基于BDS/GPS导航的公路智能化作业系统设计与应用

朱光祖

摘要：广西一些横穿崇山峻岭地带的高速公路具有桥隧多、边坡多且陡峭等特征，为了保障这些高速公路施工作业人员的安全并提高管理效率，文章提出并设计了基于BDS/GPS双模式导航系统的智能公路作业系统，通过智能导航、感知和预警等方式，有效突破传统现场管理的短板，使施工管理达到高效化和智能化。

关键词：高速公路；智能化；DBS；GPS

中图分类号：U491.2 A 61 202 3

0 引言

近年来，随着高速公路里程的不断增加，各地高速公路在施工养护上投入了大量的人力和资金。随着智慧交通“云计算、大数据、物联网、移动互联网”等新一代信息技术的发展和突破，公路养护也逐渐迈入“智能养护”的行列［1］。

处于广西山川地带的高速公路，其养护困难、成本高，且由于地势问题，极大地降低了养护施工人员的安全系数及现场的管理效率，尤其是在夜间抢修中。为了提高现场的管理效率、保证施工人员的安全，本文提出了基于BDS/GPS双模式导航系統的智能公路作业系统以代替传统的高速公路施工作业方式。系统中利用物联网、大数据和云计算技术为施工作业人员提供导航、感知和预警三位一体的智能终端，可有效突破传统现场管理的短板，达到高效化和智能化养护管理的目的。

1 系统概述

1.1 系统简介

智能公路作业系统架构由智能安全衣、智能安全帽、智能锥桶等智能终端和软件系统平台组成。系统以智慧施工安全产品云平台为核心，智慧反光衣及相关智慧施工安全用品作为终端，利用4G移动通信和BDS/GPS导航，将施工人员地理位置结合地图进行了可视化，通过大数据技术智能分析，向终端发出预警，提高施工安全和现场管理水平。

1.2 关键技术

本系统的核心技术为DBS/GPS组合导航技术，该系统可以通过BDS和GPS导航系统对BDS或GPS导航信息作测量并解算，以形成测量值，并从这些测量值中计算出BDS和GPS导航系统的误差并校正。其相对于基于BDS或GPS单模式导航具有更高的精度［2］。

卫星导航的实质就是通过测量卫星到用户接收机之间的距离来确定用户的位置［3］，即：

P=c×（T0－T1）（1）

式中：P——用户位置距离；

c——常数，3×108 m/s；

T0——卫星信号发射时刻；

T1——接收机信号接收时刻。

由三角形定理可得，求解卫星的空间坐标至少需要3颗卫星。由于存在接收机的时钟差，因此传统的单一模式导航至少需要4颗卫星才能求解，关于伪距观测值的四参数方程为：

ρn=（xn－x）2+（yn－y）2+（zn－z）2+c·tr （2）

式中：ρn——伪距观测值；

（xn，yn，zn）——卫星坐标；

（x，y，z）——接收机坐标；

c——常数；

tr——接收机时钟差。

本文采用的BDS/GPS组合导航技术还需要考虑BDS系统和GPS系统的时间差TB_D，因此该系统关于伪距观测值的五参数（x，y，z，tr，TB_D）方程组可表示为：

ρB1=（x－xB1）2+（y－yB1）2+（z－zB1）2+c·tr+nρB1ρB2=（x－xB2）2+（y－yB2）2+（z－zB2）2+c·tr+nρB2ρBm=（x－xBm）2+（y－yBm）2+（z－zBm）2+c·tr+nρBmρG1=（x－xG1）2+（y－yG1）2+（z－zG1）2+c·tr+TB_D+nρG1ρG2=（x－xG2）2+（y－yG2）2+（z－zG2）2+c·tr+TB_D+nρG2ρGn=（x－xGn）2+（y－yGn）2+（z－zGn）2+c·tr+TB_D+nρGn

（3）

式中，（m+n）≥5，nρ为伪距观测的总误差项，伪距观测值ρBm、ρGn可由导航电文报获取，（xBm，yBm，zBm），（xGn，yGn，zGn）可由发射时刻的星历数计算出。由BDS/GPS双模式系统的导航流程如图2所示。

2 硬件系统及功能介绍

在硬件设计中，Luat Air820UG导航模块和4G通信模块为各终端的核心模块。基于此构建了终端的导航电路、通信电路和预警电路等。并用中科微的测试软件和程序对设计的导航模块进行了效果测试，其结果如图3所示。图3（a）Gn（n=6，7，10…）的纵坐标表示对应GPS卫星搜星值，Bm（m=1，2，3…）的纵坐标表示对应BDS卫星搜星值，该值越高越利于导航。由图3（a）可知，通过BDS/GPS双模式导航获得不小于5颗可视卫星的平均搜星值大于单独的GPS或BDS模式不小于4颗可视卫星的平均搜星值，说明通过BDS/GPS双模导航相对于BDS或GPS单模式具有更精确的导航效果。图3（b）展示了终端分别在GPS和DBS模式下导航所需时长，对于DBS导航，其导航质量高于No Fix即为导航成功；对于GPS导航，其导航质量高于Invalid即为导航成功。由图3（b）可知，本文所设计的终端无论是在GPS还是在DBS模式下均可实现秒级的导航。基于导航电路和通信电路，构建了语音播报电路、接近感应电路、视频电路等，形成了智慧反光衣、智慧安全帽和智慧锥筒等一系列智能终端［4］。

2.1 智慧反光衣

智慧反光衣在导航电路和通信电路的基础上构建了接近感应电路、震动示警电路等。该终端导航精度可达到10 m以内，配合平台可实现实时轨迹、历史轨迹回放，可以满足管理人员对公路现场施工人员的有效管理、精准调配。同时在安全方面，其可根据环境亮度，智能开启LED灯闪烁，并配合声音、震动警示，为施工人员作业提供安全保障。

2.2 智慧安全帽

智慧安全帽在导航电路和通信电路的基础上构建了视频电路、加速度感应电路等，支持卫星导航、轨迹跟踪，并集成了高清摄像的功能，管理者可以实现对佩戴安全帽养護人员的高效调用。当遇见紧急情况时，还可一键摄像进行本地存储，为事后事件分析提供有效的证据。在安全方面，智慧安全帽实现了佩戴检测、加速度检测、静默警示、一键求救等功能，来保证佩戴人员的安全。

2.3 智慧锥筒

智慧锥筒在导航电路和通信电路的基础上构建了放倒感应电路以及无线语音播报模块等。智慧锥筒通过GPS和BDS系统的导航和视频技术，可实现道路异常信息的实时采集，并接入百度地图交通大数据平台。施工人员在施工区域摆放后，设备自动导航，自动上传位置，通过导航等移动终端软件产品实时发布，并在距离施工现场超过2 km的位置精准推送施工预警信息，播报语音提示车辆提前减速，安全通过施工区域，保障人身安全，提升社会安全效益。

3 软件平台设计

基于BDS/GPS双模式导航系统的智能公路作业系统软件主要分为后台管理中心和数据处理服务器。后台服务器软件将4G节点传输回来的各终端数据进行分类存储，并通过自定义数据处理方案进行分析。然后通过SVG矢量图技术将后台数据可视化，并提供给标准化接口的前端软件应用［5］。

软件平台的主要功能包括信息采集、远程控制和自动警示三大部分。其网络拓扑图如图4所示。

软件拓扑图包含了智能反光衣、安全帽、锥桶等终端，以及4G通信模块、服务器、管理中心和用户端。在服务器端，后台服务器端通过4G网关进行通信，并通过加密的MQTT服务会话，提升数据并发和数据传输的有效性和安全性，保证了数据的实时收发和处理。

在用户端可以通过手机APP、微信小程序或PC网页，观察智能终端佩戴者的行动轨迹或安装状况，以及控制智能终端发出示警或语音播报。实现智慧反光衣、智慧安全帽和智慧锥桶等的联动，为现场的施工人员提供安全保障。如图5所示，监控界面可显示智能反光衣佩戴者的行动轨迹以及由智慧锥桶圈起来的危险区域，上级管理人员可以通过用户平台有效调动现场工作人员，提高施工的效率。

4 系统的应用

目前，本系统已应用于贺州至巴马高速公路、南平高速公路等各个路段的养护。所提出系统所包含的终端，均为道路养护人员作业的必需品，可以有效地使施工人员从传统的反光衣、安全帽、锥桶等过渡到智能产品使用中。使用智慧安全锥桶加警示牌提醒过往车辆减速，降低车速率平均可达40%，而使用传统锥桶加警示牌，平均降低车速率仅为25%；在高速公路边坡桥梁等危险地段作业，穿戴智能安全帽作业时，平均每小时通过现场的环境分析对施工人员的安全提示可达13次，大大提高了现场施工人员的安全防范意识；在现场施工人员调用中，调用智慧安全衣和安全帽穿戴人员相对于调用穿戴传统安全衣和安全帽的施工人员节省了60%的时间［时间节省率=（传统安全调用时间-智慧安全调用时间）/传统安全调用时间］。通过应用期间维护通信光缆的过程表明，使用智能作业产品进行施工作业，相对于使用传统产品在施工人员的安全保障、管理效率方面均有提高。

5 结语

本文针对当前高速公路施工存在的安全隐患设计了一套适用于高速公路流动性的智能作业系统。系统采用BDS/GPS双模式导航技术，相对于传统的单一模式导航方式，导航的效果得到了提升，并通过4G无线通信的方式，保证了现场数据返回的可靠性和时效性。该系统提高了高速公路上流动性施工作业人员的安全保障，结合软件运维平台有效地提高了管理的可调性，节省了运维人力，并通过实际运用案例验证了所提出系统的可实施性。

参考文献

［1］高辉光.基于大数据的高速公路智能养护系统研究［J］.交通科技与管理，2021（25）：2.

［2］邵志超，熊伟峰，张建通，等.高速公路智慧养护管理系统设计探究［J］.中国交通信息化，2022（S1）：444-448.

［3］康朋飞.GPS/BDS组合系统伪距联合单点导航算法的对比分析［J］.电子设计工程，2019，27（19）：127-130，135.

［4］陈 亮，李 超，师鹏宇，等.BDS/GPS组合导航定位研究［J］.无线电工程，2020，50（3）：227-231.

［5］李苗华，戴剑军，李向东，等.基于智慧路锥的取消高速公路省界收费站工程占道施工安全保障方案研究［J］.湖南交通科技，2021，47（4）：138-140.

收稿日期：2023-07-20