基于GIS与BDS的高速公路车辆短临预警平台研究

王路明，刘国图，许甜，高晋生

摘要：该技术以JAVA为开发平台，通过对实际采集的厘米级的高精地图进行矢量化处理，将架设在车辆上的北斗定位系统与矢量地图相结合，根据车辆间、车辆与构造物间的实时距离进行分析，计算出一套预测车辆行驶轨迹的算法用来判断碰撞，从而提前发出预警信号，达到短临预警的目的。

关键词：北斗 短临 预警 车辆 GIS 高精地图 预警模型

1.引言

近年来，为统筹推动部署我国智慧公路有序发展，交通运输部下发《关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知》，将基础设施数字化、路运一体化车路协同、北斗高精度定位综合应用、基于大数据的路网综合管理、“互联网+”路网综合服务、新一代国家交通控制网6个方向作为重点^[1]。在此背景下，本研究针对高速公路开展道路交通安全风险实时评估和隐患预警方面的研究。

研究表明，如果驾驶员能够提前1s感知到危险并及时采取预防措施，大约40%的正面碰撞事故、60%的与路面状况相关的事故和70%的追尾事故避免发生。随着5G网络、物联网技术、大数据分析技术、AI处理、高精卫星导航等技术的快速发展，使车辆的碰撞预警、高级辅助驾驶系统等车辆主动安全防控技术装备成为现实。

高速公路车辆短临预警平台是一个由人、车、路、环境以及交通管理等组成的系统任何一个因素都有可能导致交通事故的发生。因此，要减少高速公路交通事故数量，提高交通安全水平，需要建立一套完善的高速公路预警体系，做到事故的预先判断与报警^[2]。

本文研究提出了基于北斗系统的高速公路高精度定位信息获取方法，构建了基于高精度定位信息的车辆轮廓冲突短临预警模型，研制了具备播发高频（5Hz）高精度（厘米级）定位信息、接收并播报平台端实时预警信号功能的车载定位预警终端，并搭建了集成4G、微波、高速公路专网等多模通讯链路。实现分米级精度的车辆轨迹预测，系统车-车、车-路冲突预警效果满足相关标准测试要求，为高速公路风险实时评估和短临预警技术应用示范提供了支撑。

2.项目概况

新博高速公路项目路线起于新博高速起点位于韶关市新丰县会前村，与大广高速相接，经我市龙门县蓝田瑶族乡、龙田镇、龙城街道、平陵镇、龙江镇，在龙江镇路溪片区与广河高速相接，再经博罗县的公庄镇、柏塘镇、湖镇镇，终于罗阳镇义和村，与博深高速对接，并与广惠高速相接。本项目选取新博高速公路蓝田—龙江段，长度约30公里，为双向6车道高速公路。

3.高速公路短临预警平台的系统构成

短临预警平台是集信息采集与集成、实时分析与评价、风险快速预警与发布一体化的交通安全短临预警平台，主要涉及动静态数据采集、交通流分布、数据的快速分析、风险源快速识别、危险程度分析和预警、平台构建等相关理论研究与实现，采用多源异构数据、实时评估技术、系统软件的集成，建立起项目级在线短临预警平台；开发实现利用车载终端及其它设施实现对路段行驶车辆进行实时多级别的安全警报、语音提示、风险路况信息动态提示等在线短临预警功能^[3]。

3. 1. 预警平台的原理

为了让驾驶员在行驶过程中能够提前得到车辆风险预警信息，国内外学者对车辆碰撞预警方法和模型进行了大量研究，获取精确的车-车相对位置是实现防碰撞准确预警的基础。目前常用的车-车位置检测方法有两类，一是在车辆上加装雷达传感器、激光测距仪、视频捕捉设备等，通过数据各方面数据融合，对车-车距离进行计算、车道线检测及碰撞预警，二是利用高精度卫星定位技术采集车辆坐标，通过计算车-车相对位置进行距离识别并用于碰撞预警。第一类方法是目前智能驾驶技术的主流方法，但是该方法有明显不足：第一，车载传感器易被车辆行驶条件、公路周围环境和特殊气象条件所影响，会降低碰撞预警的可靠性；第二，多源数据库融合过程中需要进行大数据计算，所产生的时间会导致预警的时效性有所降低；第三，搭载多种传感器设备实现的车辆防撞预警系统的成本过高，不利于后期推广与维护。

1. 2. 平台的优越性

与单车智能预警相比，该方法具有以下显著优势：一是不依赖于视线条件，在弯道、有遮挡、恶劣气象导致视线不良的条件下识别度不受影响；二是不同与V2V模式，海量数据可汇聚于平台，与高精度地图相匹配，进行风险监控、评估和预警，可提升项目总体风险管控水平；三是相较多类传感器、海量视频处理所需的软、硬件装备，该类车载设备造价较低，易于推广应用。

1. 3. 实施高精定位数据

该数据来源于车载高精度定位及预警设备，该设备由我方人员自主研发，具有独立知识产权，并已经申请发明专利。其采用北斗星通的BDM651板卡，可以提供毫米级载波相位观测值和RTK定位精度，支持芯片级多路径抑制，领先的瞬时RTK和定向技术，尤其适合车辆、无人机等运动载体的高精度导航定位。终端集成4G通信USR-LTE-7S4模块，能够进行4G网络通信，并具有高效率低延迟的特点。主控单元是控制、协调车载终端正常运行的核心部分，采用ARM架构的32位单片机作为主控芯片，实时提取车辆的位置、速度等数据，控制无线通信模块发送车辆信息，控制预警响应模块执行响应等。

4.短临预警平台功能研究

在数据集成的基础上构建特殊路段条件下的预警模型；对高并发量的实时采集数据，实现快速分析处理，并根据风险模型评估风险指数；构建全方位一体化短临预警预报平台，结合高精度地理信息数据、定位数据实现交通流分析、速度分析、风险分析、决策管理以及预警预报等系统功能。

4. 1. 短临预警平台预警功能研究

为该平台的核心功能，内嵌章节四提到的跟驰、并行等算法在内，具有独立的知识产权，具体表现为安装过车载终端的车与车，或者车与高速公路上的构造物相对位置超过一定的阈值，就会对车辆进行危险预警，预警等级可以分为三级，根据车与车、车与高速公路构造物的相对位置做出判断，提醒司机做出正确操作，保障司机与乘客的人身与财产安全。

3. 2. 车辆实时定位显示功能研究

作为短临预警平台的车载终端，同样具有自主知识产权，该终端通过车辆点烟器进行供电，内嵌北斗星通的BDM651模块进行实时定位，集成4G通信USR-LTE-7S4模块，能够进行4G网络通信，并具有高效率低延迟的特点。并安装过车载终端的车辆位置会在短临预警平台软件中实时显示，并有实时速度、平均速度、行驶轨迹和经纬度等相关信息，另外在车载终端也会实时显示车辆的位置信息与速度。

5.总结

本文在现有交通安全预警理论的基础上，以搭建RTK基站与北斗车载终端为硬件基础，开发出一套集短临预警、车辆实时动态监控和大数据分析的交通安全预警系统，并且不依赖于视线条件，在恶劣气象条件下也能够做出正确预警，同时作为包含一套大数据处理分析算法，极大的保证了预警的准确性。该系统在交通安全预警领域是一次很好的尝试与实践。

在“十四五”新基建的基础上，智慧公路在全国各地进行试点，该预警平台是智慧公路在地方上的一次很好的示范。随着大数据、云服务等技术的完善与推广，该平台能够集成各种视频端口及后期的5G运行网络，处理更高并发数和车辆的信息，满足日益增长的信息服务。

随着公路车辆碰撞预警需求的不断增加，对精细化的车辆碰撞预警信息的应用必将进一步深入研究，北斗实时定位技术、RTK等技术在道路预警中将会得到更广泛的应用。

参考文献

1. 庄劲松,于鹏辉,曲大义,陈秀峰.高速公路交通安全预警系统的研究[J].公路交通科技(应用技术版),2011,7(03):228-231.

2. 杨敏明,王雪松.交通安全政策与宏观安全统计分析最新进展[J].交通与运输,2019,35(04):13-17.

3. 吴明先,许甜,刘建蓓,赵超杰,高晋生,李志锋.基于高频高精度定位信息的车辆轮廓冲突瞬时预测方法[J].中国公路学报,2019,32(06):105-113.