗車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心、省車聯(lián)網(wǎng)運維服務(wù)中心和省車聯(lián)網(wǎng)客戶呼叫服務(wù)中心。

1.2.1 車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享中心

北斗車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)車輛可以通過一系列傳感器、圖像處理裝置等進(jìn)行車輛靜態(tài)位置、動態(tài)速度和路線數(shù)據(jù)信息的采集， 并將這些數(shù)據(jù)運用移動互聯(lián)技術(shù)傳輸匯聚到省車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心 [12]。數(shù)據(jù)中心分析和處理車輛的數(shù)據(jù)信息，對路況現(xiàn)狀進(jìn)行匯報及對交通信號燈進(jìn)行安排。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)省級數(shù)據(jù)平臺如圖 4 所示。

1.2.2 信息交換服務(wù)與數(shù)據(jù)共享網(wǎng)關(guān)

建立省統(tǒng)一的信息資源交換平臺，實現(xiàn)信息交換服務(wù)和數(shù)據(jù)共享網(wǎng)關(guān)功能，將省車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心建成全省車聯(lián)網(wǎng)信息的樞紐，加強與公路交通、執(zhí)法監(jiān)督、物流運輸?shù)溶囕v管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和交換，建立車聯(lián)網(wǎng)信息資源目錄， 與各市交通運輸局、廳直各單位自身信息資源建立目錄共享服務(wù) [13]。

1.2.3 客戶呼叫服務(wù)中心

車聯(lián)網(wǎng)呼叫中心是一個較為龐大的系統(tǒng)工程，涉及方言配比、遠(yuǎn)程服務(wù)內(nèi)容、坐席數(shù)量等因素，由于目前車主的付費意愿不強，廠家收不到服務(wù)費，所以需要投入大量資金建立北斗車聯(lián)網(wǎng)呼叫中心， 中心基于 Telematics 的 E-CALL， B-CALL 及 I-CALL 為用戶提供人工領(lǐng)航服務(wù)、聲控導(dǎo)航等個性化服務(wù)，用戶可以通過一鍵通按鈕對服務(wù)中心進(jìn)行呼叫， 隨時享受其提供的全方位服務(wù) [14]。

1.3 北斗車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)平臺

1.3.1 第三方應(yīng)用服務(wù)平臺

車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式建立在 OpenAPI 基礎(chǔ)上， 它是 Web， IM，SMS 等服務(wù)的提供者。第三方應(yīng)用開發(fā)商通過該技術(shù)與車聯(lián)網(wǎng)平臺互動，通過即時通信軟件，基于其 OpenAPI 客戶端進(jìn)行交互，車聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)于是一個存活于 OpenAPI 基礎(chǔ)之上的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中心 [15]。降低第三方應(yīng)用開發(fā)和接入的成本有利于系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)量的增長與用戶數(shù)量的增長。三方應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)如圖 5 所示。

1.3.2 計費系統(tǒng)

北斗車聯(lián)網(wǎng)的計費系統(tǒng)功能繁多，包括客戶管理、計費處理、賬務(wù)處理、資費管理等，其中語音業(yè)務(wù)、信息服務(wù)業(yè)務(wù)需要付費 [16]。

1.3.3 銀行結(jié)算與支付系統(tǒng)

北斗車聯(lián)網(wǎng)利用中國銀聯(lián)的 NFC 可信賴服務(wù)管理者（TSM）平臺，將 TSM 平臺整合于車聯(lián)網(wǎng)運營商與企業(yè)，讓TSM 平臺不僅可用于支付卡，還能用于儲值卡、社保卡、學(xué)生卡、賒購卡及移動門票等的結(jié)算與支付 [17]。

1.3.4 手機聯(lián)網(wǎng)支付系統(tǒng)

北斗車聯(lián)網(wǎng)與手機支付已有成熟的商業(yè)合作，手機就像銀行卡，車載終端就像一臺移動 POS 機，用戶在加油、寬帶充值、銀行卡轉(zhuǎn)賬、買電影票以及預(yù)訂酒店機票等時可以進(jìn)行手機支付 [18]。

2 北斗車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)擬解決的難點問題

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)亦有其局限性與需要解決的難題。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的全球化，車流的跨地域活動越來越頻繁，當(dāng)某一省的車輛離開省境時，車與車、車與路、車與人的數(shù)據(jù)鏈接都會因為省級車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的限制而變得困難，另外跨省移動通信資費等問題也難以解決。

同樣，當(dāng)省外車輛進(jìn)入省境時，也會因為普通省級車聯(lián)網(wǎng)平臺的限制，使車輛處于監(jiān)管盲區(qū)，這對于估算省內(nèi)物流、客流的情況極為不利。

3 結(jié) 語

中國自主研發(fā)的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)—北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以為用戶大范圍、全天候的提供高精度且可靠的定位導(dǎo)航信息服務(wù)，方便快捷。基于北斗的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也可以為用戶提供精確高效、實時性高的信息，以便更好地控制和管理車輛，實現(xiàn)智能一體化。