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  • 基于RFID技术的快速公交(BRT)车辆定位方案

    2012-07-31 12:05:18 来源:智能交通杂志 作者:王少飞 高乃明 评论:
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      摘 要:针对快速公交车辆的定位需求,在总结常用车辆定位方法的基础上,提出了基于RFID技术的"点式定位"方案,可作为基于GPS技术的"连续定位"方案的重要补充。实践证明,基于RFID技术的"点式定位"系统既能提高车辆定位精度,提升公交系企业的运营效率和服务水平,又能克服GPS在公交应用中的不足,在车辆运营数据采集、车辆实时监控等方面发挥重要的作用,具有较好的经济和社会效益,可在公交领域全面推广应用。

      基金项目:建设部2006年科学技术项目:《巴士快速交通技术运营研究》(06-K4-38)


      0 引 言


      车辆定位子系统是快速公交(BRT)智能系统的重要组成部分[1-6],是调度中心与运营车辆实现信息交互、保证快速公交系统高效运行的必要条件,同时也是为乘客提供信息服务的必要手段。快速公交车辆定位首先要满足公交运营管理部门的需要,即调度中心需要随时了解运营车辆处于什么位置并在定位的基础上实现跟踪、监控、调度与管理,通过实时掌握车辆、线路运行状况,及时与运行车辆交换信息,实时发布车辆运营信息,以充分提高快速公交的管理水平和服务质量;快速公交车辆定位同时还要满足乘客出行的需要,即乘客在车站候车时迫切需要的信息是下一辆车何时到达,只有在获得了这个信息之后,乘客才可以更好地做出乘车选择,安排好自己的行程。


      1 快速公交车辆定位需求分析[7-8]


      (1)车辆调度监控功能需求分析


      快速公交车辆的合理优化调度是建立在实时准确的车辆运营、客流量信息基础之上的,为了实现快速公交系统的高效运行,必须获取相应的基础数据作为调度决策的重要依据,这些数据主要包括:车辆位置(经度、纬度);车辆运行方向(上行、下行);车辆行驶速度;车辆运行状态(运营、等待、停运)等。


      显然,仅仅获取快速公交车辆的基础运行数据是不能满足车辆调度要求的,由于交通环境的复杂性以及司机的操作误差累积,必然会出现与既定行车计划产生较大偏差的情况,这就需要立即调整在线运营车辆的运行参数及发车间隔等,调整手段为向运营车辆发送调度指令(数字或语音)。造成出现偏差情况的主要原因主要包括:客流量的突发性变化;运营车辆与行车时刻表出现较大的偏差;车辆间距严重不合理(如串车、车辆间距过大);车辆遇到特殊情况(如车辆出现故障、遭遇交通事故)等。


      (2)乘客信息服务功能需求分析


      作为大容量快速客运方式,为乘客提供实时、准确、全面、优质的信息服务非常重要。乘客信息服务的内容包括出行前信息和出行中信息,出行中信息又有车站信息和车内信息之分,而这些信息的重要来源点之一就是车辆的定位数据。


      2 常用公交车辆定位方法综述


      目前公交车辆常用的定位方法主要包括:卫星定位法、航位推算法、地图匹配法、信标定位法以及以上技术的组合定位方法等。


      (1)卫星定位法


      全球四大卫星定位系统--美国的全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、俄罗斯的全球导航卫星系统(GLObal NAvigation Satellite System,GLONASS)、欧洲的"伽利略"(Galileo)卫星定位系统、中国的"北斗"卫星定位系统的格局逐渐显现,这四大卫星定位系统各有千秋,但GPS的技术最为成熟、应用最为广泛。


      (2)航位推算法


      航位推算(Dead Reckoning,DR)法又称惯性导航法,它依据牛顿力学原理进行定位,通过各种惯性传感器测量载体的速度、加速度、位移、航向等信息,解算出载体在惯性坐标系中的相对位置。其定位的基本思想是当车辆在二维平面空间行驶时,如果初始位置和先前的每步位移均已知,则在任何时刻的车辆位置都是可以计算的。当卫星定位系统无法正常工作时,可以利用航位推算系统的自动定位结果维持正常导航。航位推算法通常存在距离与相位误差,而且误差会随着距离与时间的增加而累积,产生累积误差。


      (3)信标定位法


      信标(beacon)定位法是在一定区域均匀地设置固定的自动车辆识别标杆,依据车辆与标杆的关系,求出车辆的相对位置。该定位方法适用于固定线路 (如公交线路)的车辆定位,当装有感应器的车辆经过信号标杆时,标杆上的发报器立刻将信号传送至调度中心,其定位精确度依信号杆设置的疏密而定,且车辆需按固定线路行驶时方能定位。


      (4)地图匹配法


      地图匹配(Map Matching,MM)法用来加强上述几种定位技术的不足。当定位系统提供的车辆位置坐标没有与电子地图配合时,地图匹配算法会寻找最近的路段,在地图上标示车辆位置。地图匹配可视为虚拟定位系统,位置的决定是依据节点(路口)、路型点(如转弯曲线的始点或终点)及道路的方位。地图匹配结果的好坏在很大程度上取决于地图精度的高低。常见的地图匹配算法有半确定性算法、概率性算法、基于模糊逻辑的算法等。


      (5)组合定位法


      GPS或GLONASS虽然能高精度、高效率、全天候地提供定位和授时信息,但在城市高楼区、林荫路、高架桥下、隧道路段等区域,GPS或GLONASS的定位功能可能会失效;航位推算是一种常用车辆定位技术,但方向传感器随时间积累误差较大,不能单独、长时间地使用。


      为了保证车辆正常行驶时,准确地获取车辆所处正确方位,必须使用地图匹配法校正定位误差。因此,通常可将不同的传感器融合在一起,进行车辆组合导航,运用先进的智能算法,达到最佳的组合状态。各组件传感器相互融合,充分发挥各自的优势,进行优势互补,从而获得比较满意的导航定位精度。目前车辆组合定位通常有以下几种形式:GPS/DR、GPS/MM、GPS/DR/MM、GPS/GLONASS、GPS/GLONASS/MM。


      3 快速公交车辆定位解决方案


      快速公交车辆定位子系统是实现快速公交车辆运营信息采集的主要手段,车辆的合理调度指挥及运营过程控制在很大程度上取决于其定位精确程度。快速公交车辆定位方式包括连续定位和点式定位。快速公交车辆定位子系统只与智能集成管理平台直接交互,并通过智能集成管理平台与其他子系统间接联系[2,6]。


      3.1 连续定位


      1.定位方法


      结合目前车辆定位技术的应用情况及快速公交系统的自身特点,快速公交车辆的连续定位推荐采用GPS技术,并可结合DR技术或MM技术进行组合定位。


      2.车地通信


      快速公交车辆的车地通信需求主要包括:车辆位置、车辆状态等信息的实时上传;调度指令信息的迅速接收;社会信息、广告信息、娱乐信息的及时更新;语音调度及紧急报警等。因此,车地通信在需求上既有语音也有数据,甚至扩展到车内监控图像的传输,故车地通信方式应同时满足这些要求,以实现设备的简单化、集成化和低成本。目前可以满足这种需求的通讯方式较多,但从系统运营成本、建设周期、灵活性、可扩展性等方面考虑,应当排除建设专用网络的方案而采用公众移动通信的方式。因此,可供选择的技术主要有GSM/SMS、GPRS、CDMA、3G、集群通信等。


      3.2 点式定位


      1.定位方法


      GPS虽然能迅速、准确、全天候地提供运营快速公交车辆的定位信息,但在城市高楼区、高架桥下、林荫道及隧道内,可能会出现暂时的定位盲点。为确保车辆精确定位,引入"点式定位"系统,并将其作为基于GPS技术的"连续定位"方案的重要补充。


      随着无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术的发展和成熟,将其应用于快速公交智能系统将能大大提高车辆的定位精度[9-11]。快速公交车辆的定位有其特殊性:专用的大容量公交车;车辆在专用道路上行驶,社会车辆禁止占用;公交站点间隔分布相对均匀且固定,因此,基于RFID技术来实现快速公交车辆的"点式定位"具有良好的先天条件。不同频段的射频识别系统在公交领域的典型应用见表1。


      表1 不同频段的射频识别系统在公交领域的典型应用



     
       2.定位原理


      RFID技术的基本原理是利用无线射频信号空间耦合(电磁感应或电磁传播)的传输特性,达到自动识别被标识对象的目的,是一种非接触式的自动识别技术[9],如图1所示。RFID系统主要由三部分构成:硬件、软件和数据格式与通信协议。硬件部分主要包括电子标签(Tag)、读写器(Reader)和天线(Antenna)。标签由耦合元件及芯片组成,每个标签具有唯一的电子编码,附着在车辆上以标识目标对象;是读取标签信息的设备,可设计为手持式或固定式;天线在标签和读取器间传递射频信号。软件部分主要包括中间件和应用管理软件,中间件通常具有以下关键特征:提供不同类型RFID读写器相兼容的标准化界面;数据过滤和不同格式的消息转换与传输;对RFID硬件设备进行有效地管理与监控;支持不同应用软件系统对RFID数据的请求;支持企业原有系统与标准化协议。


      图1 射频识别技术原理


      RFID系统的基本工作流程是:将电子标签安装(粘贴、插放、挂配、植入等)在被识别对象上,当其进入读写器的读取范围时,电子标签和读写器之间将建立无线通讯链路,电子标签向读写器发送自身信息(识别码、存储数据等),读写器接收信息并对其进行解码,然后传送至后台计算机进行处理,从而完成整个信息处理过程。


      3.应用方案


      "点式定位"系统构成如图2所示。Reader、Antenna策略性地分布在快速公交线路的重要地段(如首末站、枢纽站、交叉口、GPS信号盲区等),这些设备可安装在现有交通附属设施(如灯杆、路牌、交通标志等)上以减少工程投资,并通过快速公交通信传输网络与调度中心智能集成管理平台连接;Tag作为识别标识安装在快速公交车辆的相关部位(如挡风玻璃、车顶处),每张标签具有唯一的电子编码,以满足公交车辆"点式定位"的需求。目前适用于快速公交车辆"点式定位"的典型频率有2.45GHz和5.8GHz。基于RFID技术的"点式定位"信息流如图3所示。


      图2 "点式定位"系统构成


      图3 "点式定位"系统信息流图


      当快速公交车辆经过线路相关地段时,安装在该处的Reader读取Tag的唯一电子编码,并将读取的数据(标签电子编码)和其他数据(读取时间、读写器编号)等通过相应接口一并传送至上位机,其工程设计说明见表2和表3。


      
     


      基于RFID技术的交通参数测量方法如图4所示。快速公交车辆的地点车速计算公式为:V=S/T


      (1)


      式中,V--快速公交车辆的地点车速(km/h);


      S--两台Reader之间的距离(m);


      T--快速公交车辆经过两台Reader的时间差(s)。


      图4 基于RFID技术的交通参数测量示意图


      由于两台Reader之间的距离S一定,所以通过测量车辆经过两台Reader的时间差 即可得出其地点车速。与传统线圈式车辆检测器不同的是,该方法能获得实时通行车辆的ID号并以此与后台的数据库关联。


      根据交通工程学的定义,快速公交车辆的时间平均车速计算公式为:


      (2)



     
      4.技术要求


      原国家信息产业部于2002年8月23日发布了《关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知》,进一步明确了2.4GHz的ISM(Industrial,Scientific,Medical)频段开放性和相关技术限值,采用2.4~2.4835 GHz的ISM频段具有充分的法律保证。由于5.8GHz的RFID设备价格高昂,加之国内能生产该频段RFID设备的厂商非常少,对于公交企业而言,目前采用2.4GHz频段的有源RFID设备是最佳选择。结合快速公交系统的实际运营状况,RFID设备的基本技术要求见表4。


     


      5.应用情况


      从国内应用情况看,北京、杭州、常州等地的快速公交系统均采用了GPS技术,实现对公交车辆连续、实时的定位,这是一种较为常规的解决方案。对于类似重庆这样的城市,由于受地形地貌及市政设施的影响,可采用"点式定位"系统并将其作为GPS的重要补充,以保证车辆的精确定位。


      在"汶川"特大地震发生之前, RFID技术已成功运用于四川绵阳公交智能监控调度系统(一期工程),为公交运营管理部门的智能化调度管理提供了自动化管理手段,在车辆运营数据采集、车辆实时监控等方面发挥了重要作用[11],工程实拍照片如图5所示。


     



      图5 RFID设备在四川绵阳公交智能监控调度系统中的应用案例照片


      4 结 语


      (1)本文针对快速公交车辆的定位需求,在总结常用车辆定位方法的基础上,提出了基于RFID技术的"点式定位"方案,可作为基于GPS技术的"连续定位"方案的重要补充。实践证明,基于RFID技术的"点式定位"系统既能提高车辆定位精度,提升公交系企业的运营效率和服务水平,又能克服GPS在公交应用中的不足,在车辆运营数据采集、车辆实时监控等方面发挥重要的作用。


      (2)RFID技术作为一种新兴的自动识别技术,在交通运输领域已得到成功地应用,并取得了一定的经济和社会效益,其发展前景非常广阔。随着我国交通事业的迅猛发展,RFID技术在交通运输领域的应用将日益广泛,这必然是我国交通信息化建设的重要方向之一。


      参考文献


      [1] 《交通信号优先与智能交通技术的研究》课题组.巴士快速交通(BRT)智能系统技术指南-智能系统部分(送审稿)[R].《交通信号优先与智能交通技术的研究》课题组,2007.


      [2] 王少飞,关 可.快速公交智能系统框架结构研究[J].综合运输,2007,(11):53-56.


      [3] 王少飞,肖 鹏,陶瑞岩,张明星.快速公交系统(BRT)运营管理初步研究[J].中国公共安全:智能交通,2007,(11):127-132.


      [4] 王少飞.快速公交(BRT)智能系统研究[D].西安:长安大学,2008.


      [5] 王少飞,关 可,陶瑞岩,薛 亮.快速公交系统的特性分析研究[J].中国交通信息产业,2009,(3):134-136.


      [6] 王少飞.快速公交(BRT)智能系统的研究与应用[J].智能交通,2009,(3):90-93.


      [7] 王少飞,王志彪,张明星.大连快速公交(BRT)示范线智能系统总体建议方案[R].北京:中兴智能交通系统(北京)有限公司,2007.


      [8] 王少飞,王志彪,薛 亮.重庆高九路快速公交(BRT)示范线智能系统技术方案(草案)[R].北京:中兴智能交通系统(北京)有限公司,2007.


      [9] 谭 民,刘 禹,曾隽芳.RFID技术系统工程及应用指南[M].北京:机械工业出版社,2007.


      [10]王少飞,关 可,薛 亮.BRT信号系统中的射频识别技术应用[J].中国交通信息产业,2008,(3):127-129.


      [11]王少飞,关 可,伍庆文.射频识别(RFID)技术在智能公交系统中的应用研究[J].公路交通科技:技术应用版,2008,(3):140-142.


      作者简介:


      王少飞(1983-),男,汉族,陕西省富平县人,工学硕士,研究实习员,主要从事公路隧道交通工程、智能交通系统工程方面的科研、设计、检测和咨询工作。工作单位:招商局重庆交通科研设计院有限公司

    高乃明:.中国交通运输协会信息专业委员会


     

  • 关键字: RFID技术 BRT 车辆定位
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